2022 Fiscal Year Annual Research Report
トライボエレクトリック発電デバイスの開発と摩擦帯電メカニズムの解明
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21K18879
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
宮崎 康次 九州工業大学, 大学院工学研究院, 特任教授 (70315159)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | トライボエレクトリック発電 / エネルギーハーベスティング / 摩擦帯電 / 表面電荷密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属製の電極と摩擦帯電のためのブレードからなる回転型トライボエレクトリック発電機を作製しその発電特性を調べた。ブレード材料と電極材料の関係として、経験的に摩擦帯電列で離れた2種の材料が良いとされているが、本研究ではどのブレード材料に対してもAlのほうが常にCuよりも発電量が多かった。さらにポリイミド、絹繊維、PTFE（polytetrafluoroethylene）をブレード表面として発電量を調べたところ、摩擦帯電列と関係なく、ポリイミド、絹繊維、PTFEの順で発電量が大きくなった。電極、ブレードいずれの材料においても摩擦帯電列とは異なる指標が必要である。アナログ回路しミューレーターLTspiceで発電機の等価回路を計算したところ、発電機部分のコンデンサー容量が大きい方が電圧と電流ともに大きくなる。材料の比誘電率も発電量を改善する際の考慮すべきパラメーターと考えられる。さらに発電機の電流電圧特性についてもよく実験結果を説明した。発電量の評価にあたっては、インピーダンスマッチングした最大出力時で評価した。次に摩擦特性と発電量について調べるため、Al電極表面の状態の違いが発電量に及ぼす影響を調べた。結果、表面研磨したほうが発電量を増加させることも明確となり、トルクだけでは説明できない要因が示された。さらに発電機への入力仕事は作動周波数（回転数×羽枚数）とトルクであるが、いずれにも発電機出力は比例した。これらはWangらが提案しているモデルに従ったが、60mN・mのトルクを超えた時点で発電量は頭打ちとなった。トライボエレクトリック発電では、摩擦帯電が必須であるが、そのためにブレードを電極に強く押し付けて摩擦を大きくすればよいわけではないことが明確となった。先の表面凹凸形状の有無と併せて、メカニズム解明の一端を見出した。
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