JP5814107B2 - 静電気発電方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電気を効率よく帯電させるとともに、帯電させた静電気を効率よく取り出して蓄電するための静電気発電方法及びその装置に関する。

現代社会は、化石燃料や埋蔵資源等を利用した枯渇性エネルギーの大量消費によって支えられている。この現状を踏まえて、地球規模での環境問題や将来における安定したエネルギー供給のために、自然環境の中で繰り返し起こる現象から取り出すことができるとともに、環境影響物質を排出しないクリーンなエネルギーである再生可能エネルギーの普及が強く求められている。特にわが国では、近時の未曾有の災害等による社会環境の大きな変化に伴い、電力の安定した供給のために日常生活において実用可能で汎用性のある新たな電力源の開発が喫緊の課題となっている。

ところで、物質同士の接触，摩擦，剥離や衝突によって、物質間で電子の移動が発生し、静電気が発生することはよく知られている。即ち、電荷（電子）を受け取った側はマイナスに帯電し、他方はプラスに帯電する。従来、静電気は感電による不快感や日常生活において種々の害を及ぼしたり、製造現場や作業現場で起きる火災や爆発を引き起こす原因ともなるため、専ら帯電防止策や除電手段の研究開発が行われてきた。

一部において、静電気の性質を利用した空気清浄機等や、静電気を利用した発電装置に関する研究開発も散見される。例えば、風力により静電高電圧を発生させ、風力エネルギーの利用拡大を図るために、風により回転する風車と、風車の回転軸に接続された増速器と、増速器の出力軸に連結され静電気を発生する静電発電装置とを備えた風力静電発電装置が提案されている（特許文献１）。また、静電気エネルギーを蓄積する手段として、静電気発生装置で発生する静電気を電気２重層キャパシタに蓄電し、制御装置によるスイッチ操作によってキャパシタを放電する静電気発電装置も提案されている（特許文献２）。

特開平０７−１２３６３９号 特開２００１−５７７８５号

特許文献１や特許文献２に示す従来の静電気発電装置は、いずれも絶縁体に帯電させる構成であり、高電位を得ることはできるが、帯電させた電荷を移動させるためには、取出端子を帯電した絶縁体の全面に接触させる必要がある。そのため、電荷の取出が困難であり、単位時間に取り出せる電荷量（電流量）が少なく用途が限定的で普及していない。例えば、特許文献２においても、動物皮革等の絶縁体である固定円盤に複数の集電極を配置しており、集電極を設置した箇所からしか電荷を取り出すことができない。そのため、固定円盤に如何に高電位の電荷を帯電していようと有効に取り出すことができない。よって、従来の静電発電装置の利用は用途が限定的であり、普及が進んでいない。例えば、特許文献１にかかる風車を利用した風力静電発電装置は、ネオン管の点灯による風車の風警戒装置としての利用に留まっており、日常生活において実用可能で汎用性のある新たな電力源の提供に至っていない。

絶縁体に代えて、導電体に帯電させた場合は、導電体のどこか１箇所に取出端子を接触させれば、電荷が取出端子まで移動するため、容易に電荷を取り出すことが可能である。しかしながら、導電体の帯電は、電荷の帯電量（電子の移動量）が同じでも、導電体であるため何処かに絶縁抵抗の小さいところがあると、そこから電荷が散逸し、高電位を維持することが困難である。

よって、静電気発電においては、高電位を得るために絶縁体に帯電させた場合は、電荷の取出が困難となり、一方、電荷の取出を容易とするために導電体に帯電させた場合には、高電位を得ることが困難であるため、静電気を積極的に利用した発電装置は提供されていない。

そこで、本発明者らは前記した従来の課題を解決し、日常生活において実用可能で充分な電荷量を帯電させることができるとともに、帯電させた電荷を効率よく取り出して蓄電することにより、新たな電力源として実用可能で汎用性のある静電気発電方法及びその装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために、下記工程Ａ〜工程Ｆを順次行うことによって、静電気を蓄電する静電気発電方法を基本として提供する。
工程Ａ：絶縁条件下に保持した帯電体に静電気の電荷を帯電させる工程。
工程Ｂ：第１導電体を前記帯電体に強誘電体を介在させて対面させるとともに接地することにより、帯電体に帯電した電荷と反対の電荷を静電誘導によって第１導電体に帯電させる工程。
工程Ｃ：第１導電体の接地を解除するとともに、帯電体からのクーロン力の影響を排除する工程。
工程Ｄ：第１導電体を第２導電体に強誘電体を介在させて対面させることによりコンデンサを形成する工程。
工程Ｅ：第２導電体を接地させるとともに、第１導電体を絶縁条件下に保持した状態で、コンデンサに電荷を蓄える工程。
工程Ｆ：第２導電体の接地を解除するとともに、第１導電体及び第２導電体を二次電池と接続し、前記コンデンサに蓄えられた電荷を二次電池に蓄電する工程。

そして、工程Ａにおいて、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、帯電体に接触させることによって、帯電体を摩擦帯電させ、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、液体フロンを加熱して得たガスによって帯電体に噴射して接触させる。液体フロンを太陽熱を利用してガス化し、帯電体としてガラス板を使用し、帯電体と帯電列において差違を有する物質として、ポリテトラフルオロエチレンのペレット，ポリプロピレンペレット，ポリエチレンペレットから選択された一種又は複数を使用する。

工程Ｂにおいて、帯電体及び第１導電体を同一形状として、第１導電体を帯電体に近接させて対面させ、第１導電体を接地させることにより、第１導電体から電子を大地に逃がし、或いは大地から電子を第１導電体に吸収する。また、帯電体の第１導電体と対面する面に強誘電体を装着する。工程Ｃにおいて、第１導電体の接地を解除することにより、第１導電体に帯電した電荷を保持し、第１導電体を帯電体から離反させることによって、帯電体からのクーロン力の影響を排除する。

工程Ｄにおいて、第２導電体の第１導電体と対面する面に強誘電体を装着し、工程Ｆにおける二次電池としてバッテリを使用する。更に、工程Ｂ及び工程Ｄにおける強誘電体として、チタン酸バリウム，ジルコンチタン酸鉛又はニオブ酸を使用する。また、第１導電体及び第２導電体の材料として、アルミニウム，ニッケル，鋼又は銅を使用する。

静電気発電装置として、絶縁条件下に保持した帯電体と、帯電体に静電気の電荷を帯電させる帯電装置と、帯電体と対面可能に配置された第１導電体と、帯電体の第１導電体と対面する面に装着した強誘電体と、第１導電体を接地及び解除可能な第１接地手段と、帯電体からの第１導電体に対するクーロン力の影響を排除する手段と、第１導電体と対面してコンデンサを形成する第２導電体と、第２導電体の第１導電体と対面する面に装着した強誘電体と、第２導電体を接地及び解除可能な第２接地手段と、第１導電体及び第２導電体に接続された二次電池とからなる静電気発電装置を提供する。

そして、帯電装置として、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、帯電体に接触させることによって、帯電体に静電気の電荷を摩擦帯電させる帯電装置を使用し、或いは帯電装置として、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、液体フロンを加熱して得たガスによって帯電体に噴射して接触させることによって、帯電体に静電気の電荷を摩擦帯電させる帯電装置を使用し、液体フロンを太陽熱を利用してガス化する。

また、帯電体としてガラス板を使用し、帯電体と帯電列において差違を有する物質として、ポリテトラフルオロエチレンのペレット，ポリプロピレンペレット，ポリエチレンペレットから選択された一種又は複数を使用し、帯電体及び第１導電体を同一形状とし、第１導電体を帯電体に対して、接近及び離脱自在に構成する。

第１接地手段として、帯電体に第１導電体が接近する際に第１導電体と接続され、第１導電体が帯電体から離反する際に第１導電体から離脱する接地端子を使用し、第１導電体に接地端子を接続させて第１導電体を接地することにより、第１導電体から電子を大地に逃がし、或いは大地から電子を第１導電体に吸収する。接地端子から第１導電体を離脱させることにより、第１導電体に帯電した電荷を保持し、帯電体からの第１導電体に対するクーロン力の影響を排除する手段として、第１導電体を回動可能に構成し、帯電体に対して近接して対面及び離脱自在に構成する。

更に、第１導電体と第２導電体を同一形状とするとともに、第１導電体を第２導電体に対して近接して対面及び離脱自在に構成し、二次電池としてバッテリを使用する。

以上記載した本発明によれば、静電気を絶縁条件下で保持した帯電体に電荷を帯電させることによって、高電位を得ることができるとともに、該電荷を静電誘導により導電体に帯電させることによって、第１導電体に効率よく取り出すことができる。そして、第１導電体に帯電させた電荷を、第１導電体を第２導電体に強誘電体を介在させて対面させたコンデンサに蓄えることができる。その際、第１導電体と第２導電体間に介在させた強誘電体によって分極作用が起こり、コンデンサの静電容量が飛躍的に大きくなるため、実用可能で汎用性のある新たな電力源として利用可能な電荷量をコンデンサに蓄えることができる。しかも、本発明では電荷の蓄電作業を導電体から行うため、集電のための端子は一箇所でよく、帯電させた静電気の取り出しは、瞬時に行われるため効率がよい。

即ち、本発明によれば、電荷の帯電処理と取出処理をそれぞれ適した条件下で行うように分離することによって、静電気の帯電と取出の双方をともに効率化し、静電気を帯電させた帯電体から効率よく静電気を取り出して蓄電することができ、日常生活において実用可能な新たな電力源を提供することができる。

静電気発電装置の側面配置説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電方法の工程を示す平面説明図。 静電気発電装置の全体システム図。 静電気発電装置の全体システム図。 使用状態を示す説明図。

本発明は、高電位を得るために、静電気を絶縁条件下で保持した帯電体に電荷を帯電させた後、該電荷を静電誘導により導電体に帯電させることによって、電荷を取り出しやすくしたことに特徴を有する。即ち、電荷の帯電処理と取出処理をそれぞれ適した条件下で行うように分離することによって、静電気の帯電と取出の双方をともに効率化し、日常生活において実用可能な新たな電力源を提供するものである。

本発明にかかる静電気発電方法は、下記の工程Ａ〜工程Ｆを順次行うことによって、静電気を蓄電し、電力源として利用する。以下、使用する静電気発電装置の構成とともに、静電気発電方法の実施形態を図面に基づいて各工程毎に説明する。図１は静電気発電装置の側面配置説明図、図２〜図８は静電気発電方法の工程を示す平面説明図であり、図において、１は帯電体、２は第１導電体、３は第２導電体である。

［工程Ａ］
先ず、工程Ａとして、図２，図３に示すように、絶縁条件下に保持した帯電体１に静電気の電荷を帯電させる。

帯電体１は、ガラス等の所定面積の誘電体からなり、図示例では、円弧状に湾曲した体状に形成してある。この帯電体１は凸状湾曲面１ａが絶縁筐体４によって囲繞されて、絶縁条件下に保持されている。１ｂは帯電体１の凹状湾曲面であり、凸状湾曲面１ａの反対面に形成され、絶縁筐体４の外部に露出している。この凹状湾曲面１ｂの全面には強誘電体５０が一体に装着されている。なお、絶縁筐体４によって絶縁条件下に保持されていれば、帯電体１の素材として導電体を使用することも可能である。この絶縁筐体４内の帯電体１に向けて、帯電体１と帯電列において可能な限り差違を有する固体としての吹付物質５、例えば、ポリテトラフルオロエチレンのペレット，ポリプロピレンペレット，ポリエチレンペレット，アルミペレットから選択された一種又は複数を吹き付ける。

強誘電体５０は、誘電体の一種であって、外部に電場がなくても電気双極子が整列しており、かつ、双極子の方向が電場によって変化できる物質を指し、具体的には、チタン酸バリウム（誘電率１７００ε／ε_０以上），ジルコンチタン酸鉛（誘電率１７００ε／ε_０以上）又はニオブ酸（誘電率２５００ε／ε_０以上）を使用する。本実施形態としては、強誘電体５０としてチタン酸バリウムを使用した。

吹付物質５は、図１に示すように、吹付物質タンク６に貯留されており、吹付物質タンク６の底部を吹付管７と連通するように形成している。そのため、吹付管７に絶縁ガス８を噴射することによって、吹付物質５も絶縁ガス８とともに帯電体１に接触して、絶縁筐体４の下方に落下する。吹付管７は絶縁筐体４に進入し、径大部７ａが帯電体１の凸状湾曲面１ａの外周部に連結するとともに、底部に吹付物質５の排出口７ｂが形成されている。よって、絶縁筐体４内に位置する帯電体１は吹付物質５の排出口７ｂを除いて吹付管７によって囲繞されている。

吹付物質５が帯電体１に接触し、離れるときに、接触帯電，摩擦帯電，衝突帯電等によって電子の授受が行われ、帯電体１がプラス又はマイナスに帯電する。帯電体１としてガラス板を使用し、吹付物質５として前記したポリテトラフルオロエチレンのペレット等を使用した場合は、帯電列に従って、ガラス板からなる帯電体１がプラスに帯電する（図３参照）。帯電体１として、誘電体を使用することによって高電位の電荷を帯電させることができる。

絶縁ガス８としては、絶縁性を有するものであれば特に制約はなく、空気その他の適宜のガスを選択すればよい。なお、好ましくは各種のフロンガス等の液化ガスを使用すれば、繰り返して使用することができる。例えば、フロンＲ１１６等は絶縁性能を有するとともに、６０℃程度でガス化し、ガス化後常温冷却することで液化する。そのため、ガス化させて吹付物質５の噴射に使用し、その後、絶縁筐体４内で放置すれば、３０℃程度に迄自然冷却されて液化するため、絶縁筐体４からスチームドレンと同じようにして、液タンクに排出することで循環使用することが可能である。よって、絶縁ガス８として、液体フロンを加熱して得たガスを使用して吹付物質５を帯電体１に噴射して接触させるとともに、液体フロンガスを加熱する熱源として、太陽熱を利用してガス化すれば、環境影響物質を排出しない再生可能エネルギーを利用することができる。

吹付物質５も、帯電体１と衝突後にプラス又はマイナスに帯電する。帯電体１としてガラス板を使用し、吹付物質５として前記したポリテトラフルオロエチレンのペレット等を使用した場合は、帯電列に従って、ポリテトラフルオロエチレンのペレット等からなる吹付物質５がマイナスに帯電する。そこで、吹付物質５を再利用するために、絶縁筐体４又は吹付管７を接地しておくことによって、吹付物質５を電気的に中和するようにする。

［工程Ｂ］
次に、工程Ｂとして、図４に示すように、第１導電体２を前記帯電体１に強誘電体５０を介在させて対面させるとともに、第１導電体２を接地端子からなる第１接地手段９と接続して接地することにより、帯電体１に帯電した電荷と反対の電荷を静電誘導によって第１導電体２に帯電させる。

第１導電体２は、導電性を有する素材であれば限定はないが、特にはアルミニウム，ニッケル，鋼又は銅等の導電性を有するとともに、電気抵抗の少ない金属素材が好ましい。本実施形態ではアルミニウムを使用した。この第１導電体２は帯電体１と同一形状の円弧状に湾曲した体状に形成され、回転軸受１０に垂設された回転軸１１から水平方向に延長されたアーム１２に凹状湾曲面２ｂが固着されている。そして、帯電体１へ帯電を行う工程Ａでは、第１導電体２は帯電体１から離反した位置、例えば図２に示すように帯電体１から１８０度回動した第２導電体３の位置にある。なお、アーム１２は、絶縁材料によって構成されているか、又は絶縁状態に保持されている。

工程Ａによって、電荷を帯電体１に充分に帯電させた後、回転軸１１を時計方向に回動させて、第１導電体２の凸状湾曲面２ａを帯電体１の凹状湾曲面１ｂと近接させて対面させる。このとき、対面した帯電体１の凹状湾曲面１ｂと第１導電体２の凸状湾曲面２ａの間には、凹状湾曲面１ｂに一体に装着した強誘電体５０が介在している。また、第１導電体２の回動に伴って、第１導電体２の凹状湾曲面２ｂが接地端子からなる第１接地手段９と接続され、帯電体１と対面したときには第１導電体２は接地されている。第１接地手段９としては、単に接触（バネ状の接触）によるものでよく、第１導電体２の回動に伴って接続或いは解除される。

図４に示す対面時における帯電体１の凹状湾曲部１ｂと第１導電体２の凸状湾曲部２ａの間には、静電誘導が生じるように近接した一定の間隔が保持されているとともに、強誘電体５０が介在している。帯電体１と第１導電体２は同一形状で完全に対面させ、かつ、対面時の間隔も接近していることがクーロン力を適切に作用させて、第１導電体２に帯電する電荷の量を大きくする観点から好ましい。なお、帯電体１及び第１導電体２の形状は湾曲したものである必要はなく、帯電体１に帯電した電荷によって、第１導電体２に静電誘導が生じるものであれば、任意の形状でよい。

本発明では帯電体１と第１導電体２の間には強誘電体５０が介在しているため、誘電分極によって帯電体１と対面する強誘電体５０の内面にマイナスの電荷が、第１導電体２と対面する強誘電体５０の外面にプラスの電荷が帯電することとなる。そして、プラスの電荷に帯電している強誘電体５０の外面と対面している第１導電体２の凸状湾曲面２ａには静電誘導によって、強誘電体５０の外面に帯電したプラスの電荷とは反対のマイナスの電荷が生じ、第１導電体２の凹状湾曲部２ｂには強誘電体５０の外面に帯電した電荷と同じプラスの電荷が生じる。このとき、第１導電体２は接地端子からなる第１接地手段９によって接地されているため、強誘電体５０の外面に帯電したプラスの電荷と同量となるまで、電子ｅが大地から吸収され、或いは大地に逃げることとなる。よって、第１導電体２には強誘電体５０の外面に帯電したプラスの電荷と反対のマイナスの電荷が強誘電体５０の外面に帯電したプラスの電荷量と同じ量だけ帯電する。

なお、帯電体１はプラスに帯電するだけでなく、マイナスに帯電する場合であってもよい。帯電体１がマイナスに帯電する場合は、第１導電体２の凸状湾曲面２ａにはプラスの電荷が静電誘導によって引きつけられるとともに、第１導電体２は第１接地手段９によって接地されているため、凹状湾曲面２ｂに帯電したマイナスの電荷は大地に逃げることとなる。

［工程Ｃ］
次に、工程Ｃとして、図５に示すように、第１導電体２を第１接地手段９から離脱させて接地を解除するとともに、帯電体１からのクーロン力の影響を排除する。

工程Ｂにおいて、帯電体１に帯電した電荷による静電誘導によって、帯電体１に帯電した電荷と反対の電荷を第１導電体２に帯電させた後、回転軸１１を時計方向に９０度回動させて、第１導電体２を第１接地手段９から離脱させて接地を解除することによって、帯電した電荷量を保持したまま、帯電体１からのクーロン力の影響を排除する位置まで第１導電体２を離反させる。クーロン力は距離の二乗に反比例するため、帯電体１から少し離すだけで効果があるが、帯電体１に帯電した電荷のクーロン力の影響を完全に排除するために、絶縁体を介在させる等の静電遮蔽を行ってもよい。なお、第１導電体２を時間的にあまり長く放置すると自然放電するため、出来るだけ短時間で、かつ、雰囲気が絶縁状態（絶縁ガス雰囲気、真空など）に置くことが望ましい。

［工程Ｄ］
次に、工程Ｄとして、図６に示すように、第１導電体２を第２導電体３に強誘電体５１を介在させて対面させることによりコンデンサを形成する。

第２導電体３は、導電性を有する素材であれば限定はないが、特にはアルミニウム，ニッケル，鋼又は銅等の導電性を有するとともに、電気抵抗の少ない金属素材が好ましい。本実施形態ではアルミニウムを使用した。この第２導電体３は第１導電体２と同一形状の円弧状に湾曲した体状に形成され、第１導電体２の回動軌跡に面した所定の位置に立設されている。そして、第２導電体３の凹状湾曲面３ｂの全面には強誘電体５１が一体に装着されている。強誘電体５１は誘電体の一種であって、外部に電場がなくても電気双極子が整列しており、かつ、双極子の方向が電場によって変化できる物質を指し、具体的には、チタン酸バリウム（誘電率１７００ε／ε_０以上），ジルコンチタン酸鉛（誘電率１７００ε／ε_０以上）又はニオブ酸（誘電率２５００ε／ε_０以上）を使用する。本実施形態ではチタン酸バリウムを使用した。

そして、工程Ｃにおける図５に示す位置から回転軸１１を時計方向に９０度回動させて、工程Ｂにおいて帯電体１に帯電した電荷と反対の電荷を帯電させた第１導電体２を第２導電体３と対面させて、コンデンサ１３を形成する。

即ち、第１導電体２の凸状湾曲面２ａと第２導電体３の凹状湾曲面３ｂが一定の間隔を有して対面することにより、第１導電体２と第２導電体３及び第１導電体２と第２導電体３の間に存在する絶縁体としての強誘電体５１、及び空気又は真空状態によって、コンデンサ１３が形成される。

［工程Ｅ］
次に、工程Ｅとして、第２導電体３を接地させるとともに、第１導電体２を絶縁条件下に保持した状態で、コンデンサ１３に電荷を蓄える。

図６に示すように、第２導電体３と接続された接続端子１６とダイオード１７を接続していた三方リレー１８を切り換えて接地端子からなる第２接地手段１９と接続して接地させる。また、第１導電体２と接続された接続端子１５と接続されたリレー２０を切断し、第１導電体２を絶縁条件下に保持する。

本発明では第１導電体２と第２導電体３の間には強誘電体５１が介在しているため、誘電分極によって第１導電体２と対面する強誘電体５１の外面にプラスの電荷が、第２導電体３と対面する強誘電体５１の内面にマイナスの電荷が帯電することとなる。そして、マイナスの電荷に帯電している強誘電体５１の内面と対面している第２導電体３の凹状湾曲面３ｂには静電誘導によって、強誘電体５１の内面に帯電したマイナスの電荷とは反対のプラスの電荷が生じ、第２導電体３の凸状湾曲面３ａには強誘電体５１の内面に帯電した電荷と同じマイナスの電荷が生じる。このとき、第２導電体３の接続端子１６は三方リレー１８を第２接地手段１９に接続することによって接地されているため（帯電時に第２導電体３を絶縁状態に保持している場合には、帯電後に三方リレー１８を第２接地手段１９に接続し、第２導電体３を接地することによって）、第２導電体３は強誘電体５１の内面に帯電したマイナスの電荷と同量となるまで、静電誘導により電子ｅが大地から吸収され、或いは大地に逃げることとなる。よって、第２導電体３には強誘電体５１の内面に帯電したマイナスの電荷と反対のプラスの電荷が強誘電体５１の外面に帯電したプラスの電荷量と同じ量だけ帯電する。

その結果、第１導電体２のマイナスの電荷と第２導電体３のプラスの電荷が強く引き合って、強い電場を形成し、第１導電体２を第２導電体３に強誘電体５１を介在させて対面させることにより形成したコンデンサ１３の静電容量に応じた電荷が蓄電される。コンデンサ１３の静電容量（Ｃ）は、誘電率（ε）×電極面積（Ｓ）÷電極間距離（ｄ）で求められるため、第１導電体２と第２導電体３の間隔は小さく、面積は広いほど静電容量が大きくなる。特に本発明では第１導電体２と第２導電体３の間に介在させる絶縁体として誘電率の高い強誘電体５１を使用しているため、コンデンサ１３の静電容量を大きくすることができ、その結果コンデンサ１３に大容量の電荷を蓄電することができる。

［工程Ｆ］
そして、工程Ｆとして、第２導電体３の接地を解除するとともに、第１導電体２及び第２導電体３を二次電池としてのバッテリ１４と接続し、前記コンデンサ１３に蓄えられた電荷を二次電池としてのバッテリ１４に蓄電する。

図７に示すように、三方リレー１８を切り換えて、第２接地手段１９との接続を解除し、第２導電体３の接続端子１６に接続された三方リレー１８をバッテリ１４のプラス極１４ａと接続する。併せて、切断していたリレー２０を接続し、第１導電体２の接続端子１５をバッテリ１４のマイナス極１４ｂと接続する。更に、第２導電体３とバッテリ１４のプラス極１４ａとの接続には、ダイオード１７を配置している。なお、マイナスに帯電している第１導電体２とバッテリ１４のマイナス極１４ｂは接続することなく、それぞれ接地させるようにしてもよい。

図７に示すように、電荷を蓄電したコンデンサ１３を二次電池としてのバッテリ１４に接続することにより、コンデンサ１３に蓄えられた電荷を二次電池としてのバッテリ１４に蓄電する。蓄電可能な二次電池であれば、バッテリ１４に限ることなく使用することが可能である。

コンデンサ１３の電位（Ｖ）は、電荷量（Ｑ）÷静電容量（Ｃ）で求められる。従って、この電位（Ｖ）がバッテリ１４の電圧（例えば、１２Ｖ、２４Ｖ等）を超えると、バッテリ１４に蓄電することができる。コンデンサ１３の電位Ｖは負荷（バッテリのインピーダンスが小さいから接続と同時に下がる）により変化するが、バッテリ１４の電位に下がるまでは、コンデンサ１３から電荷は移動するため、バッテリ１４に蓄電することができる。なお、ダイオード１７は電流の逆流を阻止するためのものである。

図示例では、第１導電体２をマイナスに、第２導電体３をプラスに帯電させているが、逆であってもよい。即ち、第１導電体２又は第２導電体３の内、プラスに帯電する方をバッテリ１４のプラス極１４ａに接続しておけばよいし、マイナスに帯電する方はマイナス極１４ｂに接続又は接地しておくだけでよい。

図８は、バッテリ１４への蓄電を終了した第１導電体２を第２導電体３から離反させて、中和状態にある状態を示している。即ち、図７に示す状態から、回転軸１１を時計方向に９０度回動させて、第１導電体２を接続端子１５から離脱させて、バッテリ１４との接続を解除し、第１導電体２を中和状態としている。そして、再び図２，図３に示す電荷を帯電した帯電体１に、図４に示すように第１導電体２を対面させて、静電誘導により電荷を帯電させる等の工程Ａから工程Ｆに示す工程を連続的に繰り返すことによって、連続的にバッテリ１４への蓄電を行う。なお、帯電体１への帯電作業は毎回必要ではなく、帯電体１が放電して効率が落ちたときに再帯電すればよい。

次に、本発明にかかる静電気発電方法及びその装置の第２実施形態を図９に基づき説明する。図１〜図８に示す第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。図９は帯電体１への帯電手段として、再生可能エネルギーを使用する静電気発電装置の全体システム図であり、絶縁ガス８として、液化ガスであるフロンガス（例えば、フロンＲ１１６）を使用した例である。図において、２４は液化タンクであり、液状態の絶縁ガス８を貯留している。この液化タンク２４から配管２５を介して液状態の絶縁ガス８を加熱タンク２６に供給し、この加熱タンク２６を通過する間に直接または間接的に液状態の絶縁ガス８を加熱して、ガス化させる。

加熱タンク２６内には水又は適宜の液体が貯留又は循環されており、太陽熱２７によって加熱されている。加熱タンク２６内の加熱された水の中、又は適宜の液体の中に位置する配管２５内を絶縁ガス８が通過することによって、液状の絶縁ガス８がガス化される。液化タンク２４と加熱タンク２６間の配管２５にはガス化された絶縁ガス８の逆流を防止する逆止弁２８が配置されている。なお、液状の絶縁ガス８を太陽熱で直接加熱することも可能であるが、夜間における加熱ができないため、２４時間駆動を可能とする水のような保温力のある液体を使用して間接的に加熱する手段が適当である。

加熱タンク２６を通過することによって、ガス化された絶縁ガス８は配管２５によって圧力弁２９に供給され、所定の圧力に調整・保持されて、配管３０によって、切換弁３１に供給される。絶縁ガス８は、切換弁３１から吹付管３２に供給され、この吹付管３２は閉鎖された筐体３３に進入し、筐体３３内において絶縁条件下に保持された帯電体１に向けて絶縁ガス８を噴射する。筐体３３内の吹付管３２には供給管３４が連結されており、吹付管３２からの絶縁ガス８の噴射によって負圧が発生し、筐体３３内に収納された吹付物質５が供給管３４に吸引され、絶縁ガス８とともに吹付物質５が帯電体１に吹き付けられて接触し、離れるときに、接触帯電，摩擦帯電，衝突帯電等によって電子の授受が行われ、帯電体１がプラス又はマイナスに帯電する。

帯電体１に帯電した電荷の第１導電体２への静電誘導、及び第１導電体２と第２導電体３によって形成したコンデンサ１３からのバッテリ１４への蓄電方法及び装置は第１実施形態と同様である。

この第２実施形態では、必要量の吹付物質５が筐体３３内に収納されているため、第１実施形態で使用した吹付物質タンク６は不要である。また、吹付物質５も、帯電体１と衝突後にプラス又はマイナスに帯電する。帯電体１としてガラス板を使用し、吹付物質５として前記したポリテトラフルオロエチレンのペレット等を使用した場合は、帯電列に従って、ポリテトラフルオロエチレンのペレット等からなる吹付物質５がマイナスに帯電する。そこで、吹付物質５を再利用するために、筐体３３に接地端子３５を接続して接地し、吹付物質５を電気的に中和するようにする。

一方、配管３０を介して圧力弁２９から切換弁３１に移送された絶縁ガス８は、切換弁３１によって分岐され、配管３７を介して回転軸１１に動力源として供給される。そして、回転軸１１を回転駆動させた絶縁ガス８は、回転軸１１から配管３８を介して筐体３３に排出される。

筐体３３内において帯電体１に噴射された絶縁ガス８及び回転軸１１から排出された絶縁ガス８は、筐体３３から配管３６を介して冷却タンク２１に移送され、冷却タンク２１に付設されたフィン２１ａによって大気に放熱されて液化する。液化された液状の絶縁ガス８は配管２２によって、ドレンバルブ２３を介して液化タンク２４に供給され、以後循環して使用される。

次に、本発明にかかる静電気発電方法及びその装置の第３実施形態を図１０に基づき説明する。図１〜図８に示す第１実施形態及び図９に示す第２実施形態と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１０は帯電体１への帯電手段として、再生可能エネルギーを使用する静電気発電装置の全体システム図であり、圧力弁２９から配管４１を介して回転軸１１に供給された絶縁ガス８は、回転軸１１を駆動させた後、吹付管４２に供給され、吹付管４２は閉鎖された筐体３３に進入し、筐体３３内において絶縁条件下に保持された帯電体１に向けて絶縁ガス８を噴射する。筐体３３内の吹付管４２には供給管３４が連結されており、吹付管４２からの絶縁ガス８の噴射によって負圧が発生し、筐体３３内に収納された吹付物質５が供給管３４に吸引され、絶縁ガス８とともに吹付物質５が帯電体１に吹き付けられて接触し、離れるときに、接触帯電，摩擦帯電，衝突帯電等によって電子の授受が行われ、帯電体１がプラス又はマイナスに帯電する。その他の構成は第２実施形態と同一の構成である。

蓄電の完了したバッテリ１４は日常生活において実用可能で汎用性のある電力源として多方面に利用することが可能である。例えば、一般家庭に設置した本発明にかかる静電気発電装置のバッテリ１４を図１１に示すようにＤＣ−ＡＣ変換器４３に連結して、バッテリ１４の直流電流を交流電流に変換し、屋内の分電盤４４を介して電灯４５，蛍光灯４６，テレビ４７，冷蔵庫４８等各種電化製品の電源として利用することが可能である。

次に本発明にかかる静電気発電方法の実施例を示す。帯電体１として１辺が１０ｃｍ×１０ｃｍのガラス板を所定の曲率で湾曲させて使用し、第１導電体２及び第２導電体３として帯電体１と同一形状のアルミニウム板を使用した。そして、帯電体１の凹状湾曲１ｂ及び第２導電体３の凹状湾曲面３ｂの全面に強誘電体５０，５１としてチタン酸バリウムを配置した。なお、吹付物質５としては適量のポリテトラフルオロエチレンのペレットを使用した。そして、吹付物質５の吹付時間を３００秒、１８０秒、６０秒、３０秒として、帯電体１に電荷を帯電させるとともに、前記した手段で第１導電体２を３００ｒｐｍで回転させ、第１導電体２と第２導電体３及び強誘電体５１で形成されるコンデンサ１３に電荷を蓄電させた。帯電体１の帯電量を測定するとともに、第１導電体２が１回回転することによって帯電体１の帯電量から得られるコンデンサ１３の総電荷量を電圧計で測定し、測定した総電荷量とコンデンサ１３の静電容量からエネルギーを計算した。そして、得られたエネルギー量から１回回転当たりの電力を計算した。その結果を表１に示す。なお、エネルギーは次の計算式で計算した。

表１に示すように、吹付時間３００秒の実施例１において、第１導電体２が１回回転することによる総電荷量は１．８５３×１０^−７（Ｃ）であり、コンデンサ１３の静電容量は８．６９３×１０^−８（Ｆ）であるため、この総電荷量から得られるエネルギーは、１．９７５×１０^−７（Ｊ／回）となる。このエネルギーから得られる１回回転当たりの電力は１．９７５×１０^−７（Ｗ）となる。同様に吹付時間１８０秒の実施例２では１．２０３×１０^−７（Ｗ／回）、吹付時間６０秒の実施例３では８．８８７×１０^−８（Ｗ／回）、吹付時間３０秒の実施例４では６．７７１×１０^−８（Ｗ／回）の電力を得ることができた。この電力は第１導電体２が１回回転することによって得られる電力であり、実施例１〜実施例４ではそれぞれ毎分３００回回転で第１導電体２を回転させているので、１秒間に５回、帯電体１に帯電した電荷をコンデンサ１３に誘導できる。そのため、得られる電力も５回分となり、実施例１〜実施例４においては、表１に示す電力の５倍の電力を得ることができた。このように静電気を利用して日常生活において使用可能な電力を供給することができた。

以上記載した本発明によれば、静電気を絶縁条件下で保持した帯電体に電荷を帯電させることによって、高電位を得ることができるとともに、該電荷を静電誘導により導電体に帯電させることによって、第１帯電体に効率よく取り出すことができる。そして、第１導電体に帯電させた電荷を、第１導電体を第２導電体に強誘電体を介在させて対面させたコンデンサに蓄えることができる。その際、第１導電体と第２導電体間に介在させた強誘電体によって分極作用が起こり、コンデンサの静電容量が飛躍的に大きくなるため、実用可能で汎用性のある新たな電力源として利用可能な電荷量をコンデンサに蓄えることができる。しかも、本発明では電荷の蓄電作業を導電体から行うため、集電のための端子は一箇所でよく、帯電させた静電気の取り出しは、瞬時に行われるため効率がよい。

即ち、本発明によれば、電荷の帯電処理と取出処理をそれぞれ適した条件下で行うように分離することによって、静電気の帯電と取出の双方をともに効率化し、静電気を帯電させた帯電体から効率よく静電気を取り出して蓄電することができ、日常生活において実用可能な新たな電力源を提供することができる。

１…帯電体
２…第１導電体
３…第２導電体
４…絶縁筐体
５…吹付物質
６…吹付物質タンク
７…吹付管
８…絶縁ガス
９…第１接地手段
１０…回転軸受
１１…回転軸
１２…アーム
１３…コンデンサ
１４…バッテリ
１５，１６…接続端子
１７…ダイオード
１８…三方リレー
１９…第２接地手段
２０…リレー
５０，５１…強誘電体

Claims (26)

1. 下記工程Ａ〜工程Ｆを順次行うことによって、静電気を蓄電することを特徴とする静電気発電方法。
   工程Ａ：絶縁条件下に保持した帯電体に静電気の電荷を帯電させる工程。
   工程Ｂ：第１導電体を前記帯電体に強誘電体を介在させて対面させるとともに接地することにより、帯電体に帯電した電荷と反対の電荷を静電誘導によって第１導電体に帯電させる工程。
   工程Ｃ：第１導電体の接地を解除するとともに、帯電体からのクーロン力の影響を排除する工程。
   工程Ｄ：第１導電体を第２導電体に強誘電体を介在させて対面させることによりコンデンサを形成する工程。
   工程Ｅ：第２導電体を接地させるとともに、第１導電体を絶縁条件下に保持した状態で、コンデンサに電荷を蓄える工程。
   工程Ｆ：第２導電体の接地を解除するとともに、第１導電体及び第２導電体を二次電池と接続し、前記コンデンサに蓄えられた電荷を二次電池に蓄電する工程。
2. 工程Ａにおいて、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、帯電体に接触させることによって、帯電体を摩擦帯電させる請求項１記載の静電気発電方法。
3. 工程Ａにおいて、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、液体フロンを加熱して得たガスによって帯電体に噴射して接触させることによって、帯電体を摩擦帯電させる請求項１記載の静電気発電方法。
4. 液体フロンを太陽熱を利用してガス化する請求項３記載の静電気発電方法。
5. 工程Ａにおいて、帯電体としてガラス板を使用し、帯電体と帯電列において差違を有する物質として、ポリテトラフルオロエチレンのペレット，ポリプロピレンペレット，ポリエチレンペレットから選択された一種又は複数を使用する請求項２，３又は４記載の静電気発電方法。
6. 工程Ｂにおいて、帯電体及び第１導電体を同一形状として、第１導電体を帯電体に近接させて対面させる請求項１，２，３，４又は５記載の静電気発電方法。
7. 工程Ｂにおいて第１導電体を接地させることにより、第１導電体から電子を大地に逃がし、或いは大地から電子を第１導電体に吸収する請求項１，２，３，４，５又は６記載の静電気発電方法。
8. 工程Ｂにおいて、帯電体の第１導電体と対面する面に強誘電体を装着した請求項１，２，３，４，５，６又は７記載の静電気発電方法。
9. 工程Ｃにおいて、第１導電体の接地を解除することにより、第１導電体に帯電した電荷を保持する請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の静電気発電方法。
10. 工程Ｃにおいて、第１導電体を帯電体から離反させることによって、帯電体からのクーロン力の影響を排除する請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載の静電気発電方法。
11. 工程Ｄにおいて、第２導電体の第１導電体と対面する面に強誘電体を装着した請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０記載の静電気発電方法。
12. 工程Ｆにおける二次電池としてバッテリを使用する請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の静電気発電方法。
13. 工程Ｂ及び工程Ｄにおける強誘電体として、チタン酸バリウム，ジルコンチタン酸鉛又はニオブ酸を使用する請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２記載の静電気発電方法。
14. 第１導電体及び第２導電体の材料として、アルミニウム，ニッケル，鋼又は銅を使用する請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２又は１３記載の静電気発電方法。
15. 請求項１〜請求項１４に記載のいずれかの静電気発電方法を実施するための静電気発電装置であって、
    絶縁条件下に保持した帯電体と、帯電体に静電気の電荷を帯電させる帯電装置と、帯電体と対面可能に配置された第１導電体と、帯電体の第１導電体と対面する面に装着した強誘電体と、第１導電体を接地及び解除可能な第１接地手段と、帯電体からの第１導電体に対するクーロン力の影響を排除する手段と、第１導電体と対面してコンデンサを形成する第２導電体と、第２導電体の第１導電体と対面する面に装着した強誘電体と、第２導電体を接地及び解除可能な第２接地手段と、第１導電体及び第２導電体に接続された二次電池とからなることを特徴とする静電気発電装置。
16. 帯電装置として、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、帯電体に接触させることによって、帯電体に静電気の電荷を摩擦帯電させる帯電装置を使用する請求項１５記載の静電気発電装置。
17. 帯電装置として、帯電体と帯電列において差違を有する物質を、液体フロンを加熱して得たガスによって帯電体に噴射して接触させることによって、帯電体に静電気の電荷を摩擦帯電させる帯電装置を使用する請求項１５記載の静電気発電装置。
18. 液体フロンを太陽熱を利用してガス化する請求項１７記載の静電気発電装置。
19. 帯電体としてガラス板を使用し、帯電体と帯電列において差違を有する物質として、ポリテトラフルオロエチレンのペレット，ポリプロピレンペレット，ポリエチレンペレットから選択された一種又は複数を使用する請求項１６，１７又は１８記載の静電気発電装置。
20. 帯電体及び第１導電体を同一形状とし、第１導電体を帯電体に対して、接近及び離脱自在に構成した請求項１５，１６，１７，１８又は１９記載の静電気発電装置。
21. 第１接地手段として、帯電体に第１導電体が接近する際に第１導電体と接続され、第１導電体が帯電体から離反する際に第１導電体から離脱する接地端子を使用する請求項１５，１６，１７，１８，１９又は２０記載の静電気発電装置。
22. 第１導電体に接地端子を接続させて第１導電体を接地することにより、第１導電体から電子を大地に逃がし、或いは大地から電子を第１導電体に吸収する請求項２１載の静電気発電装置。
23. 接地端子から第１導電体を離脱させることにより、第１導電体に帯電した電荷を保持する請求項２２記載の静電気発電装置。
24. 帯電体からの第１導電体に対するクーロン力の影響を排除する手段として、第１導電体を回動可能に構成し、帯電体に対して近接して対面及び離脱自在に構成した請求項１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２又は２３記載の静電気発電装置。
25. 第１導電体と第２導電体を同一形状とするとともに、第１導電体を第２導電体に対して近接して対面及び離脱自在に構成した請求項１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３又は２４記載の静電気発電装置。
26. 二次電池としてバッテリを使用する１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４又は２５記載の静電気発電装置。

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