27

A会場（孔雀）

発　　

電●　プレゼン技術の概要

海洋エネルギー発電デバイスは，柔軟性弾性素材（シリコン，ゴム，その他樹脂材料など）と圧電フィルムからなる薄型積層タイプの発電体である。本デバイスに，波浪，潮流，海流を作用させると，柔軟に変形（引張，せん断，曲げ変形）し，電気エネルギーを生み出すことができる。

●　従来技術・競合技術との比較本デバイスは，柔軟性に富むため，様々な海洋エネルギー（波浪，潮流，海流）を受けて柔軟に撓み変形し発電するので，従来のタービン方式とは発電原理自体が異なる。そのため，特定の海洋エネルギーに特化することなく，様々な海洋エネルギーを利用する発電施設等に利用可能。

●　プレゼン技術の特徴・あらゆる種類の海洋エネルギーを電気エネルギーに変換・発電規模，設置海域，発電用途に応じて自由にカスタマイズが可能・柔軟であるため耐外力性能が高い

●　想定される用途・波浪発電・潮流発電・風力発電

広島大学

大学院工学研究院　エネルギー・環境部門

准教授　陸田　秀実

柔軟性弾性素材による海洋エネルギー発電技術

13：40～14：05

柔軟性弾性素材によるギ海洋エネルギー発電技術

広島大学大学院工学研究院島 究

○准教授 陸田秀実

助教 田中義和助教 田中義和

研究背景地球温暖化 低炭素社会の実現（二酸化炭素２５％削減）

研究背景地球温暖化 低炭素社会の実現（二酸化炭素２５％削減）

再生可能エネルギーの推進問題点

再 能 ギ 推進太陽光，熱，風力，地熱バイオマス，温度差，浸透圧

水力 海流 潮汐 波力 渦励起

エネルギー密度不安定，設置コスト，発電単価 発電効率 水力，海流，潮汐，波力，渦励起発電単価，発電効率未利用＋未活用

未活用・無尽蔵な海洋エネルギー

領海・排他的経済水域

あらゆる海洋エネルギーを有効利用できないか？

世界第6位（447万km2）※国土面積 ： 約38万km2

http://www.h5.dion.ne.jp/~s_coral/webmaster/haitatekikeizaisuiiki.html

を有効利用できないか？※洋上風力，太陽光発電とのハイブリッド化？

従来技術とその問題点波力発電・潮流発電など

従来技術とその問題点

http://www.marineturbines.com http://www.wavedragon.net/ www.oceanpowertechnologies.com http://www.jamstec.go.jp/

波浪発電・振動力発電など○特定の海洋エネルギーに特化○タービン方式などが主流

解決すべき点

○本格的な導入には至っていない．○太陽光，風力発電に比べて発電

性能が劣る．○設置条件（海域）の制約

http://www.hyperdrive-web.com/index.html人工筋肉を用いた波浪発電（千葉ら，2007）

http://d.hatena.ne.jp/paoz/20061017/p1圧電素子を用いた振動力発電（速水ら，2006）

○設置条件（海域）の制約○海上設置コスト

新技術の概要新技術の概要

本デバイスは本デバイスは，柔軟性弾性素材（シリコン，ゴムなど）＋圧電フィルムからなる薄型積層タイプの発電体（弾性圧電デバイスと称す）．

本デバイスに，波浪，潮流，海流などを作用させると，柔軟に変形（引張 せん断 曲げ変形）し 電気エネルギ を生み出す形（引張，せん断，曲げ変形）し，電気エネルギーを生み出す．

加振器で強制動揺（水中） 手で振動を加える（空気中） LEDの点灯加振器で強制動揺（水中） 手で振動を加える（空気中） LEDの点灯

新技術の概要弾性圧電デバイスの試作

新技術の概要厚さ5mmの薄型積層タイプ

柔軟に変形可能

圧電フィルム（PVDF）アルミ蒸着ポリフッ化

（横200mm×縦25mm×厚5mm） 柔軟に変形可能

アルミ蒸着ポリフッ化ビニリデンフィルム(PVDF、厚さ４０ミクロン)

(a) Dual core typePVDF 2枚のタイプ

PVDF

LC

中立軸

拡大

Hδ

PVDF(b) Quad core type

LC

中立軸PVDF 4枚のタイプ

柔軟なシリコンやゴムで積層柔軟なシリコンやゴムで積層

新技術の特徴新技術の特徴発電原理

外力 ⇒ デバイス変形 ⇒ 分極 ⇒ 電流が流れる（発電）

波・流れエネルギー ⇒ 機械的運動エネルギー ⇒ 電気エネルギー

PVDF

⇒LED等点灯

Voltmeter⇒

配線は並列回路

圧電効果を利用した発電デバイス

特徴圧電効果の概念図

配線は並列回路波・流れの作用

圧電効果を利用した発電デバイス．電気的な異方性を持つため、応力（ひずみ）の向きに出力電圧が依存．柔軟性に富むため 任意形状に加工

圧電効果の概念図

分極柔軟性に富むため、任意形状に加工厚さが非常に薄い（5mm）

分極

従来技術との相違点従来技術との相違点

本デバイスは 柔軟性に富むため 様々な海洋エネルギー（波浪 潮流本デバイスは，柔軟性に富むため、様々な海洋エネルギ （波浪，潮流，海流など）を受けて柔軟に撓み変形し発電する．従来のタービン方式等とは発電原理自体が異なる．

○他の発電システム（洋上風力発電，太陽光発電）とのハイブリッド化．○特定の海洋運動エネルギー（波浪発電，潮汐発電，潮流発電など）に

特化しない．○海洋エネルギーによる外力の指向性がない．そのため，海象条件に

柔軟に対応．柔軟に対応．○異常波浪（津波，高潮，津波，Freak Waveなど）に対する耐波性は高い．○海象条件・設置条件・発電性能などの設計条件に合わせて，合理的

かつ理論的に自由にカスタマイズ可能かつ理論的に自由にカスタマイズ可能．○超軽量，低コスト，柔軟な機械的運動特性，軽量素材との接合性，

どのような形にでも加工可能．

新技術による研究成果・応用例

波や砕波エネルギーによる発電利用（例）

新技術による研究成果・応用例

波や砕波エネルギ による発電利用（例）

深海域利用

遠浅域，深海域に適合した設置形態が可能

※条件に依存

形態が可能．発電効率10～20%

LEDの点灯浅海域利用

防波堤や潜堤との組み合わせが可能．

※条件に依存

発電効率10～20%

新技術による研究成果・応用例

波や砕波エネルギーによる発電利用（例）

新技術による研究成果・応用例

波や砕波エネルギ による発電利用（例）

20

25

]

After breaking point

V) 20

25

]

After breaking pointAfter breaking point

V) (b)20

25

]

Before breaking point

V) 20

25

]

Before breaking pointBefore breaking point

V) (a)

0 2

0.25

W] Increment δ=5mm

Increment δ=1mmIncrement δ/H=0 5

Increment δ/H=0.83

波高と発電量の関係

‐10

‐5

0

5

10

15

utput voltage [V]

utpu

t Vol

tage

(V‐10

‐5

0

5

10

15

utput voltage [V]

utpu

t Vol

tage

(V‐10

‐5

0

5

10

15

tput voltage [V]

utpu

t Vol

tage

(V

‐10

‐5

0

5

10

15

tput voltage [V]

utpu

t Vol

tage

(V

0.1

0.15

0.2

ric po

wer [m

W Increment δ=1mm Increment δ/H=0.5

‐25

‐20

‐15

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ou

Time [s]

Ou

Time (s)

‐25

‐20

‐15

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ou

Time [s]

Ou

Time (s)

‐25

‐20

‐15

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ou

Time [s]

Ou

Time (s)

‐25

‐20

‐15

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ou

Time [s]

Ou

Time (s)0

0.05

0 20 40 60 80

Electr

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

Before breaking point

Vol

tage

(V)

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

Before breaking point

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

Before breaking pointBefore breaking point

Vol

tage

(V) (c)

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

Vol

tage

(V)

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

0

5

10

15

20

25

oltage [V]

Vol

tage

(V) (d)

Wave height [mm]

10

15

20 PTV image Experiment Computation

理論，実験，計算と比較・検証

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Output vo

Out

put V

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Output vo

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Output vo

Out

put V

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Outputvo

Non breaking Out

put V

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Outputvo

Non breaking

‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Outputvo

Non breaking Non breaking Out

put V

-5

0

5

10

Vol

tage

(V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]Time (s)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]Time (s)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Time [s]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-15

-10

Time (s)

波，砕波，渦，一様流れ等，あらゆるタイプの流れエネルギーを吸収し発電可能

新技術による研究成果・応用例流れ・渦エネルギーによる発電利用（例）

新技術による研究成果・応用例流れ 渦 ネルギ による発電利用（例）

渦流れ

構造物によって渦を生成し，その後流域に設置発電効率 %発電効率10～15%※条件に依存

出力電圧の時系列（例）一様流れ

デバイスに付加物を装着し，変形を励起する．発電効率10～15%※条件に依存

新技術による研究成果・応用例蓄電技術

新技術による研究成果・応用例蓄 技

蓄電回路の試作蓄電回路の試作

蓄電試験の結果例

蓄電に成功！

出力電圧の例 蓄電量の例

新技術による研究成果・応用例

その他のタイプ（積層構造）

新技術による研究成果・応用例

その他のタイプ（積層構造）

基本構造基本構造○中心軸から圧電フィルムを離す．○２対（4対）のフィルムを使用．○柔軟弾性素材と 積層構造○柔軟弾性素材との積層構造

Piezoelectric filmPiezoelectric film Water

ジェル状も組み合わせ可能

新技術による研究成果・応用例

応用例

新技術による研究成果・応用例

応用例

流れエネルギー利用の場合波エネルギー利用の場合

角柱・流れ方向の制御N0 7

N0.8

N0.9

20cm

20cm

Vertical

Wave

16

20

W)

θ=0°

(×10-4)

Bluff Body

の制御

N0.1 N0.2 N0.3 N0.4 N0.5

N0.6

N0.720cmBreakwater

FPED

8

12

16

tric

pow

er (m

W

θ=45°

θ=90°ニット型デバイス

0.20 0.30 0.50 0.60 0.800

4 Ele

ct

FPEDFlat Plate

Velocity (m/s)

既設の防波堤，潜堤，没水平板に設置

新技術による研究成果・応用例

発電原理の理論的裏付けと設計ツ ル

新技術による研究成果・応用例

発電原理の理論的裏付けと設計ツール

はり理論との比較（発生電圧）構造流体連成計算法の開発

[ ]∫

=i

i

i

)dS(dCV

dyxd2

21ρ

振動モードで揺れてい

[ ]

∑=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×××=

∫×=

n

i

ii

iyii

VV

dyxd

dtddSC

)dS(dt

CV

2

2

1

1

2δ

ε

曲率 時 変 ず るため理論と一致∑=

=i

iVV1曲率の時間変化（ひずみ

速度）に比例した発電量

賦存量の推定 EEZ利用賦存量の推定

3 69×104kW

EEZ利用

3.69×104kW ※1000kW級風車の37基分に相当

（海洋エネルギーの総計）×（EEZ海域の3%）×（導入率1%）＝1 23×108kW×0 03×0 01＝3 69×104kW＝1.23×108kW×0.03×0.01＝3.69×104kW

海洋エネルギーの総計 洋上風力発電の賦存量・・・・5.0×107kW http://www.h5.dion.ne.jp/~s_coral/webmaster/h i kik i i iiki h l

海洋 ネルギ の総計 洋 風力発電 賦存量海流エネルギーの賦存量・・・1.2×107kW波エネルギーの賦存量・・・・・3.6×107kW（日本海域）潮汐・潮流エネルギーの賦存量は2.5×107kW（日本海域）※NEDO（海洋資源利用に関する基礎調査）より．

総計1.23×108kW

haitatekikeizaisuiiki.html

12.9万km2÷447万km2＝0.028 ≒ 3％と推定

EEZ（排他的経済水域）海域の3%

※日本のEEZは， 447万km2（世界第6位）で陸域の12倍の広さ．※浮体式洋上風力発電に適した地域を約12.9万km2 ・・・条件例として，風速8m/sec，水深20m～100mの

面積（平均離岸距離6km）とした場合を想定． ※日本海洋データセンターより．

導入率１％

EEZ（排他的経済水域）海域の3%のうち，１％に本提案システムが導入された場合を想定．

発電単価の試算発電単価の試算

発電単価22円/kWh ※風車 大規模（10 14円/kWh） 中小規模（18 24円/kWh）発電単価22円/kWh ※風車：大規模（10-14円/kWh），中小規模（18-24円/kWh）

※太陽光発電のほぼ半分程度．

発電単価設置コスト×年経費率＋年間燃料費＋年間運転経費

発電単価 = 設置 年経費率 年間燃料費 年間運転経費

年間発電電力量

年間発電電力量 ＝平均定格電力(kW)×24時間×365日×稼働率(50%)＝0.5kW×24×365×0.5≒2190kWh

平均定格電力 単位面積当たり0.05kW/m2（但し，垂下部を水深10mまで利用できた場合）×10m2＝0.5kWと推定．申請者らの既往研究に基づいて試算．

稼働率 太陽光発電10～15%，風力発電（陸上）25%，風力発電（洋上）40%，水力発電50%，原子力発電80%，海流・潮流発電40-70%，波力発電10%と見積もられている．提案する海洋エネルギー発電は，風力発電や太陽光発電に比べて，昼夜を問わず24時間利用できる点に大きな特徴がある このことから稼動率は 中間程度の50%とする用できる点に大きな特徴がある．このことから稼動率は，中間程度の50%とする．

発電単価の試算発電単価の試算発電単価22円/kWh ※風車：大規模（10-14円/kWh），中小規模（18-24円/kWh）

※太陽光発電のほぼ半分程度※太陽光発電のほぼ半分程度．

発電単価 = 設置コスト×年経費率＋年間燃料費＋年間運転経費

年間発電電力量年間発電電力量

40万/kW程度と概算 （陸上の風力発電の設置コストは20～30万/kW，洋上の風力発電の設置コスト設置コスト 40万/kW程度と概算 （陸上の風力発電の設置 ストは20 30万/kW，洋上の風力発電の設置 スト

は，40～60万/kW．本システムは，陸上で垂下式弾性浮体ユニットを建造し，洋上で各ユニットを結合する施工方式を採用するため，これらの中間的な設置コストと考えられる．

年経費率

設置コスト

運転年数n=15年 利子率r=4% 運転年数は 太陽光発電および風力発電の平均的な運転年数15年年経費率 運転年数n=15年，利子率r=4%，運転年数は，太陽光発電および風力発電の平均的な運転年数15年とすると，年経費率＝ｒ／｛１－（１＋ｒ）－ｎ｝＝0.04／｛１－（１＋0.04）－15｝＝0.09

年間燃費率 太陽光発電や風力発電と同様に，燃費料はゼロとする

年間運転経費 一般的な目安を参考にすると，年間運低経費は設置コストの約3%程度と言われている．ここでは，設置コストを40万/kWであるため，1.2万/kWと概算される．陸上の風力発電が1000kW級1基（年間200-300万程度）と比べ，約4～5倍程度，運転経費は余分に掛かってしまうことになる．

実用化に向けた課題実用化に向けた課題例えば洋上風力発電施設とのハイブリット化

政府の総合海洋政策本部（本部長・鳩山由紀夫首相）が検討している「海洋再生可能エネルギー戦略」素案（2010.5.8 プレス発表）．日本：２０２０年までに原子力発電所10基分

① ② ③風車

日本：２０２０年までに原子力発電所10基分．米国：２０３０年までに原子力発電所54基分．

風車タワー

本システム

送電方法の確立

（１）得られた電力で海水を電気分解して水素を作り、その水素を船で陸に輸送して水素発電や燃料電池に使う

（２）海底送電ケーブルの埋設し 陸上へ輸送（２）海底送電ケ ブルの埋設し，陸上へ輸送．（３）蓄電装置に蓄電し，船舶による輸送を行う．※複雑な電力量の最適化を行うためにスマートグリッドの導入．

想定される用途想定される用途

本発電デバイスは 空気や水の流れエネルギーを本発電デバイスは，空気や水の流れエネルギ を，機械的エネルギーに変換し，電気を生み出す発電方式であるため 以下の用途が想定される方式であるため，以下の用途が想定される．

○波浪・波力エネルギー発電○潮流エネルギ 発電○潮流エネルギー発電○海流エネルギー発電○水力エネルギ 発電○水力エネルギー発電○風力エネルギー発電○振動力を利用した発電○振動力を利用した発電

なお，上記の発電方式を組み合わせたハイブリッドタイプも可能．また，小型・大型にも容易に対応可能．

想定される業界想定される業界

波及効果のある関連業界

重工・船舶・海洋土木・・・・・・沿岸着床式，浮体式へと設置場所を沖合いへ展開した場合．水産・養殖業界・・・・・・・・・・・垂下部および浮体部による静穏海域の創出によって養殖可能．環境コンサルティング・・・・・・気象，海象のリアルタイム計測ステーションなど．海洋環境調査会社・・・・・・・・事前，事後評価，アセスメントなど．メンテナンス会社・・・・・・・・・・風力と海洋のエネルギーのハイブリッド化技術システム管理中小の自動車部品メーカ・・・風車部品約１万点は自動車部品３万点と共通する部分が多い

風力発電（洋上を含めて）関連の産業は，現在，世界で4兆円/年（2008年）日本・・・1000億円/年程度（世界シェア3%程度を考慮）加 関連部 製造 カ を含めると 億程度（約 倍）

中小の自動車部品メーカ・・・風車部品約１万点は自動車部品３万点と共通する部分が多い．

※GWEC(Global Wind Energy Outlook, 2008)によると，1000kWあたり15人程度の雇用が創出できるとしている．これに基づくと 2030年の導入目標2000万kW（洋上を含める NEDO報告書より）が達成された場合 風車の製造

加えて，関連部品製造メーカーを含めると3000億程度（約3倍）．

れに基づくと，2030年の導入目標2000万kW（洋上を含める，NEDO報告書より）が達成された場合，風車の製造関連企業において30万人の雇用を創出することが可能である．これに，保守・維持管理を担う気象会社・環境アセスメント産業への波及効果を含めると，さらに10万人程度の雇用の創出が期待される．

企業への期待企業への期待

未解決 イブ ド化 送電方法 は 既• 未解決のハイブリッド化，送電方法については、既往の技術との組み合わせで，克服できると考えているる。

• 海洋・海岸構造物の施工技術，太陽光発電，風力エネルギー発電技術，ゴム・材料メーカなどの企業との共同研究を希望。

• また、海洋エネルギー，風力エネルギー分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権

発明の名称： 海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置これを用いた蓄電装置

出願番号 ： 特願2009-265726出願人 国立大学法人広島大学出願人 ： 国立大学法人広島大学発明者 ： 陸田秀実，田中義和，

川上健太 松村啓太郎川上健太，松村啓太郎

お問い合わせ先お問い合わせ先広島大学産学・地域連携センター国際・産学連携部門TEL 082-421-3631FAX 082-421-3639E-mail : techrd@hiroshima-u.ac.jp @ jp

広島大学大学院工学研究院エネルギー・環境部門 陸田秀実TEL 082-424-7778E-mail : mutsuda@naoe.hiroshima-u.ac.jp