JP3168667U - 波力発電実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波力発電に興味・関心を抱かせる波力発電実験装置を提供する。【解決手段】基台１０と、基台上で振動する第１筒状体２０と、第１筒状体を支える圧縮ばね部材１１と、第１筒状体の内部で軸方向に相対振動する第２筒状体３０と、第２筒状体を第１筒状体の内部で弾性的に支持する支持ばね部材２１と、第２筒状体に巻回されたコイル３１と、コイルに対向する第２筒状体の内部位置で第２筒状体の軸方向に相対振動する永久磁石４０と、永久磁石が第２筒状体の内部で軸方向に相対振動できるように永久磁石を第２筒状体の内部で弾性的に吊り下げる吊下げばね部材４１とを備える。この波力発電実験装置は、基台が振動すると、コイルと永久磁石とが効率的に相対運動し、電磁誘導で大きな電気が発生する。発生させた電気は，電気二重層コンデンサに蓄えてＬＥＤ５１を点灯させる。この装置は、実験参加者の強い興味と関心を惹くことができる。【選択図】図１

Description

本考案は、波力発電の教材として使用する波力発電実験装置に関する。

波のエネルギーを発電に利用する波力発電は、航路標識のブイの電源などに実用化されているが、現時点では、地上に電力を供給する本格的システムの実現には至っておらず、社会的関心も低いと言わざるを得ない。波力発電は、温室効果ガスを発生しないクリーンな発電方式であり、四方を海に囲まれた我が国では、その活用の促進が望まれる。
将来を担う児童・生徒に波力発電の関心を高めてもらうため、本考案者は、各種の教材を考案しており、下記特許文献１では、波で揺られた球体が圧電素子に衝突して発電する方式の発電装置を提案している。
波力発電には種々の方式があり、下記特許文献２には、波を受けて永久磁石がコイル内を往復運動し、それによりコイルに電磁誘導で電流が発生する波力発電装置が開示されている。

特開２００９−２４００１１号公報 特開平６−２８０７３３号公報

電磁誘導を利用する発電方式では、波の力を利用して永久磁石とコイルとの相対運動を効率的に発生させることが必要である。
これは、波力発電の教材に使用する実験装置でも同様であり、児童・生徒の関心を惹くためには、波などの振動で大きな電気が得られることを体感させる必要がある。
また、電気エネルギーを蓄える手段について学習することも大切であり、そのため、電気エネルギーが溜っていることを実感できる教材を示すことが重要である。
こうした教材は、児童・生徒に驚きや発見を経験させ、その経験によって、児童・生徒の科学に対する興味・関心が育まれる。

本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、波力発電に関する興味・関心を高め、科学的な認識を深めることができる、電磁誘導を利用した波力発電実験装置を提供することを目的としている。

本考案は、電磁誘導を利用して発電する波力発電実験装置であって、基台と、基台の垂直方向に振動する筒状の第１筒状体と、第１筒状体が基台の垂直方向に振動するように第１筒状体を基台上で支える圧縮ばね部材と、第１筒状体の内部で第１筒状体に対して軸方向に相対振動する筒状の第２筒状体と、第２筒状体が第１筒状体内で軸方向に相対振動するように第２筒状体を第１筒状体の内部で弾性的に支持する支持ばね部材と、第２筒状体の一部に巻回されたコイルと、コイルに対向する第２筒状体の内部位置で第２筒状体の軸方向に相対振動する永久磁石と、永久磁石が第２筒状体内で軸方向に相対振動するように永久磁石を第２筒状体の内部で弾性的に吊り下げる吊下げばね部材と、を備えることを特徴とする。
この波力発電実験装置では、基台とコイルとの間に圧縮ばね部材及び支持ばね部材が介在し、また、基台と永久磁石との間に圧縮ばね部材、支持ばね部材及び吊下げばね部材が介在しているため、基台の振動に応じてコイルと永久磁石とが異なる位相で振動し、永久磁石とコイルとの相対運動が効率的に発生する。その結果、電磁誘導で多くの電気が発生する。

また、本考案の波力発電実験装置では、第１筒状体を囲む基台の位置に複数の細筒体が立設され、この細筒体内に、発生した電気で発光する発光体が収容されている。
この細筒体は、発光体を保持するとともに、第１筒状体の振動方向が基台の垂直方向からずれるのを防いでいる。

また、本考案の波力発電実験装置では、第１筒状体が基台の中央位置に支持され、発生した電気の電流・電圧を計測する計器類と、発生した電気から発光体の点灯電流を生成するための回路部品を搭載した回路基板とが、基台の中心でバランスするように、この中心を間に挟んで配置されている。
計器類と回路基板とをバランスを取って基台上に配置しているため、基台の振動が安定し、基台に弾性支持された永久磁石とコイルとの効率的な相対運動が可能になる。また、電流・電圧を計測する計器は、発電量を数量化して表示するため、定量的な学習が可能になる。

また、本考案の波力発電実験装置では、前記回路部品が、発生した電気を整流する整流器と、整流された電気を一時的に蓄える電気二重層コンデンサとを含み、電気二重層コンデンサから発光体に電流が供給される。
そのため、児童・生徒は、この波力発電実験装置から、電気エネルギーを蓄える手段について学習することができる。

また、本考案の波力発電実験装置は、基台の下面が基台支持ばねで支えられている。
そのため、基台を振動させることで擬似的な波を発生させることができる。

また、本考案の波力発電実験装置は、第１筒状体を支える基台がカバーで覆われており、このカバーを揺らすと基台が振動する。
カバーを間欠的に手で押して実験装置を振動させると、この振動で発電が起き、実験参加者は、それを体験できる。

本考案の波力発電実験装置は、基台が振動すると、コイルと永久磁石とが効率的に相対運動し、電磁誘導で大きな電気が発生する。そのため、この装置は、実験参加者の強い興味と関心を惹くことができる。
また、実験参加者は、この装置から、電磁誘導で発生した電気エネルギーを保存する手立てについて学習することができる。
また、実験参加者は、発生する電気を数量的に把握することができるため、定量的な学習が可能となり、この装置により、論理的な思考力が育成される。

本考案の実施形態に係る波力発電実験装置の全体形状を示す図 図１の基台部分を示す図 図１の大径円筒体を示す図 図１の基台と大径円筒体とを組み合わせた状態を示す図 図１の中径円筒体と永久磁石とを示す図 図１の基台、大径円筒体及び中径円筒体を組み合わせた状態を示す図 図６の側面図 図６の上面図 本考案の実施形態に係る波力発電実験装置の制御回路を示す図

本考案の実施形態に係る波力発電実験装置の全体像を図１に示している。この装置は、基台１０と、基台１０を弾性支持する基台支持ばね１２と、基台１０の垂直方向に振動する太い径の大径円筒体（第１筒状体）２０と、大径円筒体２０を基台１０上で支える圧縮ばね部材１１と、大径円筒体２０の内部で軸方向に相対振動する中径円筒体（第２筒状体）３０と、中径円筒体３０を大径円筒体２０の内部で弾性的に吊下げる支持ばね部材２１と、中径円筒体３０の外側に巻回されたコイル３１と、中径円筒体３０内部のコイル３１に対向する位置で上下動する永久磁石４０と、永久磁石４０を中径円筒体３０の内部に吊下げる吊下げばね部材４１と、大径円筒体２０を囲む基台位置に立設された複数の細い径の細径円筒体（細筒体）５０と、細径円筒体５０に収容された発光ダイオード５１と、発電した電気の電流を表示する電流計６１と電圧を表示する電圧計６２とを取り付けた計器類取付基板６０と、発電した電気から発光ダイオード５１の点灯電流を生成する回路部品が搭載された回路基板９０と、基台１０を覆うカバー７０とを備えている。

この装置のカバー７０、大径円筒体２０、中径円筒体３０及び細径円筒体５０は、内部が観察できるように透明のアクリル樹脂で形成されている。
この装置は、基台１０を上下に振動させると、コイル３１に対して永久磁石４０が相対運動し、そのために電磁誘導でコイル３１に電流が流れる。
基台１０の上下方向の振動を円滑に行わせるため、基台１０の中心に大径円筒体２０を配置するとともに、電流計６１及び電圧計６２を取り付けた計器類取付基板６０と、回路部品を搭載した回路基板９０との質量を同一にして、それらを対角線上に配置している。

図２〜図５では、基台１０上に組み立てられている大径円筒体２０及び中径円筒体３０を分解して示している。
図２は、基台１０と、基台１０下面に取り付けられた基台支持ばね１２と、基台１０上面に取り付けられた３本の圧縮ばね部材１１と、発光ダイオード５１を収容する６本の細径円筒体５０とを示している。
図３は、大径円筒体２０を示しており、大径円筒体２０の外周には、圧縮ばね部材１１の上端が固定される円環状の圧縮ばね固定鍔部材２２と、各細径円筒体５０が外周に接する円環状の細径円筒当接鍔部材２９とが一体的に設けられている。なお、各細径円筒体５０は、細径円筒当接鍔部材２９だけで無く、圧縮ばね固定鍔部材２２の外周にも接しており、大径円筒体２０は、圧縮ばね固定鍔部材２２及び細径円筒当接鍔部材２９の外周が各細径円筒体５０に接することで、大径円筒体２０の運動方向が基台１０の垂直方向に規制される。

また、大径円筒体２０の内周には、支持ばね部材２１の上端が固定される支持ばね上端固定部材２３と、中径円筒体３０の挿通孔２７と支持ばね部材２１の挿通孔２６とが設けられた上側環状部材２４と、中径円筒体３０の挿通孔２８のみが設けられた下側環状部材２５とが一体的に設けられている。
上側環状部材２４及び下側環状部材２５に設けられた中径円筒体３０の挿通孔２７、２８は、中径円筒体３０の外形よりも僅かに大きい径を有し、中径円筒体３０の横揺れを防いでいる。
図４は、基台１０に大径円筒体２０を組み付けた状態を示している。

図５（ａ）は、中径円筒体３０を示しており、中径円筒体３０の外周には、支持ばね部材２１の下端が固定される支持ばね下端固定部材３３が一体的に設けられ、中径円筒体３０の外周の一部分にコイル３１が巻回されている。中径円筒体３０の内部には、永久磁石４０を吊下げる吊下げばね部材４１（図５（ｂ））の上端が固定される吊下げばね固定部材３２が設けられている。図５（ｃ）は、中径円筒体３０の吊下げばね固定部材３２に吊下げばね部材４１を固定し、吊下げばね部材４１の下端に永久磁石４０を吊下げた状態を示している。

図６は、図２、図３及び図５（ｃ）の各部材を組み立てた状態を示し（但し、図６では、細径円筒体５０を除いている。）、図７は、その側面図を示している。
中径円筒体３０の下端は、中径円筒体３０が上下に振動しても基台１０に当たらないように基台１０から距離を置いて設置している。なお、基台１０の方に中径円筒体３０の挿通孔（図２、図７に１３として示す。）を設けて、下方に動いたときの中径円筒体３０を逃がすようにしても良い。
図８は、組み立てられた中径円筒体３０及び大径円筒体２０の上面図を示している。図８では、６本の細径円筒体５０の位置を書き加えている。このように、複数の細径円筒体５０を大径円筒体２０の圧縮ばね固定鍔部材２２及び細径円筒当接鍔部材２９の外周に沿うように基台１０に立設することで、大径円筒体２０の運動方向が基台１０の垂直方向からずれるのを防止できる。

この波力発電実験装置では、実験参加者がカバー７０に手を当てて、上下方向に揺すると、基台支持ばね１２が伸縮し、基台１０が波を受けたように振動する。基台１０が振動すると、基台１０に圧縮ばね部材１１で支持された大径円筒体２０が、基台１０と異なる位相で、且つ、基台１０より大きい振幅で、基台１０の垂直方向に振動する。大径円筒体２０が振動すると、大径円筒体２０に支持ばね部材２１で吊下げられた中径円筒体３０が、大径円筒体２０と異なる位相で、且つ、さらに大きい振幅で振動する。そして、中径円筒体３０が振動すると、吊下げばね部材４１で吊下げられた永久磁石４０が、中径円筒体３０と異なる位相で、且つ、拡大された振幅で振動する。
その結果、コイル３１に対する永久磁石４０の相対運動が極めて大きくなり、コイル３１に電磁誘導電流が流れて、電流計６１及び電圧計６２の針が振れ、発光ダイオード５１が点灯する。

図９は、計器類取付基板６０に取り付けられた電流計６１及び電圧計６２や、回路基板９０に搭載された回路部品により形成される発光ダイオード５１の駆動回路を示している。この回路は、コイル３１に発生する誘導電流を整流する整流器８１と、整流器８１で整流された電流を計測する電流計６１と、その電圧を計測する電圧計６２と、整流された電流を蓄積する電気二重層コンデンサ８２と、４個のＮＡＮＤ回路が組み込まれたＩＣ（７４ＨＣ００）８３と、６個のＮＯＴゲートが組み込まれたＩＣ（７４ＨＣ０４）８４と、６個の発光ダイオード５１と、バスコン用のコンデンサ１０４などを備えている。
コイル３１に発生する誘導電流（ａ）は、整流器８１で整流されて電気二重層コンデンサ８２に蓄積される。基台１０上の計器類取付基板６０に設置された電流計６１及び電圧計６２は、整流器８１から出力される電流及び電圧を表示する。

整流器８１からの出力電流による電気二重層コンデンサ８２の充電が終了すると、電気二重層コンデンサ８２は、放電を開始し、その電圧がＩＣ（７４ＨＣ００）８３及びＩＣ（７４ＨＣ０４）８４の１４番ピンに加わり、ＩＣ（７４ＨＣ００）８３及びＩＣ（７４ＨＣ０４）８４が動作を開始する。なお、これらのＩＣでは、７番ピンがアースされる。
図９では、ＩＣ（７４ＨＣ００）８３の内部構成を下側に、ＩＣ（７４ＨＣ０４）８４の内部構成を右側に詳しく示している。

ＩＣ（７４ＨＣ００）８３は、直列に接続された二つの発振回路を有し、８番ピンから出力された矩形波信号（ｂ）が、更に二つのＮＡＮＤ回路を経て、６番ピンからバルク状のパルス信号（ｃ）として出力される。矩形波信号（ｂ）やパルス信号（ｃ）の周期は、ＩＣ（７４ＨＣ００）８３に接続する抵抗やコンデンサの値を変えて調整することができる。ＩＣ（７４ＨＣ００）８３から出力された信号は、ＩＣ（７４ＨＣ０４）８４の１、３、５、９、１１、１３番ピンから入力し、２、４、６、８、１０、１２番ピンに接続する発光ダイオード５１の発光がパルス信号によって制御され、発光ダイオード５１が点滅する。

そのため、この駆動回路を備える波力発電実験装置では、電気二重層コンデンサ８２が充電されるまで、カバー７０に手を当てて実験装置を振動すれば、後は、手を離しても、発光ダイオード５１の点滅が継続する。
児童・生徒は、この波力発電実験装置に手を触れることで、擬似波のエネルギーで発電できることを実感し、波力発電への関心・理解が深まる。
また、実験装置の振動で発生する電気の電流・電圧を電流計６１及び電圧計６２で数量的に把握することができ、定量的な学習が可能となる。
また、発電した電気エネルギーが電気二重層コンデンサ８２で蓄えられる仕組みを理解することができる。

この波力発電実験装置は、全体形状が小型であり、移動が可能である。そのため、教材として種々の場所に持ち運ぶことができる。
なお、基台を揺らすためには、種々の構成が採用できる。例えば、基台の両側を持って揺らしても良いし、基台を水に浮かせて実験することもできる。

本考案の波力発電実験装置は、波力発電への興味・関心を高めることが可能であり、学校教育や社会教育（科学館、技術館）の現場などで広く用いることができる。

１０ 基台
１１ 圧縮ばね部材
１２ 基台支持ばね
１３ 挿通孔
２０ 大径円筒体（第１筒状体）
２１ 支持ばね部材
２２ 圧縮ばね固定鍔部材
２３ 支持ばね上端固定部材
２４ 上側環状部材
２５ 下側環状部材
２６ 挿通孔
２７ 挿通孔
２８ 挿通孔
２９ 細径円筒当接鍔部材
３０ 中径円筒体（第２筒状体）
３１ コイル
３２ 吊下げばね固定部材
３３ 支持ばね下端固定部材
４０ 永久磁石
４１ 吊下げばね部材
５０ 細径円筒体（細筒体）
５１ 発光ダイオード
６０ 計器類取付基板６０
６１ 電流計
６２ 電圧計
７０ カバー
８１ 整流器
８２ 電気二重層コンデンサ
８３ ＩＣ（７４ＨＣ００）
８４ ＩＣ（７４ＨＣ０４）
９０ 回路基板

Claims (6)

1. 電磁誘導を利用して発電する波力発電実験装置であって、
   基台と、
   前記基台の垂直方向に振動する筒状の第１筒状体と、
   前記第１筒状体が前記基台の垂直方向に振動するように該第１筒状体を基台上で支える圧縮ばね部材と、
   前記第１筒状体の内部で該第１筒状体に対して軸方向に相対振動する筒状の第２筒状体と、
   前記第２筒状体が第１筒状体内で軸方向に相対振動するように該第２筒状体を前記第１筒状体の内部で弾性的に支持する支持ばね部材と、
   前記第２筒状体の一部に巻回されたコイルと、
   前記コイルに対向する前記第２筒状体の内部位置で該第２筒状体の軸方向に相対振動する永久磁石と、
   前記永久磁石が第２筒状体内で軸方向に相対振動するように該永久磁石を前記第２筒状体の内部で弾性的に吊り下げる吊下げばね部材と、
   を備えることを特徴とする波力発電実験装置。
2. 請求項１に記載の波力発電実験装置であって、前記第１筒状体を囲む前記基台の位置に複数の細筒体が立設され、前記細筒体内に、発生した電気で発光する発光体が収容されていることを特徴とする波力発電実験装置。
3. 請求項２に記載の波力発電実験装置であって、前記第１筒状体が前記基台の中央位置に支持され、発生した電気の電流・電圧を計測する計器類と、発生した電気から前記発光体の点灯電流を生成するための回路部品を搭載した回路基板とが、前記基台の中心でバランスするように、該中心を間に挟んで配置されていることを特徴とする波力発電実験装置。
4. 請求項３に記載の波力発電実験装置であって、前記回路部品が、発生した電気を整流する整流器と、整流された電気を一時的に蓄える電気二重層コンデンサとを含み、前記電気二重層コンデンサから前記発光体に電流が供給されることを特徴とする波力発電実験装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の波力発電実験装置であって、前記基台の下面が基台支持ばねで支えられていることを特徴とする波力発電実験装置。
6. 請求項５に記載の波力発電実験装置であって、前記基台がカバーで覆われており、該カバーを揺らすと前記基台が振動することを特徴とする波力発電実験装置。