JP2015033261A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の向上を図った発電装置を提供すること。
【解決手段】荷電粒子１１が運動する容器１２内に配置される一対の電極１３，１４と、電極１３，１４に接続され、荷電粒子１１が当該電極１３，１４間を移動する際の運動を電力としてＬＥＤ素子１６Ａに出力する出力回路１５とを備え、出力回路１５にＬＥＤ素子１６Ａと直列に接続される状態記憶半導体スイッチ１７Ａを備えるとともに、前記各電極１３，１４の近傍に容器１２内を移動する荷電粒子１１の位置を観測する観測部２０を備え、この観測部２０が、荷電粒子１１の位置に応じて状態記憶半導体スイッチ１７Ａを開閉する。
【選択図】図１

Description

荷電粒子の運動に基づいて発電する発電装置に関する。

近年、地球環境に対する配慮、あるいは化石燃料の枯渇に対する心配から、化石燃料に代わるエネルギー源の確保が模索されている。このため、光や熱、電磁波、振動、人の動作などから微弱な電力を発電する、いわゆるエネルギー・ハーベスティング技術が注目されている。
この種のエネルギー・ハーベスティング技術の一つとして、従来、振動によって発電する圧電素子と、この圧電素子から得られた電力を整流する整流回路とを備えた発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−２１１１５１号公報

ところで、この種の振動から得られる電力は微小であるため発電効率の向上が要望されている。しかしながら、従来の構成では、発電された電力は、整流回路を介して整流されることにより、損失が増大し、発電効率が低減するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発電効率の向上を図った発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子が運動する運動領域内に配置される一対の電極と、前記電極に接続され、前記荷電粒子が当該電極間を移動する際の運動を電力として負荷に出力する出力回路とを備え、前記出力回路に前記負荷と直列に接続される開閉手段を備えるとともに、前記各電極の近傍に前記運動領域内を移動する前記荷電粒子の位置を観測する観測手段を備え、この観測手段が、前記荷電粒子の位置に応じて前記開閉手段を開閉することを特徴とする。

この構成において、前記出力回路は、互いに並列に接続され、第１の開閉手段及び第１の負荷を備える第１出力回路と、第２の開閉手段及び第２の負荷を備える第２出力回路とを備え、第１出力回路は、前記荷電粒子が一方の電極に接近した場合に、第１の開閉手段を閉じて第１の負荷に電力を出力し、第２出力回路は、前記荷電粒子が他方の電極に接近した場合に、第２の開閉手段を閉じて第２の負荷に電力を出力しても良い。
また、前記運動領域は、前記荷電粒子が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に前記電極が対向して配置されていても良い。

また、前記開閉手段は、トランジスタ素子で形成されていても良い。また、前記運動領域の外側から前記荷電粒子に振動を与える振動付与手段を備えても良い。また、前記荷電粒子は、１００マイクロメートル以下の大きさに形成されていても良い。

本発明によれば、電極の近傍に配置された観測手段が、荷電粒子の位置に応じて出力回路に設けた開閉手段を開閉するため、荷電粒子の運動によって生じた電力を効率良く出力回路の負荷に出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。

本実施形態にかかる発電装置を示す回路図である。 荷電粒子が一方の電極に接近した状態を示す図である。 荷電粒子が容器の略中央に戻った状態を示す図である。 荷電粒子が他方の電極に接近した状態を示す図である。 荷電粒子が再び容器の略中央に戻った状態を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態にかかる発電装置を示す回路図である。
発電装置１０は、図１に示すように、荷電粒子１１を収容した容器（運動領域）１２と、この容器１２の長手方向に対向して配置される一対の電極１３，１４と、これら各電極１３，１４に接続され、荷電粒子１１が当該電極１３，１４間を移動する際の運動を電力として出力する出力回路１５とを備える。

荷電粒子１１は、例えば、直径が数マイクロメートル（μｍ）の大きさに形成された樹脂（ポリスチレン）製の粒子に正電荷を帯電させたものである。荷電粒子１１は、容器１２に伝達される振動により当該容器１２内を自由に運動する。本構成では、荷電粒子１１の大きさは、直径が１００マイクロメートル以下に設定されることが望ましく、更には、３０マイクロメートル以下に設定されることがより一層望ましい。
荷電粒子１１が１００マイクロメートル以下の大きさに設定されることにより、当該荷電粒子１１は、容器１２内に伝達される熱振動（熱揺らぎ）や音振動等の微細な振動によって容器１２内を自由に運動可能となる。

容器１２は、断熱係数の小さい材料（いわゆる等温壁）で形成された筒状の密閉容器であり、容器１２外部の微細な振動を荷電粒子１１に伝達する。この容器１２の長手方向の両端には、それぞれ電極１３，１４が対向して配置され、これら電極１３，１４間を荷電粒子が運動することに伴い、電極１３，１４間に起電力が生じる。

出力回路１５は、上記した電極１３，１４に対して、互いに並列に接続される第１出力回路１５Ａと第２出力回路１５Ｂとを備える。これら第１出力回路１５Ａ及び第２出力回路１５Ｂは、相互に補完する役割を担い、第１出力回路１５Ａには、荷電粒子１１が一方の電極１３から他方の電極１４へ移動する際の電力が出力され、第２出力回路１５Ｂには、荷電粒子１１が他方の電極１４から一方の電極１３へ移動する際の電力が出力される。これにより、片方の電極に電荷が偏って蓄積されることが防止されるため、荷電粒子１１の往復運動を電力として効率良く出力することができる。
第１出力回路１５Ａ及び第２出力回路１５Ｂは、同一の構成を備えるため、第１出力回路１５Ａについて説明し、第２出力回路１５Ｂは同種の符号を付して説明を省略する。

第１出力回路１５Ａには、電極１３，１４間に直列に接続されたＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（第１の負荷）１６Ａと、このＬＥＤ素子１６Ａに電力を出力するために開閉する状態記憶半導体スイッチ（第１の開閉手段）１７Ａとが設けられている。
本実施形態では、第１出力回路１５Ａでは、ＬＥＤ素子１６Ａは、一方の電極１３と状態記憶半導体スイッチ１７Ａとの間に配置され、第２出力回路１５Ｂでは、ＬＥＤ素子１６Ｂ（第２の負荷）は、他方の電極１４と状態記憶半導体スイッチ１７Ｂ（第２の開閉手段）との間に配置される。
この状態記憶半導体スイッチ１７Ａ，１７Ｂは、電極１３，１４間を移動する荷電粒子１１の位置に応じて開閉されるとともに該開閉状態を保持する電気素子であり、本実施形態では、強誘電体メモリ（トランジスタ型FeRAM）が用いられている。

発電装置１０は、容器１２内の荷電粒子１１の位置を観測するとともに、観測した荷電粒子１１の位置に基づいて、状態記憶半導体スイッチ１７Ａの開閉を操作する観測部（観測手段）２０を備える。
観測部２０は、容器１２内の上記電極１３，１４の近傍にそれぞれ配置される観測用電極２１，２２と、これら観測用電極２１，２２と状態記憶半導体スイッチ１７Ａとを接続する第１観測回路２３Ａと、該観測用電極２１，２２と状態記憶半導体スイッチ１７Ｂとを接続する第２観測回路２３Ｂとを備える。ここで、第１観測回路２３Ａ及び第２観測回路２３Ｂは、同一の構成を備えるため、第１観測回路２３Ａについて説明し、第２観測回路２３Ｂは同種の符号を付して説明を省略する。

観測用電極２１，２２は、容器１２と同様に環状（円筒状）に形成されている。観測用電極２１は、容器１２の長手方向における電極１３の内側近傍に配置され、観測用電極２２は、容器１２の長手方向における電極１４の内側近傍に配置される。
観測用電極２１，２２は、容器１２内の電位変化を検知するものであり、この電位変化から容器１２内の荷電粒子１１の位置がわかるようになっている。

第１観測回路２３Ａは、観測用電極２１，２２が検知した電位変化に応じて開閉する半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａと、これら半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａに直列に接続されて第１観測回路２３Ａに電力を供給する電池２６Ａとを備える。
また、第１観測回路２３Ａは、半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａの間に、該半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａと直列に接続されるＬＥＤ素子３１Ａ，３２Ａ（負荷）を備える。
半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａは、それぞれ検知対象となる観測用電極２１，２２の電位に応じて開閉する電気素子であり、本実施形態では電界効果トランジスタが用いられている。具体的には、半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａ（電界効果トランジスタ）の各ゲート端子に、それぞれ観測用電極２１，２２が接続され、ゲート電位に応じてドレイン、ソース間の導通が制御される。

また、第１観測回路２３Ａは、ＬＥＤ素子３１Ａ，３２Ａの間から状態記憶半導体スイッチ１７Ａに延びる制御配線２７Ａを備え、半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａのいずれかが閉じた場合に、電池２６Ａの電位が制御配線２７Ａを通じて、状態記憶半導体スイッチ１７Ａに印加され、当該状態記憶半導体スイッチ１７Ａが閉じられる。
この構成では、電池２６Ａは、状態記憶半導体スイッチ１７Ａを開閉する電位を与えるだけでなく、ＬＥＤ素子３１Ａ，３２Ａを点灯させる電源として機能する。

また、本構成では、発電装置１０の出力回路１５及び観測部２０に設けられた半導体スイッチは、すべてトランジスタ素子で形成されている。スイッチング素子であるトランジスタ素子は、整流素子に比べて摩擦等の損失が少ないという特性を有するため、原理的に高い発電効率を達成することが可能となる。

次に、発電装置１０の動作について説明する。
図２〜図５は、荷電粒子１１が容器１２内を移動した際に出力回路１５及び観測部２０の動作を示した図であり、電流が流れた場合は実線で示し、電流が流れない場合は破線で示している。
まず、荷電粒子１１が容器１２内を、例えば、一方の電極１３に向かって移動し、この電極１３に達した場合、図２に示すように、観測用電極２１の電位が高まるため、第１観測回路２３Ａにおける観測用電極２１と接続された半導体スイッチ２４Ａが閉じる。これによって、電池２６Ａの電位が、半導体スイッチ２４Ａ、ＬＥＤ素子３１Ａ、及び制御配線２７Ａを通じて、状態記憶半導体スイッチ１７Ａに印加されるため、当該状態記憶半導体スイッチ１７Ａが閉じ、第１出力回路１５Ａが導通される。この場合、ＬＥＤ素子３１Ａには、電池２６Ａの電力が供給されるため、該ＬＥＤ素子３１Ａが点灯する。
また、第２観測回路２３Ｂにおいても、観測用電極２１の電位が高まるため、この観測用電極２１と接続された半導体スイッチ２４Ｂが閉じる。この場合、状態記憶半導体スイッチ１７Ｂは、ＬＥＤ素子３１Ｂを介して、電池２６Ｂの負極（０Ｖ）と接続されるため、当該状態記憶半導体スイッチ１７Ｂは開かれ、第２出力回路１５Ｂの導通は解除される。

上記のように、状態記憶半導体スイッチ１７Ａは、開閉状態を保持する機能を有するため、図３に示すように、荷電粒子１１が容器１２内を、一方の電極１３から他方の電極１４に向かって移動し、荷電粒子１１が観測用電極２１から離間した場合であっても、状態記憶半導体スイッチ１７Ａは閉状態を保持する。このため、荷電粒子１１が移動する運動によって生じる電力がＬＥＤ素子１６Ａに供給され、このＬＥＤ素子１６Ａが点灯する。
一方、荷電粒子１１が観測用電極２１から離間することにより、半導体スイッチ２４Ａが開くため、ＬＥＤ素子１６Ａは消灯する。

続いて、荷電粒子１１が他方の電極１４に達した場合には、図４に示すように、観測用電極２２の電位が高まるため、第１観測回路２３Ａにおける観測用電極２２と接続された半導体スイッチ２５Ａが閉じる。この場合、半導体スイッチ２５Ａが閉じることにより、状態記憶半導体スイッチ１７Ａは、ＬＥＤ素子３２Ａを介して、電池２６Ａの負極（０Ｖ）と接続される。これにより、状態記憶半導体スイッチ１７Ａは開かれ、第１出力回路１５Ａの導通は解除されるとともに、ＬＥＤ素子３２Ａは、状態記憶半導体スイッチ１７Ａのゲート電位と電池２６Ａの負極電位との電位差が無くなる（０になる）まで点灯する。
これに対して、第２観測回路２３Ｂにおいても、観測用電極２２の電位が高まるため、この観測用電極２２と接続された半導体スイッチ２５Ｂが閉じる。これによって、電池２６Ｂの電位が、半導体スイッチ２５Ｂ、ＬＥＤ素子３２Ｂ及び制御配線２７Ｂを通じて、状態記憶半導体スイッチ１７Ｂに印加されるため、当該状態記憶半導体スイッチ１７Ｂが閉じ、第２出力回路１５Ｂが導通される。この場合、ＬＥＤ素子３２Ｂには、電池２６Ｂの電力が供給されるため、該ＬＥＤ素子３２Ｂが点灯する。

そして、図５に示すように、荷電粒子１１が容器１２内を他方の電極１４から一方の電極１３に向かって移動し、荷電粒子１１が観測用電極２２から離間した場合であっても、状態記憶半導体スイッチ１７Ｂは閉状態を保持する。このため、荷電粒子１１が移動する運動によって生じる電力がＬＥＤ素子１６Ｂに供給され、このＬＥＤ素子１６Ｂが点灯する。
本構成では、荷電粒子１１が熱振動等の振動に基づいて、往復運動を継続する限り、この運動に基づいて発電された電力がＬＥＤ素子１６ＡまたはＬＥＤ素子１６Ｂに供給される。
ここで、本構成にかかる発電装置１０は、荷電粒子１１の運動に基づいて発電が実行されるため、荷電粒子１１がいつ電極１３、１４に到達するかが予測できず、電力の出力が不定となる。
本構成では、発電装置１０が観測部２０を備えるため、電力の出力が不定であっても、荷電粒子１１が電極１３、１４に到達したか否かを観測部２０が検出することができる。さらに、この観測部２０が荷電粒子１１の位置に応じて出力回路１５に設けた状態記憶半導体スイッチ１７Ａ，１７Ｂを開閉するため、荷電粒子１１の運動によって生じた電力を効率良く出力回路１５のＬＥＤ素子１６Ａ，１６Ｂに出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。
また、本構成では、観測部２０を構成する第１観測回路２３Ａ，第２観測回路２３Ｂは、負荷としてのＬＥＤ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂを備えるため、電池２６Ａ，２６Ｂの消費電力は、ＬＥＤ素子３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂの出力となる。このため、電池２６Ａ，２６Ｂの消費電力が損失とはならないため、上記した発電装置１０全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、荷電粒子１１が運動する容器１２内に配置される一対の電極１３，１４と、電極１３，１４に接続され、荷電粒子１１が当該電極１３，１４間を移動する際の運動を電力としてＬＥＤ素子１６Ａに出力する第１出力回路１５Ａとを備え、第１出力回路１５ＡにＬＥＤ素子１６Ａと直列に接続される状態記憶半導体スイッチ１７Ａを備えるとともに、前記各電極１３，１４の近傍に容器１２内を移動する荷電粒子１１の位置を観測する観測部２０を備え、この観測部２０が、荷電粒子１１の位置に応じて状態記憶半導体スイッチ１７Ａを開閉するため、荷電粒子１１の運動によって生じた電力を効率良く出力回路１５のＬＥＤ素子１６Ａに出力させることができ、従って、発電効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、出力回路１５は、電極１３，１４に互いに並列に接続され、状態記憶半導体スイッチ１７Ａ及びＬＥＤ素子１６Ａを備える第１出力回路１５Ａと、状態記憶半導体スイッチ１７Ｂ及びＬＥＤ素子１６Ｂを備える第２出力回路１５Ｂとを備え、第１出力回路１５Ａは、荷電粒子１１が一方の電極１３に接近した場合に、状態記憶半導体スイッチ１７Ａを閉じてＬＥＤ素子１６Ａに電力を出力し、第２出力回路１５Ｂは、荷電粒子１１が他方の電極１４に接近した場合に、状態記憶半導体スイッチ１７Ｂを閉じてＬＥＤ素子１６Ｂに電力を出力するため、片方の電極に電荷が偏って蓄積されることが防止され、荷電粒子１１の往復運動を電力として効率良く出力することができる。

また、本実施形態によれば、容器１２は、荷電粒子１１が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に電極１３，１４が対向して配置されているため、荷電粒子１１が容器１２の外部に飛散することが防止され、電極１３，１４間における荷電粒子１１の運動を電力として効率良く出力することができる。

また、本実施形態によれば、状態記憶半導体スイッチ１７Ａ，１７Ｂ及び半導体スイッチ２４Ａ，２５Ａは、すべてスイッチング素子であるトランジスタ素子で形成されているため、整流素子に比べて摩擦等の損失を抑制することができ、高い発電効率を達成することが可能となる。

また、本実施形態によれば、荷電粒子１１は、１００マイクロメートル以下の大きさに形成されているため、容器１２内に伝達される熱振動（熱揺らぎ）や音振動等の微細な振動によって荷電粒子１１を容器１２内で自由に運動させることが可能となり、微細な振動による電力を出力させることができる。

以上、本発明を一実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記した実施形態では、容器１２は、円筒形状の密閉容器を一例として説明したが、これに限るものでなく、一部が開放している容器であっても良い。また、本実施形態では、荷電粒子１１として正電荷を帯電させたものを説明したが、負電荷を帯電させたものを用いることができることは勿論である。
また、本実施形態では、状態記憶半導体スイッチ１７Ａ，１７Ｂとして、強誘電体メモリ（トランジスタ型FeRAM）を用いる構成を説明したが、これに限らず、電界効果トランジスタのゲート端子にコンデンサを接続した素子を替わりに用いることもできる。
また、本実施形態では、荷電粒子１１は、容器１２内に伝達される熱振動（熱揺らぎ）や音振動等の微細な振動によって運動する構成について説明したが、これに限るものではなく、例えば、容器１２をその長手方向に往復して移動させることにより、容器１２の外側から荷電粒子１１に振動を与える振動付与手段（不図示）を備えても良い。

１０、５０ 発電装置
１１ 荷電粒子
１２ 容器（運動領域）
１３、１４ 電極
１５ 出力回路
１５Ａ 第１出力回路
１５Ｂ 第２出力回路
１６Ａ ＬＥＤ素子（第１の負荷）
１６Ｂ ＬＥＤ素子（第２の負荷）
１７Ａ 状態記憶半導体スイッチ（第１の開閉手段）
１７Ｂ 状態記憶半導体スイッチ（第２の開閉手段）
２０ 観測部（観測手段）
２１、２２ 観測用電極
２３Ａ 第１観測回路
２３Ｂ 第２観測回路
２４Ａ、２４Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ 半導体スイッチ
２６Ａ、２６Ｂ 電池
３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ ＬＥＤ素子

Claims (6)

1. 荷電粒子が運動する運動領域内に配置される一対の電極と、前記電極に接続され、前記荷電粒子が当該電極間を移動する際の運動を電力として負荷に出力する出力回路とを備え、
   前記出力回路に前記負荷と直列に接続される開閉手段を備えるとともに、前記各電極の近傍に前記運動領域内を移動する前記荷電粒子の位置を観測する観測手段を備え、この観測手段が、前記荷電粒子の位置に応じて前記開閉手段を開閉することを特徴とする発電装置。
2. 前記出力回路は、互いに並列に接続され、第１の開閉手段及び第１の負荷を備える第１出力回路と、第２の開閉手段及び第２の負荷を備える第２出力回路とを備え、第１出力回路は、前記荷電粒子が一方の電極に接近した場合に、第１の開閉手段を閉じて第１の負荷に電力を出力し、第２出力回路は、前記荷電粒子が他方の電極に接近した場合に、第２の開閉手段を閉じて第２の負荷に電力を出力することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記運動領域は、前記荷電粒子が収容される密閉容器であり、この密閉容器の両端部に前記電極が対向して配置されてい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。
4. 前記開閉手段は、トランジスタ素子で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記運動領域の外側から前記荷電粒子に振動を与える振動付与手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記荷電粒子は、１００マイクロメートル以下の大きさに形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電装置。

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