JP4190744B2

JP4190744B2 - 人力発電装置

Info

Publication number: JP4190744B2
Application number: JP2001185066A
Authority: JP
Inventors: 昭憲松崎; 浩山田; 康彦小林
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: JP2003009596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人力で発電する人力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の人力を利用した人力発電装置では、人力発電機を人力で駆動した場合、負荷電圧・電流を一定にする制御を行っている。このような制御でも、負荷が小さいときには、特に問題は生じない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら負荷が、１００Ｗ程度以上になると、足踏み式の人力発電機であっても、当初から負荷に電力を供給しようとすると、負荷が重くなり、運転者の負担が大きくなりすぎて、スムーズな発電をすることができなくなり、最悪の場合には、脱調状態となってスムーズな発電動作を行なえなくなる問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、負荷が大きくなった場合でも、スムーズに発電することがでできる人力発電装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、発電当初における運転者の負荷を軽減して、円滑な発電を可能とする発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、人力で発電する人力発電機と、人力発電機の出力電流を制御する出力制御装置とを備えた人力発電装置を改良の対象とする。本発明においては、出力制御装置を、人力発電機の出力電圧が安定するまでは、実質的に負荷に出力電流を流さず、出力電圧が安定した以降は出力電圧の増減に比例して出力電流が増減するように負荷に出力電流を流し、出力電圧が予め定めた上限電圧を超えると出力電流の増加を制限するように構成する。このようにすると、人力発電機の出力がある程度安定するまでは、負荷に電力が供給されないので、運転者は無理無く人力発電機の回転数を増大させていくことができる。出力電圧がある程度安定した状態になった後に、出力電流を負荷に流すようにすると、人力発電機の回転部の慣性力が大きくなっているため、比較的大きな負荷に電流を流したとしても、運転者の負担が極端に大きくなるなることはなく、必要な電力を負荷に供給しながら、滑らかに出力を増減することができる。また本発明においては、出力電圧が予め定めた上限電圧を超えると、出力電流の増加を制限するため、運転者に過剰な負荷がかかって脱調状態になるのを防止できだけでなく、負荷に過電流が流れるのを防止することができる。
【０００７】
より具体的なレベルで見ると、本発明は、人力で直流電力を発電する人力直流発電機と、人力直流発電機の出力電流を制御するために電流指令に応じて出力電圧を昇圧または降圧する直流電圧変換回路及び出力電圧を入力として電流指令を出力する電流指令発生手段を有する出力制御装置とを備えた人力発電装置を改良の対象とする。この場合において、電流指令発生手段を、人力直流発電機の出力電圧が予め定めた第１の設定電圧未満の低電圧範囲（発電の初期的状態）にあるときには、出力電流を０にするか又は人力直流発電機を動かす人間に実質的に負荷を与えない値にする電流指令を出力し、出力電圧が前記第１の設定電圧以上で第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧以下の中間電圧範囲にあるときには、出力電圧の増減に応じて出力電流を増減させる電流指令を出力し、出力電圧が第２の設定電圧（一例としては、負荷の定格電圧の近傍に定める）より大きくなる高電圧範囲にあるときには、出力電流を予め定めた値に制限する電流指令を出力するように構成する。このようにすると、電流指令発生手段を簡単に構成することができる。
【０００８】
また電流指令発生手段は、人力直流発電機の出力電圧が低電圧範囲、中間電圧範囲及び高電圧範囲のいずれの電圧範囲にあるのかを判定する電圧範囲判定手段と、電圧範囲判定手段の判定結果により、人力直流発電機の出力電圧が低電圧範囲にあるときには、出力電流を０にするか又は人力直流発電機を動かす人間に実質的に負荷を与えない値にする電流指令を出力し、出力電圧が中間電圧範囲にあるときには、出力電圧の増減に応じて出力電流を増減させるように予め定めた演算式または予め定めた出力電圧と出力電流との関係を定めたデータに基づいて電流指令を出力し、出力電圧が高電圧範囲にあるときには、出力電流を予め定めた値に制限する電流指令を出力する電流指令決定出力手段とから構成することができる。このように電圧範囲と予め定めた演算式または予め定めた出力電圧と出力電流との関係を定めたデータとに基づいて電流指令を出力する構成を採用すると、より高い精度で出力電流を制御することができる。
【０００９】
なお人力直流発電機の出力電圧が中間電圧範囲にあるときに、出力電圧の増減に応じて出力電流を増減させる電流指令は、電圧の増加に対して直線的に増加するように定めてもよいが、人への負担やその他の観点より考慮して非直線的に増加させるようにしてもよいのは勿論である。
【００１０】
なお電圧範囲判定手段は、発電を開始してから予め定めた時間が経過するまでは、判定動作を行わないように構成する。このようにすると、発電開始時に出力電圧が安定するまでは、判定動作を行わないので、電圧範囲の判定精度及び判定の信頼度を高めることができる。
【００１１】
また直流電圧変換回路の出力で充電される蓄電池を設け、出力制御装置をこの蓄電池を電源として動作するように構成することができる。蓄電池を出力制御装置の電源とすると、直流電圧変換回路の入力電圧が低い状態であっても、出力制御装置は正しく動作するため、出力制御装置の電源が不安定なことが原因になって発生する誤動作を防止することができる。なおこの蓄電池は、僅かではあるが負荷への電力供給に寄与する。
【００１２】
また前述の電流指令決定出力手段は、所定の周期で電流指令を決定し、決定した前回の電流指令と今回の電流指令とを平均した電流指令を出力する電流指令平均化手段を更に備えているのが好ましい。このような電流平均化手段を設けると、一時的に人力直流発電機の出力電力が増減するようなことがあっても、平均化されるため、負荷への出力電力が大きく変動するのを防止することができ、結果として運転者の人体にかかる過負荷も抑制することができる。ここで電流指令平均化手段の平均化手法は、単純な算術平均の他に加重平均などの平均化手法を含めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の人力発電装置の実施形態の一例を示す回路図である。図１において、符号１で示した部材は、人力を利用する手回し又は足踏み式等の人力直流発電機であり、符号２で示した部分は、この人力直流発電機１の出力電流を制御する出力制御装置である。この出力制御装置２は、人力直流発電機１の出力電圧が安定するまでは、実質的に負荷９に出力電流を流さず、出力電圧が安定した以降は出力電圧の増減に比例して出力電流が増減するように負荷９に電流を出力し、出力電圧が予め定めた上限電圧を超えると出力電流の増加を制限するように構成されている。本実施の形態では、人力発電機として、人力直流発電機１を用いているが、人力発電機として、交流発電機を用いる場合には、人力発電機の出力側に整流回路を配置すればよい。
【００１４】
出力制御装置２は、人力直流発電機１の出力電圧を昇圧する直流電圧変換回路３と、人力直流発電機１の出力電圧を入力として電流指令を出力する電流指令発生手段１５を含んで構成されて直流電圧変換回路３を制御する制御信号を出力する制御信号発生回路５と、蓄電池Ｂを備えた蓄電池回路７とを備えている。この例の直流電圧変換回路３は、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータと呼ばれるスイッチングレギュレータにより構成された昇圧型直流電圧変換回路である。この直流電圧変換回路３は、人力直流発電機１の出力端に一端が接続されたリアクトルＬと、このリアクトルＬに流れる電流Ｉｇを検出する電流検出器ＣＴ１と、リアクトルＬの他端にアノードが接続されたダイオードＤと、リアクトルＬの他端にドレインが接続されアースにソースが接続された電界効果トランジスタ即ちＦＥＴと、ダイオードＤのカソードとアース間に接続されたコンデンサＣとから構成されている。ＦＥＴのゲートには、制御信号発生回路５中の後述するドライブ回路１３の出力が入力される。この直流電圧変換回路３では、ＦＥＴがオン状態にあるときにリアクトルＬにはＦＥＴを通して電流が流れ、リアクトルＬには磁気エネルギーが蓄えられる。ＦＥＴがオフ状態になると、その期間にリアクトルＬに蓄えられた磁気エネルギーがダイオードＤを通して放出され、この放出エネルギーでコンデンサＣが充電されてコンデンサＣの両端に現れる電圧が予め定めた電圧まで昇圧される。直流電圧変換回路３の出力電圧は一定に維持される。
【００１５】
制御信号発生回路５は、ＦＥＴのスイッチング周期を固定して電流指令I(n)に応じてオン時間を制御するＰＷＭ方式によりＦＥＴのゲート信号を変化させる。その結果、軽負荷になると、リアクトルＬの電流がゼロに近づき、負荷が重くなるとリアクトルＬを流れる電流が大きくなる。制御信号発生回路５は、電流指令I(n)に応じて、ＦＥＴのオン時間を変化させるＰＷＭ制御信号を発生するＰＷＭ制御回路１１と、ＰＷＭ制御信号を入力としてＦＥＴのゲート信号を出力するドライブ回路１３と、人力直流発電機１の出力電圧を入力として電流指令を出力する電流指令発生手段１５とから構成されている。
【００１６】
電流指令発生手段１５は、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇが予め定めた第１の設定電圧Ｖ１未満の低電圧範囲にあるときには、出力電流を０にするか又は人力直流発電機１を動かす人間（運転者）に実質的に負荷を与えない値にする電流指令I(n)を出力し、出力電圧が第１の設定電圧Ｖ１以上で第１の設定電圧Ｖ１よりも高い第２の設定電圧Ｖ２以下の中間電圧範囲にあるときには、出力電圧Ｖｇの増減に応じて出力電流Ｉｇを増減させる電流指令I(n)を出力し、出力電圧Ｖｇが第２の設定電圧Ｖ２より大きくなる高電圧範囲にあるときには、出力電流Ｉｇを予め定めた値に制限する電流指令を出力するように構成されている。
【００１７】
具体的には、電流指令発生手段１５は、電圧範囲判定手段１７と電流指令決定出力手段１９とから構成される。本実施の形態では、電流指令発生手段１５の主要部をマイクロコンピュータを用いて実現している。電圧範囲判定手段１７は、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇが低電圧範囲、中間電圧範囲及び高電圧範囲のいずれの電圧範囲にあるのかを判定する。例えば、電圧範囲判定手段１７は、出力電圧Ｖｇをデジタル値に変換するＡ−Ｄ変換器と、第１及び第２の設定電圧Ｖ１及びＶ２をデジタル値として記憶して保持する設定電圧記憶保持回路と、電圧範囲を判定する判定回路とから構成することができる。
【００１８】
また電流指令決定出力手段１９は、電圧範囲判定手段１７の判定結果により、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇが低電圧範囲にあるときには、出力電流Ｉｇを０にするか又は人力直流発電機１を動かす人間に実質的に負荷を与えない値にする電流指令I(n)を出力し、出力電圧Ｖｇが中間電圧範囲にあるときには、出力電圧Ｖｇの増減に応じて出力電流Ｉｇを増減させるように予め定めた演算式または予め定めた人力直流発電機１の出力電圧と出力電流との関係を定めたデータに基づいて電流指令I(n)を出力し、出力電圧Ｖｇが高電圧範囲にあるときには、出力電流Ｉｇを予め定めた値に制限する電流指令I(n)を出力するように構成されている。
【００１９】
図１において、蓄電池回路７は蓄電池Ｂから構成され、この蓄電池Ｂは、直流電圧変換回路３の出力で充電される。なおこの実施の形態では、蓄電池Ｂを出力制御装置２の電源として用いている。この蓄電池は、僅かではあるが、人力発電の不足分をバックアップする。
【００２０】
図２は、図１の実施の形態の電流指令決定出力手段１９内で用いる予め定めた人力直流発電機１の出力電圧と出力電流（電流指令）との関係を定めたデータ（またはマップ）の一例である。このデータに従えば、電流指令発生手段１５は、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇが予め定めた第１の設定電圧Ｖ１未満の低電圧範囲（ａまでの範囲）にあるときには、出力電流を０にするか又は人力直流発電機１を動かす人間に実質的に負荷を与えない値Ｉ１にする電流指令（電流指令の初期値I(0)）を出力する。また電流指令発生手段１５は、出力電圧Ｖｇが第１の設定電圧Ｖ１以上で第１の設定電圧Ｖ１よりも高い第２の設定電圧Ｖ２以下の中間電圧範囲（ａｂの範囲）にあるときには、出力電圧Ｖｇの増減に応じて出力電流を直線的に増減させる電流指令を出力する。そして電流指令発生手段１５は、出力電圧Ｖｇが第２の設定電圧Ｖ２より大きくなる高電圧範囲（ｂｃの範囲）にあるときには、出力電流を予め定めた値Ｉ２に制限する。この電圧値Ｖ２及び電流値Ｉ２は、負荷９の定格電力に基いて定める。なお出力電圧Ｖｇが図中のｃ点に達すると、図示しない過電圧防止回路が動作して、蓄電池Ｂや負荷９を過電圧から保護する。
【００２１】
この例では、中間電圧範囲において電流指令は、直線的に変化しているが、中間電圧範囲の特性は、人力への負担やその他の観点より考慮して非直線的に変化させるようにしてもよい。またこのようなデータまたはマップを用いずに、予め定めた演算式に基づいて必要な電流指令を出力するようにしてもよい。
【００２２】
図３は、本発明の他の実施の形態で用いる電流指令発生手段１５の主要部をマイクロコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートの一例である。この例では、前回の電流指令と今回の電流指令とを平均した電流指令を出力する電流指令平均化手段を電流指令発生手段１５内に実現する。またこの例では、人力直流発電機１の出力電圧が,ある程度安定するまでの時間が経過するまでは、実際の制御を行わないようにしている。
【００２３】
まず、人力直流発電機１が人力により回転させられて発電が開始されると、ステップＳＴ１において発電を開始してから予め定めた時間（図では１秒間）が経過するまで判定動作を行わないように構成されている。これによって発電開始時の不安定な回転に伴う不安定な発電における判定動作を避けている。この時間が経過した後、ステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２においては、電流指令発生手段内の所定のレジスタに電流指令の初期値I(0)が格納される。この初期値I(0)は、出力電流を０にするか又は人力直流発電機を動かす人間に実質的に負荷を与えない値Ｉ１以内にする電流指令である（０≦I(0)≦Ｉ１）。格納の後、次のステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ３においては、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇに対応する電流指令を所定の時間周期で決定するために、この時間周期をステップＳＴ３で実現している。図の例ではこの時間周期を１００ｍｓとしている。所定の時間（１００ｍｓ）経過の後、ステップＳＴ４に進み、人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇをその時刻の値Ｖｇ(n)として読みとる。次にステップＳＴ５に進み、読み取った出力電圧Ｖｇ(n)を予め定めた第１の設定電圧Ｖ１と比較する。比較判定の結果、出力電圧Ｖｇ(n)が第１の設定電圧Ｖ１以上と判定されればステップＳＴ６に進み、Ｖ１未満の低電圧範囲と判定されればステップＳＴ９に進む。出力電圧Ｖｇが第１の設定電圧Ｖ１以上の場合には、ステップＳＴ６で出力電圧Ｖｇ(n)を予め定めた第２の設定電圧Ｖ２と比較する。比較判定の結果、出力電圧Ｖｇ(n)が第２の設定電圧Ｖ２以下の中間電圧範囲と判定されればステップＳＴ７に進み、第２の設定電圧Ｖ２を超える高電圧範囲と判定されればステップＳＴ８へと進む。
【００２４】
中間電圧範囲と判定されてステップＳＴ７に進むと、電流指令は図２のａｂ間の比例関係より、I(m)＝Ｉ２−ｋ(Ｖ２−Ｖｇ(n)）として求められる。ここでｋは比例係数で、正の有理数である。一方高電圧範囲と判定されたステップＳＴ８において、電流指令は出力電流を予め定めた値Ｉ２に制限する電流指令を出力するように、I(m)＝Ｉ２として求められる。また低電圧範囲と判定されてステップＳＴ９に進むと、電流指令は出力電流を０にするか又は人力直流発電機を動かす人間に実質的に負荷を与えない値にする電流指令として、I(m)＝I(0)（但し０≦I(0)≦Ｉ１）として決定される。これらステップＳＴ７〜９において電流指令I(m)が求まり、次のステップＳＴ１０に進む。ステップＳＴ１０においては、前回の電流指令I(n-1)と今回求めた電流指令I(m)との算術平均によって新しい電流指令I(n)を演算する。前回の電流指令I(n-1)は電流指令発生手段内の所定のレジスタに格納されているので、それを用いればよい。発電開始の場合でも、電流指令発生手段内の所定のレジスタにステップＳＴ１において電流指令の初期値I(0)が格納されている。得られた新しい電流指令I(n)は、出力制御装置５の中のＰＷＭ制御回路１１に送られて直流電圧変換回路３の出力電流を制御するようにドライブ回路１３を介して直流電圧変換回路３のＦＥＴを駆動する。更にこのステップＳＴ１０において、今演算で求めた新しい電流指令I(n)を次回のために電流指令発生手段内の所定のレジスタにI(n-1)として格納して次のステップＳＴ１１に進む。ステップＳＴ１１において、発電の運転終了を判定する。判定の結果、終了であれば終了し、終了でなければステップＳＴ３に戻って所定の時間経過を待ち、次の周期で人力直流発電機１の出力電圧Ｖｇをその時刻の値Ｖｇ(n)として対応する次の電流指令I(n)を求めるプロセスに入る。
【００２５】
本発明においては上述のように、人力直流発電機の出力電圧の範囲（低電圧範囲、中間電圧範囲、高電圧範囲）に見合った電流指令を出力することにより、運転始動時における人体への過大な負荷を軽減して、円滑な発電を可能とすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、人力発電機の出力がある程度安定するまでは、負荷に電力が供給されないので、運転者は無理無く人力発電機の出力電圧を増大させていくことができる。そして出力電圧がある程度安定した状態になった後に、出力電流を負荷に流すようにすると、人力発電機の回転部の慣性力が大きくなっているために、負荷に比較的大きな電流を流したとしても、運転者の負担が極端に大きくなるなることはなく、必要な電力を負荷に供給しながら、滑らかに出力を増減することができる利点がある。また本発明においては、出力電圧が予め定めた上限電圧を超えると、出力電流の増加を制限するため、運転者に過剰な負荷がかかって脱調状態になるのを防止できだけでなく、負荷に過電流が流れるのを防止することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の人力発電装置の実施形態の一例を示す回路図である。
【図２】図１の実施の形態で用いる電流指令と発電機出力電圧Ｖｇとの関係を示す図である。
【図３】本発明の他の実施の形態で用いる制御用のソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートの一例である。
【符号の説明】
１人力直流発電機
２出力制御装置
３直流電圧変換回路
５制御信号発生回路
７蓄電池回路
９負荷
１１ＰＷＭ制御回路
１３ドライブ回路
１５電流指令発生手段
１７電圧範囲判定手段
１９電流指令決定出力手段
Ｂ蓄電池
Ｃコンデンサ
ＣＴ電流検出器
Ｄダイオード
Ｌリアクトル

Claims

人力で直流電力を発電する人力直流発電機と、
前記人力直流発電機の出力電流を制御するために電流指令に応じて出力電圧を昇圧または降圧する直流電圧変換回路及び前記出力電圧を入力として前記電流指令を出力する電流指令発生手段を有する出力制御装置とを備えた人力発電装置であって、
前記電流指令発生手段は、前記人力直流発電機の前記出力電圧が予め定めた第１の設定電圧未満の低電圧範囲にあるときには、前記出力電流を０にする電流指令を出力し、前記出力電圧が前記第１の設定電圧以上で前記第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧以下の中間電圧範囲にあるときには、前記出力電圧の増減に応じて前記出力電流を増減させる電流指令を出力し、前記出力電圧が前記第２の設定電圧より大きくなる高電圧範囲にあるときには、前記出力電流を予め定めた値に制限する電流指令を出力するように構成され、
前記電流指令発生手段は、前記出力電圧が前記低電圧範囲、前記中間電圧範囲及び前記高電圧範囲のいずれの電圧範囲にあるのかを判定する電圧範囲判定手段と、
前記電圧範囲判定手段の判定結果により、前記人力直流発電機の前記出力電圧が前記低電圧範囲にあるときには、前記出力電流を０にする電流指令を出力し、前記出力電圧が前記中間電圧範囲にあるときには、前記出力電圧の増減に応じて前記出力電流を増減させるように予め定めた演算式または予め定めた人力直流発電機の出力電圧と出力電流との関係を定めたデータに基づいて電流指令を出力し、前記出力電圧が前記高電圧範囲にあるときには、前記出力電流を予め定めた値に制限する電流指令を出力する電流指令決定出力手段とから構成され、
前記電流指令決定出力手段は、所定の周期で電流指令を決定し、決定した前回の電流指令と今回の電流指令とを平均した電流指令を出力する電流指令平均化手段を備えていることを特徴とする人力発電装置。
前記電圧範囲判定手段は、発電を開始してから予め定めた時間が経過するまで判定動作を行わないように構成されている請求項１に記載の人力発電装置。
前記直流電圧変換回路の出力で充電される蓄電池を備え、
前記出力制御装置は前記蓄電池を電源として動作するように構成されている請求項１に記載の人力発電装置。