JP2015009800A - ソーラーパネルを利用した化石燃料消費量低減機 - Google Patents

Abstract

【課題】化石燃料で走る自動車に付加する装置であって、ソーラーパネルで発電した電気エネルギを利用して化石燃料の消費量を低減する装置。
【解決手段】車の屋根とその上のソーラーパネルと左右の側板とでダクトを構成し、そのダクトの中に電動モータとプロペラとを配置し、ソーラーパネルで発電した電気エネルギにより電動モータとプロペラとを回転させて推進力を得て、化石燃料の消費量を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ソーラーパネルの発電エネルギを利用して自動車の化石燃料消費量を低減する装置に関するものである。

一般的な自動車としては化石燃料を使用したガソリン車とディーゼル車がある。これらは推進力に化石燃料燃焼エンジンを使用していることにより車輪を駆動する電動モータを持たないのでソーラーパネルを搭載してもその発電エネルギを推進力にすることができない欠点があった。

化石燃料を使用しない自動車として、ソーラーカー、電気自動車があり、これらは充電池に充電された電気エネルギで車輪と連結した電動モータを回して推進力を得る方式である。しかしながらソーラーカーは雨天や夜間には発電されず、長距離走行に困難があり、電気自動車も充電できるポイントが少なくやはり長距離走行に困難がある。そこでガソリン車とディーゼル車の化石燃料消費量低減にプロペラの使用が考えられる。

特許出願２０１０−２０３６９５号 実用新案出願２００５−６８４４号

自動車にプロペラを搭載する事例として上記技術文献がある。特許文献１に開示されているプロペラ搭載自動車では、走行時の風力により発電機に結合されたプロペラを回転させて電気エネルギを得る方式であるが、自動車から見れば発電時のプロペラの空気抵抗はその機構が無い場合に比べて増大してしまう。発電機の効率は最大１００％以上には成り得ないので空気抵抗の損失エネルギに比較して発電エネルギのほうが小さくなってしまう。発電したエネルギで車輪に連結した電動モータを回すので電気自動車の構造でなければならない。

また、特許文献２の風力発電機付きソーラーカーでは風力発電機のプロペラと発電用モータは駐停車時のみ風を受けて発電し走行時には休止する構造となっており、自動車本体も車輪と連結した電動モータを持つ電気自動車の構造でなければならない。

以上２つの特許文献のプロペラは、風車として風を受けて受動的に回転するプロペラでその回転力を発電機に伝えて電気エネルギを得るものであり、本発明の電気エネルギで電動モータとプロペラとを能動的に回転させ空気を車後方に噴出させて推進力を得る機能を持ったプロペラと機能に根本的な違いがある。

自動車全般の中でソーラーカーを含む電気自動車の占める割合は低く、ガソリン・軽油を燃料とする内燃機関エンジンで走行する自動車が圧倒的に多い。地球温暖化防止及び大気汚染防止のためにもこのガソリン車やディーゼル車の化石燃料の消費量をいかに低減するかが大変重要である。

自動車が一定速度で走行する時には車の空気抵抗と車輪の転がり摩擦が主たる損失エネルギとなる。しかしながら内燃機関エンジンを搭載した自動車は一定速度で走行するときにも小さいその損失エネルギを補うためにその速度に対応したエンジン回転数の維持が必要でピストンを停止させない最低限の燃料供給が必要であり、このことが化石燃料消費量の多い一因となっている。

本発明は、かかる課題の改善つまり化石燃料を動力源とするガソリン車とディーゼル車の化石燃料の消費量を低減すべくなされたものであり、ソーラーパネルで得られた発電エネルギを用いて電動モータとプロペラとを回転させ車前方から空気を吸い込み車後方に噴出させて推進力を得ることにより、主たる動力源である化石燃料消費量を低減させる化石燃料消費量低減機を提供することを主目的とする。

その他の課題として、ブレーキを踏んだ時にプロペラによる推進力が制動力を弱めてしまう課題を有し、また停車時にプロペラで指や手を怪我しないように安全性を確保しなければならない課題もある。

自動車が一定速度で走行する条件を考える。例えば地球を周回している衛星は周回するのにエネルギを消費していない。一定速度を持つように打ち上げられた衛星は、真空中で空気抵抗が無く遠心力と地球に引き寄せられる引力とのバランスで地球を周回している。このことは化石燃料自動車が一定速度に達したとき、その時の空気抵抗と転がり摩擦の損失エネルギを補う効率の良い推進力が得られれば、ギアをニュートラルにしても慣性の法則により一定速度が保てるということになる。その解決策として、ソーラーパネルで発電した電気エネルギで電動モータとプロペラとを回転させて空気抵抗を生んでいる車前面の空気を積極的に吸い込み車後方にそれを噴出させて得られた推進力で空気抵抗と転がり摩擦の損失を補い一定速度を維持させることにより、化石燃料の消費量は確実に低減できることになる。

プロペラの推進力の効率を高めるのに車前方の空気を可能な限り吸入できるよう側面からの空気の流入を防ぐダクトが必要不可欠であるが、そのために重量が重くなると効率が低下する。そこで請求項１では左右の側板と車の屋根とソーラーパネルとでダクトを形成して、本来必要なダクトの材料を省いて軽量化をはかり、車走行時に車前面の空気をボンネットとフロントガラスとで気圧を高めてこのダクトに効率良く吸い込む構造としてプロペラの推進力の効率がアップするようにした。請求項２ではプロペラを大きくできるようにソーラーパネルより後方にも設置できるようにしてダクトを追加したことにより重量が増加するがプロペラの大型化により強力な推進力が得られるメリットがあり、ダクトの形状によっては側板を簡略化できる。

コントロールユニットでは、車停止状態の時に電動モータの推進力をオフとし、速度信号で事前に設定した速度以上になったと検知した時に推進力をオンとする。このことにより停車時に人が誤って怪我をすることが無いようにでき、無駄な電気エネルギの消費を防ぐことができる。車が走行状態から停止状態になったことを速度信号で検知した時には前記の理由で電動モータとプロペラの推進力をオフとする。走行中の運転手がアクセルペダルやブレーキペダルを頻繁に踏み変えるのは安全上問題なので、コントロールユニットで車速を可能な範囲で一定にするように速度信号や加速度センサ及び登り下りの角度センサを計算してプロペラと電動モータの推進力を制御する。

運転手が危険を察知してブレーキを踏んだ時に電動モータとプロペラとが空気を車後方に噴出したままではブレーキの効果を減少させてしまい危険であるので、ブレーキ信号を検知した時には電動モータとプロペラの推進力を即座にオフとするようコントロールユニットで制御する。

ソーラーパネルで発電中にバッテリが満充電になったときにはコントロールユニットでソーラーパネルからバッテリへの電流をオフとしてバッテリが過充電にならないように制御し、夜間ソーラーパネルが発電していない時にバッテリからソーラーパネルに電流が逆流しないようコントロールユニットで逆流電流を遮断する。バッテリの充電量が少なくなって許容最低電圧となったときには、コントロールユニットでバッテリから電動モータへの電力供給をストップする。このことによりバッテリの寿命が短くなることを防止できる。

請求項１記載の化石燃料消費量低減機によれば、駐停車時でも太陽光がソーラーパネルに当たっていれば発電されその電気エネルギはバッテリに充電される。走行時にはその充電された電気エネルギとソーラーパネルによる発電エネルギとによって電動モータとプロペラとを回転させて車前方の空気を吸入し後方に噴出させることによって推進力が得られるので、主たる動力源の化石燃料の消費量を低減することができる。化石燃料の消費量が低減できることは、大気汚染の防止と地球温暖化の防止にも役立つこととなる。

ほとんどの車がボンネットとフロントガラスは上向いている。このことは走行中に車前面の空気がそのボンネットとフロントガラスで空気密度が高められて車の屋根前方に集約される。請求項１記載の化石燃料低減機はそこをダクトの空気吸入口としているので、プロペラを回転させることで車前方の空気を効率良く吸入できて密度の高い空気を後方に噴出することができる効果がある。

コントロールユニットにより、車停止状態または歩く速度以下と検知している時には電動モータの推進力をオフとすることにより停車時に人が誤ってプロペラに触れて怪我をすることが無いようにでき、無駄な電気エネルギの消費を防ぐこともできる。

運転手が危険を察知してブレーキを踏んだ時に電動モータとプロペラとが空気を車後方に噴出したままではブレーキの効果を減少させてしまい危険であるので、ブレーキ信号を検知した時にはコントローラで電動モータとプロペラの推進力をオフとすることによりブレーキの効果を保つことができ安全が確保できる。

夏にはソーラーパネル等の上部ユニットにより直射日光が屋根に当たりにくくなるので社内温度の上昇が抑えられる効果もある。

請求項１ではダクトの上部をソーラーパネルで代用し下部を自動車の屋根を利用しているので本来必要とするダクトの材料がその分不要となり軽量化に役立っている。

請求項２ではソーラーパネルと屋根との間隔以上の大きなプロペラが搭載できるので余裕のある推進力を得ることができる。

自動車に搭載した請求項１の化石燃料消費量低減機の斜め前から見た構成図 自動車に搭載した請求項１の化石燃料消費量低減機の斜め後方から見た構成図 自動車に搭載した請求項２の化石燃料消費量低減機の斜め後方から見た構成図 化石燃料消費量低減機のコントロールユニットの外観図 コントロールユニットのフローチャート

以下、化石燃料消費量低減装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、化石燃料消費量低減機の構成について図１及び図２と図４を参照して説明する。

請求項１記載の化石燃料消費量低減機は、図１に示すように、ソーラーパネル１、左の側板２Ｌ、右の側板２Ｒ、電動モータ３、プロペラ４、電動モータを支える支柱５、１から５までの構造物を車体に取り付ける接続金具６、以上の１から６までで構成される上部ユニットと、電気的に各種の制御をおこなうコントロールユニット９、ソーラーパネルの発電エネルギを充電するバッテリ１０、そしてコントロールユニットとソーラーパネル及び電動モータとの配線７を含むコントロールユニットと関係部分とを結ぶ図４記載の各種配線によって構成されている。

車と化石燃料消費量低減機の電源がオンとされたところから各部動作の説明を行う。その時はまだ車は停止状態である。図４でコントロールユニット９ではソーラーパネル１で発電された電気エネルギが配線７１でコントロールユニット９の入力に入ってくる。自動車は速度信号は配線７５によりコントロールユニット９の入力に速度０ｋｍ／ｈの信号が入っているのでモータへの出力は０でソーラーパネルの発電全量は配線７３を通してバッテリ１０に出力される。

運転手がアクセルペダルを踏むと上昇していく速度信号が配線７５を通してコントロールユニット９に伝わる。速度信号は車から不特定の機種のカーナビゲーションに受け渡す本体内部信号から分離された信号なので車本体の制御系の安全に影響しない。歩く速度以上の設定速度に達した時から、コントロールユニット９はその速度に対応する回転数となるよう配線７２から電動モータに駆動信号が出力される。

図１でボンネット１２とフロントガラス１４は一般的自動車と同じく上向いている。このことは走行中に車前面の空気がそのボンネット１２とフロントガラス１４で空気密度が高められて車の屋根前方に集約される。請求項１記載の化石燃料低減機はそこをダクトの空気吸入口としているので、電動モータ３とプロペラ４を回転させることで車前方の空気を効率良く吸入できて密度の高い空気を後方に噴出することができる。

運転手が希望する速度に達するとアクセルペダルから足を離してギアをニュートラルとする。コントロールユニット９に伝えられる速度信号はそれまで上昇し続けてきたがペダルから足を離したときからほぼ一定速度となる。電動モータ３とプロペラ４はコントロールユニット９から配線７２を通してその速度に対応して車の空気抵抗と車輪の転がり摩擦の損失エネルギを補う回転数を継続する。

これはグライダーに例えれば滑空状態で、地表を滑空する自動車となっている。ギアがニュートラルとなっているので化石燃料の消費は最小となり、速度維持に必要なエネルギはバッテリへ既に充電されたエネルギを含めてソーラーパネルの発電エネルギのみである。この地表滑空の距離が長ければそれだけ化石燃料消費量は低減される。

それでは図４コントロールユニット９の外観図と図５コントロールユニットのフローチャートによって、コントロールユニット９の働きを説明する。運転手が危険を察知してブレーキを踏んだ時、配線７４を経由してコントロールユニット９にブレーキ信号が伝わる。即座にコントロールユニットは配線７２を通して電動モータへの駆動信号をオフにする。このことにより、車自身のブレーキ機能がプロペラの推進力で弱められることなく安全が確保される。速度が下がって危険が無くなり、運転手がブレーキペダルから足を離すと配線７４からのブレーキ信号は無くなり、今まで急激に下がり続けた速度信号は、安定した速度となる。ブレーキ信号が無くなっても数秒間は電動モータへの駆動信号を出さない。これは市街地での走行は１次的に危険が無くなったように感じても再び危険な状況になることがあり、運転手が再度ブレーキを踏んだ時の安全を確保するためである。ブレーキ信号が無くなって数秒間の設定した時間内にブレーキ信号が再度踏まれることが無く、歩く速度以上の設定した速度である時に配線７２を通して電動モータにその時の速度に対応した駆動信号を出力する。その後速度が上昇する条件に２つ有り、１つは運転手がアクセルペダルを踏んだ場合、もう一つは下り坂になった場合である。下り坂の場合はコントロールユニット９に内蔵されている角度センサで下り坂の角度がわかるので駆動モータへの出力信号はそれを計算して一定速度を保つよう駆動信号を駆動モータ３に出力する。逆に登り坂になった時には速度が下がってくるので駆動信号は角度センサに対応して水平時よりも強い駆動信号を出力する。

前方の信号が赤になり、運転手がブレーキペダルを踏んだ時はさきほどと同様にコントロールユニット９でブレーキ信号が配線７４を通して検知され、即座に電動モータ３への駆動信号を配線７２を通してオフとして、速度が設定した速度以下になった場合はブレーキ信号が無くとも駆動信号はオフ状態を継続する。ブレーキ信号はブレーキランプを点灯する信号で、車本体の制動ブレーキシステムと分離されているので車本体の安全性に影響を与えない。

車が駐停車している間、ソーラーパネル１の発電エネルギは配線７１を通してコントロールユニット９に渡りそこから配線７３を通して全量バッテリ１０に充電される。しかしながらバッテリ１０の電圧が過充電防止の設定電圧に達した時は充電を停止する。また、夜間や屋内の駐車場等でソーラーパネル１が発電しない時、バッテリ１０の充電された電気エネルギがソーラーパネル１に逆流しないようコントロールユニット９が制御する。また、走行中にバッテリ１０の電圧が過放電設定電圧に達したときには電動モータ３への駆動信号は出力せず、それ以上バッテリ１０の電圧が下がらないようコントロールユニット９は制御する。このことによりバッテリ１０の寿命を長くすることができる。

請求項２の発明を実施する形態について図３を用いて説明する。請求項２では電動モータ３とプロペラ４の位置についてソーラーパネル１の下部または後方に配置できるようにしてソーラーパネルと車の屋根との間隔よりも大きな直系のプロペラを搭載できる可能性を持たせ、空気吸入口から取り入れた空気をプロペラ４に集約するよう漏斗状にプロペラ４を囲むようにダクト１１を付加して推進力をさらに強く得られるようにしている。ダクトの形状は自動車の種類や外形に適したように自由に変更が可能である。

本願発明に係る化石燃料消費量低減装置は、内燃機関搭載自動車の化石燃料の消費量を低減する分野に利用可能である。

１ ソーラーパネル
２Ｌ 左側板
２Ｒ 右側板
３ 電動モータ
４ プロペラ
５ 支柱
６ 上部ユニット取り付け金具
７ コントロールユニットと上部ユニットを結ぶ配線
８ 車の屋根
９ コントロールユニット
１０ バッテリ
１１ ダクト
１２ 車のボンネット
１４ 車のフロントガラス
７１ ソーラーパネルからコントロールユニットへの配線
７２ コントロールユニットから電動モータへの配線
７３ コントロールユニットとバッテリ間の配線
７４ 車のブレーキ信号をコントロールユニットに伝える配線
７５ 車の速度信号をコントロールユニットに伝える配線

Claims (2)

1. 化石燃料で走る自動車に付加する装置であって、車の屋根の上のソーラーパネルと左右の側板とソーラーパネルの下に１以上の電動モータとその軸に結合したプロペラとを備えた上部ユニットと、ソーラーパネルで発電したエネルギを蓄えるバッテリと、バッテリの充放電の制御及びブレーキペダルを踏んだ時にプロペラの推進力を低減させ通常走行時には安定したプロペラの推進力が得られるよう制御するコントロールユニットとを備え、ソーラーパネルと車の屋根と左右の側板とでダクトを構成したことを特徴とし、車走行時にはソーラーパネルの発電エネルギとバッテリに蓄えられた電気エネルギにより電動モータとプロペラとを回転させて車前方の空気を吸入し車後方に噴出させて推進力を得ることにより化石燃料の消費量を低減する装置。
2. 請求項１の中の１以上の電動モータとその軸に結合したプロペラの位置をソーラーパネルの下部または後部に配置するようにして、同じく請求項１の中のソーラーパネルと車の屋根と左右の側板とでダクトを構成した部分を、空気吸入口から吸い込んだ空気をプロペラに集約するように漏斗状または筒状にプロペラを囲むようにダクトを付加したことを特徴とする化石燃料の消費量を低減する装置。

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