エレクトレット発電器

出典: BeansCM

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環境応用デバイス マイクロエネルギー 環境発電 振動
機能・製作用要素 機能要素 アクチュエータ・トランスデューサ要素 発電要素


目次

項目の説明 【必須】

 エレクトレット発電器とは,エレクトレットにより形成される静電場を用いた静電誘導発電を行うデバイスである. その歴史は比較的古く,Jefimenko(1978),Tada(1986)らによって提案された.しかし,直径45mmの 円板を対向させて回転させたTadaの実験においても,発電量としては1mW程度であり,電磁誘導よりも出力が低いため, 実用的とは考えられなかった.しかし,近年,環境発電(energy harvesting)が注目されてきており,エレクトレット 発電器の出力で動作可能と考えられるアプリケーションも増えてきている.

構造

図1 エレクトレット発電の原理

 基本構造は,図1に示すように,エレクトレットと電極を向かい合わせ,垂直移動,水平移動,空隙の誘電率変化のいずれかによって 電極に誘導される電荷量を変化させ,外部回路に交流を取り出す,静電誘導発電の一種である.

特性・性能・評価

図2 エレクトレット発電器のコンデンサモデル

 エレクトレット発電器は,図2の直列コンデンサでモデル化できる.下側の予め電荷を持ったコンデンサがエレクトレット膜に相当し,上側のコンデンサがエレクトレット膜と 対向する電極の間の空隙に相当する.電極が水平移動する場合は,重なり面積の変化により,2つのコンデンサの容量が同時に変化する.Boland et al.(2003)は, このモデルを用いて,インピーダンスを整合させた場合のエレクトレット発電器の理論最大出力を以下のように求めた.

Pmax = fracsigma2cdotnA0f4fracvarepsilonvarepsilon0dleft(fracvarepsilongd + 1ight)

ここで,sigmanA0fvarepsilong, dは,それぞれ,エレクトレットの表面電荷密度,一振幅当たりに通過する電極数,面積,振動周波数,エレクトレット膜の比誘電率, 空隙の高さ,エレクトレット膜の厚さ,である.

 従って,発電量は,エレクトレットの表面電荷密度の2乗に依存し,面積,振動周波数に比例することが判る.一方,電磁誘導では,誘導電圧が面積,振動周波数に比例するため, 発電量は,それらの2乗に比例する.よって,面積が小さいマイクロ発電器,特に周波数も低い環境発電用途の発電器には,エレクトレットを用いた静電誘導が向いていることがわかる. なお,出力電圧は,エレクトレット発電器では周波数に依存せず,上述のモデルでは,エレクトレットの表面電位の1/2となる.従って,数10Vの出力電圧を得ることは容易であり, これも電磁誘導に比べて有利な点である.

 Sakane et al.(2008)は,CYTOPをベースにエレクトレット材料を開発し,従来材料(Teflon AF)よりも4倍程度大きい,1.5 mC/m^2の表面電荷密度を得た.そして, 150umの短冊状にパタニングした20mm x 20mmのエレクトレット基板を製作し,20Hz,1.2mmp-pの強制振動から,0.7mWの大きな発電出力を得ている. この際の出力電圧は,168Vp-pと高く,低周波数でのエレクトレット発電器の優位性がわかる.

文献情報,参考文献

1) Jefimenko, O. D., 1978, "Electrostatic Current Generator Having a Disk Electret as an Active Element," IEEE Trans. Ind. Appl., IA-14, pp. 537-540.

2) Tada, Y., 1992, "Experimental Characteristics of Electret Generator, Using Polymer Film Electrets," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31, pp. 846-851.

3) Boland, J., Chao, C.-H., Suzuki, Y., and Tai, Y.-C., 2003, "Micro Electret Power Generator," 16th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2003), Kyoto, pp. 538-541.

4) Sakane Y., Suzuki, Y., and Kasagi, N., 2008, "Development of High-performance Perfluorinated Polymer Electret and Its Application to Micro Power Generation," J. Micromech. Microeng., Vol. 18, 104011, 6pp.

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