JP2023031457A

JP2023031457A - 発電装置

Info

Publication number: JP2023031457A
Application number: JP2021136950A
Authority: JP
Inventors: 賢二森▲崎▼; Kenji MORISAKI
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-03-09

Abstract

【課題】磁場の下で発電できる簡素な発電装置構造を有する発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、支持部に自転可能に支持される回転部の回転軸の周りに環状に配設され、風を受けて一体的に公転可能な複数の受風部を有する。複数の受風部の各々が公転による磁束の変動に基づいて電磁誘導により発電するコイルを備える。発電装置は、コイル毎に接続されコイルにおいて発生した電流を整流する整流素子を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄塔等の支持構造物の上において、風と磁場を利用する発電装置に関する。

電磁誘導を用いた発電装置として、特許文献１には、走る車両に取り付け、車両が走ることによって発生する風圧をタービンに受けて発電する風圧発電装置が記載されている。

特開２００４－１４３９４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術を屋外センサーやそのデータを送受信する中継器に用いた場合、それらの装置に必要な電力は少量であり、小型のダイナモを用いている。しかしながら、強い磁場の下ではダイナモの磁石が影響を受けやすくなり不安定になるため、その影響を防ぐための対策が必要となる。その結果、防磁対策を行った分だけ必要な機能が多くなるため、コストが上がり、風圧発電装置構造が複雑になるという問題点があった。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、磁場の下で発電できる簡素な発電装置構造を有する発電装置を提供することを目的とする。

本発明の発電装置は、支持部に自転可能に支持される回転部の回転軸の周りに環状に配設され、風を受けて一体的に公転可能な複数の受風部を有し、前記複数の受風部の各々が前記公転による磁束の変動に基づいて電磁誘導により発電するコイルを備え、前記コイル毎に接続され前記コイルにおいて発生した電流を整流する整流素子を有することを特徴とする。

本発明の発電装置によれば、磁場の下で発電できる簡素な発電装置構造を有する発電装置を得ることができる。

本発明の実施形態の一例である発電装置を概念的に示す部分斜視図である。本実施例の発電装置の回路のブロック図である。本実施例の変形例である発電装置を概念的に示す部分斜視図である。本実施例の変形例である発電装置の回路のブロック図である。本実施例の発電装置の受風部のコイルと磁場との関係を概念的に説明する概略上面図（図５（ａ））と、その中の回転するコイルのコイル面の面積の変化を示す線図（図５（ｂ））である。本実施例の変形例である発電装置の受風部のコイルと磁場との関係を概念的に説明する概略上面図（図６（ａ））と、その中の回転するコイルのコイル面の面積の変化を示す線図（図６（ｂ））である。本発明による第１の実施例である発電装置を示す部分斜視図である。本発明による第２の実施例である発電装置を示す部分斜視図である。本発明による第３の実施例である発電装置を示す概略上面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明による実施例の発電装置について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（構成の説明）
図１は、送電線ＴＬの下方に立設された本発明の実施形態の一例である発電装置１０を概念的に示す部分斜視図である。図２は、本実施例の発電装置１０の回路のブロック図を示す。

発電装置１０は、送電線ＴＬの下方にて風車部１１を支持するように立設された支柱１２（支持部）を有する。風車部１１は、支柱１２に自転可能に支持される回転部１４と、回転部１４の回転軸の周りに環状に配設され、風を受けて一体的に公転可能な複数例えば５枚の受風部１３ａ～１３ｅとを有している。受風部１３ａ～１３ｅの外殻は、磁束φを透過させるために透磁率が低い剛体からなり、その内部にコイル１６ａ～１６ｅを保持するための中空空間を保持している。

コイル１６ａ～１６ｅは、回転部１４の回転軸（一点鎖線）の中心に同心円上に配置されている。ここでは回転軸の伸長方向を重力における上下方向とする。回転部１４は、コイル同士に等間隔を保ちつつコイル１６ａ～１６ｅを回転可能に保持する回転手段である。

受風部１３ａ～１３ｅの各々は、例えば、その内部にコイル１６ａ～１６ｅを備え、各コイルは受風部１３ａ～１３ｅの公転面に交差するコイル面を有するように配置されている。すなわち、受風部１３ａ～１３ｅのコイル１６ａ～１６ｅのコイル面の各々は、送電線ＴＬからの磁場の磁束φを過るようになっている。

コイル各々のコイル面は、円形以外に、楕円、正方形／長方形などでも良い。コイル各々は単層巻以外に、二層巻、三層巻と多層として重ねても良いが、巻回方向はすべてのコイルで同一の方向とする。

コイル１６ａ～１６ｅの各々は、受風部１３ａ～１３ｅがいずれかの方向から風を受けて回転部１４の回転軸周りを公転した場合、コイル面が磁場の磁束を過り、すなわち公転による磁束の変動に基づいて電磁誘導により交流電流を発電する。

受風部１３ａ～１３ｅのそれぞれにおいては、コイル１６ａ～１６ｅにそれぞれ巻装されたフェライトコア１７ａ～１７ｅを備えている。

バーアンテナの芯に使われるフェライトコア（軟磁性材料）は一般に高い透磁率を有し、コイル軸に配置することで周囲の磁場の透磁率倍の磁束密度が得られる。フェライトコア同士は近接すると磁束密度が減少するので、受風部１３ａ～１３ｅ各々はスペースを開け磁束が通過できるように構成されている。

コイル１６ａ～１６ｅの出力端は、それぞれに対応する整流素子１８ａ～１８ｅに接続されている。

整流素子１８ａ～１８ｅの各々は、コイル１６ａ～１６ｅにおいて発生した交流を直流に全波整流する単相のブリッジダイオード整流回路を有するブリッジダイオード素子である。整流素子１８ａ～１８ｅの各々は、対応するコイル１６ａ～１６ｅにおいて発生した電流を整流する。

整流素子１８ａ～１８ｅの各々の出力端の一方は隣の整流素子へ、他方は該隣の整流素子とは反対の隣の整流素子へ、接続される。すなわち、整流素子１８ａ～１８ｅは、直列接続されている。

図１及び図２では、整流素子１８ａ～１８ｅが回転部１４の内部に配置され、これら整流素子から受風部１３ａ～１３ｅのコイル１６ａ～１６ｅへ例えばアーム部（図示せず）内部の配線を介して接続されるが、これに本発明は限定されない。例えば、変形例として、図３及び図４に示すように受風部１３ａ～１３ｅの各々毎にコイル及び整流素子が一体となった回路（コイルと整流素子を例えばフレキシブル基板上に実装した回路）を配置することができる。これによって、コイルと整流素子との間の配線への送電線の磁場による影響をほとんど受けなくなる。なお、コイル１６ａ～１６ｅ、フェライトコア１７ａ～１７ｅ及び整流素子１８ａ～１８ｅそれぞれを上記のように結線して一体化して基板実装した回路をそれぞれコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥと称する。

発電装置１０は、整流素子１８ａ～１８ｅに接続され、発電された電流を出力する出力部ＯＴＳを有する。出力部ＯＴＳは、負荷回路１５を有し、更に、整流素子１８ａ～１８ｅからの電流を負荷回路１５へ伝達する電力伝達部ＥＴを有する（図２及び図４、参照）。

負荷回路１５は、発電した電気を使用し該電気を蓄電する機能と、外部に接続された電子機器（図示せず）で使用する電圧に変換し出力する機能を有する。

電力伝達部ＥＴとしては、スリップリング装置が挙げられる。スリップリング装置は、導体ブラシ（ファイバブラシ、コンポジットブラシ等）が導体回転リング上を滑ることで、回転体の風車部１１から静止体の支柱１２に電流を伝達する回転電気コネクタである（図１及び図３、参照）。

電力伝達部ＥＴは、例えば導体ブラシの送電側陽極１９が支柱１２に巻かれた導体回転リングの受電側陽極２１に接し、導体ブラシの送電側陰極２０が支柱１２に巻かれた導体回転リングの受電側陰極２２に接するスリップリング装置である。送電側陽極１９と受電側陽極２１及び送電側陰極２０と受電側陰極２２は常に接していることから、発電装置１０は受風部１３ａ～１３ｅの数だけコイル１６ａ～１６ｅと整流素子１８ａ～１８ｅを直列接続した回路となる。

スリップリング装置によれば、風車部１１が回転しても送電側陽極１９は受電側陽極２１に接し続け、送電側陰極２０も受電側陰極２２に接し続けることができ、風車部１１側の整流素子１８ａ～１８ｅでまとめた電気を、出力部ＯＴＳの負荷回路１５へ伝達することができる。すなわち、直列接続されている整流素子１８ａ～１８ｅの一端の＋側は送電側陽極１９に、同他端の－側は送電側陰極２０に接続され、負荷回路１５の入力端へそれぞれ接続された受電側陽極２１と受電側陰極２２を介して整流素子の出力脈流が送電される。

また、電力伝達部ＥＴとしては、例えば無線給電装置（図示せず）も用いることができる。無線給電装置では、例えば、電磁誘導の原理を用いた磁界結合方式給電装置が挙げられる。磁界結合方式給電装置の一例として、図示しないが、支柱１２に固定側の受電用コイルを設け、これに同軸且つ平行に風車部１１の回転部１４に同軸回転側の送電用コイルを設け、両コイル間の位置をｃｍ未満の間隔調整をすることで、送電となり得る。なお、この場合は、送電用コイルが送電線の磁場による影響を受けないように、回転部１４の周囲にシールド機構が必要となる。

（動作の説明）
図５は、送電線ＴＬの真下に配置された発電装置１０の受風部１３ａ～１３ｅのコイル１６ａ～１６ｅ（回転軸の周りに環状に配設されコイル軸それぞれも環状に配向されている状態）と磁場（磁束φ）との関係を概念的に説明する概略上面図（図５（ａ））と、その中の回転するコイル１６ａのコイル面の面積の変化を示す線図（図５（ｂ））である。

図５（ａ）に示すように、受風部１３ａ～１３ｅの公転面（紙面）で公転するコイル１６ａ～１６ｅのコイル面は該公転面に交差（例えば直交）する。この場合、送電線ＴＬに直交する面内に広がる磁場（磁束φ）は真下のコイル１６ａ～１６ｅのコイル面を通過する。例えば、反時計回りに回転するコイル１６ａのコイル面の面積は磁束φに沿って眺めると、図５（ｂ）に示すように、コイル１６ａのコイル面の面積は、風車直径の左右側では最小面積となり、その中間では最大面積となるように変化する。よって、風車の１回転の半分の右左方向でコイル１６ａのコイル面の面積を過る磁束φの密度が、最小、最大、最小と変化し、同半分の左右方向で同様の変化をするので、コイル１６ａには電磁誘導により交流電流が発生する。

従って、本実施例では、コイル１６ａ～１６ｅが、それらのコイル面が受風部１３ａ～１３ｅの公転面に直交以外でも交差するように配置されれば、各コイルにより発電できる。

図６は、変形例として、送電線ＴＬの真下に配置された発電装置１０における、風車の回転軸の周りに環状に配設され各コイル軸が該回転軸からバースト状（放射状）に配向されている状態のコイル１６ａ～１６ｅと磁場（磁束φ）との関係を概念的に説明する概略上面図（図６（ａ））と、その中の回転するコイル１６ａのコイル面の面積の変化を示す線図（図６（ｂ））である。

図６（ａ）に示すように、受風部の公転面（紙面）で公転するコイル１６ａ～１６ｅのコイル面は該公転面に交差（例えば直交）する。この場合、送電線ＴＬに直交する面内に広がる磁場（磁束φ）は真下のコイル１６ａ～１６ｅのコイル面を通過する。例えば、反時計回りに回転するコイル１６ａのコイル面の面積は磁束φに沿って眺めると、図６（ｂ）に示すように、コイル１６ａのコイル面の面積は、風車直径の左右側では最大面積となり、その中間では最小面積となるように変化する。よって、風車の１回転の半分の右左方向でコイル１６ａのコイル面の面積を過る磁束φの密度が、最大、最小、最大と変化し、同半分の左右方向で同様の変化をするので、コイル１６ａには電磁誘導により交流電流が発生する。

このように、本実施例では、コイル１６ａ～１６ｅが、それらのコイル面が受風部１３ａ～１３ｅの公転面に直交以外でも交差するように配置されれば、各コイルにより発電できる。

従って、本実施例の発電機は、風向きに左右されず地面に対して並行横に回転する垂直軸風車の抗力型垂直軸風車や揚力型垂直軸風車に好適に組み合わせることが可能である。

（支柱１２）
支持部としての支柱１２は、風車部１１を支える土台となる機能を有する。支柱１２は少なくとも出力部ＯＴＳの電力伝達部ＥＴ、例えば、受電側陽極２１と受電側陰極２２を有し、風車部１１から電気を受け取り負荷回路１５へ伝える機能を有する。支柱１２の設置位置としては、架空送電の鉄塔の敷地内又はその近傍や、鉄塔上等が挙げられる。

（風車部１１）
風車部１１は、回転部１４に受風部１３ａ～１３ｅを取り付けた構造を有する。

（回転部１４）
回転部１４は、風車部１１が回転する軸となる機能を有する。回転部１４は少なくとも出力部ＯＴＳの電力伝達部ＥＴ、例えば、送電側陽極１９及び送電側陰極２０を有し、受風部１３ａ～１３ｅから整流素子１８ａ～１８ｅを介して受電した電気を受電側陽極２１と受電側陰極２２に伝える機能を有する。

（受風部）
受風部１３ａ～１３ｅのそれぞれは、周囲の風を受けて風の力を、回転部１４を回転する力に変える機能を有する。また、受風部１３ａ～１３ｅはそれぞれ、コイル１６ａ～１６ｅとフェライトコア１７ａ～１７ｅを備え、周囲の磁場を使い電気を発生する機能を有する。なお、風を受けて風車部１１を回転する力にでき、コイル１６ａ～１６ｅとフェライトコア１７ａ～１７ｅを備えることができる構造であれば、図１と異なる構造にすることもできる。また、風を受けて風車部１１を回転する力にでき、コイル１６ａ～１６ｅとフェライトコア１７ａ～１７ｅを備えることができる構造であれば、受風部１３ａ～１３ｅの数を変えることもできる。

コイル１６ａ～１６ｅは、その面内の磁束密度が変動して周囲の磁場により発電する機能を有する。コイル１６ａ～１６ｅは、磁場の中で風車部１１が回転することで、電磁誘導により発電する機能を有する。フェライトコア１７ａ～１７ｅは、コイル１６ａ～１６ｅのコイル軸に配置されることにより、磁束密度を高める機能を有する。

（整流素子１８ａ～１８ｅ）
整流素子１８ａ～１８ｅはそれぞれ、コイル１６ａ～１６ｅに接続され、整流素子１８ａ～１８ｅは、受風部１３ａ～１３ｅのコイル１６ａ～１６ｅが発電した交流の電気を直流に変換する機能を有する。また、整流素子１８ａ～１８ｅは、その出力側を直列接続され、受風部１３ａ～１３ｅで発生した電気を１つにまとめる機能を有する。

本実施例によれば、従来技術で少量の電力を発電する場合、送電線の近くでは磁場の影響を防ぐ構造が必要となるため、コストが増加し複雑な構造となることが問題であるが、風力と磁場を利用して発電することで、追加構造が不要となり簡単な構造で発電することができる。

（第１の実施例）
図７は、送電線ＴＬの下方に立設された本発明による第１の実施例である抗力型垂直軸風車を用いた発電装置１０を示す部分斜視図である。

発電装置の風車部１１は、それぞれがコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ（図３及び図４、参照）を備えた受風部である５個の風杯ＷＣＰを有するパドル型風車である。

風車部１１は、その中心に設けられた回転部１４を中心に放射状に伸びている支持腕ＡＲＭを介して等間隔に配置されている風杯ＷＣＰで風を受ける。各風杯ＷＣＰは水平断面が円弧形又は湾曲形の断面形状を有し、風に対して風を受け入れる側に位置する後方凹部に各コイルユニットを備え、例えば、風杯ＷＣＰ（コイルユニットＡ）で風を大きく受ける。これに対して、風上側にパドルの凸部前面を向けている風杯ＷＣＰ（コイルユニットＣ）では、風の抵抗が風杯ＷＣＰ（コイルユニットＡ）より小さい。この風杯ＷＣＰ前後の抗力差により回転部１４に回転力が付与され、回転部１４を介して風車全体が回転する。当該回転に基づいて電磁誘導によりコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥが発電する。

（第２の実施例）
図８は、送電線ＴＬの下方に立設された本発明による第２の実施例である抗力型垂直軸風車のクロスフロー型風車を用いた発電装置１０を示す部分斜視図である。

クロスフロー型発電装置１０は、それぞれがコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ（図３及び図４、参照）を備えた受風部である５枚のストレートブレードＳＢＤを有する。

風車部１１において、回転部１４上に設けられた一対の上下平行の円板外周縁部ＣＯＥの間に５枚のストレートブレードＳＢＤは所定な角度を付けて等間隔に設けられている。各ストレートブレードＳＢＤは細長い湾曲状の外郭を有する。風車部１１は、上下の円板外周縁部ＣＯＥの外部からの風を受けると、ストレートブレードＳＢＤの幾つかの隙間から内部空洞部を貫流して、反対側のストレートブレードＳＢＤの他の幾つかの隙間から外部へ排出しつつ、一定方向に回転する。当該回転に基づいて電磁誘導によりコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥが発電する。

（第３の実施例）
図９は、送電線ＴＬの下方に立設された本発明による第３の実施例である揚力型垂直軸風車を用いた発電装置１０を示す概略上面図である。

発電装置の風車部１１は、それぞれがコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ（図３及び図４、参照）を備えた受風部である上下に伸びる５枚のストレート翼ＳＷを有する直線翼型風車である。各ストレート翼ＳＷは水平断面が湾曲形の翼型断面形状を有し、内部に各コイルユニットを備える。揚力型垂直軸風車として直線翼型風車の他に、ジャイロミル型もあるが、揚力型垂直軸風車においては、受風部である翼において広い面にコイルユニットのコイル面の方向を種々内部で配置転換して、適宜、磁束を過る位置を設定することもできる。

風車部１１は、その中心に設けられた回転部１４を中心に放射状に伸びている支持腕ＡＲＭを介して等間隔に配置されているストレート翼ＳＷで風を受ける。例えばストレート翼ＳＷ（コイルユニットＥ）が回転部１４との間で風を受ける（迎角）と、風速と周速（回転速度）との相対速度によりストレート翼ＳＷに抗力Ｒと揚力Ｌが生じ、揚力Ｌの円周方向成分Ｆにより、ストレート翼ＳＷ（コイルユニットＥ）が回転部１４の軸周りを回転する。当該回転に基づいて電磁誘導によりコイルユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥが発電する。

１０発電装置
１１風車部
１２支柱
１３ａ～１３ｅ受風部
１４回転部
１５負荷回路
１６ａ～１６ｅコイル
１７ａ～１７ｅフェライトコア
１８ａ～１８ｅ整流素子
１９送電側陽極
２０送電側陰極
２１受電側陽極
２２受電側陰極

Claims

支持部に自転可能に支持される回転部の回転軸の周りに環状に配設され、風を受けて一体的に公転可能な複数の受風部を有し、
前記複数の受風部の各々が前記公転による磁束の変動に基づいて電磁誘導により発電するコイルを備え、
前記コイル毎に接続され前記コイルにおいて発生した電流を整流する整流素子を有する
ことを特徴とする発電装置。
前記支持部は前記整流素子に接続され整流された電流を出力する出力部を有し、
前記コイルの各々は、前記複数の受風部の公転面に交差するコイル面を有するように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記整流素子は、交流を直流に全波整流するブリッジダイオード素子である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
前記整流素子は、直列接続されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
前記複数の受風部のそれぞれは、前記コイルに巻装された軟磁性材料を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
前記出力部は負荷回路を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。
前記回転部及び前記複数の受風部は送電線の下方に立設された抗力型垂直軸風車である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発電装置。
前記回転部及び前記複数の受風部は送電線の下方に立設された揚力型垂直軸風車である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発電装置。