JP2007330034A

JP2007330034A - 発電装置

Info

Publication number: JP2007330034A
Application number: JP2006159009A
Authority: JP
Inventors: Yohei Chokai; 陽平鳥海; Yasumichi Kanai; 康通金井; Satoshi Matsumoto; 松本　　聡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】日常動作を利用して効率的に発電を行なうこと。
【解決手段】加重で変形する液体用のタンク１とタンク２を靴内部の踵近傍と足の親指の付け根の辺りに配置する。タンク１とタンク２をパイプ４１でつなぎ、タービン３を設けて液体流動により回転させ、回転を発電機６に伝えて発電を行なう。生成した交流電流を蓄電素子８に蓄積する際に、充電回路７内部の電流設定部７１によって発電機６から取り出す電流の最大値を設定し、時定数設定部７２によって取り出す電流値の時定数を設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、発電機の制御に関し、特に人間の動作によって発電する際の制御に関するものである。

従来、手回し式や足踏み式など人体の力によって発電する発電機が実用化されており、災害時における携帯機器の充電などを目的として販売されている。

これらの従来の人力発電機は、そのほとんどが永久磁石型発電機を何からの増速機を介して駆動させ（例えば非特許文献１参照。）、発生した交流電圧をダイオードブリッジによって整流して電力を得るものである（例えば非特許文献２参照。）。

かかる従来の発電機における一般的な回路構成を図６に示す。同図に示した構成では、交流発電機であるジェネレータ６０に対し、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４からなるダイオードブリッジを接続してジェネレータ６０の出力電流を整流し、平滑用のコンデンサＣ１１および過充電保護用のスイッチＳ１１を介して蓄電素子８０に電力を蓄積している。

「手動発電機と磁石」http://www.tdk.co.jp/techmag/ninja/daa01071.htm 「発電回路図」http://homepage1.nifty.com/kunori/kairo.gif

しかし、上述した従来の充電方法は、発電機からの電流を制御する機構が無いため、発電機から可能な限りの電流が蓄電池へ流れる。かかる方法では、効率よく蓄電池を充電できるが、発電機にかかる負荷が大きくなるので発電機を回転させるために必要な力も大きくなり、利用者が疲れやすい。

緊急時に使用するものならば多少疲れても電力を得るために短時間の使用に耐えることができるが、例えば日常の歩行によって少しずつ電量を蓄電池にためて行き必要なときに使う歩行発電などのような場合、過度な歩行の負担にならないように電流をしぼることが望ましい。

また、歩行発電の場合、発電機の回転数は一定ではなく、回転が停止している状態から加速して発電をして、また停止をしてという周期を繰り返す。この様な場合では発電機が停止している状態では静摩擦があるので電流をしぼらないと、始動時にかなりの負担を感じることになる。

そのため、交流発電機から流れる電流の値を制御回路によって調節し、発電機を回転させるために必要な力を調節することのできる発電機が求められていた。具体的には発電機を回転させ始めてからの電流値の時間変化を図７に示すようになるように制御をかける。

これによって、発電機を回転させ始める時は軽い力で回すことができ、ある程度回転数が上がってから大きな負荷がかかるようになる。回転数が低いときは電流を大きく取り出したとしても電圧があがらないため大した出力は取り出せないので、この領域で電流をしぼっても総合的な出力はそれほど減ることはない。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、電流の最大値や時定数を制御することで、人間の日常生活の何気ない動作の中で充電することのできる、実用的な発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る発電装置は、利用者の動作によって駆動される発電機と、前記発電機が生成する電流の最大値および／または前記電流の時定数を変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る発電装置は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、可変抵抗の抵抗値および／または可変コンデンサの容量値の設定によって前記時定数を変更することを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る発電装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記発電機が生成した電力を蓄積する蓄電素子をさらに備え、前記制御手段は、前記発電機と前記蓄電素子との間に介在させた可変抵抗の抵抗値の設定によって前記電流の最大値を変更することを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る発電装置は、請求項１，２または３に記載の発明において、外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、前記利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路と、前記流動経路上に設けられ、前記液体の流動によって回転するタービンと、をさらに備え、前記発電機は、前記タービンに接続されることを特徴とする。

また、請求項５の発明に係る発電装置は、請求項４に記載の発明において、前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする。

請求項１の発明によれば発電装置は、利用者の動作によって発電機を駆動して電流を生成する場合に、生成する電流の最大値や時定数を変更するので、発電時における利用者の体への負担の感じ方を低減し、人間の日常生活の何気ない動作の中で継続的に長時間充電することのできる、実用的な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項２の発明によれば発電装置は、人力によって発電する場合に、可変抵抗の抵抗値や可変コンデンサの容量値の設定によって時定数を変更するので、発電に必要な負荷を利用者が任意に設定可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば発電装置は、人力によって充電する場合に、可変抵抗の抵抗値や可変コンデンサの容量値の設定によって電流の最大値を変更するので、充電に必要な負荷を利用者が任意に設定可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば発電装置は、利用者の動作によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量によってタービンを回して発電する際の最大電流値や時定数を設定するので、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項５の発明によれば発電装置は、利用者の体重移動によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量によってタービンを回して発電するので、歩行などの動作を利用して効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。

本発明は、人間の日常生活における動作から電力を得るものであるが、本実施例では日常生活における動作の例として歩行を利用する方法について説明する。

図１は、本発明の実施例である発電装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である。同図に示すように、靴の内部には歩行時に最も圧力がかかる２点、例えば踵と、足の親指の付け根の辺りにそれぞれやわらかいタンク１とタンク２を配置する。そしてタンク１とタンク２は液体で満たし、パイプ４１で接続する。

従って、歩行動作によってタンク１とタンク２に交互に圧力が加わると、パイプ４１内を液体が移動する。この移動経路上にタービン３を設け、タービン３と発電機６を接続することで発電機６を動作させて発電を行なうことができる。

発電機６で発生した交流電流は、充電回路７を介して蓄電素子８に蓄積される。ここで、充電回路７は、その内部に電流設定部７１および時定数設定部７２を有する。電流設定部７１は、発電機６から取り出す電流の最大値を設定する処理部であり、時定数設定部７２は取り出す電流値の時定数を設定する処理部である。

つづいて、靴内部の構造例について、図２を参照してさらに詳しく説明する。同図に示すように、タンク１とタンク２は、パイプ４１およびパイプ４２によって繋がれる。さらにパイプ４３がパイプ４１と４２とを接続し、逆止弁５１，５２，５３，５４により、パイプ４３には常に一方向にしか液体は流れない。

例えば、タンク１に圧力をかけたときは、逆止弁５１，５３が閉じて逆止弁５２からパイプ４３を通り逆止弁５４へ液体が流れる。同様に、タンク２に圧力を掛けた場合には、逆止弁５２，５４が閉じて逆止弁５１からパイプ４３を通り逆止弁５３へ液体が流れる。

パイプ４３の途中にあるタービン３は、パイプ４３に流れる液体の圧力と運動量によって回転する。この回転がプーリー９によって発電機６に伝えられる。プーリーを用いるのは、靴底という狭いスペースにおいてタービンと発電機が軸を共有しておくスペースが無い場合や、タービンと発電機の回転数を違うものにしたい場合などである。状況によってはプーリーを用いずタービンと発電が軸を共用しても良い。

つぎに、充電回路７の回路構成と動作について図３を参照して説明する。発電機６が停止状態から回転を始めると、発電機６の両端には交流の電圧が発生する。この電圧はダイオードＤ１〜Ｄ４が構成するダイオードブリッジによって整流される。

はじめ、コンデンサＣ１には電荷はたまっていないので、Ａ点の電位はＧＮＤと等電位である。オペアンプＯＰ１はＡ点とＢ点を等電位にするように動作をするので、トランジスタによって構成されるスイッチＳ１は完全に閉じてＢ点もＧＮＤと等電位となり、抵抗Ｒ２には電流は流れない。従って、負荷となる蓄電素子８にも電流は流れない。

次に、少し時間が経ちコンデンサＣ１に抵抗Ｒ１を介して電流が流れ、Ａ点の電位がＶ１になったとすると、そのときＢ点の電位をＶ１にするようにオペアンプＯＰ１は動作する。すなわち、スイッチＳ１を少し開いて抵抗Ｒ２の抵抗値でＶ１を割った値だけ電流を流す。

そのため、蓄電素子８にも電流が流れ、発電機６の負荷が若干増える。Ａ点の電位はコンデンサＣ１の容量と抵抗Ｒ１の時定数で決まる速度で上昇し、おなじ速度で負荷（蓄電素子８）に流れる電流も増加する。

そして、コンデンサＣ１が十分に充電されてスイッチＳ１が完全に開くと、電流値は発電機６の電圧から蓄電素子８の電圧を引いた値を抵抗Ｒ２の抵抗値で割った値になる。

この一連の電流変化は図４のようになる。初めコンデンサＣ１の電圧の上昇とともにスイッチＳ１が少しずつ開き、非線形で電流値が上昇する。そして、時刻Ｔ１においてスイッチＳ１は完全に開き、それ以上電流値はあがらなくなる。この電流変化は、目標とした図７の特性に近いといえる。

すなわち、発電機６が回り始めるときは負荷が軽く、ある程度回り始めてからは負荷が重くなることによって、人間が感じる疲労度を低減させることと、効率が良い高回転の領域を積極的に利用することができるようになる。

発電機６の回転が停止し起電圧がゼロになると、コンデンサＣ１に溜まった電荷はダイオードＤ５を通って瞬時に放電され、Ａ点の電位はゼロになるので、再び回転を始めるときまた負荷電流はゼロからスタートする。

この図３に示した回路構成において、電流設定部７１は抵抗Ｒ２、時定数設定部７２は、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１によって構成される。そこで、可変抵抗や可変コンデンサを採用してその抵抗値・容量値を変更することで、電流の最大値や時定数を任意に設定することが可能となる。

本実施例では、歩行という日常動作を利用して発電するので、その負荷を調節して利用者の体への負担を減らすことは必須である。また、発電機はその回転を止めたり回転したりを繰り返すこととなるので、静摩擦の影響を受けやすく、始動時に特に負担がかかりやすいシステムであるので、本発明の利用によってその負担を軽減することが必要である。

具体的には、図５に示すようなダイアルスイッチを例えば靴の横などにつけ、利用者が自らダイアルを回すことにより、例えば元気なときは負荷を重くして発電する電力を増加することができ、疲れたときは負荷を軽くしてあまり発電をさせないようにすることができれば、歩行発電靴を快適に使うことができる。

なお、図５に示したダイアルスイッチ７３は抵抗Ｒ２の抵抗値を変更して負荷電流の最大値を設定する負荷電流最大値設定ダイアルであり、ダイアルスイッチ７４は、抵抗Ｒ１の抵抗値もしくはコンデンサＣ１の容量を変更して電流値の上昇勾配の時定数を設定する電流値上昇勾配時定数設定ダイアルである。

上述してきたように、本発明に係る発電装置は、靴の中に圧力変化で発電する発電気候を設けるとともに、電流の最大値や時定数を変更可能とすることで、発電に要する最大負荷を調整可能とするとともに、変動の激しい圧力から効率的に発電可能としているので、人間の日常生活の何気ない動作の中で、意識して労力をかけることなく効率的に充電することのできる、実用的な発電装置を得ることができる。

なお、本実施例に示した構成では、歩行時、走行時のみならず、重心を移動させるだけでも発電をすることが出来る。例えば、揺れる電車の中では立っているだけで電車のゆれによって重心がずらされ、発電をすることが出来る。

また、本実施例に示した構成はあくまで一例であり、適宜変更して実施することができるものである。設置場所も靴の中に限らず、圧力差を生じさせる場所、例えば股関節などに設置し、股関節を曲げたり伸ばしたりする動作によって発電をすることも可能である。

さらに利用者が手回しなどで能動的に発電を行なう場合にも、本発明を適用することで発電に要する労力の軽減と発電の効率化を図ることが可能である。

以上のように、本発明にかかる発電装置は、人力による発電制御に有効であり、特に日常動作による発電制御に適している。

本発明の実施例である発電装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である。図１に示した靴内部の構造例について説明する説明図である。図１に示した充電回路の回路構成と動作について説明する説明図である。図１に示した発電装置による電流変化について説明する説明図である。設定変更用のインターフェース例について説明する説明図である。従来の発電機における一般的な回路構成を説明する説明図である。本発明で目的とする電流制御について説明する説明図である。

符号の説明

１，２タンク
３タービン
４１〜４３パイプ
５１〜５４逆止弁
６発電機
７充電回路
７１電流設定部
７２時定数設定部
７３，７４ダイアルスイッチ
８蓄電素子
９プーリー

Claims

利用者の動作によって駆動される発電機と、
前記発電機が生成する電流の最大値および／または前記電流の時定数を変更する制御手段と、
を備えたことを特徴とする発電装置。
前記制御手段は、可変抵抗の抵抗値および／または可変コンデンサの容量値の設定によって前記時定数を変更することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記発電機が生成した電力を蓄積する蓄電素子をさらに備え、
前記制御手段は、前記発電機と前記蓄電素子との間に介在させた可変抵抗の抵抗値の設定によって前記電流の最大値を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、
前記利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、
前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路と、
前記流動経路上に設けられ、前記液体の流動によって回転するタービンと、
をさらに備え、
前記発電機は、前記タービンに接続されることを特徴とする請求項１，２または３に記載の発電装置。
前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。