JP2021158749A - 降水振動発電機及び発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再生可能エネルギーの分散化と低コスト化を実現する降水振動発電機及び発電装置を提供する。【解決手段】発電機１は、水平方向に設置された振動板１３と、振動板１３と軸が垂直に下設されたコイル１６と、振動板１３を吊持するコーン１２と、コイル１６の外周面と一定の距離を保ちコイル１６の外側に周設された固定磁石１５とから成り、振動板１３は水平方向に設置され、コイル１６は振動板１３と軸が垂直に連結され、コーン１２は振動板１３を振動可能に吊持し、固定磁石１５は自らの磁界内にコイル１６を包含する位置に設置され、降水時に生じる振動板１３の振動と連動するコイル１６の軸方向への振動が磁界を変化させてコイル１６に電気を発生させる。発電機１の複数体としての発電装置２又は３は、発電機１が同一又は異なる平面上に複数配置され、各々が電線により直列又は並列に連結されている。【選択図】図１

Description

本発明は、降水の打撃による振動を利用した発電機及び発電装置に関する。

身近な再生可能エネルギーを利用した発電としては、太陽光発電が一般的である。営業用としては、広大な敷地を使用したメガソーラーファームがあり、また、個人用としては屋根等に設置された太陽光パネルが知られている。

また、太陽光発電以外にも、音圧を利用した発電や、人の歩行や自動車の振動エネルギーを圧電素子で変換して発電する方法も提案されている。

特許文献１には、外界からの音圧等を検出して電気エネルギーに変換する振動発電素子が開示されている。また、特許文献２には、道路脇に設置され自動車の振動を圧電素子により電気に変換する振動発電装置が提案されている。

特開２０１１−１９９１０２号公報 特開２０１４−１６６０４９号公報

メガソーラーファームや太陽光パネルによる発電は、天候に左右され、晴天時と比較すると、雨天時や曇天時には発電効率が著しく低下する。また、営業用の太陽光発電に関しては、設置に好条件の土地は開発されつくされているうえ、政府からはＦＩＴ（固定価格買取制度）の終了が発表され、現在、再生可能エネルギーの分散化と低コスト化が課題となっている。

上記特許文献1及び２の発明は、いずれも圧電素子を利用する発電機であるが、振動圧力によって生じる電圧の変化はわずかなものであり、それらを集めても「発電機」として機能するのは極めて難しいと言わざるを得ない。

本発明は、上記課題の解決を目的とした降水振動発電機及び発電装置であって、スピーカー及びマイクロフォンの原理を利用して電力を生成する。

単体としての本発電機は、水平方向に設置された振動板と、前記振動板と軸が垂直に下設されたコイルと、前記振動板を吊持するコーンと、前記コイルの外周面と一定の距離を保ち前記コイルの外側に周設された固定磁石とから成ることを特徴とする。前記振動板は水平方向に設置され、前記コイルは前記振動板と軸垂直に連結され、前記コーンは前記振動板を振動可能に吊持し、前記固定磁石は自らの磁界内に前記コイルを包含する位置に設置され、降水時に生じる前記振動板の振動と連動する前記コイルの軸方向への振動が磁界を変化させ前記コイルに電気を発生させることを特徴とする。

前記発電機の複数体としての発電装置は、前記発電機が同一又は異なる平面上に複数配置され、各々が電線により直列又は並列に連結されていることを特徴とする。

本発明に係る発電機又は発電装置をソーラーファームや屋根に設置し、メガソーラーやパネルに付帯させることにより、太陽光発電が効率的に行えない雨天時にも電力を生成し安定して供給することが可能となる。また、雨天であれば、夜間でも発電が可能となる。

本発明に係る発電機又は発電装置を日本中の屋根や土地に設置することにより、夏季の豪雨や梅雨時等、我が国の気候的特徴を利用しての小水力発電を行うことが可能となる。

北日本や山間部の豪雪地帯の家屋に本発明に係る発電機又は発電装置を設置することにより、雪解け水を利用しての発電が可能となるほか、本発電機の振動板の振動と、生成された電力を利用して、屋根の除雪を効率的に行うことが可能となり、雪下ろし作業が原因の落下事故等の減少が実現する。

本発明に係る発電機又は発電装置の全国的普及により、バランスのとれた再生可能エネルギーミックスが実現し、現在、飽和状態にある再生可能エネルギー発電市場の活性化が期待できる。

本発明の発電機の縦断面図である。コイルは断面していない。 本発明の発電機の斜視図である。 本発明の発電機の平面図である。 本発明の発電装置の第１の実施形態であるユニットＡの透視斜視図である。 本発明の発電装置の第１の実施形態の使用例を示す説明図である。 本発明の発電装置の第２の実施形態であるユニットＢの平面図である。 本発明の発電装置の第２の実施形態の使用例を示す説明図である。 本発明の発電装置の第３の実施形態を示す平面図である。

以下に、本発明の発電機と発電装置について図を用いて説明する。発電装置については、後述するように、使用場所に応じて１乃至３の実施形態を示すが、発電装置を構成する発電機は、発電装置の実施形態には左右されず、同一である。

まず、本発明の発電機（以下、「本発電機」という。）の構成と機能について、図を用いて説明する。本発電機は、スピーカーやマイクロフォンの原理を応用したものであり、このため、部品の構成もこれらの機器と類似した構成になっている。

本発電機は、図１乃至３に示すように、振動板１３、コイル１６及び磁石１５が主要部品となっている。振動板１３はドーム形状を有し、小さな衝撃で振動を発起しやすい薄紙製の素材が使用され、素材には防水加工が施されている。振動板１３の周辺は、同じ素材から成るコーン１２と連続していて、振動板１３とコーン１２は一体物として逆円錐台を形成する。コーン１２のエッジは円形のクッション１１に柔軟に固定されていて、振動板１３に生じた振動を即消しない構成になっている。

また、振動板１３の下にはコイル１６が連結され、コイル１６は、振動板１３の振動と連動して鉛直軸方向に振動する構成となっている。コーン１２、振動板１３及びコイル１６は、クッション１１から下垂する、すり鉢状のケース４に内蔵され、コイル１６の外周面とケース４の内周面の間には、一対又は複対の磁石１５が配設されている。磁石１５はケース４の内周面に固設される一方で、コイル１６の外周面とは一定の距離を有し、磁石１５の磁界内にコイル１６が包含される構成となっている。

次に、本発電機の機能について説明する。
本発電機は、前述したように、スピーカーやマイクロフォンの原理（フレミングの法則）を応用して発電を行う。すなわち、スピーカーは、コイルに交流電流を流し、固定磁石の磁場を変化させることによりコイルと振動板を振動させて音波を生み出し、マイクロフォンは、音波が振動板を振動させて地場に変化を生じさせることによりコイルに電流を発生させる構造になっているが、本発電機の機能は後者のマイクロフォンに近いものとなっている。

具体的には、雨天時に降水を振動板１３で受けることにより、振動板１３が振動し、同時に振動板１３と連結するコイル１６も鉛直軸方向に振動する。ここで、コイル１６は1対の磁石１５の磁界内に入っているところ、コイル１６の振動により磁場に連続的な変化が生じ、コイル１６に誘導電流が発生する。コイル１６の電流はコイルと連続する２本の電線１８によって採出される。

次に、本発電機１の集合体である発電装置の実施形態について図を用いて説明する。

（実施形態１）
本実施形態の発電装置では、図４に示すように、複数の発電機１を単列に配置し（発電ユニットＡ）、メガソーラーファーム等における太陽光発電の補助発電として利用する。
メガソーラーファームは広大な敷地にソーラーパネルを設置し、大規模な商用発電を目的とするが、発電量は天候に大きく左右され、降雨時には著しく発電効率が低下する。本実施例では、図５に示すように、パネルの標準サイズに合わせて作成したユニットＡ２を、パネル８の繋ぎ目８１とパネル下端辺の下に繋ぎ目８１等と平行に複数配置し、導水ガイド１０により、降水時の雨水を集約して発電機１の振動板１３上に落下させて発電する。生成された電流はパワーコンディショナー６によって交流に変換し、一部をバッテリー７に蓄電したうえ、パネル８によって発電された電力とともに送電線に送る。
本発電装置の設置により、雨さえ降れば夜間でも発電が可能となり、降雨時の発電効率の低下を減少させることができるほか、豪雨時や梅雨時には収益の増加も期待できるようになる。

（実施形態２）
本実施形態の発電装置では、図６に示すように、標準のソーラーパネルと同形・同サイズのケース内に複数の発電機１を縦横に配置する（発電ユニットＢ）。図７に示すように、ユニットＢ３は、一般家庭や施設の北側の屋根等の太陽光の照射角が期待できない場所に設置する。生成された電流はパネルによって発電された電力とともにバッテリー７に蓄電し、家電製品に使用するほか、余剰電力が生じたときには送電線経由で電力会社等に売却する。
本発電装置の設置により、前述の商用発電同様、昼夜を問わず雨天時の発電が可能となり、自家発電の分野でも、自給自足に近いエネルギー環境の実現が期待できる。

（実施形態３）
本実施形態の発電装置は、豪雪地域に設置することを想定しており、発電に加えて、屋根の除雪作業の軽減を狙ったものである。図８に示すように、実施形態２と同様、ユニットＢ３を屋根上に複数配置するが、本実施形態の発電ユニットＢ３はケース外側に電熱線ヒーター１１が周設されている。この構成において、降雪したいときに、雨天時に蓄電しておいた電気を電熱線ヒーター１１に流すと同時に、各ユニットを構成する発電機１の振動板１１及びコーン１２から低周波音を発信する。これによって生じる熱と振動により、屋根の雪を落としていく。実施時には、一度に大量の降雪が行われないよう、図８記載の番号順にユニットＢ３を作動させる。
本実施形態の実施により、豪雪地域での危険な雪下ろし作業がなくなり、超高齢化社会を迎えるわが国では必要な降雪技術となる。

１ 発電機
１１ エッジ（クッション）
１２ コーン
１３ 振動板
１４ フレーム
１５ 磁石
１６ コイル
１７ 排水ホース
１８ 電線
１９ 排水孔
２ 発電ユニットＡ
３ 発電ユニットＢ
４ ケース
５ カプラー
６ パワーコンディショナー
７ バッテリー
８ 太陽光パネル
８１ パネルつなぎ目（溝）
９ パネル架台柱
１０ 導水ガイド
１１ 電熱線ヒーター

Claims (3)

1. 水の落下力を利用した発電機であって、
   水平方向に設置された振動板と、
   前記振動板と軸が垂直に下設されたコイルと、
   前記振動板を吊持するコーンと、
   前記コイルの外周面と一定の距離を保ち前記コイルの外側に周設された固定磁石と、
   から成ることを特徴とする発電機。
2. 前記振動板は水平方向に設置され、
   前記コイルは前記振動板と軸が垂直に連結され、
   前記コーンは前記振動板を振動可能に吊持し、
   前記固定磁石は自らの磁界内に前記コイルを包含する位置に設置され、
   降水時に生じる前記振動板の振動と連動する前記コイルの軸方向への振動が磁界を変化させ前記コイルに電気を発生させることを特徴とする請求項１記載の発電機。
3. 前記発電機が同一又は異なる平面上に複数配置され、各々が電線により直列又は並列に連結されていることを特徴とする降水振動発電装置。
   

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