[論文レビュー] More power to the people: getting the most from a dielectric elastomer generator

Patrin Illenberger, Kentaro Takagi+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2016

Dielectric materials and actuators参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、誘電エラスマー発電機（DEG）における自己プライミング回路（SPC）の最適化のための数学的モデルを提示する。このモデルにより、誘電エラスマーの自己容量変化と同期した電荷移動が可能となり、最大のエネルギー回収が実現される。損失を含めた場合、理論、シミュレーション、実験の間で0.1%の高精度を達成しており、SPCの性能は、正確な波形形状ではなく、DEの最大および最小容量に主に依存することが示された。

ABSTRACT

A dielectric elastomer generator (DEG) can be used for converting mechanical energy from natural motion sources such as walking, waves, trees etc, into electrical energy. A DEG is comprised of a soft and flexible Dielectric Elastomer capacitor (DE), a Priming Circuit (PC), which transfers high potential charge onto/off the DE electrodes, and a power extraction circuit which harvests the generated power. To generate power, the PC must charge and discharge the DE in synchronization with the DE's capacitance change. A simple circuit to do this exists: the self-priming circuit (SPC). The SPC consists of diodes and capacitors which passively switch between charge delivery and charge receiving states in synchronization with the DE's capacitance change. Until now there has been no understanding of how to design a SPC in order to maximize harvested energy from the dielectric elastomer (DE). A new mathematical model for a SPC is presented, leading to design and optimization. An accuracy of 0.1% between model, simulation and experiment is obtained once losses are taken into consideration. The behavior of the SPC is shown to be related to the maximum and minimum capacitance's of the DE, but is largley unaffected by the exact capacitance waveform

研究の動機と目的

• 自然の運動から機械的エネルギーを回収するために不可欠な誘電エラスマー発電機（DEG）における自己プライミング回路（SPC）の設計指針の不足に対処すること。
• 最大の電気的エネルギー回収を実現するための、SPCの体系的設計および最適化を可能にする数学的モデルの開発。
• SPC性能が誘電エラスマーの容量特性、特にその最大値および最小値にどのように依存するかを理解すること。
• 実験的検証およびエネルギー損失を含む現実的な条件下でのシミュレーションにより、モデルの妥当性を検証すること。
• 容量波形の正確な形状がSPC効率に顕著な影響を及ぼすのか、それとも僅かに極値の容量値のみが重要なのかを特定すること。

提案手法

• 誘電エラスマーの容量変化と同期した電荷移動のダイナミクスを捉える新しい数学的モデルの構築。
• 抵抗損失および漏れ損失を含む回路部品のエネルギー損失メカニズムをモデルに組み込み、精度を向上。
• DEの機械的変形に応じて、電荷供給状態と電荷回収状態の自動スイッチングを可能にするために、受動的ダイオードおよびコンデンサをSPCに使用。
• さまざまな容量波形下でのSPC挙動をシミュレートし、実験的測定結果と比較することで、モデルの検証。
• SPCのエネルギー回収効率とDEの最大および最小容量値との間の解析的関係を導出。
• 実験データを用いたモデルキャリブレーションにより、最終的に理論、シミュレーション、実験の間で0.1%の誤差に収束。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電エラスマー発電機（DEG）における自己プライミング回路（SPC）を、エネルギー回収量を最大化するように体系的に設計する方法は何か？
• RQ2 SPC性能に支配的な影響を与える要因は何か：DEの最大および最小容量か、それとも容量波形の詳細な形状か？
• RQ3 エネルギー損失が、理論的およびシミュレーティブなSPC性能予測の正確性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 異なるDE構成および動作条件に対応できる、正確なSPC挙動を予測可能な数学的モデルを構築可能か？
• RQ5 SPCの効率は、さまざまな容量波形に対して一貫性を示すのか、それとも特定の波形形状に敏感か？

主な発見

• 提案された自己プライミング回路（SPC）の数学的モデルは、損失を含めた場合、理論、シミュレーション、実験の結果と一致し、エネルギー回収予測において驚異的な0.1%の精度を達成した。
• SPCの性能は、容量波形の詳細な形状ではなく、誘電エラスマーの最大および最小容量値に主に依存することが明らかになった。
• SPCのエネルギー回収効率は、容量波形の変動に対してほとんど影響を受けないことが判明し、非理想的な機械的変形プロファイルに対しても頑健であることが示された。
• 抵抗損失および漏れ損失などのエネルギー損失は、高い予測精度を達成するためには明示的にモデル化する必要があり、それらを無視すると顕著なずれが生じる。
• 本モデルにより、DEG用SPC設計の精密最適化が可能となり、実世界の応用における出力電力の最大化に実用的なフレームワークを提供する。
• 理論的枠組みの信頼性を確認するため、モデル、シミュレーション、実験の三者間での検証が成功した。