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明細書 :発電装置及び発光ブイ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5133106号 (P5133106)
公開番号 特開2009-240011 (P2009-240011A)
登録日 平成24年11月16日(2012.11.16)
発行日 平成25年1月30日(2013.1.30)
公開日 平成21年10月15日(2009.10.15)
発明の名称または考案の名称 発電装置及び発光ブイ
国際特許分類 H02N   2/18        (2006.01)
H02K   7/18        (2006.01)
B63B  22/00        (2006.01)
B63B  22/16        (2006.01)
FI H02N 2/00 A
H02K 7/18 A
B63B 22/00 Z
B63B 22/16 Z
請求項の数または発明の数 6
全頁数 16
出願番号 特願2008-080296 (P2008-080296)
出願日 平成20年3月26日(2008.3.26)
審査請求日 平成22年2月22日(2010.2.22)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
発明者または考案者 【氏名】山本 利一
個別代理人の代理人 【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
審査官 【審査官】松本 泰典
参考文献・文献 特開2001-320887(JP,A)
特開2002-369555(JP,A)
特開平02-120631(JP,A)
特開2002-262584(JP,A)
特開2006-254586(JP,A)
特開2003-233894(JP,A)
実開平07-030558(JP,U)
調査した分野 H02N 2/18
B63B 22/00
B63B 22/16
H02K 7/18
特許請求の範囲 【請求項1】
波の力や振動によって揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールとを有する発電装置であって、
前記発電モジュールが、
転動可能な球体と、
前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、
転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、
前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、
前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置され錘と、
を備え
前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜することを特徴とする発電装置。
【請求項2】
請求項1に記載の発電装置であって、前記揺動部材が半円筒形の部材から成ることを特徴とする発電装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載の発電装置であって、前記球体ガイド部材の一つの前記転動路を転動する前記球体が、複数個であることを特徴とする発電装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載の発電装置であって、前記発電モジュールの複数個が、その向きを違えて、前記基体上に配置されていることを特徴とする発電装置。
【請求項5】
請求項1から3のいずれかに記載の発電装置であって、前記発電モジュールが、その向きを自由に変えられるように、前記基体に支持されていることを特徴とする発電装置。
【請求項6】
波の力で揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールと、通電により発光する発光体とを有する発光ブイであって、
前記発電モジュールが、
転動可能な球体と、
前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、
転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、
前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、
前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置され錘と、
を備え、
前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜し、前記球体が前記転動路を転動して前記圧電素子に衝突し、
前記発光体が、前記球体に衝突された前記圧電素子から発生する電気エネルギーで発光することを特徴とする発光ブイ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、波の力や振動を利用して発電する発電装置と、その発電装置を備える発光ブイに関し、波の力や振動を利用した効率的な発電の実現を図るものである。
【背景技術】
【0002】
近年、地球温暖化への懸念から、化石燃料を使わない発電に対する関心が高まっている。波力発電もその一つであるが、現状では、開発段階にあり、本格的な利用には至っていない。そのため、波力発電に対する社会的な理解・認識は、必ずしも高くない。
下記特許文献1には、波の揺れを利用して圧電素子に球を衝突させ、このときに圧電素子から発生する電気エネルギーでブイの発光体を光らせる技術が開示されている。
この圧電素子に球を衝突させて発電する方式は、構成が簡単であり、低コストでの実現が可能である。

【特許文献1】特開2002-369555号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
圧電素子に衝撃を与えたときに発生する電荷の量は、圧電素子の変形の大きさに依存する。そのため、圧電素子に衝撃を与える方式の波力発電では、圧電素子に如何に大きな衝撃を与えて、圧電素子を如何に大きく変形させるか、と言う点が重要な課題となる。
本発明は、こうした課題の解決を図るものであり、波の力や車の振動などを利用して効率的に発電することができる発電装置を提供し、また、その発電装置を用いた発光ブイを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の発電装置は、波の力や振動によって揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールとを有する発電装置であって、前記発電モジュールが、転動可能な球体と、前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置され錘と、を備え、前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜することを特徴とする。
この装置では、基体が波や振動によって傾斜するとき、球体ガイド部材は、基体の傾斜角度よりも大きく傾斜する。そのため、この球体ガイド部材にガイドされた球体は、圧電素子に勢い良く衝突し、圧電素子は大きく変形する。
【0005】
また、本発明の発電装置では、前記揺動部材が半円筒形の部材から成ることが望ましい。
この装置では、半円筒形状の揺動部材が基体の上で効率的に揺動する。
【0006】
また、本発明の発電装置では、前記球体ガイド部材の一つの前記転動路を転動する前記球体の数を複数個とすることが望ましい。
球体の数を増やすことで、圧電素子に加わる衝撃を大きくすることができる。
【0007】
また、本発明の発電装置では、前記発電モジュールの複数個を、その向きを違えて、前記基体上に配置することができる。
このように、向きを違えた複数の発電モジュールを基体に取り付けた場合は、波の進行方向や振動の方向がどちらであっても、いずれかの発電モジュールにより発電が行われる。
【0008】
また、本発明の発電装置では、前記発電モジュールが、その向きを自由に変えられるように、前記基体で支持するようにしても良い。
このように発電モジュールの向きに対する自由度を与えることで、発電モジュールは、常に波の進行方向や振動の方向を自動的に向くことができる。
【0009】
また、本発明の発光ブイは、波の力で揺れる基体と、前記基体の上に配置された発電モジュールと、通電により発光する発光体とを有する発光ブイであって、前記発電モジュールが、転動可能な球体と、前記球体の転動路を構成する球体ガイド部材と、転動する前記球体の衝突する位置に配置された圧電素子と、前記基体への対向面が弧状を成し、前記対向面の一部が常に前記基体に接触して前記球体ガイド部材を前記基体の上で揺動自在に支える揺動部材と、前記揺動部材の弧状の内面に転動自在に配置され錘と、を備え、前記基体が揺れに伴って傾斜すると、前記錘が前記揺動部材の内面の最も低い位置に移動することにより、前記揺動部材及び該揺動部材に支持された前記球体ガイド部材が、前記基体の傾斜角度よりも大きい角度で傾斜し、前記球体が前記転動路を転動して前記圧電素子に衝突し、前記発光体が、前記球体に衝突された前記圧電素子から発生する電気エネルギーで発光することを特徴とする。
この発光ブイは、波の力を利用して効率的に発光することができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明の発電装置は、波の力や振動を利用して、圧電素子に大きい衝撃力を与えて、圧電素子を大きく変形させることができ、圧電素子から大きな電気エネルギーを発生させることができる。
また、本発明の発光ブイは、この発電装置を用いて高輝度の光を発光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明の実施形態について、学習教材用に作成した装置(発光ブイ)を用いて説明する。
図1は、この装置(発光ブイ)の全体形状を示す図、図2は、その平面図、図3は、この装置を裏から見た図、図4は、発電モジュールの構成を示す図、図5及び図6は、基体が傾斜したときの発電モジュールの状態を示す図、また、図7及び図8は、この装置の電気回路を示す図である。
【0012】
この装置(発光ブイ)は、図1及び図2に示すように、低発泡樹脂から成る基体10と、透明のアクリル樹脂から成るカバー11と、基体10上に向きを違えて配置した複数個の発電モジュール20と、二個で1セットを構成する発光ダイオード40の複数セットとを有している。発光ダイオード40は、後述するように、極性を逆にした二つを並列接続して1セットを構成している。
また、図3に示すように、この装置の基体10の裏側には、金属板13を取り付け、この金属板13に磁石14を吸着させている。この金属板13及び磁石14は、この装置を、バランスを取って海に浮かべるための重りの役割を果たしており、そのため、この装置は、横転すること無く、波に従ってあらゆる方向に揺れることができる。
【0013】
発電モジュール20は、図4(a)(平面図)及び図4(b)(側面図)に示すように、球体ガイド部材を構成するアクリル樹脂から成るパイプ21と、このパイプ21に転動可能に収容された複数個の鋼球22と、パイプ21の両端に配置された圧電素子23と、パイプ21及び圧電素子23を支持する基板24と、太径パイプの半分から成り、揺動部材を構成する半円筒体26と、半円筒体26を取り付けたフレーム25と、半円筒体26の内側で自由に回転移動ができる黄銅丸棒製の重り27とを有している。発光ダイオード40は、圧電素子23に電気接続した状態で発電モジュール20の基板24に支持されている。
この発電モジュール20は、複数の鋼球22を収容したパイプ21を基板24の上に固定し、パイプ21の開口を塞ぐ基板24上の位置に圧電素子23を固定し、また、フレーム25に対して、重り27を収容した半円筒体26を取り付け、このフレーム25を基板24の裏面に固定して形成されている。
【0014】
また、基体10側には、発電モジュール20の揺動を制限するストッパー板29が設けられている。このストッパー板29は、発電モジュール20の半円筒体26の回転移動範囲を制限するストッパー28を有している。発電モジュール20は、半円筒体26がストッパー28に当接するまで、ストッパー板29の上で自由に揺動することができる。
なお、ストッパー板29には、発電モジュール20が半円筒体26の軸方向にずれるのを防ぐための位置規制部材を設けているが、図面では省略している。
【0015】
圧電素子23は、図7(a)(b)に示すように、二枚の圧電セラミック231、232を貼り合わせたバイモルフ構造を有している。二枚の圧電セラミック231、232の分極方向が逆向きの場合は、図7(a)に示すように、二枚の圧電セラミック231、232の中間電極を一方の電極とし、二枚の圧電セラミック231、232の外側電極を接続して他方の電極として、圧電素子23で発生した起電力を取り出す。また、二枚の圧電セラミック231、232の分極方向が同一のバイモルフでは、図7(b)に示すように、圧電セラミック231の外側電極を一方の電極とし、圧電セラミック232の外側電極を他方の電極として、圧電素子23で発生した起電力を取り出す。
発光ダイオード40は、図7に示すように、極性を違えた二つを並列接続し、これを圧電素子23のバイモルフに接続する。こうすると、衝撃を受けたバイモルフが一方向に撓んだときに一方の発光ダイオードが発光し、その反動で他方向に撓んだときに他方の発光ダイオードが発光する。こうした発光ダイオード40による交互の発光は、衝撃によるバイモルフの振動が減衰するまで継続する。
【0016】
この装置では、発電モジュール20の重り27が、重力を受けて、常に半円筒体26内面の最も低い位置へ移動する。そのため、図5に示すように、基体10が波を受けて右側に傾斜すると、現在の重り27の位置よりも、半円筒体26の右側の部分の方が低くなるので、重り27が右側に移動し、半円筒体26が右方向に回転する。その結果、パイプ21が、基体10の傾斜角度よりも更に大きく傾斜し、パイプ21内を転動する鋼球22は、速い速度で圧電素子23に衝突する。この衝突で圧電素子23は大きく変形し、大きな電気エネルギーを発生する。そのため、発光ダイオード40が高い輝度で発光する。
また、図6に示すように、基体10が波を受けて左側に傾斜した場合も同様である。
【0017】
このように、この装置では、波の揺れが増幅されてパイプ21に及ぶため、波が小さい場合でも、パイプ21が大きく傾き、それ故、圧電素子23から常に大きな電気エネルギーを取り出すことができる。
また、この発電モジュール20を備えた発光ブイは、波が静かなときでも、発光ダイオード40を明るく発光させることができる。
【0018】
また、この装置では、パイプ21に複数の鋼球22を収容しているため、圧電素子23に及ぼす衝撃力を強めることができる。
また、この装置では、向きを違えた複数の発電モジュール20を基体10に取り付けているため、波の進行方向がどちらであっても、いずれかの発電モジュール20から発電することが可能である。
【0019】
なお、ここでは、発電モジュール20の電気エネルギーで発光ダイオード40を直接、発光させているが、図8に示すように、発電モジュール20の電気エネルギーを、整流装置を介して電気二重層コンデンサ50に蓄積し、この電気二重層コンデンサ50に蓄積された電気エネルギーを、スイッチ51がオンになったときに、発光ダイオード40などの負荷に供給するようにしても良い。特開2003-7491号公報には、タイマー回路で設定した時間に達したときにスイッチ51を閉じ、コンデンサ50に蓄えられた電気エネルギーを一度に利用して大きな発光を行わせる例が開示されているが、こうした構成は、本発明にも適用できる。
【0020】
また、ここでは、圧電素子23としてバイモルフを使用したが、一枚の圧電セラミックから成るユニモルフを用いても良い。
また、ここでは、半円筒体26によって揺動部材を構成したが、基体10側の外面が弧状であり、また、重り27を収容する内面が弧状である部材であれば、揺動部材に用いることができる。
また、ここでは、圧電素子23に及ぼす衝撃力を強めるために、パイプ21に複数の鋼球22を収容しているが、鋼球22は一つでも良い。
また、ここでは、波の力を利用して発電を行う場合について説明したが、本発明の装置は、自動車や鉄道車両の振動、設備機械の振動等を利用して発電を行うこともできる。
【0021】
次に、他の実施形態として、基体に対して発電モジュールの向きを自由に変えることができるように構成した装置(発光ブイ)について説明する。
図9は、この装置の平面図、図10は、この装置における発電モジュールの構成を示す図、図11は、教材用に作成した発電モジュールの模型を示す図、また、図12は、この装置で用いた軸受具を示す図である。
この装置では、図9に示すように、複数本のパイプ21を有する発電モジュール20がカバー11内に収容され、ストッパー板29の上を揺動する。発電モジュール20、ストッパー板29及びそれらの関係は、図9、図10、図11の記載が示すように、カバー11内に収容された発電モジュール20が一つである点、及び、その発電モジュール20が複数本のパイプ21を有している点を除けば、図1及び図4の構成と同じである。
図1及び図4との最大の相違点は、図10に示すように、ストッパー板29が、軸受具12を介して、基体10に回転自在に固定されている点である。
この軸受具12は、図12に示すように、リング状の膨らみを有する二枚の金属板と、このリング状の膨らみに収容された鋼球とを備えており、上下の金属板が自由に回転できるように構成されている。そのため、この金属板の一方をストッパー板29に固定し、金属板の他方を基体10に固定することにより、ストッパー板29は、基体10に対して回転自在となる。
この装置では、基体10が波を受けて傾斜し、それに伴ってパイプ21が傾くと、パイプ21内の鋼球22がパイプ21の一方の側に集中する。このとき、鋼球22の位置が最も低い位置で無ければ、発電モジュール20は、鋼球22の重さにより、鋼球22が最も低い位置に来るように、基体10に対して回転する。即ち、発電モジュール20は、波が来たとき、最も大きく傾斜するように、常に波の進行方向を自動的に向くことになる。
このように、発電モジュール20に対して向きの自由度を与えてやれば、発電モジュール20は、鋼球22の重さにより、波の進行方向に自動的に向きを変える。そのため、波の進行方向がどちらであっても、発電モジュール20による発電が可能になる。特に、この装置は、並列した複数本のパイプ21のそれぞれに鋼球22が収容されているので、鋼球22の総重量が重く、そのため、波への追従性能が高い。
なお、発電モジュール20の向きの自由度は、発電モジュール20の揺動部材26を半球体とし、重り27を球体とすることによっても、得ることができる。この場合、ストッパー板29の回転を要しない。
【0022】
ここでは、本発明の実施形態として学習教材用の装置を示した。これらの装置の素材や形状、固着方法などを適宜変更して、実際の装置を製作することは容易である。
また、これらの装置は、波力発電に関する関心・興味を児童・生徒に持たせるための教材としても有効である。
また、ここでは、波の力を利用して発電を行う場合について説明したが、図1の装置と同様に、自動車や鉄道車両の振動、設備機械の振動等を利用して発電を行う装置としても利用できる。
【産業上の利用可能性】
【0023】
本発明は、海や湖、河川等において、波の力を利用して発電する波力発電装置として、また、波の力を利用して発光する発光ブイとして、広く利用することが可能である。
また、各種乗物の振動や設備機械の振動等を利用して発電を行う装置としても広く利用することが可能である。
また、本発明の装置は、波力発電などの関心を高める格好の教材として、教育現場等で広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の実施形態に係る波力発電装置(発光ブイ)の全体形状を示す図
【図2】図1の波力発電装置(発光ブイ)の平面図
【図3】図1の波力発電装置(発光ブイ)の裏側を示す図
【図4】本発明の実施形態に係る発電モジュールの平面図(a)と側面図(b)
【図5】図4の発電モジュールの右傾斜した状態を示す図
【図6】図4の発電モジュールの左傾斜した状態を示す図
【図7】本発明の実施形態に係る波力発電装置(発光ブイ)の回路構成を示す図
【図8】本発明の実施形態に係る波力発電装置(発光ブイ)の他の回路構成を示す図
【図9】本発明の他の実施形態に係る波力発電装置(発光ブイ)の平面図
【図10】本発明の他の実施形態に係る発電モジュールの平面図(a)と側面図(b)
【図11】図10の発電モジュールの模型を示す図
【図12】図10の装置で用いた軸受具を示す図
【符号の説明】
【0025】
10 基体
11 カバー
12 軸受具
13 金属板
14 磁石
20 発電モジュール
21 パイプ
22 鋼球
23 圧電素子
24 基板
25 フレーム
26 半円筒体
27 重り
28 ストッパー
29 ストッパー板
40 発光ダイオード
50 電気二重層コンデンサ
51 スイッチ
231 圧電セラミック
232 圧電セラミック
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11