CN107615636B - 发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发电装置。发电装置利用振动发电元件将振动能量转换为电力并供给所述电力，所述振动发电元件是在保持彼此相向的状态且构成为能够相对移动的基板中的一基板设置驻极体而成。振动发电元件具有与振动发电元件相同的构成，将振动能量转换为电力。振动发电元件经由包含二极管的桥接型全波整流电路及包含电容器的平滑化电路以及发光二极管驱动电路，而连接于发光二极管。利用发光二极管的亮灭交替来显示使用了振动发电元件等的发电装置的发电状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种将振动、热、光、电磁波等环境能量转换为电力的发电装置。
背景技术
因最近的节能的流行，不依存于化石燃料(fossil fuel)等的日常存在的环境能量正受到瞩目。作为日常存在的环境能量，借助于太阳光或风力等的发电能量已广为人知，除此之外，还能够列举振动能量、热能、电磁波、渗透压或生物能量等。
而且，作为利用这些环境能量进行发电的发电装置，开发出利用振动能量进行发电的发电装置(例如参照专利文献1)。利用这些环境能量的发电装置中，作为确认是否进行发电的方法，例如考虑利用测试仪或示波器(oscilloscope)等测量器直接测量发电元件的输出。所述情况下，因发电元件的输出阻抗高，所以为了利用测试仪等而需要经由阻抗转换电路加以连接(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2014-23302号公报
专利文献2：日本专利特开2014-33494号公报
发明内容
发明所要解决的问题
利用环境能量进行发电的发电装置能够取代电池(battery)而用作电源，因而正研究作为无线传感器网络的传感器节点的电源的利用。无线传感器网络中的传感器节点有时也会设置在例如船底那样人不容易或不会频繁地靠近的场所或位置。然而，因将所述测量器带入这种场所或位置也并不容易，所以也不容易确认是否已由所设置的发电装置实际进行了发电。
本发明鉴于所述问题而完成，目的在于提供一种能够容易确认发电状态且利用了环境能量的发电装置。
解决问题的技术手段
本发明中，为了解决所述问题，而采用了设置显示元件的构成，所述显示元件显示利用了环境能量的发电装置的发电状态。此时，能够利用显示元件容易确认发电元件的发电状态。
详细来说，本发明为一种发电装置，将环境能量作为电力而输出，且包括：第一发电元件，对环境能量进行转换而发出应供给到所述发电装置外的负载的电力；显示元件，显示所述发电装置的发电状态；以及第二发电元件，将环境能量转换为电力，并且对所述显示元件供给所述电力；所述第二发电元件放置在与所述第一发电元件的发电环境相同的环境下，并且与所述第一发电元件电气分离。根据本发明，能够利用显示元件而容易确认发电装置的发电状态。
本发明的发电装置利用将环境能量转换为电力的第一发电元件，对发电装置外的各种负载供给电力，并且利用同样地将环境能量转换为电力的第二发电元件，对显示元件供给电力。因第一发电元件与第二发电元件电气分离，所以发电装置对负载供给的电力不会受到显示元件的消耗电力影响。即便在由第一发电元件发出的电力小的情况下，也能够利用显示元件显示发电状态。关于负载，只要接收由发电装置发出的电力的供给即可，可与发电装置配置于同一壳体内，也可与发电装置分开设置。
此处，发电状态不限于包含发电装置是否发电的状态，还包含是否满足发电电压超过规定值或低于规定值等规定条件等的各种状态。而且，作为显示元件，有如发光二极管这样的发光元件，但不限于此。而且，关于显示元件的显示方法，只要是发光元件，则也不仅限于通过亮灯或灭灯而显示的情况，也可以按照规定周期亮灭交替。而且，也可利用发电电压变更亮灭交替周期或发光强度，从而能够显示发电电压的大小。也可使用发光色不同的多个发光元件，利用发光色显示发电电压等，还可使用多个发光元件，根据亮灯的发光元件的数量来显示发电电压等。
而且，第二发电元件放置于与第一发电元件的发电环境相同的环境下。显示元件接收由第二发电元件进行的电力的供给，因而由显示元件显示的发电状态直接是第二发电元件的发电状态。然而，第二发电元件所放置的发电环境因与第一发电元件的发电环境相同，所以显示元件能够显示第一发电元件的发电状态，也就是，发电装置的发电状态。此处，发电环境是指环境能量作用于第一发电元件及第二发电元件的状况。如果环境能量是振动能量，则发电环境是指振动作用于各发电元件的状况，如果环境能量是热能，则发电环境是指热作用于各发电元件的状况。根据环境能量的种类，可具有多种用以实现同一发电环境的具体构成。
而且，环境能量包含振动、热、光、电磁波等，但不限于此。
而且，也可包括开关电路，所述开关电路对将由所述第二发电元件发出的电力供给到所述显示元件的电路、与将所述电力供给到所述负载的电路进行切换。通过具备这种开关电路，在不需要驱动显示元件的情况下，由第二发电元件发出的电力也能够供给到负载，从而能够实现所发出的电力的有效利用。
而且，本发明的放电装置是对作为所述负载的进行规定动作的机器供给电力的发电装置，包括重置信号输出电路，所述重置信号输出电路在所述第二发电元件的发电电压低于规定值的情况下，对所述机器输出重置所述机器的规定动作的重置信号。所述重置信号输出电路可从所述第二发电元件接收电力的供给，也可从所述第一发电元件接收电力的供给。
关于作为负载的从发电装置接收电力供给的机器，有各种机器。作为这种机器，有如用以发送经传感器检测到的信息或接收来自外部的控制信号的数字无线设备这样的数字机器。环境能量并非一直以固定的强度持续供给，因而有可能发电电压发生变动，从而也可能急剧降低。因此，在数字无线设备进行数据的收发等规定动作的中途，发电装置的发电电压急剧降低，然后，在重新开始供给环境能量而从发电装置供给电力时，数字无线设备的动作中有可能发生异常。然而，在将这种数字无线设备设置在人不容易或不会频繁地靠近的场所或位置的情况下，每当发生异常时，人难以进行修理等维护。如本发明这样在第二发电元件的发电电压低于规定值的情况下，如果输出重置机器的规定动作的重置信号，则机器的软件上的系统重置成为可能，从而能够防止机器的动作异常的发生。关于重置信号，只要是接收到所述信号的机器转移到规定动作前的原来的状态、或对应于重置信号的输入而转移到规定的特定状态者即可。只要因电力供给的重新开始而能够进行机器的动作，则人无须每次接近机器，从而维护性提高。机器的规定动作包含根据机器应实现的特定功能的控制或机器的内部的信息处理等目的而进行的一连串处理，但不限于此。
而且，所述第一发电元件与所述第二发电元件可设置于同一壳体。通过将第一发电元件与第二发电元件设置于同一壳体，能够将第二发电元件放置于与第一发电元件的发电环境相同的环境下。也就是，能够使环境能量对第一发电元件与第二发电元件的影响相同或近似。如果环境能量是振动，则通过将第一发电元件及第二发电元件的固定侧部位固定于壳体的同一构成材料，而振动对各个发电元件的影响相同或近似。所述情况下，不必限于固定于壳体的同一构成材料的情况，也可固定于成为相同或近似的振动状态的不同种类的构成材料。
而且，所述第一发电元件与所述第二发电元件可以是同一种类的发电元件。所谓同一种类，是指采用相同或近似的构成，且具有相对于被供给的环境能量为相同或近似的输出特性的发电元件。通过使第一发电元件与第二发电元件中使用同一种类的发电元件，而获得相对于环境能量为相同或近似的输出，因而利用从第二发电元件供给电力的显示元件而显示的发电状态更忠实地反映了第一发电元件的发电状态。
而且，所述第一发电元件与所述第二发电元件可以是将振动能量转换为电力的振动发电元件，也可以是将热能转换为电力的热发电元件。第一发电元件及第二发电元件只要是将环境能量转换为电力的元件，则不限于此。
发明的效果
在利用了环境能量的发电装置中，能够容易地确认是否进行了发电。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的发电装置的概略构成的图。
图2是表示振动发电元件的输出电压波形的图。
图3中的(a)、(b)是表示驱动发光二极管的电压波形的图。
图4是表示本发明的实施例2的发电装置的概略构成的图。
[符号的说明]
1：发电装置
2、2-1、10：振动发电元件
3、4、11、12、3-1、4-1：基板
5、13、5-1：驻极体
15：发光二极管
16：发光二极管驱动电路
17：开关电路
20：发电装置
22：触发器
221～226：端子
D1～D7、D1-1～D4-1、D11～D14：二极管
D8：齐纳二极管
C1～C11：电容器
S1：恒电流源
M1～M2：金属氧化物半导体场效应晶体管
R1～R2：电阻
L1：电感器
Q、
输出端
D：数据输入端
CLK：时钟输入端
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的振动发电装置1进行说明。另外，以下的实施方式的构成是例示，本发明不限定于本实施方式的构成。
[实施例1]
图1表示本发明的发电装置1的概略构成。关于振动发电元件2，例如有在保持彼此相向的状态且构成为能够相对移动的基板3、4的一基板4设置驻极体5而成的振动发电元件。关于这种借助于驻极体5的作用的发电原理由于是现有技术，所以本说明书中省去其详细说明。
本发明的发电装置中所使用的发电元件不限于以上所述。也可以是以不同的方式利用振动能量的发电元件，还可以是利用振动以外的热、光、电磁波等其他环境能量的发电元件。
振动发电元件2的基板3连接于二极管D1的阳极及二极管D3的阴极。基板4连接于二极管D2的阳极及二极管D4的阴极。二极管D1及二极管D2的阴极连接于电容器C1的一端。二极管D3及二极管D4的阳极连接于电容器C1的另一端，并且连接于第二输出端子(接地)。二极管D1、D2、D3及D4构成相对于振动发电元件2的输出的桥接型全波整流电路，电容器C1构成相对于桥接型全波整流电路的输出的平滑化电路。
二极管D1、D2的阴极及电容器C1的一端连接于二极管D5的阳极。二极管D5的阴极连接于恒电流源S1的一端。恒电流源S1对振荡器6供给恒电流。振荡器的输出连接于N信道型金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)(M2)的栅极。MOSFET(M2)的源极连接于第二输出端子，漏极连接于电阻R2的一端。电阻R2的另一端连接于电阻R1的一端及P信道型MOSFET(M1)的栅极。由所述二极管D5、恒电流源S1、振荡器6、MOSFET(M2)及电阻R2构成后述的开关调节器的控制电路。
二极管D1、D2的阴极及电容器C1的一端以及二极管D5的阳极连接于电阻R1的另一端及MOSFET(M1)的源极。MOSFET(M1)的漏极连接于二极管D6的阴极及电感器L1的一端。二极管D6的阳极连接于第二输出端子。电感器L1的另一端连接于二极管D7的阳极。二极管D7的阴极连接于蓄电电容器C2的一端、齐纳二极管D8的阴极及第一输出端子。蓄电电容器C2的另一端连接于第二输出端子。由所述电阻R1、MOSFET(M1)、二极管D1、电感器L1、二极管D7及蓄电电容器C2构成开关调节器。
齐纳二极管D8的阳极连接于第二输出端子。利用齐纳二极管D8将第一输出端子的电压保持为固定。
关于设置于这种振动发电元件2的后段的电路的动作及功能由于是现有技术，所以本说明书中省略其详细说明，通过经由这种电路能够使输出阻抗降低到100kΩ左右，从而能够连接适当的负载。
振动发电元件2-1是在保持彼此相向的状态且构成为能够相对移动的基板3-1、4-1中的基板4-1设置驻极体5-1而成。基板3-1连接于二极管D1-1及二极管D3-1的阴极。基板4-1连接于二极管D2-1的阳极及二极管D4-1的阴极。二极管D1-1及二极管D2-1的阴极连接于电容器C1的一端。二极管D3-1及二极管D4-1连接于第二输出端子。
此处，振动发电元件2及振动发电元件2-1相当于第一发电元件。将所述两个振动发电元件并联连接，振动发电元件当然也可单个使用，还可将三个以上的振动发电元件并联连接而加以使用。而且，多个振动发电元件中优选使用同一种类的振动发电元件。
使用了所述振动发电元件的发电装置是对环境能量进行转换而发电的发电装置的例子，能够相应于接收由发电装置发出的电力的供给的负载，而在振动发电元件的后段设置具有适当功能的电路。
进而，本发明中具备振动发电元件10。振动发电元件10是在保持彼此相向的状态且构成为能够相对移动的基板11、12中的基板12设置驻极体13而成。关于振动发电元件10的发电原理由于是现有技术，所以本说明书中省去其详细说明。
基板11连接于二极管D11的阳极及二极管D13的阴极。基板12连接于二极管D12的阳极及二极管D14的阴极。二极管D11的阴极及二极管D12的阴极连接于电容器C11的一端。二极管D13及二极管D14的阴极连接于第二输出端子及电容器C11的另一端。二极管D11、D12、D13、D14构成相对于振动发电元件10的输出的全波整流电路。而且，电容器C11构成相对于全波整流电路的输出的平滑化电路。而且，电容器C11的一端连接于对发光二极管(light-emitting diode，LED)15进行驱动的发光二极管驱动电路16。进而，设置将电容器C11的一端与电容器C1的一端连接及阻断的开关电路17。所述开关电路中能够使用高绝缘的微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)开关等，但不限于此。
振动发电元件10相当于第二发电元件，发光二极管15相当于显示元件。通过这样将发光二极管15连接于振动发电元件10的输出，而振动发电元件10发出的电力被供给到发光二极管15并亮灯。也就是，对振动发电装置供给振动能量，能够同样地利用连接于被供给振动能量的振动发电元件10的输出的发光二极管15的亮灭交替来确认振动发电元件2及振动发电元件2-1是否已发电。而且，设置开关电路17，当将开关连接于发光二极管驱动电路16侧时，由振动发电元件10发出的电力经由发光二极管驱动电路16而供给到发光二极管15。而且，当将开关电路17连接于振动发电元件2侧时，振动发电元件10相对于负载而与振动发电元件2并联连接，由振动发电元件10发出的电力被供给到负载。这样，利用开关电路17来切换应从振动发电元件10供给电力的电路，由此能够实现由振动发电元件10发出的电力的有效利用。另外，本实施例中，设置着开关电路17，但也能够构成为：不设置开关电路，使从振动发电元件10对发光二极管15供给电力的电路、与从振动发电元件2及振动发电元件2-1对负载供给电力的电路完全电气分离，而彼此不电气连接。
振动发电元件2、振动发电元件2-1、振动发电元件10设置于发电装置的同一壳体内。通过将这些振动发电元件设置于同一壳体，而环境能量(此处为振动)经由共同的壳体作用于各振动发电元件。也就是，对发光二极管15供给电力的振动发电元件10放置在与振动发电元件2、振动发电元件2-1相同或近似的振动状态下，也就是同一发电环境下。因此，发光二极管15能够更忠实地显示利用振动发电元件2等进行发电的发电装置的发电状态。
用以提取电力的振动发电元件2与用以使发光二极管亮灯的振动发电元件10能够使用同一种类的振动发电元件。如果这样使用同一种类的振动发电元件，则利用与应提取电力的振动发电元件同样工作的振动发电元件使发光二极管亮灯，因而能够使应提取电力的振动发电元件的工作状态更忠实地反映于发光二极管的亮灯中。然而，为了如同确认是否产生振动那样确认是否供给了用于发电的环境能量，未必需要使用与用以提取电力的振动发电元件同一种类的发电元件来作为用以使发光二极管亮灯的振动发电元件。
图2表示出现在电容器C11的两端的振动发电元件10的输出电压波形。利用由振动而产生的振动发电元件10的基板11、12间的相对移动而电容器C11进行充电及放电。如图2所示，利用电容器C11的充电而出现在电容器C11的端子间的电压增加，利用电容器C11的放电而出现在电容器C11的端子间的电压减少。然后，通过反复进行电容器C11的充放电而出现在电容器C11的两端的电压也反复增加及减少。此处所示的输出电压的变化作为一例，因相对于振动发电元件10的振动，出现在电容器C11的两端的输出电压波形不同。
发光二极管驱动电路16是生成发光二极管15的驱动电压的电路。所述发光二极管驱动电路16根据发光二极管15的规格、或作为发电装置的发电状态的显示方法的使其亮灭交替的方法而能够采用各种构成。图3是发光二极管15的驱动电压波形的一例。此处，以固定的加速度及周期(例如0.15G及30Hz)使振动发电元件10振动，且以如下方式进行驱动，即，如果振动发电元件10的经由电容器C11的输出电压超过4.5V则对发光二极管15供给电力，如果所述输出电压低于3.0V则停止对发光二极管15供给电力。如果设定这种驱动条件，则供给到发光二极管15的电压例如显示出如下变化，即，在振动的20秒后脉冲以6秒间隔连续地上升(参照图3的(a))。此处，如图3的(b)所示，脉冲宽度20msec(毫秒)的电压被供给到发光二极管15。
发光二极管驱动电路16的具体构成由于是现有技术，所以本说明书中不再对其详细情况进行说明。作为发光二极管驱动电路16，例如有利用MOSFET来切换从振动发电元件10对发光二极管15供给电力的电路。将MOSFET的源极连接于振动发电元件10的输出侧，将漏极连接于发光二极管15侧，将栅极连接于RS触发器的输出端子。将第一比较器的输出端子连接于RS触发器的S端子，使第二比较器的输出端子反转而连接于R端子。对第一比较器的反转输入端子施加4.0V的电压作为第一基准电压，对非反转输入端子施加振动发电元件10的输出电压。而且，对第二比较器的反转输入端子施加3.0V的电压作为第二基准电压，对非反转输入端子施加振动发电元件的输出电压。如果以所述方式构成发光二极管驱动电路16，则能够进行如下驱动，即，当振动发电元件10的输出电压增加而超过第一基准电压时，对发光二极管15供给电力，当输出电压减少而低于第二基准电压时，停止对发光二极管的电力供给。当然也可根据振动发电元件10及发光二极管15的规格，包含如设置于振动发电元件2的降压电路等适当的电路，构成发光二极管驱动电路16。而且，在不对发光二极管15进行特定的驱动控制的情况下，发光二极管驱动电路也可仅进行降压等。
[实施例2]
图4表示本发明的振动发电装置20的概略构成。虽未图示，但对负载供给电力的振动发电元件等的构成与实施例1相同。而且，关于与实施例1共同的构成，使用同一符号并省略详细的说明。
振动发电装置20具有与发光二极管连接的振动发电元件10。所述振动发电元件10、包含二极管D11～D14的全波整流电路及使用了电容器C11的平滑化电路因与实施例1相同，所以使用相同的符号并省略说明。
将电容器C11的一端经由开关电路17而连接于发光二极管驱动电路16的输入端，将发光二极管15的阳极及触发器22的预设端子224连接于发光二极管驱动电路16的输出端。虽未图示，触发器22从振动发电元件10接收电力的供给。另外，本实施例中，设置了开关电路17，但也能够构成为：不设置开关电路，使从振动发电元件10对发光二极管15供给电力的电路、与从振动发电元件2及振动发电元件2-1对负载供给电力的电路完全电气分离，而彼此不电气连接。
据此，与实施例1同样地，振动发电元件10发出的电力被供给到发光二极管15并亮灯。也就是，对发电装置供给振动能量，能够同样地利用连接于被供给振动能量的振动发电元件10的输出的发光二极管15的亮灭交替来确认振动发电元件2及振动发电元件2-1是否发电。而且，通过将振动发电元件10与振动发电元件2及振动发电元件2-1设置于同一壳体内，而放置在同一发电环境下，因而发光二极管15能够更忠实地显示利用振动发电元件2等进行发电的发电装置的发电状态。
例如能够使用具有端子221～226的D触发器22(例如以74MC74触发器来实施，然不以此为限)来作为触发器。关于D触发器22的动作由于是现有技术，所以本说明书中省去其详细说明。此处，如果出现在电容器C11的两端的电压低于3.0V(规定值)，则发光二极管驱动电路16的输出电压，也就是对触发器22的预设端子224的输入信号下降，由此无论输入到触发器22的D端子222的信号的值如何，触发器22的端子225的输出均为“高(High)”。如果相应于触发器22的输出的连接目标的规格而连接于端子226，则能够因对预设端子224的输入信号的下降而输出“低(Low)”。触发器22相当于重置信号输出电路。
通过将所述Hi或Low的输出信号用作在数字无线设备等机器中进行软件上的系统重置的信号，在发电装置的电压已降低的情况下，在数据的收发等规定动作中自动地进行重置，从而防止重新开始电力供给的情况下的机器的异常，维护性提高。
本实施例中，由D触发器构成了重置信号输出电路，但不限于这种构成。能够根据作为负载的从发电装置20接收电力供给的机器的构成、或作为重置信号而输出的信号而采用适当的重置信号输出电路。
Claims (4)
1.一种发电装置，其特征在于，将环境能量作为电力而输出，且包括：
第一发电元件，对所述环境能量进行转换而发出应供给到所述发电装置外的负载的电力；
显示元件，显示所述发电装置的发电状态；
第二发电元件，将所述环境能量转换为电力，并且对所述显示元件供给所述第二发电元件发出的电力，所述第一发电元件与所述第二发电元件是将振动能量转换为电力的振动发电元件，所述第二发电元件包括连接于接地与所述第二发电元件的输出端之间的电容器，所述第二发电元件以固定的加速度及周期振动而对所述电容器进行充电及放电，而使所述第二发电元件的输出电压相对于所述第二发电元件的振动而变化；
所述第二发电元件放置在与所述第一发电元件的发电环境相同的环境下，并且与所述第一发电元件电气分离；
开关电路，所述开关电路对将由所述第二发电元件发出的电力供给到所述显示元件的电路、与将所述第二发电元件发出的电力供给到所述负载的电路进行切换；以及
发光二极管驱动电路，接收所述开关电路供给的电力，在所述第二发电元件的输出电压超过第一电压时，对所述显示元件供给电力，在所述第二发电元件的输出电压低于第二电压时，停止对所述显示元件供给电力，其中所述第一电压大于 所述第二电压。
2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，是对作为所述负载的进行规定动作的机器供给电力的发电装置，包括重置信号输出电路，所述重置信号输出电路在所述第二发电元件的发电电压低于规定值的情况下，对所述机器输出重置所述机器的规定动作的重置信号。
3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，其中
所述第一发电元件与所述第二发电元件设置于同一壳体。
4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，其中
所述第一发电元件与所述第二发电元件是同一种类的发电元件。
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