[論文レビュー] Smart materials and structures for energy harvesters

Tian Liu, Sanwei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2017

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、振動エネルギー発電機のスマート材料および構造的設計についてレビューし、エネルギー変換効率を向上させるために圧電材料とカーボンナノチューブに焦点を当てている。帯域幅が狭く低周波数で動作するという課題に対処するため、変換メカニズムと先進技術を分析し、変動する振動源を有する実用的応用において発電機を最適化する包括的なフレームワークを貢献している。

ABSTRACT

Vibrational energy harvesters capture mechanical energy from ambient vibrations and convert the mechanical energy into electrical energy to power wireless electronic systems. Challenges exist in the process of capturing mechanical energy from ambient vibrations. For example, resonant harvesters may be used to improve power output near their resonance, but their narrow bandwidth makes them less suitable for applications with varying vibrational frequencies. Higher operating frequencies can increase harvesters power output, but many vibrational sources are characterized by lower frequencies, such as human motions. This paper provides a thorough review of state of the art energy harvesters based on various energy sources such as solar, thermal, electromagnetic and mechanical energy, as well as smart materials including piezoelectric materials and carbon nanotubes. The paper will then focus on vibrational energy harvesters to review harvesters using typical transduction mechanisms and various techniques to address the challenges in capturing mechanical energy and delivering it to the transducers.

研究の動機と目的

• 機械的、熱的、電磁的、太陽光などの多様なエネルギー源を用いた発電技術の最新状況を分析すること。
• 周囲の振動から機械的エネルギーを捕集する際の主な課題、特に帯域幅が狭く低周波数で動作することを特定すること。
• エネルギー変換効率を向上させるために、圧電材料やカーボンナノチューブなどのスマート材料の役割を評価すること。
• さまざまな振動周波数にわたる出力電力と運用の頑丈さを向上させる構造的および設計的技術を検討すること。
• 実用的応用においてエネルギー発電性能を向上させるための変換メカニズムと戦略を体系的にレビューすること。

提案手法

• 圧電およびカーボンナノチューブベースの変換メカニズムを用いた振動エネルギー発電機の体系的レビュー。
• 共鳴型発電機とその限界、特に帯域幅が狭く周波数のずれに敏感である点の分析。
• 非線形力学および多自由度設計を用いた運用帯域幅を広げる技術の評価。
• 低周波数の周囲のエネルギー源であっても出力電力を増加させるために、高周波数動作戦略の調査。
• 機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換効率を最適化する構造的配置の検討。
• 材料的および構造的イノベーションを統合し、変動する振動条件下でのエネルギー発電性能を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴型発電機は、変動する振動周波数下でどのように動作するのか。その実用的導入が制限される要因は何か。
• RQ2 圧電材料やカーボンナノチューブなどのスマート材料が、エネルギー変換効率を向上させる役割を果たすメカニズムは何か。
• RQ3 振動エネルギー発電機の運用帯域幅を広げるために、効果的な構造的および機械的設計戦略は何か。
• RQ4 人間の運動のような低周波数源に最適化された発電機は、どのように設計すべきか。
• RQ5 周囲の機械的振動を有用な電気的エネルギーに変換するための最も効果的な変換メカニズムは何か。

主な発見

• 共鳴型発電機は、共鳴周波数近辺で高い出力電力を示すが、帯域幅が狭いため、周波数が変動する環境ではその有用性が制限される。
• 圧電材料は、高いエネルギー変換効率とマイクロフォーミング技術との相性が良いため、広く使用されている。
• カーボンナノチューブは、高い機械的強度と調整可能な電気的特性を有するため、ナノスケールでの効率的なエネルギー発電が期待できる。
• 非線形力学やマルチマス構造を用いる技術は、振動発電機の運用帯域幅を顕著に広げる。
• 高周波数動作は出力電力を増加させるが、多くの周囲のエネルギー源は低周波数で動作するため、入力条件に適合するための革新的な構造的設計が不可欠である。
• 最適化された構造幾何形状とスマート材料を統合することで、多様で予測不能な振動入力に対してもエネルギー発電性能が向上する。