JP2018532362A - 発電装置および発電方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、発電する装置（および方法）を提供し、該装置は、電荷誘導（ｃｈａｒｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）を用いて出力電流を発生するように構成された発電機を含む。負荷キャパシタは、整流された出力電流に応じて電荷を蓄積するために使用され、電圧とともに増加するキャパシタンスを有する。これは、負荷キャパシタに蓄えられた電圧が、充放電されるにつれてより平坦になることを意味する。相対的に放電された状態では、キャパシタンスが減少し、蓄積された電荷に基づいて相対的に大きい電圧となる。相対的に充電された状態では、キャパシタンスが増加し、蓄積された電荷に基づいて相対的により小さい電圧となる。これにより、発電機から蓄積素子（非線形キャパシタ）に向かう初期エネルギー伝達が改善され、出力電圧がより平坦になり、実用が容易になる。

Description

本発明は、電力を発生するための装置、特に、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するように適合されたエネルギー発生器によって電流を発生する装置に関する。

小規模な機械的エネルギー源の、電気エネルギーの利用可能な形態への収穫または変換は、近年大きな注目を集めている分野であり、技術分野が急速かつ大きな発展を遂げている。

特に多くの注目を集めてきた分野の１つは、摩擦電気エネルギー発生の分野である。摩擦電気効果（摩擦電気帯電とも呼ばれる）は、接触誘導帯電であり、物質が摩擦により異なる物質と接触したときに帯電するものである。摩擦発電は、摩擦電気効果を静電誘導と結合させる方法によって、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することに基づく。摩擦発電を利用して、歩行、ランダムな身体の動き、風の吹き付け、振動または海洋波などのエネルギー源から、無駄になってしまっていた機械的エネルギーを捕捉することによって、センサおよびスマートフォンなどのウェアラブルデバイスに電力を供給することが提案されている（例えば、非特許文献１）。

摩擦電気効果は、電子を獲得する（負に帯電する）または電子を喪失する（正に帯電する）傾向に応じて様々な材料をランク付けするシリーズに基づいている。このシリーズは、例えば非特許文献２に開示されている。

静電気を発生するための材料の最良の組み合わせは、正電荷リストからのものと負電荷リストからのものである（例えば、銅に対してＰＴＦＥ、またはアルミニウムに対してＦＥＰ）。毛皮でガラスを磨くこと、毛髪を櫛でとかすことは、日常生活でよく知られている摩擦電気の例である。

最も単純な形態では、摩擦発電機は、そのような異種材料の２枚のシートを使用する。一方は電子供与体であり、他方は電子受容体である。一以上の材料は絶縁体であってもよい。可能性のある他の材料には、半導体材料、例えば、自然酸化物層を含むシリコンがある。材料が接触すると、電子が一方の材料から他方の材料に交換され、２つの材料に相互電荷が誘起される。これが摩擦電気効果である。

シートが分離されると、各シートは、（異なる極性の）電荷を保持し、それらの間のギャップによって絶縁され、電位が蓄積される。電極が２つの材料表面上に配置され、それらの間に電気的負荷が接続されたとき、横方向または垂直方向にシートをさらに変位することにより、応答として２つの電極間に電流が誘導される。これは静電誘導の単なる一例である。２つのプレートのそれぞれの電荷中心間の距離が大きくなるにつれて、ギャップをわたる２つのプレート間の引き合う電場は弱まり、２つの外部電極間の電位差が大きくなる。負荷を介した電荷の引力が、ギャップをわたる静電引力に打ち勝ち始めるからである。

このようにして、摩擦発電機は、２つの主要な物理的機構、すなわち接触帯電（摩擦帯電）および静電誘導間の結合を通じて、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。

プレートの荷電中心間の相互分離を周期的に増減することにより、それに応じて電流が誘導され、プレート間を流れ、負荷に交流電流が発生する。

近年、発電（エネルギー収穫）及び電力変換のための材料技術が開発されているが、これは非特許文献３に開示されているように、この効果を用いている。この効果に基づいて、摩擦発電機（ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ、「ＴＥＧ」）の複数の装置構成が開発されている。

彼らの２０１２年の最初の報告以降、ＴＥＧの出力電力密度は大幅に向上している。体積電力密度は１立方メートルあたり４００キロワット以上に達し、効率が約６０％のものがデモンストレーションされている（同文献参照）。高出力性能に加えて、ＴＥＧ技術には他の利点がある。低生産コスト、高信頼性と高ロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）、及び低環境影響などである。

ＴＥＧは発電機として使用でき、すなわち、振動、風、水、ランダムな体動、あるいは機械的に利用可能な力の変換から電気へのエネルギー収穫として使用できる。発電電圧はパワー信号である。

ＴＥＧは大まかに４つの主要動作クラスに分割できる。

第１の動作モードは、垂直接触分離モード（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）であり、二以上のプレートが印加力によって周期的に接触または非接触にされる。これは例えば靴で使用でき、歩くユーザにより作用する圧力を利用して、プレートを接触させるものである。かかる装置の一例は、非特許文献４に記載されている。ここで、この装置はジグザグ形状のサブストレート上に形成された多層構造を含む。この装置は、接触帯電による表面電荷移動に基づき動作する。この構造に圧力がかかると、ジグザグ形状が圧縮され、異なる層が接触し、圧力がなくなると接触が解放される。収穫されたエネルギーは、例えば、携帯装置の充電に用いられる。

第２の動作モードは、リニアスライディングモードであり、プレートが互いに対して横方向にスライドしてそれらの間の重なり領域を変化させる。プレート全体に、瞬間的に、全体の重なり面積の変化率に比例した大きさを有する電位差が生じる。プレートを相互に重なり合ったり離したりすることを繰り返すことにより、プレート間に接続された負荷に交流電流を流すことができる。

開発されたリニアスライディングモードＴＥＧのサブセットは、回転ディスクＴＥＧである。これは、接触モード（すなわち、連続的な摩擦帯電および静電誘導）または非接触モード（すなわち、最初の接触帯電後の静電誘導のみ）の両方で動作し得る。回転ディスクＴＥＧは、一般的には、それぞれが一組の離間した円形セクタ（セグメント）として形成される少なくとも１つのロータと１つのステータとからなる。セクタは、２つのディスクが互いに対して回転するにつれ、重なり合い、次いで離れる。上述のように、２つの横方向にスライドする−反対に帯電した−層の間に電流が誘導され、その大きさは重なり面積の変化率に比例する。連続的に間隔を置いて配置されたロータの各セクタが、ステータセクタと重なり合い、次いで離れるので、２つのセクタプレート間に電荷が誘導される。負荷があると、最初に、プレートの重なりが大きくなるにつれ、第１方向に電流が流れ、プレートの重なりが小さくなるにつれ、反対方向に電流が流れる。

スライド運動からエネルギーを収穫できるデザインは、非特許文献５に開示されている。独立した可動層が一対の静的電極の間をスライドする。可動層は静電電極と接触しないように（すなわち、静電電極上に小さな隙間があるように）構成されてもよく、スライド接触してもよい。

第３の動作モードは単一電極モードであり、１つの面が、例えばフロアロード（ｆｌｏｏｒ ｒｏａｄ）に接地され、この第１の面と接地との間に負荷が接続される。（例えば、非特許文献６を参照）。第２の表面−これは第１の表面に電気的に接続されていない−は、第１の表面と接触し、それを摩擦帯電させる。次に、第２の表面が第１の表面から移動して離れると、第１の面の過剰電荷が接地に送られ、負荷に電流が流れる。したがって、この動作モードでは（単一層上の）単一の電極のみが使用され、出力電流が供給される。

第４の動作モードは、フリースタンディング摩擦帯電層モードであり、これは、電気的接続がなされていない任意の移動物体からエネルギーを収穫するように設計されている。この物体は、たとえば、通り過ぎる車、通り過ぎる列車、または靴である。（再び、非特許文献３を参照されたい。）
接触帯電に基づく二重アーチ形状の構成のような摩擦発電機のさらに別の設計が存在する。圧力によってアーチが閉じてアーチ層が接触し、圧力が解放されるとアーチは開いた形状に戻る。また、周囲の振動からエネルギーを取り込むための高調波共振器として形成された摩擦発電機が提案されている。

たとえば、ジョージア工科大学によって提示された最新の摩擦発電機は、現在、数ミリワットの範囲の低出力のみを示すことができる。特に、ＴＥＧの典型的な出力電力は、現在、数百ボルトの範囲の電圧レベルと、例えば数十ないし数百マイクロアンペアのサブミリアンペアの電流レベルとからなる。摩擦発電は魅力的であるが、実際の応用のために出力電力を変換する必要がある場合には、困難になる。

さらに、既知のＴＥＧの出力は、一般に、高電圧パルスの高周波の規則的に繰り返すパターンからなる。これは、比較的高い運動速度と組み合わせて、既知の装置における電極の周期的レイアウトの結果である。

このような高電圧出力およびしばしば高周波出力は、最も一般的な実用的アプリケーションの多くに対して直接電源としては不適切であり、構成要素に電力を供給する前に、しばしば一以上の変圧器または増幅回路を用いて変換する必要がある。例えば、出力は、より低い電圧およびより高い電流レベルに、例えば５Ｖおよび数ミリアンペアの範囲に変換される必要がある。電力変換段階の前に、エネルギーは、通常、負荷キャパシタなどの蓄積素子に蓄積される。

発電機の一般的に理解されている態様では、最大出力電力の最適化は、この出力キャパシタ（またはより一般的には出力インピーダンス）を発電機の内部インピーダンスと一致させることによって行う。周知の通り、負荷キャパシタの選択はアプリケーションにとって非常に重要である。例えば、これは非特許文献７に記載されている。しかし、かかるインピーダンスマッチングは、広い範囲でふらつく出力信号を出力する発電機に対しては、現実的ではない。

摩擦帯電効果を利用するものでなくても、同様の原理に基づいて動作する発電機はこの他にも様々なものがある。これらはまた、共通のマイクロコントローラタイプの構成要素の直接駆動には適さない高電圧出力を提供するという同じ欠点を抱えている可能性がある。このような発電機は、一般に、静電誘導によって電力を発生するが、相互に移動する要素の摩擦帯電によって動作しない誘導ベースの発電機を含む、二以上の荷電要素の相対的運動によって動作する任意の発電機を含む。圧電エネルギー収穫装置はさらに別の例である。

したがって、摩擦発電機またはその他の高電圧エネルギー収穫技術から、負荷キャパシタまたはエネルギー蓄積キャパシタへの改善されたエネルギー移動が必要とされている。

Ｗａｎｇ， Ｓｉｈｏｎｇ， Ｌｏｎｇ Ｌｉｎ， ａｎｄ Ｚｈｏｎｇ Ｌｉｎ Ｗａｎｇ著「Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｓ ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ ａｃｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒｓ」（Ｎａｎｏ Ｅｎｅｒｇｙ １１ （２０１５）： ４３６−４６２） Ａ．Ｆ． Ｄｉａｚ ａｎｄ Ｒ．Ｍ． Ｆｅｌｉｘ−Ｎａｖａｒｒｏ，「Ａ ｓｅｍｉ−ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｔｒｉｂｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｒｉｅｓ ｆｏｒ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ： ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ ６２ （２００４） ２７７‐２９０） Ｗａｎｇ， Ｚ． Ｌ．著「Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｓ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａｓ ａｃｔｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ」（ＡＣＳ ｎａｎｏ ７．１１ （２０１３）： ９５３３−９５５７） Ｐｅｎｇ Ｂａｉ ｅｔ． ａｌ．著「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｔｉｏｎｓ」（ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１３ ７（４）， ｐｐ３７１３−３７１９） 「Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｌａｙｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ａ Ｍｏｖｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅｓ」（Ａｄｖ． Ｍａｔｅｒ． ２０１４， ２６， ２８１８−２８２４） Ｙａｎｇ， Ｙａ， ｅｔ ａｌ．著「Ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｂａｓｅｄ ｓｌｉｄｉｎｇ ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ」（ＡＣＳ ｎａｎｏ ７．８ （２０１３）： ７３４２−７３５１） Ｎｉｕ ｅｔ ａｌ．「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｎａｎｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， ６２， ２， （２０１５））

本発明は請求項に記載されている。

本発明の一態様による装置は、電力発生装置であって、電荷誘導を用いて出力電流を発生するように構成された発電機と、出力電流に応じて電荷を蓄積する負荷キャパシタとを有し、前記負荷キャパシタは、前記負荷キャパシタにかかる電圧に応じて増加するキャパシタンスを有する。

増加するキャパシタンスの影響は、発生される出力電圧を制限することであるが、同時に、電圧が最初に低いときの電流に応じて電圧の急速な初期上昇を可能にすることである。この装置により充電効率が改善される。特に重要なのは、エネルギー発生が発電機の起動の複数のバーストを含む場合である。

負荷キャパシタは、例えば、キャパシタンスの所望の電圧依存性を実現するために、例えば、非線形誘電体材料に基づいている。また、材料は、負荷キャパシタのマッチングに対して敏感でなくてもよい。例えば、１つの設計がより広い範囲のアプリケーションをカバーしてもよい。特に、負荷キャパシタの電圧を平坦にすることにより、インピーダンス整合が改善される。

高電圧低電流を発生する発電アプリケーションでは、この構成は、必要な電力変換回路の複雑さを低減する。

出力電流を整流する整流器を設けても良い。整流器は、例えばフルブリッジ整流器または単一ブリッジ整流器であってもよい。

発電機の最大出力電圧において、負荷キャパシタのキャパシタンスは、最大出力電圧の１０％におけるキャパシタンスよりも少なくとも５０％高くてもよい。これは、（一定の注入電流に応じて）電圧プロファイルが、一定のキャパシタンスから生じる線形ランプに比べて大幅に平坦化されることを意味する。発電機の最大出力電圧において、負荷キャパシタのキャパシタンスは、最大出力電圧の１０％におけるキャパシタンスよりも少なくとも２倍、または３倍より高くてもよい。一例として、キャパシタの全動作範囲にわたって、負荷キャパシタのキャパシタンスは、３倍ないし５倍の範囲で変化し得る。

発電機は、第１の発電素子セットと第２の発電素子セットとを有し、少なくとも第１の発電素子セットは電荷を保持するように構成され、第１の発電素子セットと第２の発電素子セットは互いに対して可動であり出力電流を発生する。かかる装置は静電気帯電に基づいて動作してもよい。

第１のセットの例では、発電機は摩擦発電機を含む。それは様々な形を取り得る。一般に、摩擦発電機は、第１の発電素子セットと第２の発生素子セット間の相対的な電荷が、物理的接触の断続的な期間によって確立され、維持され、その間に各セットの素子に逆電荷が蓄積される（摩擦帯電プロセス）との特徴を有する。発電素子は摩擦帯電的に活性な（「摩擦帯電系」の一部を形成する）材料で構成されている。

代替的な例は、誘導発電機またはエレクトレット発電機を使用することができる。

前記発電機は好ましくは接触モードと非接触モードで動作可能であり、前記接触モードと前記非接触モードで周期的に動作する。この周期的動作は、ゼロ値と最大正および負の値との間で頻繁に変動する出力電圧を生じさせる。このタイプの電圧プロファイルは、特に、非線形負荷キャパシタによって実現される電圧平坦化の利益を受ける。

いくつかの種類の摩擦発電機は、実際には、垂直接触分離モード装置およびタッピングモード装置などのこれらの短い電圧パルスによって特徴付けられる。しかし、本発明は、ランダムまたは周期的なサイクル負荷事象を受け、かつ接触モードまたは非接触モードで動作する任意の摩擦帯電または他の電荷誘導発電機の場合に特に重要である。

前記負荷キャパシタは、例えば、印加される電場が大きくなると誘電率が大きくなる材料を含む。

この材料の幾つかの例は、電気活性ポリマー材料、またはリラクサー強誘電体材料、または圧電セラミックス、または複合ポリマー材料である。

本発明の他の一態様による方法は、
電力発生方法であって、発電機を用いて、電荷誘導を用いて出力電流を発生することと、前記出力電流に応じて電荷を負荷キャパシタに蓄積することとを含み、前記負荷キャパシタは、前記負荷キャパシタにかかる電圧に応じて増加するキャパシタンスを有する。

非線形誘電体に基づくこの可変キャパシタンスは、発電機の出力電力の処理を単純化する。

添付した図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
発電するための装置を概略的な形態で示す図である。 図１の装置の回路素子を示す図である。 電圧に依存して変化するキャパシタンスを有する負荷キャパシタを使用する効果を示す図である。 第１の例の負荷キャパシタのキャパシタンス−電圧特性を示す図である。 第２の例の負荷キャパシタのキャパシタンス−電圧特性を示す図である。 第３の例の負荷キャパシタのキャパシタンス−電圧特性を示す図である。

本発明は、発電する装置（および方法）を提供し、該装置は、電荷誘導（ｃｈａｒｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）を用いて出力電流を発生するように構成された発電機を含む。負荷キャパシタは、整流された出力電流に応じて電荷を蓄積するために使用され、電圧とともに増加するキャパシタンスを有する。これは、負荷キャパシタに蓄えられた電圧が、充放電されるにつれてより平坦になることを意味する。相対的に放電された状態では、キャパシタンスが減少し、蓄積された電荷に基づいて相対的に大きい電圧となる。相対的に充電された状態では、キャパシタンスが増加し、蓄積された電荷に基づいて相対的により小さい電圧となる。これにより、出力は実際の使用のためにより容易に処理され得る。

図１は、発電するための装置１０を概略的な形態で示す図である。それは、電荷誘導を用いて出力電流を発生するように構成された発電機１２を含む。発電機が両極性を有する信号（すなわち、ある時間に一方向に流れ、他の時間に反対方向に流れる電流）を発生する場合、整流器１４を用いて整流出力を提供する。

負荷キャパシタ１６は、（整流された）出力電流に応じて電荷を蓄積するために設けられる。負荷キャパシタは、電圧とともに増加するキャパシタンスを有する。

発生された電流を蓄積するための最適な出力キャパシタを決定し、負荷にエネルギーを供給することは、妥協を必要とする。発電機１２の内部インピーダンスと比較して負荷キャパシタンスが高い場合、充電中に発電される電圧の電圧低下の大部分は、発電機内であり、これは電力損失（ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓｅｓ）があることを意味する。他方、発電機の内部インピーダンスと比較して負荷キャパシタンスが低い場合、出力電圧は発電機の開回路電圧に向けて急激に上昇し、出力に向けて電流は流れず、負荷キャパシタに送られる総エネルギー量は限定される。

図２は、図１の装置の回路素子を示す図である。発電機１２は、キャパシタ２０により示された内部インピーダンスを有する電荷誘導システム１８を備える。

整流器１４は、ダイオードＤ１ないしＤ４を含むフルブリッジダイオード整流器（ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｄｉｏｄｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）として示され、負荷キャパシタ１６は出力端子にわたり設けられている。

従来のシステムでは、負荷キャパシタは、電圧の関数としてほぼ一定のキャパシタンスを有し、キャパシタンスと電圧との間にわずかに負の相関さえあるキャパシタである。本発明は、電気的応答材料（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）など、特に電圧が上昇するとキャパシタンスが増加する、すなわち強い正の相関を有する非線形素子を利用してキャパシタ１６を形成する。これにより、充電プロセス中に電力伝送効率を大幅に改善することが可能になる。

初期充電時には電圧が急激に上昇し、さらに電圧が上がるにつれ、キャパシタンスが増加してほぼ一定の電圧になる。さらに、このような応答性のある材料キャパシタのこの特性は、出力電圧が非現実的な値に達するのを制限するのにも有益であろう。

図３は、従来のキャパシタに電流を供給してから反応性材料キャパシタに電流を供給する摩擦発電機のシミュレーションモデルの結果を示す。

上のプロットは、一定の充電電流に基づく、時間に対する出力電力（出力電流と電圧の積）を示している。従来のキャパシタの充電がプロット３０として示され、可変キャパシタの充電がプロット３２として示されている。

下のプロットは、一定の充電電流に基づく、時間に対する出力電圧を示しています。従来のキャパシタの充電がプロット３４として示され、可変キャパシタの充電がプロット３６として示されている。

シミュレーション結果は、非線形応答材料を摩擦発電機の負荷キャパシタとして使用することによるエネルギー伝達の利点を示している。従来のキャパシタは、電圧が増加するにつれて（ほぼ無視できる量であるが）キャパシタンスがわずかに減少するが、応答性の高い材料はキャパシタンスが大幅に増加する。結果として、応答性が高い材料のキャパシタにわたる電圧は、指数的に、それゆえ充電時に線形傾斜を示す通常のキャパシタより非常に速く増加する。最初、キャパシタにかかる電圧が低いとき、発電機の出力電流はその発電機の内部インピーダンスにより制限される。

負荷キャパシタにかかる電圧が大きくなるにつれ、発電機の出力電力（及び出力に向けたエネルギー伝達）が増加する。応答性材料キャパシタ（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）にかかる電圧が従来のキャパシタにかかる電圧より速く増加するにつれ、応答性材料キャパシタへのより高いエネルギー電圧がより短い時間内に実現される。

この利点は、主に、負荷キャパシタにかかる電圧をほぼゼロボルトから充電する必要があるセルフパワードスイッチのような間欠動作に適用される。

連続出力電力で連続動作するには、負荷インピーダンスをジェネレータの内部インピーダンスに合わせる必要があるため、アプローチはあまり重要ではない。しかし、連続的なエネルギー捕捉アプリケーションであっても、断続的な負荷が印加されると、応答性のある材料を負荷キャパシタとして使用する利点は、依然として有益である。しかし、このアプローチは、負荷キャパシタをほぼゼロボルトから充電する必要があるアプリケーションで最も重要である。

ジェネレータと可変キャパシタにはさまざまなオプションがある。最初にキャパシタについて説明する。

適切な材料は、印加電場の関数として誘電率が増加する材料を含む。そのような材料には、次のものが含まれる：
特定の電気活性ポリマー材料、例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）リラクサー強誘電体（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、ここでＴｒＦＥはトリフルオロエチレンであり、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレン又は反強誘電性ポリマーであり、反強誘電性ポリマーは例えば特定のイミダゾールを含む。イミダゾールは、２−トリフルオロメチルベンズイミダゾール（ＴＦＭＢＩ）、２−ジフルオロメチルベンズイミダゾール（ＤＦＭＢＩ）及び２−トリクロロメチルベンズイミダゾール（ＴＣＭＢＩ）を含む；
セラミックス、例えば：リラクサー強誘電体材料、例えば、ニオブ酸マグネシウム−チタン酸鉛単結晶（ＰＭＮ−ＰＴ）、及びＰｂ（Ｚｎ（１／３）Ｎｂ（２／３））Ｏ（３−ｘ）ＰｂＴｉＯ（３）（ＰＺＮ−ＰＴ）セラミックス、圧電セラミックス、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ペロブスカイト（ＰｂＺｒＯ３）および鉛フリー材料、例えばＢＮＫ−ＢＴ（カリウムおよびバリウムで変性されたビスマスナトリウムチタネート（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５ＴｉＯ_３、ＢＮＴ））および（１−ｘ）（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３−ｘＬｉＮｂＯ３（ＫＮＮ−ＬＮ）；
反強誘電体セラミックス、例えば：Ｐｂ（Ｓｎ_ｘ、Ｚｒ_ｙ、Ｔｉ_ｚ）Ｏ_３および純粋なセラミックスやセラミックス−ガラスまたはセラミックス−ポリマー複合材などの関連セラミックス。さらに詳細は、例えば、米国特許第７８８４０４２号で知ることができる。

誘電体材料または導電材料およびそれらの混合物を有するポリマー材料の複合材料。

一例として、米国特許第７８８４０４２号は、高エネルギー密度反強誘電体材料を開示しており、以下のものからなる群から選択される組成物を含む：
Ｐｂ（Ｓｎｘ、Ｚｒｙ、Ｔｉｚ）Ｏ３であって、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ｍｏｌ％およびｘが０．１ないし８０ｍｏｌ％の範囲にあり、ｙが０ないし９９．９ｍｏｌ％の範囲にあり、ｚが０ないし３０ｍｏｌ％の範囲にあるもの；及び
（Ｐｂ１−ｚＭｚ）１−ｔＲｔ（Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｔ／４Ｏ３；及び
（Ｐｂ１−ｚＭｚ）１−ｔ（３／２）Ｒｔ（Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；及び
Ｃ［（Ｐｂ１−ｚＭｚ）１−ｔＲｔ（Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｔ／４Ｏ３］＋１−Ｃ［Ｐｂ１−ｚＭｚ）１−ｔ（３／２）Ｒｔ（Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］；Ｍは、ＳｒおよびＢａを含む元素群からの２価の価数を有するイオンであり、ｚは、０〜２０ｍｏｌ％の範囲であり、Ｓｎ、ＺｒおよびＴｉの部分が上記（１）に示される範囲で変わり、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂまたはＬｕを含む元素群から３価の価数を有するイオンであり、ｔは０ないし１０モル％の範囲であり、Ｃは０ないし１の範囲である。

図４は、電気活性ポリマーＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥから形成された多層スタックのキャパシタンス−電圧特性を示す。キャパシタンスは、１０秒のＤＣ充電時間に基づいて、放電電流積分測定値を用いて、１５０Ｖ印加電圧において、低電圧キャパシタンスと比べてほぼ２倍になる。

図５は、印加された電場によって増加する誘電率を示すＰＺＴ（Ｌｅａｄ−Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ−Ｔｉｔａｎａｔｅ）材料の適切なセラミックスキャパシタの一例のキャパシタンス−電圧特性を示す。論文Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．著「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌｅｄ ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｙｃｌｉｃ ｆａｔｉｇｕｅ」（Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒ． Ｓｔｒｕｃｔ． ２１ （２０１２） ０２５００９）を参照する。図５は、５０μｍの厚さを有する１００ｍｍ^２平行平板キャパシタ（または同様の面積および層厚を有する対応する多層スタック構成）のキャパシタンス値を示す。

図６は、米国特許出願公開第２０１１／０１４００５２号に記載されているような適切な複合材料のキャパシタンス−電圧特性を示す。

三元複合材料は、チタン酸バリウムと導電性炭素粒子で充填されたエラストマーマトリックスからなる。

この材料は、印加された電場（１００Ｈｚで測定）によって次第に増加する誘電率を有する。例えば、開示された材料で作られた６４００ｍｍ^２の面積と１５０μｍの厚さを有する平行平板キャパシタ（または同等の面積および層厚を有する多層スタック）は、１０Ｖ以下で約１０ｎＦのキャパシタンスを有し、１５０Ｖで約５０ｎＦを超えるキャパシタンスを有する。

キャパシタンスの電圧に対する所望の依存性を作り出すのに使用される可能性のある材料の他の例がある。
上記のいくつかの例からわかるように、最大出力電圧における負荷キャパシタのキャパシタンスは、通常５０ｎＦ〜５０μＦの範囲にあり、最大電圧は通常１００ないし４５０Ｖです。

必要なキャパシタンスと動作電圧は、アプリケーションの負荷に大きく依存する。たとえば、１００ｎＦのキャパシタが３００Ｖに充電され（２００Ｖまで放電され）ると、２０ｍ秒にわたり１２０ｍＷの負荷を供給することができる。これは、無線メッセージを送信するのに十分である。

上記の例は、電圧と誘電率との間の関数、したがって静電キャパシタンスとの間の関数を提供する材料を使用する。このタイプの複数のキャパシタを、スイッチトキャパシタ回路網の一部として組み合わせることができる。これにより、電圧の動作範囲にわたって誘起されるキャパシタンスの範囲をさらに制御することが可能になる。次に、低電圧に対してはより低い静電キャパシタンスを可能にし、高電圧に対しては高静電キャパシタンスを可能にすることができる。したがって、請求項１ないし７および請求項１０ないし１４において、負荷キャパシタという用語は、単一のキャパシタに限定されるものではなく、複数のキャパシタであってもよく、したがって、キャパシタンスという用語は、単一のキャパシタのキャパシタンスに限定されず、キャパシタの組み合わせの結果として得られるキャパシタンスであってもよい。

実際に、電圧の関数としてのキャパシタンスの所望の増加は、従来のキャパシタで形成されたスイッチトキャパシタネットワークを使用して達成することもできる。これは、スイッチトキャパシタネットワーク内のスイッチを電圧に応じて制御する制御システムを必要とするが、より大きなキャパシタンス範囲を実現することを可能にする。したがって、非線形誘電体材料の使用は、制御システムを必要とせずに、より単純な実装を提供する。

制御の複雑さと、所望されるキャパシタンス機能の近さとの間に妥協点が見出され得る。例えば、妥協は、スイッチング制御の複雑さを最小限に抑えながら、キャパシタンス関数の調整可能性を拡張するので、わずか２つのような少数の非線形キャパシタを有する実装であり得る。

次に発電機のオプションについて説明する。

第１の一般的な一組の例は、摩擦電気ベースの発電装置を含む。上記の導入部では、摩擦発電機の様々な異なる設計が議論されており、これらの各々を採用してもよい。

特に興味深い第１の例は、回転ディスク摩擦発電機である。発電機は、ロータとステータとを有する。ロータは、第１組の発生要素を形成する、摩擦帯電材料の表面部分または摩擦電気的電極の周方向配置を含む。ステータは、第２組の発生要素を形成する、摩擦帯電材料の表面部分または摩擦帯電電極の協働的に間隔を開けた配置を含む。

前述のように、回転ディスクＴＥＧは、リニアスライディングモードＴＥＧのサブセットであり、相互に回転するディスク要素の対向する表面上に形成された摩擦帯電的に活性な材料の離散した円形セクタを連続的に重ね合わせ、分離することにより、電力が発生される。

２つの横方向にスライドする−反対に帯電した−層の間に電荷が誘導され、その大きさは重なり面積の変化率に比例する。ロータの連続的に間隔を置いて配置された各セクタが、ステータセクタと重なり合ったり離れたりするので、プレートが重なり合うにつれ、最初に第１方向に、２つのセクタプレート間に電流が誘導され、プレートの重なりが減少するにつれ、反対の方向に電流が誘導される。その結果、とりわけ摩擦電気表面部分の表面積および材料組成に関連するピーク振幅を有し、とりわけディスク間の相対的回転速度と、摩擦帯電表面部分のパターンの相対的な間隔又はピッチに関連する周波数を有する交流が得られる。

代わりに、発電は、代替的な様々な摩擦発電装置によって提供されてもよい。これは、例えば、異なるタイプのリニアスライディングモード発電機を含むことができる。

特に興味深い第２の例は、垂直接触分離モード（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｎｔａｃｔ−ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）で動作する装置あり、二以上のプレートが印加力によって周期的に接触または非接触にされる。

第２の一般的な一組の例は、誘導発電機または非同期発電機を使用する。これは、電磁誘導モータの原理を利用して電力を生成する既知の交流（ＡＣ）発電機である。誘導発電機は、同期速度より速く回転子を機械的に回転させることによって動作する。誘導発電機は、比較的簡単な制御でエネルギーを回復することができるアプリケーションではよく知られている。

誘導発電機は、様々な回転子速度で有用な電力を発生する能力のために、風力タービンおよびいくつかのマイクロ水力発電設備でしばしば使用される。

電磁誘導発電機は、非常に小さい電力および低コストの用途には適しておらず、代替案は静電誘導である。これにより、構造が簡単になり、比較的低速で高い出力電圧が得られる。有望な領域は、半永久的な電荷を有する誘電体材料であるエレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）による静電誘導の使用である。

エレクトレットベースの発電機は、関連する作業電極に対するエレクトレットの位置に基づいて電荷の流れを生成する。エレクトレットは、作業電極上に反対電荷を誘導し、作業電極に対するエレクトレットの位置の変化は、電荷の移動、したがって出力電流を生成する。

図２の回路は基本的な回路素子のみを示している。例えば、反応性インピーダンスを発電機と直列に接続して、電荷移動をさらに改善することもできる。

請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。請求項において、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（「ａ」又は「ａｎ」）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。請求項に含まれる参照符号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (15)

1. 電荷誘導を用いて出力電流を発生するように構成された発電機と、
   出力電流に応じて電荷を蓄積する負荷キャパシタとを有し、
   前記負荷キャパシタは、前記負荷キャパシタにかかる電圧に応じて増加するキャパシタンスを有する、
   電力発生装置。
2. 前記発電機の最大出力電圧において、前記負荷キャパシタのキャパシタンスは、最大出力電圧の１０％においてよりも少なくとも５０％高く、より好ましくは、最大出力電圧の１０％においてよりも少なくとも２倍である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記出力電流を整流する整流器を有する、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記発電機は、第１の発電素子セットと第２の発電素子セットとを有し、少なくとも前記第１の発電素子セットは電荷を保持するように構成され、前記第１の発電素子セットと前記第２の発電素子セットは互いに対して可動であり出力電流を発生する、
   請求項１ないし３いずれか一項に記載の装置。
5. 前記発電機は摩擦帯電発電機を含む、
   請求項１ないし４いずれか一項に記載の装置。
6. 前記発電機は誘導発電機またはエレクトレット発電機を含む、
   請求項１ないし４いずれか一項に記載の装置。
7. 前記発電機は接触モードと非接触モードで動作可能であり、前記接触モードと前記非接触モードで周期的に動作する、
   請求項１ないし６いずれか一項に記載の装置。
8. 前記負荷キャパシタは、印加される電場が大きくなると誘電率が大きくなる材料を含む、
   請求項１ないし７いずれか一項に記載の装置。
9. 前記材料は、
   電気活性ポリマー材料、または
   リラクサー強誘電体材料、または
   圧電セラミックス、または
   複合ポリマー材料を含む、
   請求項８に記載の装置。
10. 発電機を用いて、電荷誘導を用いて出力電流を発生することと、
    前記出力電流に応じて電荷を負荷キャパシタに蓄積することとを含み、
    前記負荷キャパシタは、前記負荷キャパシタにかかる電圧に応じて増加するキャパシタンスを有する、
    電力発電方法。
11. 前記発電機の最大出力電圧において、前記負荷キャパシタのキャパシタンスは、最大出力電圧の１０％においてよりも少なくとも５０％高く、より好ましくは、最大出力電圧の１０％においてよりも少なくとも２倍である、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記出力電流を整流することを有する、
    請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記発電機は摩擦帯電発電機、誘導発電機またはエレクトレット発電機を含む、
    請求項１０ないし１２いずれか一項に記載の方法。
14. 前記発電機を接触モードと非接触モードで動作させ、前記接触モードと前記非接触モードで周期的に動作させることを含む、
    請求項１０ないし１３いずれか一項に記載の方法。
15. 印加される電場が大きくなると誘電率が高くなる材料を含む負荷キャパシタに電荷を蓄積することを含み、前記材料は、
    電気活性ポリマー材料、または
    リラクサー強誘電体材料、または
    圧電セラミックス、または
    複合ポリマー材料を含む、
    請求項１０ないし１４いずれか一項に記載の方法。

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