JP6074383B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、可搬型の発電装置に関する。

小型の内燃機関と内燃機関によって駆動される発電機とが共通の骨格部材に支持された可搬性の発電装置が公知となっている。このような発電装置は、レジャーや工事、災害時等の商用電源を利用することができない状況において広く活用されている。しかしながら、この発電装置は内燃機関を駆動するための燃料を必要とするため、燃料の保持量によって稼動時間が制限されるという問題がある。このような問題に対して、風車及び風車によって駆動される発電機と、太陽電池セルとを有する発電装置がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１１７３６３号公報

しかしながら、風力及び太陽光は、枯渇することがないものの、時間（昼夜）や地域、気象条件等によってエネルギーが変動するため、発電装置から安定した出力を得ることが難しく、出力を安定化するためには比較的大きなバッテリが必要になるという問題がある。また、風力及び太陽光から高エネルギーを得ようとすると、風車及び太陽電池セルの大型化が必要となり、発電装置の可搬性が低下するという問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑み、可搬性を有する発電装置において、可搬性を維持しつつ、稼働時間の延長を可能にすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、可搬型の発電装置（１）であって、骨格部材（２）に支持された内燃機関（３）と、前記骨格部材に支持され、前記内燃機関の出力軸である機関軸（１４）に連結される発電機軸（４Ａ）を有する電動発電機（４）と、前記発電機軸に連結され、風力又は水力を受けて回転する流体機械（１２）の回転部材（３８）と、接続端子（４１〜４４）を含み、前記発電機と接続された電力回路（４０）と、前記電力回路に接続される太陽電池セル（１１）とを有することを特徴とする。

この構成によれば、風力や水力によって回転する回転部材、及び内燃機関からの回転力を受けて駆動する電動発電機と、太陽電池セルとを有し、複数のエネルギー源から発電を行うことができるため、状況に応じて潤沢なエネルギーを選択して発電を行うことができる。例えば、風力、水力、及び太陽光の自然エネルギーの少なくとも１つを利用可能な状況では、内燃機関の出力を低下又は停止することによって、内燃機関の燃料を節約することができると共に、内燃機関に起因する騒音を低減することができる。また、内燃機関はサイズに対して比較的大きな出力を得ることができるため、発電装置の小型化が可能になり、発電装置の可搬性が向上する。

また、上記の発明において、前記機関軸と前記発電機軸とは、クラッチ（２７）を介して連結されているとよい。

この構成によれば、回転部材の回転によって電動発電機を駆動する場合に、クラッチを切断することによって、回転抵抗を発生する内燃機関を回転させる必要がなくなり、回転部材の回転エネルギーを発電機軸の回転に効率良く使用することができる。

また、上記の発明において、前記発電機軸と前記回転部材とはワンウェイクラッチ（２８）を介して連結され、前記ワンウェイクラッチは、前記回転部材側の回転速度が前記発電機軸側の回転速度よりも低い場合に切断状態となるとよい。なお、発電機軸と回転部材とがワンウェイクラッチを介して連結された状態とは、発電機軸と回転部材との間にワンウェイクラッチを除く他の部材が介装されている場合も含む。

この構成によれば、回転部材の回転速度が高くなった場合に、回転部材と発電機軸とが自動的に連結され、回転部材の回転力が発電機軸に伝達される。一方、流体機械側の回転速度が発電機軸の回転速度より低い場合には、回転部材と発電機軸とは自動的に切断され、流体機械は発電機軸の回転抵抗とならない。

また、上記の発明において、前記発電機軸と前記回転部材とは、着脱可能な連結器（３４）を介して連結されるとよい。なお、発電機軸と回転部材とが、連結器を介して連結された状態とは、発電機軸と回転部材との間に連結器を除く他の部材が介装されている場合も含む。

この構成によれば、流体機械を使用しない場合には、流体機械を発電装置から取り外して発電装置を小型かつ軽量にすることができるため、発電装置の可搬性が向上する。

また、上記の発明において、前記電力回路と前記太陽電池セルとは、着脱可能な接続器（４４）を介して接続されるとよい。

この構成によれば、太陽電池セルを使用しない場合には、太陽電池セルを取り外して発電装置を小型かつ軽量にすることができるため、発電装置の可搬性が向上する。

また、上記の発明において、前記電力回路には、前記電動発電機から前記接続端子に供給される電力を交流から直流に変換すると共に、前記接続端子から前記電動発電機に供給される電力を直流から交流に変換する第１ＡＣ／ＤＣ変換器（５）が設けられているとよい。

この構成によれば、第１ＡＣ／ＤＣ変換器は整流器及びインバータとして双方向に変換が可能であるため、電動発電機は電力の供給を受けて電動機として作動することができる。これにより、電動発電機を例えば内燃機関の始動時にクランク軸を強制的に回転させるスタータモータとして使用することができる。

また、上記の発明において、前記接続端子は、複数設けられ、前記電力回路における前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器と前記接続端子の少なくとも１つ（４３）との間には、前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器側と前記接続端子側との間で電圧を昇降するＤＣ／ＤＣ変換器（７）が設けられているとよい。

この構成によれば、発電機が発生する電圧を所定の電圧に変換して外部に出力することができる。

また、上記の発明において、前記接続端子は、複数設けられ、前記電力回路における前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器と前記接続端子の少なくとも１つ（４２）との間には、前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器から前記接続端子に供給される電力を直流から交流に変換すると共に、前記接続端子から前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器に供給される電力を交流から直流に変換する第２ＡＣ／ＤＣ変換器（６）が設けられているとよい。

この構成によれば、発電機が発生する電力を交流として外部に出力することができる。

また、上記の発明において、前記発電機軸の回転数を検出する回転センサ（２５）と、前記回転センサの検出値に基づいて前記内燃機関及び前記クラッチの少なくとも一方を制御する制御装置とを更に有するとよい。

この構成によれば、取得した発電機軸の回転数に基づくクラッチの接続、切断の制御や、内燃機関の出力（回転速度）の制御が可能になる。

また、上記の発明において、前記回転部材と前記発電機軸との間に、前記回転部材の回転を増速して前記発電機軸に伝達する変速機（３２）を更に有するとよい。

この構成によれば、内燃機関に対して比較的回転速度が低い流体機械の回転を増速して発電機軸に伝達することができる。

以上の構成によれば、可搬性を有する発電装置において、可搬性を維持しつつ、電源としての安定性の向上及び稼働時間の延長が可能になる。

第１実施形態に係る発電装置の構成図 第１実施形態に係る発電装置の電気回路を示す図 第１実施形態に係る発電装置の使用形態を示す表 第２実施形態に係る発電装置の構成図

以下、図面を参照して、本発明の発電装置の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の発電装置１は、骨格をなす骨格部材２、骨格部材２に支持されたエンジン３（内燃機関）、電動発電機４、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６、ＤＣ／ＤＣ変換器７、バッテリ８、ＰＣＵ９Ａ（パワーコントロールユニット）及びＥＣＵ９Ｂ（エンジンコントロールユニット）を含む制御装置９を有している。また、発電装置１は、着脱可能な太陽電池セル１１及び流体機械１２を有している。

エンジン３は、公知のレシプロエンジンであり、出力軸（機関軸）としてのクランク軸１４を有している。エンジン３には、クランク軸１４の回転数を検出するクランク回転センサ１５が設けられている。本実施形態に係るエンジン３の吸気系は、燃料を供給するキャブレターと、吸入空気量を調整するスロットルバルブとを有する。スロットルバルブの開度は、ＥＣＵ９Ｂによって制御される。キャブレターから供給される燃料量は、吸気系の負圧によって変化するため、スロットルバルブの開度に応じて変化する。そのため、スロットルバルブの開度を変化させることによって、吸入空気量及び燃料量が変化し、エンジン３の出力が変化する。なお、燃料の供給装置はキャブレターに限られず、公知の電子制御されたインジェクタであってもよい。

電動発電機４は、公知の永久磁石同期発電機であり、三相交流を発生する。電動発電機４は、ケースと、ケースに回転可能に支持されたロータとを有する。ロータには界磁としての永久磁石が設けられ、ケースの内面には３相の巻線が鉄心に巻き回されたステータコイルが設けられている。ロータの軸部である発電機軸４Ａは、両端がケースから突出している。電動発電機４には、発電機軸４Ａの回転数を検出する発電機回転センサ２５が設けられている。

発電機軸４Ａの一端はクラッチ２７を介してクランク軸１４に連結されている。クラッチ２７は、電力供給によって接続状態を切り換える公知のクラッチであり、例えば電磁クラッチであってよい。クラッチ２７はＥＣＵ９Ｂによって制御され、ＯＮである場合にクランク軸１４と発電機軸４Ａとを連結し、ＯＦＦである場合にクランク軸１４と発電機軸４Ａとを切断する。

発電機軸４Ａの他端は、ワンウェイクラッチ２８を介して、骨格部材２に回転可能に支持された第１連結軸３１の一端と同軸に連結されている。ワンウェイクラッチ２８は、公知のワンウェイクラッチ２８であり、エンジン３の回転方向において第１連結軸３１側の回転速度が発電機軸４Ａの回転速度よりも遅い場合に切断状態となり、第１連結軸３１及び発電機軸４Ａの独立した回転を許容する。

第１連結軸３１の他端は、変速機３２を介して、骨格部材２に回転可能に支持された第２連結軸３３の一端に連結されている。変速機３２は、第２連結軸３３に対して第１連結軸３１の回転数が増加するように変速比が設定されている。第２連結軸３３の他端には、継手である連結器３４が設けられている。

流体機械１２は、風車又は水車として構成される。本実施形態では、流体機械１２を風車とした例について説明する。流体機械１２は、基台３６と、基台３６に回転可能に支持された駆動軸３７と、駆動軸３７に設けられた回転部材３８とを有する。回転部材３８は、例えばプロペラやサボニウス翼、ダリウス翼等であってよい。流体機械１２は、風力を受けて回転部材３８及び駆動軸３７が回転する。

流体機械１２の駆動軸３７は、駆動力伝達部材３９を介して連結器３４に連結される。これにより、流体機械１２の駆動軸３７の回転が、駆動力伝達部材３９及び接続器を介して第２連結軸３３に伝達される。本実施形態では、駆動力伝達部材３９は、屈曲可能なガイドチューブ３９Ａと、ガイドチューブ３９Ａ内に回転可能に支持された屈曲可能なシャフト３９Ｂとを有するフレキシブルシャフトである。駆動力伝達部材３９は、流体機械１２の駆動軸３７及び連結器３４の双方に着脱可能に連結される。これにより、流体機械１２は、第２連結軸３３に対して着脱可能になっている。他の実施形態では、駆動力伝達部材３９を省略し、流体機械１２の駆動軸３７が連結器３４に直接に着脱可能に連結されてもよい。

電動発電機４は、電力回路４０に接続されている。電力回路４０には、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６、ＤＣ／ＤＣ変換器７、バッテリ８、第１接続端子４１、第２接続端子４２、第３接続端子４３、及び第４接続端子４４と、これらを接続する第１配電線４６及び第２配電線４８とが設けられている。

第１ＡＣ／ＤＣ変換器５は、公知の双方向インバータであり、その一次側に電動発電機４の３相の巻線のそれぞれが接続され、その二次側に第１接続端子４１と接続された第１配電線４６が接続されている。第１ＡＣ／ＤＣ変換器５は、一次側の交流電力を直流電力に変換して二次側に発生させる第１のモードと、二次側の直流電力を交流電力に変換して一次側に発生させる第２のモードとを切り換え可能となっている。

第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は、公知の双方向インバータであり、その一次側に第１配電線４６が接続され、その二次側に第２接続端子４２が接続されている。第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は、一次側の直流電力を交流電力に変換して二次側に発生させる第１のモードと、二次側の交流電力を直流電力に変換して一次側に発生させる第２のモードとを切り換え可能となっている。

ＤＣ／ＤＣ変換器７は、公知の双方向コンバータであり、その一次側に第１配電線４６が接続され、その二次側に第３接続端子４３と接続された第２配電線４８が接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換器７は、一次側の直流電力を降圧して二次側に発生させる第１のモードと、二次側の直流電力を昇圧して一次側に発生させる第２のモードとを切り換え可能となっている。

また、第２配電線４８には、バッテリ８及び第４接続端子４４が接続されている。バッテリ８は、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の公知の再充電可能な蓄電池である。第４接続端子４４は、太陽電池セル１１から延びる配電線と着脱可能に接続され、太陽電池セル１１で発生した電力が入力される。

本実施形態では、第１接続端子４１がＤＣ４８〜６０Ｖ、第２接続端子４２がＡＣ１００Ｖ、第３接続端子４３がＤＣ１２〜１４Ｖ、第４接続端子４４がＤＣ１２〜１４Ｖとなるように、電動発電機４は第１ＡＣ／ＤＣ変換器５の二次側がＤＣ４８〜６０Ｖを発生するように回転数が制御され、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は一次側がＤＣ４８〜６０Ｖ、二次側がＡＣ１００Ｖとなるように制御され、ＤＣ／ＤＣ変換器７は一次側がＤＣ４８〜６０Ｖ、二次側がＤＣ１２〜１４Ｖとなるように制御される。太陽電池セル１１の出力は１２〜１４Ｖに設定され、バッテリ８の定格電圧は１２Ｖに設定されている。

図２は、発電装置１の電気回路図である。図２に示すように、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５は、電動発電機４のステータコイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に対応して接続された各スイッチ素子５１〜５６と、キャパシタ５７とを有している。スイッチ素子５１〜５６は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタ５１Ａ〜５６Ａと、各素子に対して並列に配列されたダイオード５１Ｂ〜５６Ｂとを有する。各トランジスタ５１Ａ〜５６Ａは、ＰＣＵ９Ａによって開閉が制御される。

第１ＡＣ／ＤＣ変換器５は、第１のモードにおいて各スイッチ素子５１〜５６のトランジスタがＯＦＦとなることによって、整流器として機能する。電動発電機４が発電を行う場合に、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５が第１のモードとなることによって、一次側に供給される三相交流は、各ダイオード５１Ｂ〜５６Ｂを通過して直流に変換される。

第１ＡＣ／ＤＣ変換器５は、第２のモードにおいて各スイッチ素子５１〜５６のトランジスタ５１Ａ〜５６ＡをＯＮ、ＯＦＦを切り換えることによってスイッチング回路として機能し、二次側に供給される直流電力を交流電力に変換して電動発電機４に供給する。

第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は、１次巻線６１Ａ及び２次巻線６１Ｂを有する絶縁トランス６１と、１次巻線６１Ａに接続された第１キャパシタ６２と、１次巻線６１Ａに接続され、１次巻線６１Ａへの通電をＯＮ、ＯＦＦする第１スイッチ素子６３、６４と、２次巻線６１Ｂに接続された第２キャパシタ６５と、２次巻線６１Ｂに接続され、２次巻線６１Ｂへの通電をＯＮ、ＯＦＦする第２スイッチ素子６６、６７と、第２キャパシタ６５と第２接続端子４２との間に設けられたＨブリッジ回路６８とを有する。第１スイッチ素子６３、６４、第２スイッチ素子６６、６７、及びＨブリッジ回路６８を構成する各スイッチ素子は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタと、各素子に対して並列に配列されたダイオードとを有する。第１スイッチ素子６３、６４、第２スイッチ素子６６、６７、及びＨブリッジ回路６８の各トランジスタは、ＰＣＵ９Ａによって開閉が制御される。

第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は、第１スイッチ素子６３、６４のトランジスタをＯＮ、ＯＦＦ制御することによって一次側から１次巻線６１Ａに供給する電流を制御し、２次巻線６１Ｂに発生する電圧を昇圧する。２次巻線６１Ｂに発生した電力は、第２スイッチ素子６６、６７のダイオードを通過することによって整流され、Ｈブリッジ回路６８においてスイッチング制御されることによって交流に変換され、第２接続端子４２に供給される。

また、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は、第２接続端子４２が外部の交流電源に接続された場合に、２次側に供給される交流電力をＨブリッジ回路６８において整流し、第２スイッチ素子６６、６７をＯＮ、ＯＦＦ制御することによってＨブリッジ回路６８から２次巻線６１Ｂに供給する電流を制御し、１次巻線６１Ａに発生する電圧を降圧する。１次巻線６１Ａに発生した電力は、第１スイッチ素子６３、６４のダイオードを通過することによって整流され、第１配電線４６に供給される。

ＤＣ／ＤＣ変換器７は、１次巻線７１Ａ及び２次巻線７１Ｂを有する絶縁トランス７１と、１次巻線７１Ａに接続された第１キャパシタ７２と、１次巻線７１Ａに接続され、１次巻線７１Ａへの通電をＯＮ、ＯＦＦする第１スイッチ素子７３と、２次巻線７１Ｂに接続された第２キャパシタ７５と、２次巻線７１Ｂに接続され、２次巻線７１Ｂへの通電をＯＮ、ＯＦＦする第２スイッチ素子７６と、第２キャパシタ７５と第３接続端子４３とを有する。第１スイッチ素子７３及び第２スイッチ素子７６は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタと、各素子に対して並列に配列されたダイオードとを有する。第１スイッチ素子７３及び第２スイッチ素子７６は、ＰＣＵ９Ａによって開閉が制御される。

ＤＣ／ＤＣ変換器７は、第１スイッチ素子７３のトランジスタをＯＮ、ＯＦＦ制御することによって一次側から１次巻線７１Ａに供給する電流を制御し、２次巻線７１Ｂに発生する電圧を降圧する。２次巻線７１Ｂに発生した電力は、第２スイッチ素子７６のダイオードによって整流され、第３接続端子４３及びバッテリ８に供給される。

また、ＤＣ／ＤＣ変換器７は、第４接続端子４４を介して接続された太陽電池セル１１、及びバッテリ８から供給される直流電流を、第２スイッチ素子７６をＯＮ、ＯＦＦ制御することによって２次巻線７１Ｂに供給する電流を制御し、１次巻線７１Ａに発生する電圧を昇圧する。１次巻線７１Ａに発生した電力は、第１スイッチ素子７３のダイオードを通過することによって整流され、第１配電線４６に供給される。

図２に示すように、発電装置１は、電動発電機４の三相の巻線に流れる電流を検出する第１電流センサ８１と、第１配電線４６において第１接続端子４１に流れる電流を検出する第２電流センサ８２と、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６の一次側に流れる電流を検出する第３電流センサ８３と、ＤＣ／ＤＣ変換器７の一次側に流れる電流を検出する第４電流センサ８４とを有する。第１〜第４電流センサ８１〜８４の検出信号は、ＰＣＵ９Ａに入力される。また、ＰＣＵ９Ａには、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５の二次側の端子間８６の電圧（第１ＡＣ／ＤＣ変換器５のキャパシタの電圧）と、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６の二次側の直流部分の端子間８７の電圧（第２ＡＣ／ＤＣ変換器６のキャパシタの電圧）と、ＤＣ／ＤＣ変換器７の二次側の端子間８８の電圧（ＤＣ／ＤＣ変換器７のキャパシタの電圧）とが入力される。

ＰＣＵ９Ａは、第１〜第４電流センサ８１〜８４の検出信号と、上記の各端子間８６〜８８の電圧とに基づいて、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６、及びＤＣ／ＤＣ変換器７を制御する。また、ＰＣＵ９Ａは、第１〜第４電流センサ８１〜８４の検出信号と、上記の各部の電圧とに基づいて、ＥＣＵ９Ｂに信号を出力する。ＥＣＵ９Ｂは、ＰＣＵ９Ａからの信号、クランク回転センサ１５及び発電機回転センサ２５の検出信号に基づいてエンジン３及びクラッチ２７を制御する。

以下、発電装置１の制御方法及び使用方法について説明する。発電装置１は、図３に示すように複数の使用形態を取り得る。第１の使用形態では、電動発電機４及び太陽電池セル１１が発電を行い、第１〜第３接続端子４１〜４３が出力となる。第１〜第３接続端子４１〜４３には、任意の負荷を接続することができる。このとき、バッテリ８は充電される。第２の使用形態では、電動発電機４が発電を行い、第１〜第３接続端子４１〜４３が出力となる。このとき、バッテリ８は充電される。

発電装置１の制御装置９は、電動発電機４に発電させる場合に、電動発電機４の回転数が所定の定常回転数となるように制御する。流体機械１２を駆動する風力が弱く、第１連結軸３１の回転数が定常回転数より低い場合には、ＥＣＵ９Ｂは、クラッチ２７を制御してクランク軸１４と発電機軸４Ａとを連結すると共に、エンジン３のスロットルバルブを制御してエンジン３の出力を制御し、電動発電機４の回転数を定常回転数に維持する。なお、第１連結軸３１の回転数が定常回転数より低い場合には、ワンウェイクラッチ２８において、第１連結軸３１と発電機軸４Ａとの連結が自動的に切断され、第１連結軸３１は発電機軸４Ａと独立して回転し、発電機軸４Ａの回転抵抗とならない。

流体機械１２を駆動する風力が強く、第１連結軸３１の回転数が定常回転数以上となり得る場合には、ＥＣＵ９Ｂはエンジン３のスロットルバルブを制御し、エンジン３の出力と流体機械１２の出力との両方によって電動発電機４を定常回転数に維持する。このとき、エンジン３の出力は、流体機械１２の出力に増加に応じて低減させる。これにより、燃費の低減と騒音の低減とが図れる。また、流体機械１２の出力によって電動発電機４を定常回転数に維持することができる場合には、エンジン３を停止すると共に、クラッチ２７を切断し、流体機械１２の出力のみによって電動発電機４を駆動する。なお、流体機械１２の出力のみによって電動発電機４の回転数が定常回転数以上となる場合には、停止又は減速したエンジン３をクラッチ２７によって発電機軸４Ａに断続的に連結し、回転抵抗を発電機軸４Ａに与えて発電機軸４Ａの回転数を制御する。すなわち、エンジン３をエンジンブレーキとして使用し、クラッチ２７の接続期間を制御することによって電動発電機４の回転数を定常回転数に維持する。

第３の使用形態では、電動発電機４が休止し、太陽電池セル１１が発電を行い、第１〜第３接続端子４１〜４３が出力となる。このとき、バッテリ８は充電される。電動発電機４の休止は、連結器３４と駆動力伝達部材３９との切断と、ＥＣＵ９Ｂによるエンジン３の停止又はクラッチ２７の切断とによって行われる。

第４〜第６の使用形態では、電動発電機４を休止し、第１〜第３接続端子４１〜４３の１つを入力として外部電源に接続し、外部電源から供給される電力と、太陽電池セル１１によって発電された電力とを他の接続端子４１〜４３から出力する。なお、第４〜第６の使用形態では、発電装置１は太陽電池セル１１での発電を休止してもよい。

第７〜第１０の使用形態は、エンジン３の始動時に使用され、電動発電機４をエンジン３のスタータモータとして使用し、電動発電機４によってクランク軸１４を強制的に回転させる。第７〜第９の使用形態では第１〜第３接続端子４１〜４３のいずれか１つを入力として外部電源に接続し、外部電源からの電力を使用して電動発電機４を回転させる。第１０の使用形態ではバッテリ８の電力を使用して電動発電機４を回転させる。第７〜第１０の使用形態では、太陽電池セル１１による発電の有無はいずれであってもよい。

第１実施形態に係る発電装置１では、流体機械１２の回転部材３８及びエンジン３の回転力を受けて駆動する電動発電機４と、太陽電池セル１１とを有し、複数のエネルギー源から発電を行うことができるため、状況に応じて潤沢なエネルギーを選択して発電を行うことができる。例えば、風力及び太陽光の自然エネルギーの少なくとも１つを利用可能な状況では、エンジン３を減速又は停止し、エンジン３の燃料を節約することができると共に、エンジン３に起因する騒音を低減することができる。また、エンジン３はサイズに対して比較的大きな出力を得ることができるため、発電装置１の小型化が可能になり、発電装置１の可搬性が向上する。

本実施形態の発電装置１は、流体機械１２の回転部材３８の回転によって電動発電機４を駆動する場合に、クラッチ２７を切断することによって、内燃機関の回転抵抗が発電機軸４Ａに伝達されなくなり、回転部材３８の回転エネルギーを発電機軸４Ａの回転に効率良く使用することができる。

発電機軸４Ａと第１連結軸３１とがワンウェイクラッチ２８によって連結されているため、流体機械１２の回転部材３８の回転速度が高くなった場合に、回転部材３８と発電機軸４Ａとが自動的に連結され、回転部材３８の回転力が発電機軸４Ａに伝達される。一方、流体機械１２側の回転速度が発電機軸４Ａの回転速度より低い場合には、回転部材３８と発電機軸４Ａとは自動的に切断され、流体機械１２は発電機軸４Ａの回転抵抗とならない。

発電機軸４Ａと、流体機械１２の駆動軸３７とが着脱可能な連結器３４を介して連結されているため、流体機械１２を使用しない場合には、流体機械１２を発電装置１から取り外して発電装置１を小型かつ軽量にすることができるため、発電装置１の可搬性が向上する。

太陽電池セル１１が第４接続端子４４を介して発電装置１に着脱可能に接続されているため、太陽電池セル１１を使用しない場合には、太陽電池セル１１を発電装置１から取り外して発電装置１を小型かつ軽量にすることができるため、発電装置１の可搬性が向上する。

発電装置１は、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５が整流器及びインバータとして双方向に変換が可能であるため、電動発電機４は電力の供給を受けて電動機として作動することができる。これにより、電動発電機４を例えば内燃機関の始動時にクランク軸１４を強制的に回転させるスタータモータとして使用することができる。

発電装置１は、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６及びＤＣ／ＤＣ変換器７を有するため、複数の電圧の直流電力や交流電力を供給することができる。また、発電装置１は、ＡＣ１００Ｖの外部電源に接続されることによって、ＤＣ４８Ｖ又はＤＣ１２Ｖを出力することができる。例えば、発電装置１は、燃料、風力、水力、及び太陽光のいずれも利用することができず、電動発電機４及び太陽電池セル１１での発電ができない状況において、商用電源のＡＣ１００ＶをＤＣ４８Ｖ又はＤＣ１２Ｖに変換し、電気自動車の蓄電装置に供給する非常用充電器として使用することができる。

第１連結軸３１と第２連結軸３３との間に変速機３２が介装されているため、エンジン３に対して比較的回転数が低い流体機械１２の回転を増速して発電機軸４Ａに伝達することができる。

次に、上記の第１実施形態の一部を変更した第２実施形態に係る発電装置１００について説明する。図４に示すように、第２実施形態に係る発電装置１００は、第１実施形態に係る発電装置１に対して、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５と第１接続端子４１との間に第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１を有し、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６及び第１ＤＣ／ＤＣ変換器７（第１実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器７に対応する）が第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１と第１接続端子４１との間の第１配電線４６に接続されている点が異なる。以下の第２実施形態に係る発電装置１の説明では、第１実施形態に係る発電装置１と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。

第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１は、公知の双方向コンバータであり、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５の二次側に接続された一次側と、第１配電線４６を介して第１接続端子４１、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６の一次側、及び第１ＤＣ／ＤＣ変換器７の一次側に接続された二次側とを有する。第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１は、一次側の直流電力を昇圧又は降圧して二次側に発生させる第１のモードと、二次側の直流電力を昇圧又は降圧して一次側に発生させる第２のモードとを切り換え可能となっている。第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１の回路構成は、例えば第１ＤＣ／ＤＣ変換器７と同様であってよい。

第２実施形態では、第１接続端子４１がＤＣ４８〜６０Ｖ、第２接続端子４２がＡＣ１００Ｖ、第３接続端子４３及び第４接続端子４４がＤＣ１２〜１４Ｖとなるように、第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１は二次側がＤＣ４８〜６０Ｖとなるように制御され、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６は一次側がＤＣ４８〜６０Ｖ、二次側がＡＣ１００Ｖとなるように制御され、ＤＣ／ＤＣ変換器７は一次側がＤＣ４８〜６０Ｖ、二次側がＤＣ１２〜１４Ｖとなるように制御される。太陽電池セル１１の出力は１２〜１４Ｖに設定され、バッテリ８の定格電圧は１２Ｖに設定される。

第２実施形態の発電装置１は、第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１が二次側に発生する電圧を一定に制御するため、電動発電機４の回転数が変動する場合にも、第１〜第３接続端子４１〜４３の電圧が一定に維持される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、流体機械１２を風車として構成したが、他の実施形態では水力によって回転するスクリュー（回転部材）を備えた水車として構成してもよい。

また、上記の第１ＡＣ／ＤＣ変換器５、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６、ＤＣ／ＤＣ変換器７との回路構成は例示であり、他の等価な回路構成とすることができる。また、電動発電機４及び太陽電池セル１１が発生する電圧や、第１ＡＣ／ＤＣ変換器５、第２ＡＣ／ＤＣ変換器６、第１ＤＣ／ＤＣ変換器７、第２ＤＣ／ＤＣ変換器１０１が、それぞれの一次側及び二次側に発生する電圧は、適宜に変更してもよい。これにより、第１〜第４接続端子４１〜４４の電圧も変更される。

上記の実施形態では、電動発電機を永久磁石同期発電機としたが、電動発電機４の種類は限定されず、公知の様々な電動発電機を適用することができる。例えば、電動発電機４は、電磁石同期発電機であってよい。この場合、電動発電機４に公知のボルテージレギュレータを設けることによって、発生する電圧を一定に制御してもよい。ボルテージレギュレータは、電動発電機４が発生する電圧を監視し、電動発電機４の回転数の増減等によって電圧が増減する場合に、電磁石に流す電流を増減して界磁の強さを調節し、電動発電機４が発生する電圧を調節する。

上記実施形態では、図３の第７〜第１０使用形態に示すように、エンジン３の始動時において、電動発電機４に電力を供給して電動発電機を回転させ、クランク軸１４を回転させる構成としたが、流体機械１２の回転力を電動発電機４を介してクランク軸１４に伝達し、クランク軸１４を回転させてもよい。

１，１００...発電装置、２...骨格部材、３...エンジン（内燃機関）、４...電動発電機、４Ａ...発電機軸、５...第１ＡＣ／ＤＣ変換器、６...第２ＡＣ／ＤＣ変換器、７...第１ＤＣ／ＤＣ変換器、８...バッテリ、９...制御装置、９Ａ...ＰＣＵ、９Ｂ...ＥＣＵ、１１...太陽電池セル、１２...流体機械、１４...クランク軸（機関軸）、１５...クランク回転センサ、２５...発電機回転センサ、２７...クラッチ、２８...ワンウェイクラッチ、３１...第１連結軸、３２...変速機、３３...第２連結軸、３４...連結器、３８...回転部材、３９...駆動力伝達部材、４１...第１接続端子、４２...第２接続端子、４３...第３接続端子、４４...第４接続端子、４６...第１配電線、４８...第２配電線、８１...第１電流センサ、８２...第２電流センサ、８３...第３電流センサ、８４...第４電流センサ、１０１...第２ＤＣ／ＤＣ変換器

Claims (10)

1. 可搬型の発電装置であって、
   骨格部材に支持された内燃機関と、
   前記骨格部材に支持され、前記内燃機関の出力軸である機関軸に連結される発電機軸を有する電動発電機と、
   前記発電機軸に連結され、風力又は水力を受けて回転する流体機械の回転部材と、
   接続端子を含み、前記電動発電機と接続された電力回路と、
   前記電力回路に接続される太陽電池セルとを有することを特徴とする発電装置。
2. 前記機関軸と前記発電機軸とは、クラッチを介して連結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。
3. 前記発電機軸と前記回転部材とはワンウェイクラッチを介して連結され、
   前記ワンウェイクラッチは、前記回転部材側の回転速度が前記発電機軸の回転速度よりも低い場合に切断状態となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電装置。
4. 前記発電機軸と前記回転部材とは、着脱可能な連結器を介して連結されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の発電装置。
5. 前記電力回路と前記太陽電池セルとは、着脱可能な接続器を介して接続されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の発電装置。
6. 前記電力回路には、前記電動発電機から前記接続端子に供給される電力を交流から直流に変換すると共に、前記接続端子から前記電動発電機に供給される電力を直流から交流に変換する第１ＡＣ／ＤＣ変換器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
7. 前記接続端子は、複数設けられ、
   前記電力回路における前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器と前記接続端子の少なくとも１つとの間には、前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器側と前記接続端子側との間で電圧を昇降するＤＣ／ＤＣ変換器が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
8. 前記接続端子は、複数設けられ、
   前記電力回路における前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器と前記接続端子の少なくとも１つとの間には、前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器から前記接続端子に供給される電力を直流から交流に変換すると共に、前記接続端子から前記第１ＡＣ／ＤＣ変換器に供給される電力を交流から直流に変換する第２ＡＣ／ＤＣ変換器が設けられていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の発電装置。
9. 前記機関軸と前記発電機軸とは、クラッチを介して連結され、
   前記発電機軸の回転数を検出する回転センサと、
   前記回転センサの検出値に基づいて前記内燃機関及び前記クラッチの少なくとも一方を制御する制御装置とを更に有することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つの項に記載の発電装置。
10. 前記回転部材と前記発電機軸との間に、前記回転部材の回転を増速して前記発電機軸に伝達する変速機を更に有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つの項に記載の発電装置。

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