(57)【要約】【課題】  一定の電圧を得ることが難しい発電機により発生させた電力を高効率で安定的に電気器具に供給することのできる発電装置を提供する。【解決手段】  発電機と、該発電機で発生した電力に対してデューティ比制御を行い定電圧化するとともに、前記発電機から流入する電流を制限するスイッチング方式定電圧化回路と、該定電圧化回路で定電圧化された電力を交流電力に変換して電気器具に供給するインバータ回路を有することを特徴とする発電装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
該発電機で発生した電力に対してデューティ比制御を行い定電圧化するとともに、前記発電機から流入する電流を制限するスイッチング方式定電圧化回路と、
該定電圧化回路で定電圧化された電力を交流電力に変換して電気器具に供給するインバータ回路を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記定電圧化回路における定電圧化を、パルス幅を一定にし、且つ周期を入力電圧に正比例させて長くして降圧スイッチングパルスのデューティ比が発電機の電圧に反比例するように制御することで行うことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記定電圧化回路が、低出力負荷時の出力電圧の超過を防ぐための出力電圧制限回路を有することを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
【請求項４】
前記定電圧化回路が、低入力電圧時の過大な入力電流を防ぐための過電流制限回路を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の発電装置。
【請求項５】
前記定電圧化回路が、高入力電圧時の過大な入力電圧を防ぐための過電圧制限回路を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の発電装置。
【請求項６】
前記発電機がコアレス発電機であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の発電装置。
【請求項７】
前記発電機で得られた交流電力を整流平滑する整流回路を有し、
該整流回路で整流平滑した直流電力を前記定電圧化回路に入力することを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の発電装置。
【請求項８】
前記発電機が自転車型の人力発電機であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人力又は自然エネルギー等を利用して発電する、一定の電圧を得ることができない発電機により発生した電力を、効率よく安定的に電気器具に供給するための発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間は仕事率が約１００W以下であれば持続的に運動することができ、１００Wの仕事率があれば小型テレビ等の電気器具を動作させることは原理的に可能である。
ここで、人間が物理的仕事を効率よく行うことができる動作として、自転車のペダルをこぐという動作を挙げることができる。そして、自転車のペダルをこぐという物理的仕事を電力に変換する自転車型の人力発電機が種々開発されている。
【０００３】
自転車型の人力発電機としては、下記特許文献１に記載のものを挙げることができる。特許文献１の人力発電機は、磁極によるコギングトルクをなくしたコアレス発電機であり、コギングトルクがないため、ペダルを軽くこぐことができ、仕事率を向上させることができる。
【０００４】
また、図１６は人力発電機（６１）を電気器具（６２）に接続する場合の回路のブロック図であるが、人力発電機（６１）を電気器具（６２）に接続する場合、人力発電機（６１）はインバータ（６３）を介して電気器具（６２）に接続される。
ここで、人力で自転車をこぐ場合、こぐ速さによって発電機の回転数が変化するので、それに伴い起電力も変動する。そのため、インバータ（６３）を用いる場合等は、バッテリー（６４）（例えば、鉛バッテリー）を用いて、インバータへの入力電圧の大きさを常に略一定にする必要がある。
【０００５】
上記したように、人力発電機（６１）を用いて電気器具（６２）に電力を供給することは可能であるが、実際に人力発電機を実用化するためには、電力損失を軽減させる必要がある。
しかし、例えば１２Ｖの鉛バッテリー（６４）を使用する場合、人力発電機を１００Ｗ程度の仕事率で動作させるとき、仮に１００Ｗの電力を電気器具（６２）に供給するためには、約８Ａの大電流が必要となる。このような大電流を得ようとすると、発電機（６１）の内部での電力損失が大きくなってしまい、結果的に電力の取り出し効率が低下してしまう。
【０００６】
実例を挙げると、コアレス発電機としてスカイ電子製HR125型発電機（６００rpmで起電力９１V、内部抵抗４７Ω）を用い、１２Vの鉛バッテリーに接続して使用した場合、標準的な人力である１００Wの仕事率で発電機を回転させたとき、発電機の内部抵抗による損失が約８５Wとなり、バッテリーに供給されて利用できる電力は１５Wまで減少してしまう。
即ち、鉛バッテリーのような低インピーダンスの回路に接続すると、発電機から電力を取り出す効率が僅か１５％程度となってしまう。
【０００７】
なお、高速回転で自転車をこいで人力発電機の仕事率を高くし起電力を高くしたとしても、バッテリーの電圧は一定であるため、仕事率のほとんどは発電機の内部抵抗で損失となり、電力の取り出し効率は向上しない。
また、人力発電機で発生させる電力の電圧を一定とすることで、バッテリーを使わないでインバータに接続することも可能であるが、バッテリー相当の電圧でインバータに電力を供給するためには電流を大きくする必要があり、発電機からの電力の取り出し効率が悪いという点では同じである。
【０００８】
また、太陽光、風力、水力等の自然エネルギーを利用した発電機も、人力発電機と同様に発電機により一定の電圧を得るのが難しいため、上記した人力発電機の問題と同様の問題が生じる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２８８９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、一定の電圧を得ることが難しい発電機により発生させた電力を高効率で安定的に電気器具に供給することのできる発電装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、発電機と、該発電機で発生した電力に対してデューティ比制御を行い定電圧化するとともに、前記発電機から流入する電流を制限するスイッチング方式定電圧化回路と、該定電圧化回路で定電圧化された電力を交流電力に変換して電気器具に供給するインバータ回路を有することを特徴とする発電装置に関する。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記定電圧化回路における定電圧化を、パルス幅を一定にし、且つ周期を入力電圧に正比例させて長くして降圧スイッチングパルスのデューティ比が発電機の電圧に反比例するように制御することで行うことを特徴とする請求項１記載の発電装置に関する。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記定電圧化回路が、低出力負荷時の出力電圧の超過を防ぐための出力電圧制限回路を有することを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置に関する。
【００１４】
請求項４に係る発明は、前記定電圧化回路が、低入力電圧時の過大な入力電流を防ぐための過電流制限回路を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の発電装置に関する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記定電圧化回路が、高入力電圧時の過大な入力電圧を防ぐための過電圧制限回路を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の発電装置に関する。
【００１６】
請求項６に係る発明は、前記発電機がコアレス発電機であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の発電装置に関する。
【００１７】
請求項７に係る発明は、前記発電機で得られた交流電力を整流平滑する整流回路を有し、該整流回路で整流平滑した直流電力を前記定電圧化回路に入力することを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の発電装置に関する。
【００１８】
請求項８に係る発明は、前記発電機が自転車型の人力発電機であることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の発電装置に関する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る発明によれば、発電機と、該発電機で発生した電力に対してデューティ比制御を行い定電圧化するとともに、前記発電機から流入する電流を制限するスイッチング方式定電圧化回路と、該定電圧化回路で定電圧化された電力を交流電力に変換して電気器具に供給するインバータ回路を有することにより、発電機から流入する電流量を必要最小限にでき、発電機の内部抵抗損失を抑制することができる。それにより、一定の電圧を得ることが難しい発電機等で発生させた電力でも、高効率で安定的に電気器具に供給することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、前記定電圧化回路における定電圧化を、パルス幅を一定にし、且つ周期を入力電圧に正比例させて長くして降圧スイッチングパルスのデューティ比が発電機の電圧に反比例するように制御することで行うことにより、アナログ回路でも容易に電圧を一定にすることができる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、前記定電圧化回路が、低出力負荷時の出力電圧の超過を防ぐための出力電圧制限回路を有することにより、低出力負荷時にも出力電圧を一定以下に抑制することができる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、前記定電圧化回路が、低入力電圧時の過大な入力電流を防ぐための過電流制限回路を有することにより、低入力電圧時に入力インピーダンスを一定以上に保ち、発電機の動き始めに大きな力を用いる必要が生じること（例えば、人力発電機の場合、こぎはじめにペダルが重くなること）を防ぐことができ、発電機の内部損失も抑制することができる。
【００２３】
請求項５に係る発明によれば、前記定電圧化回路が、高入力電圧時の過大な入力電圧を防ぐための過電圧制限回路を有することにより、発電機の電圧が所定の電圧よりも高くなると自動的に負荷を増やしてトルクを大きくし、定電圧回路の最大定格電圧を超えるのを防ぐことができ、定電圧化回路が過電圧で故障することを回避することができる。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、前記発電機がコアレス発電機であることにより、少ない力で発電機を動作させることができ、仕事率を向上させることができる。
【００２５】
請求項７に係る発明によれば、前記発電機で得られた交流電力を整流平滑する整流回路を有し、該整流回路で整流平滑した直流電力を前記定電圧化回路に入力することにより、発電機が交流電力を発生させる場合でも、直流に変換して定電圧化回路に入力することができる。
【００２６】
請求項８に係る発明によれば、前記発電機が自転車型の人力発電機であることにより、人力で発電した電力を高効率で電気器具等に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の発電装置の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る人力発電装置（１００）を示すブロック図である。
【００２８】
本実施形態に係る人力発電装置（１００）は、自転車に取り付けられたコアレス発電機（１２）で電力を発生させるものである。
また、コアレス発電機（１２）で発生させた電力は、整流回路（２）、定電圧化回路（３）、インバータ回路（４）を経て、インバータ回路（４）からの出力電力が電気器具（５）に供給される。
【００２９】
図２は本実施形態に係る人力発電装置（１００）における発電機（１２）周辺（発電部（１））を示す斜視図である。
本実施形態の人力発電機（１００）は、サイクルトレーナーや自転車練習台と呼ばれる装置（実際の自転車を取り付けて固定し、車輪（Ｗ）に負荷のかかったローラ（１１）を押しつけて回転させ、室内等で自転車競技の練習をするための装置）のローラ（１１）に負荷をかける部分をコアレス発電機（１２）（本実施形態ではスカイ電子製HR125型発電機）と取り換えたものを使用している。
発電部（１）は、図２に示すように、自転車の車輪（Ｗ）と接し且つ車輪（Ｗ）の回転に応じて回転するローラ（１１）、ローラ（１１）の両端に備えられたコアレス発電機（１２）、はずみ車（１３）からなる。また、コアレス発電機（１２）は、内部に固定されたコイルと外側容器とともに回転する永久磁石（ロータ）からなる、アウターロータ型と呼ばれる発電機である。
使用者が自転車をこぐことにより車輪（Ｗ）を回転させることでローラ（１１）を回転させる。そして、ローラ（１１）に連動して永久磁石が回転し、それにより交流電力が発生する。
【００３０】
人力発電装置（１００）は、コアレス発電機の回転数を十分に高くする増速機能を有することが好ましい。
発電機（１２）の起電力（電圧）は永久磁石の回転数（つまり、ローラ（１１）の回転数）に比例して大きくなるが、増速機能を有することにより、容易に永久磁石（ロータ）の回転数をあげて、発生する電圧を大きくすることができるからである。
増速機能としては、自転車本体のチェーンと車輪に接触させるローラを挙げることができる。このようなローラを用い、自転車のギア比（チェーンの歯車比）、及び／又は車輪（Ｗ）の直径に対するローラ（１１）の直径の比を調節することで、発電機の回転数を十分大きくすることができる。また、ベルトや歯車を用いた付加的な増速機能を備えてもよい。
永久磁石（ローラ（１１））の回転数としては、自転車の車輪（Ｗ）の回転数の１０倍以上が好ましい。例えば、ローラ（１１）の直径を車輪（Ｗ）の直径の１／１０以下にすることで、車輪（Ｗ）に対して１０倍以上の回転数を得ることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では車輪（Ｗ）を有しているが、ペダルと発電機のロータ（永久磁石）を、車輪（Ｗ）を介さずに接続し回転させてもよい。例えばトレーニングジム等で利用される、エアロバイクや自転車エルゴメータと呼ばれるトレーニングマシンの負荷部分をコアレス発電機と取り換えたものでもよい。
また、本実施形態では、発電部（１）の発電機（１２）は１つであるが、発電機（１２）の数は二つ以上でもよい。
【００３２】
整流回路（２）は、人力発電機（１２）で得られた交流電力を直流電力に整流平滑するための回路である。整流回路（２）としては特に限定されず、一般的なものを用いればよい。なお、発電機（１２）が直流出力であれば整流回路を用いる必要はない。
【００３３】
定電圧化回路（３）は、整流回路（２）で整流平滑された直流電力を一定の電圧にし、インバータ回路（４）に供給するためのものである。
【００３４】
インバータ回路（４）は直流を交流に変換するためのものであり、定電圧化回路（３）で一定の電圧となった直流電力の正極と負極を時間とともに反転しながら負荷に接続することで擬似正弦波（矩形波）の交流に変換し、電化製品等の電気器具（５）に供給するためのものである。なお、インバータ回路としては単純な矩形波ではなく、真の正弦波又は正弦波に近い波形を発生する回路を用いることがより好ましい。
【００３５】
本実施形態の人力発電装置（１００）では、発電部（１）で発生した電力を高効率で電気器具（５）に供給するため、定電圧化回路（３）に様々な工夫を施している。
以下、定電圧化回路（３）について詳細に説明する。
【００３６】
図３は定電圧化回路（３）を示す図である。
図３に示すように、定電圧化回路（３）はMOSFET（電界効果トランジスタ）（３１）を用いた降圧スイッチング方式電源回路（降圧チョッパー回路）であり、入力電圧に対応したスイッチングパルスのデューティ比制御を行って、入力電圧の変動に高速に応答して出力電圧を常に一定に維持するとともに、発電機から流入する電流を必要最小限に制限し、定電圧化回路（３）の入力インピーダンスを高く（具体的には１００Ω以上、より好ましくは２００Ω以上）するためのものである。
発電機（１２）（永久磁石）の回転数を大きくして起電力を高めたとしても、接続する回路が鉛バッテリーのような低入力インピーダンスである場合には大きな電流が流れてしまう。それにより、起電力の大部分は発電機（１２）内部の捲き線抵抗で消費され、外部に取り出される電圧及び電力は小さくなってしまう。しかし、入力インピーダンスの高い定電圧化回路（３）を有することにより、電流量を小さくでき、発電機の内部抵抗損失を抑制することができる。
【００３７】
また、定電圧化回路（降圧スイッチング回路）（３）では、デューティ比制御発振回路（３２）により、パルス幅を一定にし、且つ周期を入力電圧に正比例させて長くすることで降圧スイッチングパルスのデューティ比が入力電圧に反比例するように制御し、出力電圧を一定にしている。
下記式１は定電圧化回路（３）における入力電圧と出力電圧の関係を示す式である。
【００３８】
＜式１＞
（出力電圧）＝（入力電圧）×（デューティ比）
【００３９】
ここで、（デューティ比）＝（パルス幅）／（周期）であるため、式１は、
（出力電圧）＝（入力電圧）×（パルス幅）／（周期）と表すことができる。
つまり、パルス幅を一定にして、周期を入力電圧に正比例させることにより、出力電圧が常に一定になるようにデューティ比を制御することができる。
このような方法を採用することにより、アナログ回路でも容易に電圧を一定にすることができる。
なおデューティ比の制御においては出力電圧の過不足の信号をデューティ比制御発振回路にフィードバックしてパルス幅等を調節する方法を用いてもよい。
【００４０】
本実施形態におけるデューティ比制御発振回路（３２）としては、図４で示すような回路を挙げることができる。
図４で示すように、デューティ比制御発振回路（３２）は、入力電圧分圧回路（３２１）により分圧された入力電圧に正比例して周期が変化するアナログの第一発振回路（３２２）と、その発振信号をトリガーパルスとして同期して一定のパルス幅のパルスを発生させる第二発振回路（３２３）によって構成されている。
【００４１】
また、第一発振回路（３２２）としては、図５に示すタイマーIC555を用いた回路を挙げることができる。タイマーIC555を用いた第一発振回路（３２２）は定電流ダイオード（３２２１）を有する。
図６は、第一発振回路（３２２）のタイマーIC555に入力する制御電圧と周期の関係を示す図であり、定電流ダイオード（３２２１）を用いることにより、図６で示すように、制御電圧に対して周期が正比例して増加するように発振制御することができる。
なお、タイマーIC555を用いた従来の発振回路は定電流ダイオード（３２２１）の位置に抵抗が配置されていたが、抵抗の場合、制御信号電圧に対して周期が非線形に長くなり、制御電圧と周期の関係が正比例の関係にならないので好ましくない（図７参照）。
【００４２】
また、定電圧化回路（３）は出力側が無負荷や負荷が小さな場合にスイッチングによって必要以上の電流が二次側コンデンサに流れ込み、出力電圧が所定の一定電圧を超過することを防ぐ、出力電圧制限回路（３６）を有する（図３参照）。出力電圧制限回路（３６）は二次側コンデンサの電圧が所定の電圧を越えるとこれを検知し、デューティ比制御発振回路（３２）のスイッチングパルスを強制的にOFFにする（第二発振回路（３２３）をリセットする）ことで電流を遮断する。
【００４３】
また、定電圧化回路（３）は、低電圧時に過電流になることを防ぐ過電流制限回路（３３）を有する（図３参照）。過電流制限回路（３３）を有することにより、低電圧時に入力インピーダンスを一定以上に（入力電圧に対する電流の比を一定以下に）保ち、こぎはじめにペダルが重くなることを防ぐことができ、発電機（１）の内部損失も抑制することができる。
図８は過電流制限回路（３３）の効果を説明するための説明図である。
仮に過電流制限回路（３３）を有しないと、一定の負荷を接続した状態では、図８の曲線（ａ）で示すように、入力電圧と電流が反比例の関係となるため、こぎはじめ等回転数が小さい時には電圧が小さくなり、電流が大きくなる。電流が大きいとペダルをこぐトルクが大きくなって、ペダルが重くなり、発電機の内部損失も大きくなる。しかし、過電流制限回路（３３）を有することにより、図８の直線（ｂ）の値より電流が大きくならないので、当該問題を解決することができる。
【００４４】
過電流制限回路（３３）の具体的な構成としては、図９で示す構成を挙げることができる。図９で示すように、MOSFETの電流を検出抵抗（３４）で検出し、コンデンサと抵抗からなるCR積分回路で積分して、入力電圧に比例した特定の値と比較器（３３１）で比較し、積分値が一定値を越えるとデューティ比制御発振回路（３２）のスイッチングパルスを強制的にOFFにする（第二発振回路（３２３）をリセットする）ことで電流を遮断する。
パルスがOFFになると積分リセット（放電）ダイオード（３３２）を通してコンデンサ（３３３）の電圧が０に戻り、次のパルスでも同じ動作を繰り返す。これにより、定電圧化回路（３）における入力インピーダンスを常に一定の値以上に維持することができ、特に低電圧入力時の過大な入力電流を制限することができる。
【００４５】
また、定電圧化回路（３）は、高電圧時の過電圧を防ぐための過電圧制限回路（３５）も有する（図３参照）。
図１０は過電圧制限回路（３５）の効果を説明するための説明図である。
一定の負荷を接続した状態では、図１０の曲線（ａ）で示すように、発電機（１２）の回転数（電圧に比例）があがるとトルク（電流に比例）が小さくなるため、ますますペダルは軽くなり、こぐのが楽になる。そのため、発電機の回転数が上がり過ぎ、過電圧になる可能性があり、電圧が定電圧化回路の最大定格電圧を超えないように制限することが必要である。過電圧制限回路（３５）を有することにより、回路素子の最大定格電圧を超えるのを防ぐことができる。
【００４６】
過電圧制限回路（３５）の具体的な構成としては、図１１で示す構成を挙げることができる。
過電圧制限回路（３５）は、回路素子の最大定格に近い電圧（制限回路動作電圧）になると、ダミーの負荷として接続した抵抗（３５１）（電球や電熱線）のスイッチが入り負荷が大きくなり、トルク（ペダルを回す力）を強制的に大きくする。
但し、リレー等で急にスイッチをONにすると衝撃力がはたらいて、こぎ手がけがをする可能性があり危険であることから、前記定電圧化制御とは独立したMOSFETの降圧スイッチング回路（３５２）（降圧チョッパー回路）により、電圧がツェナーダイオード（３５３）の電圧を越えて過度に上昇すると、電圧上昇に比例して徐々に負荷が重くなるように設定されている。
最大定格電圧時におけるダミー負荷の大きさを、使用者の限界の仕事率（例えば、一般の人を対象とした場合には５００W程度、スポーツ選手を対象とした場合には１０００W程度）に設定すればよい。それにより、設定した仕事率以上の回転数に至ることを防ぎ、定電圧化回路（３）が過電圧で故障することを回避することができる。
【００４７】
なお、発電機（１２）の起電力がより小さい場合には、上記の降圧スイッチング回路に加えて常時２〜３倍（入力電圧によらず一定の倍率）に電圧を増加させる、昇圧スイッチング回路（昇圧チョッパー回路）を組み合わせて、昇降圧スイッチング電源回路として用いればよい。
【００４８】
また、上記の定電圧回路、インバータ回路、整流平滑回路において、一部又は全てを集積回路として製作することがより好ましい。
【００４９】
（利用方法）
人力発電装置（１００）は、電気器具（５）に電力を供給し作動させることができるので、エネルギー環境教育の教材として有用である。特に、人力発電装置（１００）は電力変換効率が非常に高いため（具体的には９０％以上）、普段テレビを観るとき等に消費している約１００Wの電力を、自分の肉体的な仕事率として体感することができ、エネルギーと環境の問題を定量的に理解する上で有効である。
【００５０】
また、人力発電装置（１００）は、災害時の非常用電源としても有用である。災害で停電した際に、テレビ等の情報メディアや携帯電話の充電、照明等に必要な電力を人力で供給することができる。
【００５１】
人力発電装置（１００）を災害時の非常用電源として使用する場合、発電した電力を一時的にバッテリー等に蓄えて使用することが好ましい。人力発電装置（１００）は家庭用電源と同じ交流電力を供給できることから、市販のバッテリー充電器を接続してバッテリーを充電し、市販のバッテリー用インバータを使用して再度交流電力を供給することは極めて容易である。バッテリーに予め蓄電しておくことにより、短時間であれば人力よりも大きな電力を供給することも可能である。
【００５２】
さらに、人力発電装置（１００）は、トレーニングジムで利用されているエアロバイクや自転車エルゴメータと呼ばれる自転車型のトレーニングマシンに応用することができる。トレーニングの負荷は通常は摩擦熱として放散（廃棄）されるが、このエネルギーを電力として有効利用し、たとえばトレーニングで出力した電力によりテレビや音楽を楽しむことができる。
【００５３】
以上のように、人力発電装置（１００）は、人力発電によって発生する不安定な電力から家庭用と同じ安定な交流電力を供給できる回路を提供するものであり、殆どの電気器具を安定に動作させることが可能となる。そのため、人力発電の用途を格段に広くすることができる。
さらにバッテリーを組み合わせて利用すれば、人力発電機による電力を蓄積した後、短時間ではあるが、人力よりも大きな電力を供給することも可能である。
【００５４】
また、本発明の発電装置は人力発電機を用いたものだけでなく、太陽光、風力、水力等の自然エネルギーを利用した発電機等、一定の電圧を得ることが難しい発電機を用いたものも含まれる。自然エネルギーは再生可能エネルギーとして重要であるが、発電出力が安定しないことが普及の妨げとなる。
本発明の発電装置は特に風車の回転で発電機をまわす風力発電にそのまま応用可能である。風力発電は風速の変化によって風車の回転が変動し、発電機の出力電圧が変動するが、本発明によれば発電機の電圧が大きく変動しても出力電圧を安定に維持することができる。また、過電流制限回路により、微風時の小さなトルクで容易に発電機が回り始めるという効果も奏する。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。
【００５６】
上記定電圧化回路（３）に入力する直流電圧を０〜６００Vで変化させて、出力電圧を１３０Vで一定にするようにデューティ比制御発振回路を設定したときの出力電圧の変化を測定し、その結果を図１２に示す。
図１２に示すように、入力電圧が１５０V程度以上のとき、出力電圧は約１３０Ｖで一定となり、定電圧化回路が正確に動作していることが確認できる。
【００５７】
次いで、出力電圧１３０Vをインバータ回路（４）に供給し、６０Hzの擬似正弦波交流電力を出力したときの、インバータ出力電圧の時間変化を測定し、その結果を図１３に示す。また、図１３には、比較のため家庭用電源である周波数６０Hz（西日本）で実効値電圧１００Vの正弦波交流波形（点線）も示す。
図１３で示すように、インバータ回路（３）を用いることにより、正弦波交流の波形と類似の擬似正弦波形（矩形波）が得られ、家庭用の電気器具に電力を供給する電源として利用できることが確認できる。
【００５８】
上記人力発電装置（１００）（発電機（１２）としてはスカイ電子製HR125型発電機を用いている）に１５型液晶テレビ（定格３５W）とDVDプレーヤー（定格２０W）を同時に接続し、人力発電装置（１００）の電力のみによってDVDプレーヤーとテレビを同時に使用したときの、発電機（１２）から回路への入力電圧と入力電流を測定し、その結果を図１４に示す。
図１４に示すように、入力電圧が１５０V程度以下のときは出力電圧が１３０V以下となり、電圧不足により上記電気器具が正常に動作しないため電流の値はばらつくが、入力インピーダンスを２００Ω以上に保つ過電流制限回路（３３）が動作することにより、低入力電圧時に過大な入力電流によって回転トルクが極端に大きくなることを回避できることがわかる。
入力電圧が１５０V以上になると上記電気器具は家庭の電源で使用するときと全く同様に安定に動作し、入力電圧と入力電流の積が電気器具に必要な電力である約５０Wとなるように変化する。すなわち発電機（１２）から定電圧化回路（３）に流入する電流を制限する機能が作動し、電気器具に必要な電力だけを発電機（１２）から供給していることが確認できる。
なお、本実施例では素子の耐圧が８００Vであることから過電圧制限回路（３５）は７００V以上で動作するように設定されており、６００Vまでの測定においては、過電圧制限回路（３５）は動作しない。
【００５９】
上記人力発電装置（１００）を用いて１５型液晶テレビとDVDプレーヤーを同時に動作させる実証試験を１人の体験者が１時間継続して行ったときの、発電機（１２）の電圧、電流、電力の変化を測定し、図１５に示す。
図１５で示すように、自転車をこぐ動作は疲れや生体のリズムにより時間とともに変動するため、発電機（１２）の電圧は１４０〜２００V程度の範囲で変動しているが、図１４にも示すように、発電機（１２）の電流は定電圧化回路（３）によって電力に応じた必要最小限に常に調整され、電力は上記電気器具の動作に必要な５０〜６０W（電気器具の動作状態によって必要な電力は変動する）を継続して安定に供給することができる。
【００６０】
図１５で示すように、上記５０〜６０Wの電気器具を動作させたとき、発電機（１２）の電圧は１５０〜２００V、電流は約０．３Aである。使用した発電機HR125型の内部抵抗は４７Ωであるため、発電機の内部抵抗による損失は約４Wである。上記電気器具の消費電力は約５０Ｗであるから、本実施例の人力発電装置（１００）における電気的な変換効率（自転車やロータの機械的な損失を除く）は５０/(５０+４)=０．９３となり、９０％以上の高い電力変換効率であることがわかる。
発電機の増速機能を高くして発電機の電圧をさらに高くすると、たとえば３００Vでは電流が０．２A程度となり、内部抵抗による損失は約２Ｗ、電力変換効率は９６％になる。
このように本発明の人力発電装置は発電機から電気器具へ電力変換回路において９０％以上という極めて高い変換効率を実現し、人力を高効率で電気器具に利用することを可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る発電機は、例えば人力の場合、５０〜６０Wの電気器具を人力発電によって１時間以上継続して動作させることが可能である。供給電力と持続時間は個人の体力や持久力に依存し、体力のある人であれば１００W程度の電力を継続して安定に供給できる。
また、自然エネルギー等を利用して発電する発電機を用いて電力を供給する場合にも好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施形態に係る人力発電装置を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る人力発電装置におけるコアレス発電機を示す斜視図である。
【図３】定電圧化回路を示す回路図である。
【図４】本実施形態におけるデューティ比制御発振回路を示す回路図である。
【図５】第一発振回路を示す回路図である。
【図６】発振回路における制御電圧と周期の関係を示す図である。
【図７】従来の発振回路における制御電圧と周期の関係を示す図である。
【図８】過電流制限回路の効果を説明するための説明図である。
【図９】過電流制限回路を示す回路図である。
【図１０】過電圧制限回路の効果を説明するための説明図である。
【図１１】過電圧制限回路を示す回路図である。
【図１２】定電圧化回路の入力電圧に対する出力電圧の変化を示す図である。
【図１３】インバータ回路出力電圧の擬似正弦波を示す図である。
【図１４】テレビ等をつけたときの発電機電圧と電流の関係を示す図である。
【図１５】テレビ等を1時間つけたときの入力電圧、電流、電力を示す図である。
【図１６】従来の人力発電装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
１            人力発電機（コアレス発電機）
２            整流回路
３            定電圧化回路
３２          デューティ比制御発振回路
３３          過電流制限回路
３５          過電圧制限回路
３６          出力電圧制限回路
４            インバータ回路
５            電気器具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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