CFRP電極からなる新しい圧電振動発電デバイスを発表東北大学、リーズ大学

東北大学大学院環境科学研究科の成田史生教授らのグループは2023年6月15日、英国リーズ大学と共同で、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）電極からなる新しい圧電振動発電デバイスを発表した。曲げ振動を受けるCFRPを用いてLEDを点灯させ、センサ情報を電源フリーでワイヤレス送信することに成功している。

CFRPは、超軽量で高い電気伝導性と優れた機械的安定性を有する。一方、環境発電は、身の回りにあるわずかな振動や電波を電気に変えるもので、IoTセンサを開発する技術として注目されている。環境発電を行う材料のうち圧電材料は、環境中に存在する未利用の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

CFRPにひずみを電気に変える圧電性を持たせることで、CFRP製品をマルチファンクショナル化でき、発電機能を移動体に付与できる。これにより、外部電源や電池交換が不要になり、航空、宇宙システムの自律性と信頼性が向上する。

こうしたことから今回、炭素繊維強化圧電振動エネルギーハーベスタ（C-PVEH）を開発。これは、平均粒径が約200nmの圧電ナノ粒子（ニオブ酸カリウムナトリウム：KNN）をプラスチック（エポキシ樹脂）に分散した圧電ナノコンポジットにCFRPを積層したもので、補強材および電極としてCFRPを機能させている。その結果、圧電性を損なわず、優れた機械的特性が得られ、環境発電デバイスの性能と耐久性が向上した。

炭素繊維強化圧電振動エネルギーハーベスタ（C-PVEH）と片持ちはり形状のC-PVEH

曲げ振動を与えた場合の出力電圧と周波数の関係は、固定端の変位振幅0.05mmの場合に、開回路状態で208Hz程度の共振周波数を示す。最大電圧は約8.45Vを達成した。曲げ振動による出力電圧と変位振幅の関係は、周波数208Hzの場合に、C-PVEHの出力電圧は、CFRPで強化されていない圧電振動エネルギーハーベスタ（PVEH）に比べるとかなり大きく、CFRP電極の有効性が示された。

（左）出力電圧と振動数の関係　（右）出力電圧と変位の関係

開発品は、コンデンサの急速な充電やLEDへの効率的な電力供給に対応する。また、曲げ振動で、温度／湿度／加速度／大気圧のセンサ情報を無線で飛ばせる。開発したC-PVEHは出力が安定しており、小型無線通信機器に十分なエネルギーを供給できる。

回路の概略

今後は、さまざまな応用に対して振動発電デバイスを最適設計し、試作および振動／衝撃発電実験、信頼性／耐久性評価を実施していく必要がある。

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