新型発電機で海洋エネルギーに参入(New Generator Rolls into Ocean Energy)

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海のエネルギーを利用したナノジェネレーターでセンサーなどを動かす The nanogenerator harnesses the energy of the ocean to power sensors and more

2023-01-12 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

 津波やハリケーン、海洋気象は、海洋プラットフォームに設置されたセンサーやその他の装置によって監視され、沿岸地域の安全を守っています。電力が不足すると、海洋センサーは重要な波浪や気象のデータを収集できなくなり、正確な海洋気象情報に依存する沿岸地域の安全が損なわれます。また、海上でのバッテリー交換にはコストがかかります。もし、海の波のエネルギーから無限に電力を供給することで、このような事態を避けることができるとしたらどうでしょう?
パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)の研究者は、これを実現するために、新しい円筒形の摩擦電気ナノジェネレーター(TENG)を開発しています。この発電機の大型バージョンは、音響や衛星テレメトリーなどの海洋観測や通信システムの電源として使用することができます。
Deng氏と彼のチームは、外洋で使用する円筒形TENGを開発するために、新しいアプローチを取りました。特許出願中のFMC-TENGは、慎重に配置された磁石を使用して、他の円筒形TENGよりも効率的にエネルギーを変換し、ゆっくりとした均一な波を電気に変換するのに優れています。これまでのところ、FMC-TENGのプロトタイプは、海洋観測プラットフォームによく搭載される音響発信器(通信に使用できるセンサーの一種)に十分な電力を供給することができます。これは、LED電球1個分の電力に相当します。
静電気でショックを受けたことがある人なら、摩擦電効果を体験したことがあるだろうが、FMC-TENGでも同じ効果を利用して電力を生み出している。円筒形のTENGは、2つの円筒が入れ子になっており、内側の円筒は自由に回転する。2つの円筒の間には、人工毛皮、アルミニウム電極、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)と呼ばれるテフロンに似た素材が挟まれている。TENGが波打ち際を転がるとき、一方の円筒の人工毛皮とアルミ電極がもう一方の円筒のFEP素材と摩擦し、静電気が発生し、電力に変換することができる。
円筒形のTENGは、動けば動くほど、より多くのエネルギーを生み出します。そのため、外洋のゆっくりとした均一な波よりも、高速で頻繁な波の方が、より多くのエネルギーを発生させることができるのだ。そこで、外洋で電子機器に電力を供給できるTENGを開発するため、Deng氏と彼のチームは、FMC-TENGで電気に変換される波エネルギーの量を増やすことに着手した。その結果、FMC-TENGの内筒の動きを一時的に止めることが重要であることがわかった。
FMC-TENGでは、磁石を配置し、波の頂点に達するまで装置内の内筒の回転を止め、位置エネルギーをどんどん蓄積させることができました。波の頂点に近づくと磁石が外れ、内筒はあっという間に波打ち際を転がり始める。この速い動きが電気を効率よく作り出し、遅い波からより多くのエネルギーを生み出すのです。
現在、FMC-TENGのプロトタイプは、温度センサーや音響トランスミッターなどの小型電子機器を動かすのに十分な電力を生成することができます。今後、商業利用に向けて設計を見直すことで、複数のセンサーと衛星通信で構成される外洋モニタリングプラットフォーム全体を動かすのに十分な電力を生み出すことが期待されています。また、FMC-TENGは軽量であるため、浮遊する装置にも係留されたプラットフォームにも使用することができます。

<関連情報>

海洋観測システムのための低周波波力発電用周波数多重円筒型トライボエレクトリックナノジェネレータ Frequency-multiplied cylindrical triboelectric nanogenerator for harvesting low frequency wave energy to power ocean observation system

Hyunjun Jung,Habilou Ouro-Koura,Aljon Salalila,Marsobyn Salalila,Zhiqun Daniel Deng
Nano Energy  Available online: 11 May 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107365

Abstract

Cylindrical triboelectric nanogenerators (C-TENGs) have been designed for low frequency wave energy harvesting. However, the random, and low amplitude and frequency of the ocean waves represent a major challenge for the operation and performance of most C-TENGs. A C-TENG must be able to operate and be triggered by any wave conditions, even in the middle of the ocean, with uniform, low amplitude, and low frequency water waves. Here, a frequency-multiplied cylindrical TENG (FMC-TENG) that uses magnets to store potential energy and instantly release it to produce high frequency kinetic energy, was designed to increase the operating frequency of the TENG using low frequency, uniform water waves and increase the power generated. A semi-analytical modeling of the FMC-TENG was performed to theoretically verify its effectiveness. Then, the electrical characteristics of the FMC-TENG were evaluated by comparison with a conventional C-TENG in a wave motion simulator. The FMC-TENG was optimized in a 12 m long water tank, and its peak power density reached 6.67 W/m3 under a wave frequency of 0.33 Hz. Finally, an array of FMC-TENGs successfully powered an acoustic transmitter, demonstrating the ability to power an ocean observation system.

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