JP2023042488A - Disaster-responsible human powered generation system - Google Patents

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昭行 吉田
Akiyuki Yoshida
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

To aim to play a role in carbon neutrality by providing a charging environment by means of a human power capable of responding to a long-term power failure, and simultaneously, by converting a human kinetic energy into an electric energy, in view of the problem in which: in a modern society where electric devices using secondary batteries, such as smartphones, are indispensable in lives, there may be the occurrence of long-term power failure due to a natural disaster, causing the increase of troubles such as not being able to obtain information due to not being able to charge smartphones.SOLUTION: Residents who evacuate to a refuge shelter during a natural disaster often spend their time in a fixed posture, to become tend to lack of exercise. The present invention compensates a lack of exercise and provides a charging environment for smartphones and the like. The present invention provides an environment in which a generator with a low impedance is mounted on a health bike being an exercise equipment for relieving lack of exercise, and the generated output is charged to a large-capacitance capacitor capable of being removed and moved and capable of being quickly charged, to enable long-term charging of a secondary battery used for a smartphone and the like in a short time exercise by using the large-capacitance capacitor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は人力発電のシステムであって、低出力インピーダンスの発電機の出力端に取り外し可能な電気二重層キャパシター(スパーキャパシターとも言う)等の低インピーダンスキャパシターを充電バッテリーとして接続、前記電気二重層キャパシターに、人力に依る発電エネルギーを蓄電し、人力運動の発電時間(充電時間)よりも2倍以上の、例えばスマートホンの充電5V1Aの必要電力消費時間(放電時間)を確保する事で、継続的に運動を行う事なく、必要電力を確保する事の出来る人力発電システムに関するもので、自然災害時の停電対応、CO2排出環境への配慮、キャンプ等の電力供給の無い環境への電力確保など脱炭層社会に向けたグリーンなエネルギーに関するものである。 The present invention is a human power generation system, wherein a low impedance capacitor such as a removable electric double layer capacitor (also called a super capacitor) is connected as a rechargeable battery to the output end of a low output impedance generator, and the electric double layer capacitor is connected. In addition, by storing the energy generated by human power and securing the necessary power consumption time (discharge time) for charging 5V1A of a smartphone, which is more than twice the power generation time (charging time) of human power exercise, for example, continuous It is related to a human-powered power generation system that can secure the necessary power without exercising, such as power outages in the event of a natural disaster, consideration for the environment that emits CO2, and securing power for environments without power supply such as camping. It is about green energy for coal seam society.

近年、健康維持を目的とした、運動筋力の維持増進の為、フィットネスクラブ等が普及しており、その運動器具として、フットネスバイク、エアロバイクが欠かせない時代になって来ている。一方で、温暖化の対策としてのCO2削減が深刻な問題となり、電気を発電する火力発電所等が排出するCO2の削減が望まれる脱炭素社会を目指す時代になっており、風力、太陽光、地熱等CO2を排出しないエネルギーの利用が提唱されている。 In recent years, fitness clubs and the like have become popular in order to maintain and improve exercise muscle strength for the purpose of maintaining health, and the age has come where fitness bikes and exercise bikes are indispensable as exercise equipment. On the other hand, CO2 reduction as a countermeasure against global warming has become a serious problem, and we are now aiming for a decarbonized society where reduction of CO2 emitted by thermal power plants that generate electricity is desired. The use of energy that does not emit CO2, such as geothermal heat, has been advocated.

その様な環境の中、筋力増進の為の人力運動エネルギーを電力エネルギーに変換する事ができないか、との考え方から、エアロバイクに発電機を組み込み、特開2010-057347、特開2016-214816、特開2012-053852、特開2009-264356では人間の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する提案が成されている。 In such an environment, from the idea of whether it is possible to convert human kinetic energy for muscle strength enhancement into electric energy, a generator is incorporated in an exercise bike, , JP-A-2012-053852 and JP-A-2009-264356 propose to convert human kinetic energy into electrical energy.

特開2010-057347では健康対策の為に普及しているエアロバイクに発電機を組み合わせる事で人力に依る発電した電気をバッテリーに充電し、必要な時に蓄電されたバッテリーを運び照明等その他必要とされる電力を供給する事を可能とし、人力の運動エネルギーを電気エネルギーに変換利用する事でCO2の排出しない発電機の提案が成されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-057347, by combining a generator with an exercise bike that is popular for health measures, the electricity generated by human power is charged into the battery, and the stored battery is carried when necessary, such as for lighting and other purposes. A proposal has been made for a power generator that does not emit CO2 by converting the kinetic energy of human power into electrical energy.

また、特開2016-214816ではエアロバイクと発電機を組み合わせ、発電機の負荷として音楽プレーヤー等の電気機器を利用する事でエアロバイクのトレーニングの負荷を得る事が提案されている。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-214816 proposes combining an exercise bike and a generator and using an electric device such as a music player as a load of the generator to obtain training load for the exercise bike.

また、特開2012-053852ではスポーツジム等でエアロバイクに発電機を装着、単に消費されていた運動エネルギーを起電力として、これを電力会社に売電する事で、運動エネルギー提供者にポイントとして還元するという提案が成されている。 In addition, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-053852, a generator is attached to an exercise bike at a sports gym, etc., and the kinetic energy that was simply consumed is converted into electromotive force, which is sold to an electric power company, so that it can be used as a point for the kinetic energy provider. A proposal has been made to return it.

また、特開2009-264356では通常の自転車に発電機を装着し、その発電機の出力にバッテリーを接続、充電し、人力の運動エネルギーをバッテリーにより持ち運べる様にする利便性に関する提案が成されている。 In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-264356 proposes the convenience of attaching a generator to an ordinary bicycle, connecting and charging a battery to the output of the generator, and allowing the kinetic energy of human power to be carried by the battery. there is

しかし、特開2016-214816と特開2012-053852は場所を限定しての使用環境であり、2010-057347と特開2009-264356ではバッテリーで電気エネルギーの可搬を可能としているが、バッテリー充電時間は化学反応を伴うことから電流と電圧に制限が加わり、例えばスマートホンであれば実用的には30分~1時間程度の充電時間が必要で矢張り、運動時間もそれに対応し、継続的に行う必要があり、更に何れの提案も極めて概念的であり、実際の実行性に乏しく、実現性にも乏しい、と言う欠点がある。 However, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2016-214816 and 2012-053852 are usage environments where the location is limited, and Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2010-057347 and 2009-264356 enable the transport of electrical energy with a battery, but battery charging Time is accompanied by chemical reactions, so current and voltage are limited. For example, in the case of a smart phone, it takes about 30 minutes to an hour to charge practically. In addition, all of the proposals are extremely conceptual, and have the drawback of being poor in actual execution and poor in feasibility.

また、特開2018-151585、特開2019-212851には本発明者が発案提案している低出力インピーダンスの発電機として最適と思えるソレノイドアクチュエータの存在がある。 In addition, Japanese Patent Laid-Open No. 2018-151585 and Japanese Patent Laid-Open No. 2019-212851 include a solenoid actuator proposed by the present inventor, which seems to be optimal as a low output impedance generator.

特開2010-057347JP 2010-057347 特開2016-214816JP 2016-214816 特開2012-053852JP 2012-053852 特開2009-264356JP 2009-264356 特開2019-212851JP 2019-212851 特開2018-151585JP 2018-151585

一方、生活環境の場では近年、情報媒体としてのスマートホンの普及が著しく、災害時の情報伝達手段としてのスマートホンの役割は大きくなつており、また、自然災害による孤立世帯の発生や避難所自体が長時間停電になるなどの事態も発生する事もあり、スマートホンの充電が行えず情報が得られない等の問題が発生するケースが増えている。 On the other hand, in the living environment, the spread of smartphones as an information medium has been remarkable in recent years, and the role of smartphones as a means of information transmission in the event of a disaster is increasing. There are also cases where the power outage itself occurs for a long time, and there are increasing cases where problems such as not being able to charge smartphones and not being able to obtain information occur.

更に自然災害時に避難所に非難する住民は一定の姿勢で過ごす事も多く、運動不足などに依るエコノミー症候群の発症等も心配されている。 Furthermore, residents who evacuate to evacuation centers during natural disasters often spend their time in a certain posture, and there is concern about the onset of economy syndrome due to lack of exercise.

本発明はこの様な状況を鑑み自然災害時の避難所での運動不足の解消と長時間停電によるスマートホンの充電不足から出る情報難民の解消などに対応できる、充電環境を提供するもので、また、スローライフ等による自然環境等、電力供給環境の無いキャンプ地や発展途上国等の電力確保を人力で賄う事を目的に、人の排出する運動エネルギーを電力エネルギーに変換する事と持ち運び、及び再充電が可能な充電バッテリーを用いる事で利便性も高めた人力発電システムでCO2排出の削減に大いに貢献する脱炭素社会への手段を提供するものである。 In view of this situation, the present invention provides a charging environment that can solve the lack of exercise at evacuation shelters during natural disasters and solve information refugees caused by insufficient charging of smartphones due to long-term power outages. In addition, for the purpose of securing power with human power, such as in the natural environment due to slow life, etc., in camping areas and developing countries with no power supply environment, it converts the kinetic energy emitted by people into electric energy and carries it. It also provides means for a decarbonized society that greatly contributes to the reduction of CO2 emissions with a human-powered power generation system that is more convenient by using rechargeable batteries that can be recharged.

本発明は従来の人力発電が、自転車のライト等で知られる如く、電気エネルギーを利用する間、運動を継続的に行わなければならないと言う観点に注目し、現実的な筋肉運動器具の運動時間で、例えば5~15分程度の筋肉運動で、スマートホンの充電を1時間程度、利用可能な電気エネルギー(5Wh)を提供し得る利便性に優れた筋肉運動器具を提供すると同時に、人力の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する事でCO2の排出削減にも貢献するに好適な人力発電システムを提供している。 The present invention pays attention to the viewpoint that the conventional human-powered power generation, as known from bicycle lights, must be exercised continuously while using electric energy, and the realistic exercise time of muscle exercise equipment. So, for example, muscle exercise for about 5 to 15 minutes, charging a smart phone for about 1 hour, and providing a highly convenient muscle exercise device that can provide usable electric energy (5 Wh), and at the same time, human power exercise We provide a suitable human power generation system that contributes to the reduction of CO2 emissions by converting energy into electrical energy.

図1に本発明の災害対応型人力発電システムを図示し、これをヘルスジェネバイクと呼称し、以降、本発明の災害対応型人力発電システムをヘルスジェネバイクとして説明を進める。 FIG. 1 shows a disaster-response human-powered power generation system of the present invention, which will be referred to as a health gene-bike.

図1に比較的小型で移動可能なヘルスジェネバイク本体1を図3に前記ヘルスジェネバイク本体1にサドル10とハンドル9を追加したエアロバイクスタイルで比較的大型で高能力化が可能な設置型のヘルスジェネバイクを示す。以降、本発明の説明としては、図1のヘルスジェネバイク本体1に関して、その特徴を説明する。 Fig. 1 shows a relatively small and movable health gene bike main body 1, and Fig. 3 shows an aerobatic bike style in which a saddle 10 and a handle 9 are added to the health gene bike main body 1, and a relatively large installation type capable of high performance. health gene bike. Hereinafter, as the description of the present invention, the characteristics of the health-generating bike main body 1 of FIG. 1 will be described.

図1において、1はヘルスジェネバイク本体で、前記ヘルスジェネバイク本体にはペダル3が設けられており、前記ペダル3の軸にはペダルギヤー4が固定されている。ペダルギヤー4の歯には発電機本体6の軸に固定された発電ギヤー5の歯が噛んでおり、前記ペダル3を脚または腕で回転させる事で、発電機本体6の軸が回転し、発電する仕組みになっている。 In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a health-generating bike body. The health-generating bike body is provided with a pedal 3, and a pedal gear 4 is fixed to the shaft of the pedal 3. As shown in FIG. The teeth of the pedal gear 4 are meshed with the teeth of the generator gear 5 fixed to the shaft of the generator body 6, and by rotating the pedal 3 with the leg or arm, the shaft of the generator body 6 rotates to generate electricity. It is a mechanism to do.

前記発電機本体6は低出力インピーダンスに設計されており、前記発電機本体6の発電出力は交流で、交流を直流に変換する整流回路と運動負荷を一定にコントロールする負荷コントロール回路が組み込まれており、その出力は充電コード7を介して、充電バッテリー2に入力されている。また、負荷コントロール回路には負荷を調整する為の負荷調整つまみ8が本体に装着されており、運動する人の能力により、運動負荷が調整出来るシステムになっている。 The generator main body 6 is designed to have a low output impedance, and the power generation output of the generator main body 6 is AC, and a rectifier circuit that converts AC to DC and a load control circuit that controls the exercise load to a constant level are incorporated. , and its output is input to the charging battery 2 via the charging cord 7 . In addition, the load control circuit is equipped with a load adjusting knob 8 for adjusting the load on the main body, so that the exercise load can be adjusted according to the ability of the person exercising.

前記充電バッテリー2は低インピーダンス、大容量の電気2重層キャパシター(スパーキャパシター)で構成されており、急速充電を可能としていると同時にヘルスジェネバイク本体1より取り外し、持ち運びが可能となっている。 The rechargeable battery 2 is composed of a low-impedance, high-capacity electric double-layer capacitor (supercapacitor) that enables rapid charging, and at the same time, can be removed from the health-generating bike body 1 and carried.

結果、ヘルスジェネバイク本体1は前記ヘルスジェネバイク本体1のペダル3を脚または腕で回す事で人の筋肉の衰えを改善する機能を有する筋肉運動器具として働くと、同時に、人間の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換器の機能も果たす事になる。 As a result, the health gene bike main body 1 works as a muscle exercise device having a function of improving the weakening of human muscles by turning the pedals 3 of the health gene bike main body 1 with the leg or arm, and at the same time, it can increase the kinetic energy of the human being. It also functions as a converter that converts into electrical energy.

ここで注目すべき点は電気二重層キャパシターで構成された、取り外し、持ち運び、可能な充電バッテリー2と前記充電バッテリー2の高速充電を可能にする低出力インピーダンスを有する発電機本体6の設計であり、この発案により、短時間の例えば、5分~15分適度の運動で、5Whの電力を運動時間の数倍、使用に耐えうる時間の電気エネルギーが確保される事にある。 The point to be noted here is the design of the rechargeable battery 2, which is made up of electric double layer capacitors and which can be removed and carried, and the generator main body 6 having a low output impedance that enables high-speed charging of the rechargeable battery 2. According to this idea, for a short period of time, for example, 5 to 15 minutes of moderate exercise, electric energy of 5 Wh can be secured for a period of time that can withstand use, which is several times the exercise time.

つまり、1台の筋肉運動器具(ヘルスジェネバイク本体1)を、例えば12人で各々5分間使用し、各々が急速充電された、充電バッテリー2を取り外し、各々の場所に移動し、60分間のスマートホンの充電(5V、1A、1h)を行った場合を想定し、その電気量を計算すると5Wh x 12人で60Whの電力を得た事となる。更に、避難所で前記ヘルスジェネバイク1を10時間稼働し、のべ100人が5分間ずつ使用した場合には500Whの電力を確保出来る事となる。 In other words, for example, 12 people use one muscle exercise device (health gene bike body 1) for 5 minutes each, remove the rechargeable battery 2, which is rapidly charged, move to each place, and use it for 60 minutes. Assuming that a smartphone is charged (5V, 1A, 1h) and the amount of electricity is calculated, 5Wh x 12 people obtained 60Wh of power. Furthermore, if the Health Gene Bike 1 is operated for 10 hours at an evacuation center and a total of 100 people use it for 5 minutes each, 500 Wh of electric power can be secured.

つまり、100人の人の健康を維持し、即ちエコノミック症候群から人々を守り、更に情報取得の要であるスマホの充電や照明等の環境を整える事が出来るシステムである。 In other words, it is a system that can maintain the health of 100 people, that is, protect people from economic syndrome, and prepare the environment for smartphone charging and lighting, which are essential for information acquisition.

図2に筋肉運動器具(ヘルスジェネバイク本体1)の使用例の概念図を示す。 FIG. 2 shows a conceptual diagram of an example of use of the muscle exercise device (health gene bike main body 1).

図2においてAは寝た状態で、Bは椅子に座った状態で、Cは机の上、等にフットネスバイクを置き、手でペダルを回転させる等、比較的に小型で持ち運びの自由度と使用環境に範囲を持たせる事が出来る、筋肉維持の為の運動器具としての機能と発電機としての機能を兼ね備えたものとなっている。 In FIG. 2, A is the state of lying down, B is the state of sitting on a chair, C is the fitness bike placed on the desk, etc., and the pedals are rotated by hand. It can be used in a wide range of environments, and has both the function of exercise equipment for muscle maintenance and the function of a generator.

図3にはヘルスジェネバイク本体1にハンドル9とサドル10を備えたエアロバイクスタイルの概念図を示すが、基本はヘルスジェネバイク本体1と同様の機能を果たすが可搬性、重量、大きさ等にはヘルスジェネバイク本体1の単体と比較すると劣る反面、ヘルスジェネバイク本体1を使用する人の体重がサドル10により垂直に掛かるため、より重い負荷に対応する事が出来、より多くの電気エネルギーを確保出来る。
尚、ハンドル9はサドル10に跨ぎ乗った人の動きを安定させる機能を有する。
FIG. 3 shows a conceptual diagram of an exercise bike style having a handle 9 and a saddle 10 on the health gene bike main body 1. Basically, it performs the same function as the health gene bike main body 1, but has portability, weight, size, etc. Although it is inferior to the health generation bike body 1 alone, the weight of the person using the health generation bike body 1 is vertically applied to the saddle 10, so it can cope with a heavier load and consumes more electric energy. can be secured.
The handle 9 has a function of stabilizing the movement of a person straddling the saddle 10 .

図4に充電バッテリー2の外観図を記載する。図4に於いて、2は充電バッテリー本体で充電時はヘルスジェネバイク本体1に組み込まれており、充電完了時には本体から取り外し、使用可能となっている。 An external view of the rechargeable battery 2 is shown in FIG. In FIG. 4, reference numeral 2 denotes a rechargeable battery main body, which is incorporated in the health gene bike main body 1 during charging, and can be removed from the main body when charging is completed and can be used.

11はUSB出力端子で、その出力は定電流機能を備えており、スマートホン等の充電や他、USB を使用した機器に接続利用出来る。12はACアウトレットでほぼAC100Vを出力しているので、ACアダプターを使用している小電力の電気機器などに使用出来る。15は充電コネクターでヘルスジェネバイク本体1に組み込む事で発電電圧の供給を受ける事が出来る。13は出力インジケーターで点灯時はUSB出力端子11およびACアウトレット12の出力が保証される。14は充電インジケーターで充電電圧が満タン(完了)した時点で点灯、以降ヘルスジェネバイク本体1のペダル3を漕いでも、充電は行われない。 11 is a USB output terminal, the output has a constant current function, and can be used for charging smartphones and other devices that use USB. 12 is an AC outlet that outputs approximately 100 V AC, so it can be used for low-power electrical equipment that uses an AC adapter. 15 is a charging connector that can be supplied with generated voltage by incorporating it into the health gene bike main body 1 . An output indicator 13 guarantees the output of the USB output terminal 11 and the AC outlet 12 when lit. 14 is a charging indicator that lights up when the charging voltage is full (completed), and after that, even if the pedal 3 of the health gene bike body 1 is pedaled, charging is not performed.

図5はヘルスジェネバイク本体1を使用し5~15分の運動を行い、充電バッテリー2をフル充電した場合、例えば充電バッテリーの電力量を5V1000mAhにした場合の使用例を示している。図5に於いて▲1▼はスマートホンの充電(5V、1Aで)、を行った場合、1時間程度の充電、約80%の充電で普通の使用環境で8時間程度、使用出来る事になる。▲2▼はその他のUSBを用いた機器の接続例で例えば卓上扇風機(5V、0.5A)で2時間程度の使用、▲3▼はDC駆動では有るがACアダプターを用いる小電力機器の使用例で、例えば、停電時にLEDランタンを使用した場合10時間程度の照明が得られる様になる。 FIG. 5 shows a usage example in which the health gene bike main body 1 is used for 5 to 15 minutes of exercise and the rechargeable battery 2 is fully charged, for example, the electric energy of the rechargeable battery is 5V1000mAh. In Fig. 5, (1) indicates that when a smart phone is charged (at 5V, 1A), it can be used for about 8 hours in a normal operating environment after about 1 hour of charging and about 80% charging. Become. (2) is an example of connecting other devices using USB, for example, using a desktop fan (5V, 0.5A) for about 2 hours, and (3) is using a low power device that uses an AC adapter although it is DC driven. For example, if an LED lantern is used during a power outage, illumination for about 10 hours can be obtained.

以上、人間の筋肉維持、促進の為、使用される運動器具に低出力インピーダの発電機を装備し蓄電媒体として大容量で低インピーダンスの電気2重層キャパシターを使用する事で、人間の適度な運動時間、運動エネルギーで十分使用に耐える得る電気エネルギーを確保出来る環境を取得、自然災害時に避難所等で停電が発生した際の電気エネルギーの確保やキャンプなどの電気設備の無い野外活動時の電気確保や多くの人が通う健康維持増進の為のスポーツジムで行う筋肉運動器具にこのシステムを搭載し、自家発電エネルギーを利用するとCO2排出削減に貢献出来ると考えている。 As mentioned above, in order to maintain and promote human muscles, by equipping exercise equipment with a low-output impeder generator and using a large-capacity, low-impedance electric double-layer capacitor as a storage medium, moderate human exercise can be achieved. Acquire an environment that can secure enough electrical energy to withstand use with time and kinetic energy, secure electrical energy in the event of a power outage at a shelter during a natural disaster, or secure electricity during outdoor activities such as camping where there is no electrical equipment. We believe that this system can contribute to the reduction of CO2 emissions by installing this system in the muscle exercise equipment used in sports gyms that many people go to to maintain and improve their health, and by using self-generated energy.

例えば、一人10分の運動で5Whの(スマホの電池を1時間充電出来る)発電エネルギーが確保出来るとして、日本の人口1億3千万人の内の10%が一日、一回本発明のシステムをスポーツジムや家庭で使用したとすると一日で6.5万KWhの電力を発電する事となる。 For example, assuming that 10 minutes of exercise per person can generate 5 Wh of energy (which can charge a smartphone battery for 1 hour), 10% of the 130 million people in Japan use the present invention once a day. If the system is used at a gym or at home, it will generate 65,000 KWh of electric power per day.

更に、通常の人間が自転車のペダルを踏む力は100W程度と言われており、実現の可能性としては一人6分の運動で10Whの蓄電が可能でCO2を排出する事の無い電気エネルギーを生み出すことが出来、且つ、健康促進による医療費の削減も期待できる。 In addition, it is said that the power that a normal person steps on a bicycle pedal is about 100 W, and the possibility of realization is that it is possible to store 10 Wh of electricity with 6 minutes of exercise per person, and generate electrical energy that does not emit CO2. In addition, it is possible to expect a reduction in medical expenses due to health promotion.

ヘルスジェネバイク本体の基本構造の模式図。Schematic diagram of the basic structure of the health gene bike body. ヘルスジェネバイク本体の基本的使用例。Basic usage example of the health gene bike body. エアロバイクとしての基本構造の模式図。A schematic diagram of the basic structure of an exercise bike. 本発明の取り外し、移動可能な蓄電装置の模式図。1 is a schematic diagram of a removable and movable power storage device of the present invention; FIG. 本発明の移動可能な蓄電装置の基本的な使用例。A basic usage example of the movable power storage device of the present invention. 発電機本体6の基本的ブロック図。2 is a basic block diagram of a generator main body 6; FIG. 充電バッテリー2の基本ブロック図Basic block diagram of rechargeable battery 2 本発明の実施例に於ける運動時間と蓄電電圧のグラフ。A graph of exercise time and storage voltage in the example of the present invention. 負荷調整と蓄電電圧VS運動時間の関係グラフ。FIG. 10 is a graph showing the relationship between load adjustment and storage voltage VS exercise time; FIG. 本発明の実施例に於ける5W消費時に於ける蓄電電圧の関係グラフ。Fig. 10 is a graph showing the relation of the storage voltage at the time of consumption of 5 W in the example of the present invention;

以下、本発明の実施の形態に関して図6~図10を参照に説明をする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 6 to 10. FIG.

図6は発電機本体6の基本的ブロック図である。発電は永久磁石22の円周上にクロスする形で巻かれたAコイル16とBコイル17で、その発電出力Vはdφ/dt xNで永久磁石2の回転速とA・Bコイルの巻線数Nに比例する。 FIG. 6 is a basic block diagram of the generator body 6. As shown in FIG. Electric power is generated by the A coil 16 and the B coil 17 which are wound on the circumference of the permanent magnet 22 in a crossed manner. proportional to the number N.

永久磁石22の中心軸には発電ギヤー5が固定されており、発電ギヤー5にはペダルギヤー4が噛合っており、ペダルギャー4が回転するとそのギヤー比に応じ、発電ギヤー5が回転し、A・Bコイルと交差する磁束φが変化、Aコイル16とBコイル17の両端からは交流電圧が取り出される。 A power generation gear 5 is fixed to the central axis of the permanent magnet 22, and a pedal gear 4 is meshed with the power generation gear 5. When the pedal gear 4 rotates, the power generation gear 5 rotates according to the gear ratio. A magnetic flux φ intersecting with the B coil changes, and AC voltage is extracted from both ends of the A coil 16 and the B coil 17 .

実施例に於いてはペダルの回転数は約1秒間に一回転で、永久磁石22は軸に固定されている発電ギヤー5はペダルギヤー4とのギヤー比で増速、回転し、20Hz程度の交流電圧として発電され、その電圧は略80V~90Vp-p程度である。 In this embodiment, the pedal rotates about once per second, and the generator gear 5 fixed to the shaft of the permanent magnet 22 accelerates and rotates at a gear ratio with the pedal gear 4, and generates an alternating current of about 20 Hz. Electric power is generated as a voltage, and the voltage is about 80V to 90Vp-p.

A・Bコイルの出力端にはAコイル整流器101とBコイル整流器102が接続されており、交流発電出力を整流し、イ、で示される整流波形の如く直流に変換され、次段の合成回路103にて合成され、ロで示される如くの脈流を得て、次段の負荷コントロール回路104に入力される。 An A-coil rectifier 101 and a B-coil rectifier 102 are connected to the output terminals of the A and B coils to rectify the AC power output, convert it to DC as shown in the rectified waveform indicated by (a), and combine it in the next stage. These are combined at 103 to obtain a pulsating current as shown at b, which is input to the load control circuit 104 at the next stage.

実施例の発電機の合成回路103の脈流出力は約40V~45V、出力インピーダンス16Ω程度で有り、この出力を直接、電気二重層キャパシターに充電した場合には充電が進むと同時に発電機に掛かる負荷は指数関数的に軽くなり、一定の負荷を必要とする筋肉トレーニング機器としては不適当で有るため、一定負荷を得る為に次段の負荷コントロール回路104にて一定の負荷を確保する事になる。 The pulsating current output of the combined circuit 103 of the generator of the embodiment is about 40 V to 45 V and the output impedance is about 16 Ω. The load decreases exponentially and is unsuitable for muscle training equipment that requires a constant load. Become.

負荷コントロール回路104は発電機の軸に掛かる負荷を一定にするために、発電出力インピーダンスを更に低インピーダンス化する機能と負荷を一定にする為の定電流コントローラーで構成され。 The load control circuit 104 is composed of a constant current controller for keeping the load constant and a function for further reducing the output impedance of the generator in order to keep the load on the shaft of the generator constant.

負荷コントロール回路104では発電機の出力DC45V、16Ω、2.8A、126WをDC-DCコンバーターに於いて15V、1.8Ω、8A、120Wと、更に低出力インピーダンスに変換し、この出力を定電流化する事で電気二重層キャパシターの充電状況による発電機の負荷を一定に維持する効果を実現し、この定電流値を3A~8A程度に負荷調整つまみ10をコントロールする事で調整し、負荷の値をコントロールし、その充電出力は電気二重層キャパシターを主要素とした充電バッテリー2に充電コード7を介して接続されている。 In the load control circuit 104, the output of the generator DC45V, 16Ω, 2.8A, 126W is converted to 15V, 1.8Ω, 8A, 120W in the DC-DC converter, and the output impedance is further converted to a constant current. By doing so, the effect of maintaining a constant load on the generator according to the state of charge of the electric double layer capacitor is realized, and this constant current value is adjusted to about 3A to 8A by controlling the load adjustment knob 10, and the load is reduced. Its charging output is connected through a charging cord 7 to a charging battery 2 whose main element is an electric double layer capacitor.

図7にヘルスジェネバイク本体1から取り外し可能な充電バッテリー2のブロックダイヤグラムを示す。 FIG. 7 shows a block diagram of the rechargeable battery 2 detachable from the health gene bike main body 1. As shown in FIG.

充電コネクター15に供給された充電電流は充電電流切断回路201を介し、電気二重層キャパシター205に加えられ蓄電される。前記充電電流切断回路201は充電・出力監視回路205の制御により、電気二重層キャパシター202が所定の電圧に達した時点で働き、充電電流は切り離され、充電が完了したことを充電インジケーター14の点灯にて知らせると同時に過充電をも防止する。 The charging current supplied to the charging connector 15 is applied to the electric double layer capacitor 205 through the charging current disconnecting circuit 201 and stored. The charging current disconnecting circuit 201 is controlled by the charging/output monitoring circuit 205, and when the electric double layer capacitor 202 reaches a predetermined voltage, the charging current is disconnected, and the charging indicator 14 lights to indicate that charging is completed. At the same time, it also prevents overcharging.

前記電気二重層キャパシター202の出力は通常バッテリーとは異なり、放電時間に比例して電圧は下降するため、定電圧源としては使用出来ず、本発明に於いては、前記電気二重層キャパシター202の出力にDC-DCコンバーター203を用いる事で定電圧電源として使用する事を可能としている。 Unlike a normal battery, the output of the electric double layer capacitor 202 drops in proportion to the discharge time, so it cannot be used as a constant voltage source. By using a DC-DC converter 203 for output, it is possible to use it as a constant voltage power supply.

DC-DCコンバーター203の出力には定電流回路も設けており、且つ、出力端子はUSB11で構成されていることからスマートホンなどの電池の充電が可能となっている。 A constant current circuit is also provided for the output of the DC-DC converter 203, and since the output terminal is configured with USB11, it is possible to charge the battery of a smart phone or the like.

また、それと平行して電気二重層キャパシター202の出力にはDC-ACコンバーター204を備えており、その出力端子はACアウトレット12になっており、USB入力を持たない小電力DC機器のACアダプターの使用が可能となっている。 In parallel with this, the output of the electric double layer capacitor 202 is provided with a DC-AC converter 204, the output terminal of which is an AC outlet 12, which is used as an AC adapter for low-power DC devices that do not have a USB input. It is available.

DC-DCコンバーター203およびDC-ACコンバーター204の入力には充電出力監視回路205が接続されており、電気2重層キャパシター202の出力電圧を監視、DC-DCコンバーター203、およびDC-ACコンバーター204の入力限界電圧に達した時点で出力インジケーター13を点灯させ、充電バッテリー2の再充電を促す仕組みとなっている。 A charge output monitoring circuit 205 is connected to the input of the DC-DC converter 203 and the DC-AC converter 204, monitors the output voltage of the electric double layer capacitor 202, and monitors the DC-DC converter 203 and the DC-AC converter 204. When the input limit voltage is reached, the output indicator 13 is turned on to prompt the rechargeable battery 2 to be recharged.

図8はヘルスジェネバイク本体1の負荷調整つまみを最大値に調整した場合の運動時間と蓄電電圧の関係をグラフ化した図を示している。充電バッテリー2が完全放電後(蓄電電圧0V)の場合から負荷を最大にし、運動をした場合、フル充電電圧に達するまでの運動時間は6分30秒であった、更にDC-DCコンバーターの動作限界電圧が3Vで有る事から、2回目以降の運動時間は5分程度でフル充電される事が分かる。 FIG. 8 shows a graphical representation of the relationship between the exercise time and the stored voltage when the load adjustment knob of the health gene bike body 1 is adjusted to the maximum value. After the charging battery 2 was completely discharged (storage voltage 0 V), when the load was maximized and exercise was performed, the exercise time until reaching the full charge voltage was 6 minutes and 30 seconds. Since the limit voltage is 3V, it can be seen that the battery is fully charged in about 5 minutes after the second exercise.

図9はヘルスジェネバイク本体1の負荷調整つまみを最大値に調整した場合と最小値に調整した場合の運動時間と蓄電電圧の関係をグラフ化した図を示している。ともに、充電開始をDC-DCコンバーターの動作限界電圧とした場合のフル充電までの運動時間を見ると、当然の事ながら、負荷を軽くするとフル充電までの運動時間が伸び、実施例に於いては負荷最大時では5分で有るが、負荷最小時では16分掛かる事が分かる。 FIG. 9 shows a graphical representation of the relationship between the exercise time and the stored voltage when the load adjustment knob of the health gene bike body 1 is adjusted to the maximum value and to the minimum value. In both cases, looking at the exercise time until full charge when the charging start is set to the operating limit voltage of the DC-DC converter, naturally, if the load is lightened, the exercise time until full charge is extended. is 5 minutes at the maximum load, but it takes 16 minutes at the minimum load.

図10は実施例に於ける充電バッテリー2のフル充電の状態から5W、1Aの消費電力を消費した場合の蓄電電圧の下降特性を示したグラフであるが、DC-DCコンバーターの動作限界電圧まで下降する時間が63分で有る事が確認される。 FIG. 10 is a graph showing the drop characteristics of the stored voltage when 5W, 1A power consumption is consumed from the fully charged state of the rechargeable battery 2 in the embodiment, up to the operation limit voltage of the DC-DC converter. It is confirmed that the descending time is 63 minutes.

本発明は日常、何気なく人類が使用している健康維持の為の筋肉トレーニング機器を使い、摩擦などによる熱負荷として消費してしまっている筋肉エネルギーを電気エネルギーの充電負荷として利用する事で、世界に多く存在する健康維持の為のスポーツジム等を一つの発電所としてシステム化する事で脱炭素社会、カーボンニュートラルの社会の一翼を担うと、考えている。 The present invention utilizes muscle training equipment that is casually used by humans on a daily basis to maintain health, and utilizes muscle energy that has been consumed as a heat load due to friction, etc., as a charge load for electrical energy. We believe that by systematizing sports gyms, etc. for health maintenance, which are often found in Japan, as one power plant, we will play a role in a decarbonized and carbon-neutral society.

Claims (10)

永久磁石の周囲に巻き線を施した交流発電機の回転軸に小口径の歯車を取り付け、前記歯車と噛合う大口径の歯車の回転軸にハンドルまたはペダルを備え、前記ハンドルまたはペダルを回転させ、前記大口径及び小口径の歯車の比により前記発電機の永久磁石を増速回転させる事で、交流発電出力を得て、前記発電機で得た交流電圧を直流電圧に変換する手段として整流器を備え、前記整流器から得た直流電圧により稼働する、低出力インピーダンスのDC-DCコンバーターを備え、前記低出力インピーダンスのDC-DCコンバーターより得た直流電圧出力に、取り外して移動可能で、且つ、急速充電が可能な充電バッテリーを接続し、急速充電を可能にする事で、前記急送充電された取り外し可能で移動可搬が可能な充電バッテリーの消費時間が前記ハンドルまたはペダルの回転運動時間に対して、5W、1Aの消費時で2倍以上の消費時間を得る事が出来る人力発電システム。 A small-diameter gear is attached to the rotating shaft of an alternator wound around a permanent magnet. A rectifier as a means for converting the AC voltage obtained by the generator into a DC voltage by obtaining an AC power output by rotating the permanent magnet of the generator at an increased speed according to the ratio of the gears of the large diameter and the small diameter a low output impedance DC-DC converter operated by a DC voltage obtained from said rectifier, being removable and movable to a DC voltage output obtained from said low output impedance DC-DC converter; and By connecting a rechargeable battery capable of rapid charging and enabling rapid charging, the consumption time of the detachable and portable rechargeable battery, which has been rapidly charged, is reduced with respect to the rotation movement time of the handle or pedal. A human-powered power generation system that can obtain more than twice the consumption time when consuming 5W and 1A. トレーニングやフィットネス等に使用する一般的にフッネスネスバイクと称するバイク本体部に請求項1に記載する人力発電システムを組み込んだ人力発電システム。 A human-powered power generation system in which the human-powered power generation system according to claim 1 is incorporated in a main body of a bike generally called a fitness bike used for training, fitness, or the like. 請求項1、請求項2に記載する人力発電システムであって、ペダル回転軸に大口径プーリーを取り付け、前記プーリーにベルトまたはチェーンにて接合する小口径プーリーにより増速回転する回転軸を持つ発電機を有する請求項1、請求項2に該当する人力発電システム。 A power generation system according to claim 1 or claim 2, wherein a large-diameter pulley is attached to the pedal rotation shaft, and a small-diameter pulley connected to the pulley with a belt or a chain rotates at an accelerated speed. A human-powered power generation system according to claim 1 or claim 2, which has a generator. 請求項1、請求項2、請求項3に記載する人力発電システムであって、永久磁石の周囲に巻き線を施した交流発電機の巻き線を前記永久磁石の円周上に等角度の間隔で複数の巻き線を施し多相発電機を構成し、各々の巻き線から得る交流発電出力を各々の巻き線に備えた整流器で整流し、整流後の各々の脈流を合成する事で低出力インピーダンスの脈流出力を得て、発電出力の低インピーダンス化を目指した人力発電システム。 1, 2, and 3, wherein the windings of an alternator having windings around a permanent magnet are equiangularly spaced on the circumference of the permanent magnet. A multi-phase generator is configured by applying multiple windings, and the AC power output obtained from each winding is rectified by a rectifier provided in each winding, and each pulsating current after rectification is synthesized to reduce A human-powered power generation system that obtains a pulsating current output with an output impedance and aims to reduce the impedance of the power generation output. 請求項1、請求項2、請求項3、請求項4に記載する人力発電システムであって、発電、整流、合成後の脈流発電出力の更なる低インピーダンス化を目指し、大出力電流を得る為に前記脈流発電出力に1または複数個の降圧型DC-DCコンバーターを設けた人力発電システム。 The human-powered power generation system according to claim 1, claim 2, claim 3, and claim 4, which aims to further reduce the impedance of the pulsating current power output after power generation, rectification, and synthesis, and obtain a large output current. A man-powered power generation system in which one or more step-down DC-DC converters are provided for the pulsating current power output. 請求項5に記載する人力発電システムであって、請求項5に記載する1または複数個の降圧型DC-DCコンバーターの出力に定電流回路を設け、定電流回路の電流値を可変抵抗等で設定する事でハンドルまたはペダル回転の回転負荷を希望する負荷に制御出来る人力発電システム。 The human power generation system according to claim 5, wherein a constant current circuit is provided at the output of one or more step-down DC-DC converters according to claim 5, and the current value of the constant current circuit is changed by a variable resistor or the like. A human power generation system that can control the rotation load of the steering wheel or pedal rotation to the desired load by setting. 請求項5,請求項6に記載する人力発電システムあって、バイク本体部から取り外し、可能で急速充電が可能な充電バッテリーの主要素が電気2重層キャパシターで構成されている人力発電システム。 7. The human power generation system according to claim 5 or 6, wherein the main element of the rechargeable battery, which can be detached from the motorcycle body and can be rapidly charged, is composed of an electric double layer capacitor. 請求項5,請求項6、請求項7に記載する人力発電システムあって、複数個の定電流回路に対応して、充電バッテリーの主要素である電気2重層キャパシターを複数個に分離、対で対応し、充電後に対で対応した前記電気二重層キャパシターを直並列で接続し直し、分離前の状態に戻し、充電バッテリーとして扱う人力発電システム。 5, 6, and 7, wherein the electric double layer capacitors, which are the main elements of the rechargeable battery, are separated into a plurality of pairs corresponding to the plurality of constant current circuits. A man-powered power generation system in which the corresponding pair of electric double layer capacitors are reconnected in series-parallel after charging, returned to the state before separation, and treated as a rechargeable battery. 請求項5,請求項6、請求項7、請求項8に記載する人力発電システムであって、バイク本体部から取り外し可能な充電バッテリーの出力にDC-DCコンバーターを備え、前記DC-DCコンバーターの出力に 任意の定電圧、定電流源を設け、USB等のコネクターにて二次電池の充電環境、及びをUSB電源機器の電源環境を提供する事を目的とした人力発電システム。 Claim 5, Claim 6, Claim 7, Claim 8. The human power generation system according to Claim 5, Claim 6, Claim 7, and Claim 8, wherein a DC-DC converter is provided at the output of a rechargeable battery removable from the motorcycle body, and the DC-DC converter A human-powered power generation system with the purpose of providing an arbitrary constant voltage and constant current source for output, and providing a charging environment for secondary batteries and a power supply environment for USB power equipment with connectors such as USB. 請求項5,請求項6、請求項7、請求項8、請求項9に記載する人力発電システムであって、バイク本体部から取り外し可能な充電バッテリーの出力にDC-ACコンバーターを備え、前記DC-ACコンバーターの出力に任意の低電力交流電圧源のACアウトレットを設け、1~50W程度の小電力ACアダプターで使用出来る機器に電源環境を提供する事を目的とした人力発電システム。 Claim 5, Claim 6, Claim 7, Claim 8, and Claim 9. The human power generation system according to Claim 5, Claim 6, Claim 7, Claim 8, or Claim 9, wherein a DC-AC converter is provided at the output of a rechargeable battery removable from the motorcycle main body, and the DC -A man-powered power generation system for the purpose of providing an AC outlet for any low-power AC voltage source at the output of an AC converter and providing a power supply environment for equipment that can be used with a low-power AC adapter of about 1 to 50W.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11848582B2 (en) * 2019-09-30 2023-12-19 Power Pull Group Inc. Mobile device charging apparatus

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