(57)【要約】【課題】発電装置において、回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とし、インバータ等の変換器などを用いずに回転エネルギーの有効利用を可能とすること。【解決手段】直流磁界を発生する回転子６と、固定子巻線４を有する固定子３と、回転子６と一体回転する発光素子３１と、固定配置される受光素子３２とを具備する非接触スイッチング手段を備え、固定子巻線４に発生する回転子の回転に基づく発電出力を、非接触スイッチング手段を所定の周期で導通させることにより出力させる。【選択図】        図１
2006217684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流磁界を発生する回転子と、
固定子巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体回転する発光素子および固定配置される受光素子を具備する非接触スイッチング手段と、
を備え、
前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記受光素子は、少なくとも前記固定子巻線の数と同数備えられ、前記発光素子の発光を受光し、かつ、該発光に同期して該固定子巻線から出力される前記発電出力を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記発光素子は、前記回転子の回転により前記固定子との相対位置関係が変動し、前記受光素子は、前記回転子の回転如何に関わらず前記固定子との相対位置関係が一定であることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記受光素子および前記発光素子は、略近距離に対面配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項５】
前記発光素子を交流電源の周波数に同期して点滅発光する発光ロジック回路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項６】
前記回転子が２Ｐ極（Ｐ＝１，２，・・・）で構成されている場合に、前記回転子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のうちの一の磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とし、ｍをＰ以下の自然数（ｍ＝１，２，・・・，Ｐ）とするとき、
前記発光素子は、略円形の円周方向の前記基準方向を基準に物理角に換算した、[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]の範囲内に略均一に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項７】
前記発光ロジック回路は、往復点滅発光することを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
前記発光ロジック回路は、前記回転子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を各基準方向とするとき、前記各基準方向から電気角略＋９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子と、当該各基準方向から電気角略−９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子との間を往復点滅発光させることを特徴とする請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記受光素子は、略円形の円周方向に略均一に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１０】
前記発光ロジック回路は、回転点滅発光することを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記発光ロジック回路は、前記発電出力に基づいて当該発電出力を可変制御することを特徴とする請求項４〜１０のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１２】
前記回転子は回転子巻線を備え、
前記回転子巻線は、直流励磁されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１３】
直流磁界を発生する回転子と、
固定子巻線を有する固定子と、
前記回転子と一体回転する磁界発生手段および固定配置されるホール素子を具備する非接触スイッチング手段と、
を備え、
前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものであり、特に、回転駆動力の大小にかかわらず所定の周波数の出力が得られる発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
資源の乏しい我が国は、２００１年現在、エネルギー総供給の約８割を海外に依存しており、また、約５割を石油に依存しているといった現状である。一方、今後のアジア諸国を中心とするエネルギー需要の大幅な増加が予想され、石油の中長期的な安定供給が懸念されている。また、地球温暖化の防止の観点から、二酸化炭素等の温室効果ガス排出量を所定の比率で削減することが国際的な責務とされている。このような中、エネルギーの安定供給の確保、地球環境問題への対応の観点から、資源制約が少なく、環境特性の良いクリーンなエネルギーである新エネルギーの一層の導入促進が求められている。
【０００３】
かかる状況下において、近時、小水力発電、風力発電などの発電装置が種々商品化されている。これらの発電装置は、自然環境下に存在するクリーンなエネルギーを余すところなく電力に変えようとするものである。特に、上述のような状況の中、今やエネルギー供給手段として我々の生活に不可欠な商用電源との系統連系が必須要件となっている。
【０００４】
なお、低風速時の発電電力を有効利用し、任意風速における風力エネルギーを有効利用して、高効率で発電電力を回収するようにした風力発電装置なども開示されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に開示された風力発電装置は、風車、増速器、発電機、制御装置、バッテリー、電流動作点決定手段、および、風速センサーが備えられ、制御装置が、電流動作点決定手段が決定した風速に応じて軸動力が最大となるトルク動作点に相応する電流動作点となるように発電機の出力電流を制御することにより、任意風速において最大の軸動力が得られるトルク動作点で風車を運転して高効率に発電電力をバッテリーに回収するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような、小水力発電、風力発電などの発電装置を広く普及させるためには、発電装置自身の低価格化を推進しなければならない。しかしながら、特許文献１などに示された風力発電装置は、構成や制御機構が複雑であり、必然的に高価なものにならざるを得ないという問題点があった。また、系統連系を行うために連系インバータを使用しており、インバータの利用に伴う交流−直流、あるいは直流−交流変換作用によって効率が低下するという問題点もあった。
【０００７】
一方、低価格化のためには、インバータなどを使用せずに、発電装置として簡単な構造のものを用いる必要がある。例えば、小出力タイプの発電装置として、固定子にマグネットを備え、回転駆動力を得て回転する回転子から発電出力を得るようにしたものが存在する。しかしながら、系統連係するためには、系統と同一の周波数の起電力を生じさせるため一定の回転数を維持する必要があり、風力発電や、水力発電のように回転数が不安定な動力を用いる場合には、従来のようにインバータを使用しなければならなかった。
【０００８】
また、上記のような発電装置に代えて、系統連系も可能であり、また構造が簡易で運転が容易であるといった利点を有している誘導発電機を用いることも考えられる。しかしながら、誘導発電機は、同期速度以上で回転させない限り発電しないという特性を有するため、一定以上の風力または水力が存在しない限り、発電しないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とし、インバータ等の変換器などを用いずに回転エネルギーの有効利用を可能にした発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発電装置は、直流磁界を発生する回転子と、固定子巻線を有する固定子と、前記回転子と一体回転する発光素子および固定配置される受光素子を具備する非接触スイッチング手段と、を備え、前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項２にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子は、少なくとも前記固定子巻線の数と同数備えられ、前記発光素子の発光を受光し、かつ、該発光に同期して該固定子巻線から出力される前記発電出力を切り替えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項３にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光素子は、前記回転子の回転により前記固定子との相対位置関係が変動し、前記受光素子は、前記回転子の回転如何に関わらず前記固定子との相対位置関係が一定であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項４にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子および前記発光素子は、略近距離に対面配置されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項５にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光素子を交流電源の周波数に同期して点滅発光する発光ロジック回路を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項６にかかる発電装置は、上記の発明において、前記回転子が２Ｐ極（Ｐ＝１，２，・・・）で構成されている場合に、前記回転子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のうちの一の磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とし、ｍをＰ以下の自然数（ｍ＝１，２，・・・，Ｐ）とするとき、前記発光素子は、略円形の円周方向の前記基準方向を基準に物理角に換算した、[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]の範囲内に略均一に配置されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項７にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、往復点滅発光することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項８にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、前記回転子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を各基準方向とするとき、前記各基準方向から電気角＋９０°の位置にある発光素子と電気角０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子と、当該各基準方向から電気角−９０°の位置にある発光素子と電気角０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子との間を往復点滅発光させることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項９にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子は、略円形の円周方向に略均一に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項１０にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、回転点滅発光することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項１１にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、前記発電出力に基づいて当該発電出力を可変制御することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項１２にかかる発電装置は、上記の発明において、前記回転子は回転子巻線を備え、前記回転子巻線は、直流励磁されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項１３にかかる発電装置は、直流磁界を発生する回転子と、固定子巻線を有する固定子と、前記回転子と一体回転する磁界発生手段および固定配置されるホール素子を具備する非接触スイッチング手段と、を備え、前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる発電装置は、回転子の回転に基づいて固定子巻線に発生する起電力を、当該固定子巻線の所定の端子を所定の周期で導通させることにより発電出力を得るようにしているので、回転駆動力の大小にかかわらず発電が可能となるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の発電装置にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる発電装置の模式的構成図である。同図において、一対のマグネットで構成される回転子６が回転自在に配置され、回転子６の周囲には、固定子巻線４が巻回された複数の固定子３が配置される。回転子６の一方の側では、風車７が、回転子６の中心軸に接続された駆動軸１６を介して回転子６と一体、かつ回転可能に配置される。回転子６の他方の側では、複数の受光素子３２（例えば、フォトダイオード）が円周方向に略均一に配列された受光素子保持板２９が固定配置される。受光素子保持板２９の中央部には、駆動軸１６を通過させるための通過孔が設けられている。発光部２４の発光素子保持板２８は、この通過孔を通過した駆動軸１６に接続され、受光素子保持板２９に対向するように回転可能に配置される。このように、風車７、回転子６および発光素子保持板２８は、駆動軸１６の回りに一体的に回転するように配置される。また、発光素子保持板２８には、円周方向の略半周の部分に複数の発光素子（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））３１が受光素子３２に対向して略均一に配列される。
【００２６】
受光素子保持板２９に配列された受光素子３２は、少なくとも固定子３の数だけ備えられる。固定子３に巻回された固定子巻線４の各一端は、受光回路（図１では図示を省略）を介して対応する受光素子３２のそれぞれに接続され、固定子巻線の他端は相対峙する（すなわち、電気角で１８０°離れた）固定子３の固定子巻線の他端に接続される。なお、受光素子３２と、受光素子３２が保持された受光素子保持板２９と、受光回路とにより受光部２５が構成され、受光部２５には、所望の交流出力、あるいは直流出力を出力するための出力端子Ｘ，Ｙが備えられる。なお、受光回路の詳細については後述する。
【００２７】
また、発光素子保持板２８に配列された発光素子３１は、少なくとも受光素子３２の１／２の数だけ備えられ、回転する回転子６のＮ−Ｓの磁極を結ぶ方向（以下「磁極方向」と呼称）を基準に電気角にして９０°〜２７０°の範囲内に配列されている。なお、回転子６が図１に示すような２極構成の場合では電気角と物理角とは一致する。一方、例えば、回転子６が４極構成の場合、発光素子３１は、一の磁極の磁極方向を基準に電気角にして９０°〜２７０°（物理角では４５°〜１３５°）、および電気角にして４５０°〜６３０°（ただし、３６０°を減算すれば、９０°〜２７０°）（物理角では２２５°〜３１５°）の２箇所のそれぞれの範囲内に配列される。なお、これらの配列箇所を一般化すれば、つぎのようになる。
【００２８】
すなわち、回転子６が２Ｐ極（例えば、４極構成であればＰ＝２、８極構成であればＰ＝４）で構成されている場合に、発光素子３１は、回転子６の一の磁極方向を基準に電気角にして、次式で示す範囲内に配列される。
９０°×(４ｍ−３)〜９０°×(４ｍ−１)                      ・・・・・(１)
ただし、ｍはＰ以下の自然数、すなわち、ｍ＝１，２，・・・，Ｐである。
また、式（１）を物理角で表現すれば、式（１）と同様に、ｍをＰ以下の自然数として、次式で表すことができる。
[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]          ・・・・・(２)
【００２９】
また、発光素子保持板２８の発光素子３１の配列面とは異なる反対面側には駆動軸１６に固定されたスリップリング１０（１０1，・・・，１０k，・・・，１０n）が備えられる（ただし、ｎは発光素子数、ｋは０＜ｋ＜ｎを満たす任意の整数）。また、スリップリング１０（１０1，・・・，１０k，・・・，１０n）のそれぞれに回転接触するように固定配置されたブラシ１２（１２1，・・・，１２k，・・・，１２n）が備えられる。ブラシ１２（１２1，・・・，１２k，・・・，１２n）のそれぞれは、所望の発光素子３１を発光させるために具備された発光素子駆動部４０の各出力端子にそれぞれ結線される。発光素子駆動部４０は、ブラシ１２およびスリップリング１０を介して所望の発光素子３１を駆動する。
【００３０】
つぎに、この発電装置の動作について説明する。図１において、風車７の回転駆動力により回転子６が回転すると、回転子６の回転によって固定子３の固定子巻線４には所定の起電力が発生する。この起電力の大きさは、風車７の回転が速くなればなるほど増大する。出力端子Ｘ，Ｙからから取り出せる同期交流出力は、風車７の回転駆動力以外に回転子６と固定子３の間の相対位置が関係する。すなわち、回転する回転子６のＮ−Ｓの磁極を結ぶ方向を基準に電気角にして±９０°（同図では２極構成を示しているので電気角と物理角とは一致する）離れた位置に位置する一対の固定子３において、最も大きな起電力が発生するので、発光素子３１に対する発光素子駆動部４０の発光制御によって当該位置に存在する固定子３の出力を受光部２５を介して取り出すようにすれば、当該回転速度における最大出力値を出力端子Ｘ，Ｙから取り出すことができる。逆に、回転する回転子６のＮ−Ｓの磁極を結ぶ方向を基準に電気角にして０°、１８０°の位置に存在する一対の固定子３の出力を受光部２５を介して取り出すようにすれば、当該回転速度における最小出力値を出力端子Ｘ，Ｙから取り出すことができる。なお、上述した固定子３と回転子６との相対位置関係を逆転させた場合には、上述の最大起電力に対して逆位相となる最大出力を得ることができる。
【００３１】
つぎに具体的な例で説明する。例えば、風車７からの駆動力が一定で回転子６が一定回転し、かつ発光素子駆動部４０が特定の発光素子３１（例えば、発光素子３１ａ）の発光を維持し続けている場合には、出力端子Ｘ，Ｙからは、一定の直流出力が得られる。なお、回転子６の回転速度が変化する場合には、回転速度変動に伴う起電力の変動成分（リップル成分）が重畳された直流出力となる。
【００３２】
一方、風車７からの駆動力が一定で回転子６が一定回転し、かつ発光素子駆動部４０が発光素子３１を一定の速度で回転点滅駆動する場合には、出力端子Ｘ，Ｙから一定振幅の交流出力が得られる。なお、この交流出力は、例えば、電源の周波数（周期）に同期させることができる。なぜなら、発光素子駆動部４０が発光素子３１を一定の速度で回転駆動させた場合には、出力端子Ｘ，Ｙに接続される固定子３の位置が、回転子６のＮ−Ｓの磁極を結ぶ方向を基準にして電気角０°→９０°→１８０°→２７０°（−９０°）→０°のサイクルで切り替わることにより、出力端子Ｘ，Ｙから０→最大→０→最大（逆位相）→０のように変化する起電力を取り出すことができるからである。
【００３３】
なお、この実施の形態の発電装置では、回転子６をマグネットで構成しているが、マグネットに限定されるものではなく、回転子６に巻回されて直流励磁される直流励磁巻線を有するものであってもよい。
【００３４】
図２は、上述した受光部２５の受光回路の回路構成例を示す図である。同図において、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであるトランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ８と、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであるトランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７と、が備えられている。トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ８の各素子のコレクタには、ダイオードＤ１，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ８の各アノード端子が接続され、それぞれ直列回路を構成している。同様に、トランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７の各素子のコレクタ端子には、ダイオードＤ２，Ｄ３，Ｄ６，Ｄ７の各カソード端子が接続され、それぞれ直列回路を構成している。これらの直列回路の中で、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタで構成された直列回路と、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタで構成された直列回路とが相互に並列に接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ１，ＣＩＲ２，ＣＩＲ３，ＣＩＲ４が構成される。例えば、直列逆接続並列回路ＣＩＲ１では、トランジスタＱ１のエミッタ端子と、トランジスタＱ３のエミッタ端子同士が接続され、ダイオードＤ１のカソード端子と、ダイオードＤ３のアノード端子とが接続される。
【００３５】
また、上述の直列逆接続並列回路の各接続構成において、直列逆接続並列回路の一端であるダイオード側の一端は出力端子Ｘ、あるいは出力端子Ｙのいずれかに接続され、直列逆接続並列回路の他端であるトランジスタ側の一端（エミッタ端子）は固定子３の固定子巻線４の一端（Ａ端）、あるいは他端（Ｅ端）のいずれかに接続される。例えば、直列逆接続並列回路ＣＩＲ１を構成するダイオードＤ１のカソード端子（ダイオードＤ３のアノード端子）は出力端子Ｘに接続され、トランジスタＱ１のエミッタ端子（トランジスタＱ３のエミッタ端子）は固定子巻線４のＡ端子に接続される。また、直列逆接続並列回路ＣＩＲ２を構成するダイオードＤ２のアノード端子（ダイオードＤ４のカソード端子）は出力端子Ｙに接続され、トランジスタＱ２のエミッタ端子（トランジスタＱ４のエミッタ端子）は固定子巻線４のＥ端子に接続される。なお、残りの直列逆接続並列回路についても同様な接続構成がとられる。
【００３６】
また、受光素子Ｑ１０およびダイオードＤ１０〜Ｄ１３の各素子で構成されたブリッジ整流回路ＢＲ１と、受光素子Ｑ１１およびダイオードＤ１４〜Ｄ１７の各素子で構成されたブリッジ整流回路ＢＲ２とが備えられる。ブリッジ整流回路ＢＲ１は、トランジスタＱ１〜Ｑ４のトランジスタのうちの２つのトランジスタを所定の条件下で略同時に導通させるための接続構成がとられ、ブリッジ整流回路ＢＲ２は、トランジスタＱ５〜Ｑ７のうちの２つのトランジスタを所定の条件下で略同時に導通させるための接続構成がとられる。具体的には、ブリッジ整流回路ＢＲ１の一端は、出力端子Ｘに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ１を構成するトランジスタＱ１，Ｑ３のベース端子にそれぞれ接続され、他端は、出力端子Ｙに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ２を構成するトランジスタＱ２，Ｑ４のベース端子にそれぞれ接続される。同様に、ブリッジ整流回路ＢＲ２の一端は、出力端子Ｘに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ３を構成するトランジスタＱ６，Ｑ８のベース端子にそれぞれ接続され、他端は、出力端子Ｙに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ４を構成するトランジスタＱ５，Ｑ７のベース端子にそれぞれ接続される。
【００３７】
つぎに、図２を用いて、この回路の動作について説明する。同図において、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１０のベース端子に入射して受光素子Ｑ１０がオンとなると、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ａ→トランジスタＱ１→ダイオードＤ１１→受光素子Ｑ１０→ダイオードＤ１２→トランジスタＱ２→固定子巻線Ｅの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ１、ダイオードＤ１を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ２、ダイオードＤ２を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｘを正極側とし、出力端子Ｙを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００３８】
また、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１０のベース端子に入射して受光素子Ｑ１０がオンとなると、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ｅ→トランジスタＱ４→ダイオードＤ１０→受光素子Ｑ１０→ダイオードＤ１３→トランジスタＱ３→固定子巻線Ａの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ３、ダイオードＤ３を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ４、ダイオードＤ４を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｙを正極側とし、出力端子Ｘを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００３９】
ところで、図１に示したように、発光素子３１は発光素子保持板２８の円周方向の略半周の部分にのみ配置されている。図１に示した位置では、受光素子保持板２９に保持された下半分の受光素子３２のいずれかを導通制御する。一方、図１に示した位置から半回転した位置、すなわち回転子６のＳ極が上側（Ｎ極が下側）に位置した場合には、発光素子３１は、受光素子保持板２９に保持された上半分の受光素子３２のいずれかを導通制御する。図２に戻り説明すると、ブリッジ整流回路ＢＲ１の受光素子Ｑ１０が上記でいうところの「下半分の受光素子３２のいずれか」に相当し、ブリッジ整流回路ＢＲ２の受光素子Ｑ１１が上記でいうところの「上半分の受光素子３２のいずれか」に相当する。このように、図２に示した受光回路は、上半分と、下半分の受光素子の導通制御を略半数の発光素子にて導通制御することを可能としている。
【００４０】
なお、固定子３の固定子巻線４に誘起される起電力は、回転子６のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とするとき、当該基準方向を基準とする電気角＋９０°、あるいは−９０°の位置に固定子巻線４が存在する場合に最大の起電力が得られる。したがって、発光素子の配置は、当該基準方向を基準とする電気角＋９０°の位置から、電気角−９０°の位置の間に均一に配置することが好適である。
【００４１】
上記と同様に、「上半分の受光素子３２のいずれか」に相当する受光素子Ｑ１１が導通する場合の動作についても同様に説明する。図２において、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１１のベース端子に入射して受光素子Ｑ１１がオンとなると、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ａ→トランジスタＱ５→ダイオードＤ１５→受光素子Ｑ１１→ダイオードＤ１６→トランジスタＱ６→固定子巻線Ｅの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ５、ダイオードＤ５を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＹ側に接続され、トランジスタＱ６、ダイオードＤ６を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｙを正極側とし、出力端子Ｘを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００４２】
また、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１１のベース端子に入射して受光素子Ｑ１１がオンとなると、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ｅ→トランジスタＱ８→ダイオードＤ１４→受光素子Ｑ１１→ダイオードＤ１７→トランジスタＱ７→固定子巻線Ａの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ８、ダイオードＤ８を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ７、ダイオードＤ７を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｘを正極側とし、出力端子Ｙを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００４３】
なお、図２に示す回路は、固定子巻線Ａ，Ｅに接続される受光回路の構成例について示したものであり、固定子巻線Ｂ，Ｆ、固定子巻線Ｃ，Ｇ、および固定子巻線Ｄ，Ｈについても、同等な受光回路が構成され、図２に示す受光回路と同様に、出力端子Ｘ，Ｙの各端子に接続される。
【００４４】
図３は、発光素子駆動部４０の構成例を示す図である。同図において、発光素子駆動部４０は、発光素子５５1，・・・，５５k，・・・，５５nを所定の論理にしたがって点滅発光させる発光ロジック回路４６と、商用交流などの波形情報５２や、ダイオード５３を介して入力された発電出力情報などに基づいて発光ロジック回路４６を制御するための制御信号を出力する自動利得制御機能付きの増幅器であるＡＧＣ−ＡＭＰ４５と、を備えるように構成される。
【００４５】
図３において、ＡＧＣ−ＡＭＰ４５には、例えば、商用交流波形の波形信号が入力される。ＡＧＣ−ＡＭＰ４５は、波形信号の振幅値に比例した制御信号を発光ロジック回路４６に出力する。発光ロジック回路４６は、制御信号の大小に基づいて、発光させる発光素子を切替制御することにより所望の交流出力、あるいは所望の直流出力を得ることができる。例えば、発光ロジック回路４６は、発光素子５５1，・・・，５５k，・・・，５５nの所定の発光素子を商用交流波形の波形信号周期で往復点滅発光することで商用交流に連系した交流出力を得ることができる。もし、交流出力の出力値を調整する場合には、電気角＋９０°の位置にある発光素子５５1と、電気角０°の位置にある発光素子５５kとの間の所定の発光素子と、電気角−９０°の位置にある発光素子５５nと、電気角０°の位置にある発光素子５５kとの間の所定の発光素子と、の間を商用交流波形の波形信号周期（周波数）で往復点滅発光させればよい。また、例えば、電気角＋９０°の位置にある発光素子５５1を発光制御し続けることによって、直流出力を得ることができる。
【００４６】
なお、発電出力をダイオード５３を介してフィードバックするようにしているのは、つぎの理由による。例えば、風力発電であれば回転駆動力が一定でなく固定子巻線４に発生する起電力は時々刻々と変化する。したがって、単純に発光素子を往復点滅発光するだけでは、受光回路を介して出力される発電出力は、多くの変動成分を含むことになる。したがって、この変動成分を吸収させるために発電出力をＡＧＣ−ＡＭＰ４５にフィードバックさせている。なお、この実施の形態では、発光素子や、受光素子の絶対数を明示していないが、発光素子数は受光素子数に基づいて決定され、受光素子数は発電制御域（風力発電であれば、風力発電領域）や、出力波形の平滑度、回転子や固定子の極数などに基づいて決定することができる。
【００４７】
図４は、出力端子に接続される固定子巻線の切替により直流出力が生成される原理を説明するための図である。同図に示す正弦波曲線は、任意の固定子巻線４（コイル１，２，３）に発生する起電力を示している。例えば、図３において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1を常時発光制御し続けるとすれば、図４に示される正弦波曲線おいて、ピーク値となるＰ１，Ｐ２，Ｐ３点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ１で示される直流出力が得られる。また、図３において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1と、電気角０°に相当する発光素子５５kとの間の特定の発光素子のみを常時発光制御し続けるとすれば、ピーク値から下がった点のＳ１，Ｓ２，Ｓ３点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ１よりも出力電圧を低下させた波形Ｋ２で示される直流出力が得られる。
【００４８】
また、図５は、出力端子に接続される固定子巻線の切替により交流出力が生成される原理を説明するための図である。同図に示す正弦波曲線は、回転子６に接続される風車７が電源周波数の１／２の速度で回転している場合に任意の固定子巻線４（コイル１，２，３）に発生する起電力を示している。このとき、図３において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1から、電気角−９０°に相当する発光素子５５nとの間の発光素子を電源周波数に同期させて往復点滅制御すれば、図４に示されるコイル１，２，３，・・・の各正弦波曲線おけるＲ１，Ｒ２，Ｒ３，・・・の各点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ３で示される電源周波数に同期した交流出力が得られる。
【００４９】
また、発光素子保持板２８と、受光素子保持板２９とは受光素子や、発光素子の配列密度に応じて、可能な限り略近距離に対面配置することが好適である。そのような配置にすれば、受光素子や、発光素子が高密度に配列された場合であっても、上述のような非接触による光結合を確実に得ることができる。
【００５０】
ところで、この実施の形態の発電装置では、図１に示したように、発光素子保持板２８の円周方向に沿って、回転子６の磁極方向を基準とする電気角９０°〜２７０°の範囲内に発光素子３１を配列するようにしていたが、発光素子保持板２８の円周方向の全周にわたって配列することも無論可能である。この場合、磁極方向を基準とする電気角９０°と２７０°とを結ぶ直線に対して相互に対照位置となる発光素子同士を接続するように構成することで、この実施の形態の発電装置と同等の機能を実現することができる。また、この場合、発光素子駆動部４０は、上述したような往復点滅発光制御に代えて、回転方向に沿って、順次、発光制御するような回転点滅発光制御を行うようにすればよい。
【００５１】
以上説明したように、この実施の形態の発電装置によれば、発光素子と受光素子とが備えられ、回転子の回転に基づいて起電力を発生する固定子巻線に接続された受光素子が所定の周期で導通するように、所定の発光素子を発光制御するようにしているので、回転駆動力の大小にかかわらず系統同期発電が可能となり、また、インバータ等の変換器を用いていないので、回転エネルギーの有効利用が可能となる。
【００５２】
なお、この実施の形態では、固定子３に巻回された固定子巻線４の各端子と、所定の出力端子との間の接続を、発光素子と受光素子とによる光学的結合手段によって非接触的に実現しているが、この光学的結合手段に限定されるものではない。例えば、ホール素子と、電磁石などの磁気発生手段とによる磁気的結合手段を用いてもよい。この場合、発光素子の代わりに電磁石を配置し、受光素子の代わりにホール素子を配置することで、順に励磁された電磁石の磁界をホール素子に作用させることでホール素子に所定の電圧を発生させることができる。この所定の電圧に基づいてトランジスタなどのスイッチング素子を制御させれば、上述の受光回路と同等の機能を実現することができる。
【００５３】
また、この実施の形態の発電装置では、回転子６と一体回転する複数のスリップリング１０と、スリップリング１０のそれぞれに回転接触するように固定配置されたブラシ１２とが備えられ、これらのスリップリング１０およびブラシ１２を介して、発光素子駆動部４０が所望の発光素子３１を発光させるようにしているが、この構成に限定されるものではない。例えば、発光素子駆動部４０の発光ロジック回路４６を発光素子保持板２８上に構成し、発光素子保持板２８上に保持された発光ロジック回路４６が所望の発光素子３１を制御するようにしてもよい。この場合には、ブラシ１２およびスリップリング１０の数は発光素子数分ある必要はなく、一対のブラシ、一対のブラシに回転接触する一対のスリップリングが構成されていればよい。
【００５４】
また、この実施の形態の発電装置では、回転子６を一対のマグネットで構成しているが、マグネットに限定されるものではなく、回転子６に巻回されて直流励磁される直流励磁巻線を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明は、回転駆動力の大小に依存しない発電装置として有用であり、特に、回転駆動力が変化する風力発電や、水力発電などに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる発電装置の模式的構成図である。
【図２】受光部２５の受光回路の回路構成例を示す図である。
【図３】発光素子駆動部４０の構成例を示す図である。
【図４】出力端子に接続される固定子巻線の切替により直流出力が生成される原理を説明するための図である。
【図５】出力端子に接続される固定子巻線の切替により交流出力が生成される原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
３  固定子
４  固定子巻線
６  回転子
７  風車
１０1，１０k，１０n  スリップリング
１２1，１２k，１２n  ブラシ
１６  駆動軸
２４  発光部
２５  受光部
２８  発光素子保持板
２９  受光素子保持板
３１，３１ａ，５５1，５５k，５５n  発光素子
３２，Ｑ１０，Ｑ１１  受光素子
４０  発光素子駆動部
４６  発光ロジック回路
５２  波形情報
５３，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４，Ｄ１５，Ｄ１６，Ｄ１７，Ｄ８  ダイオード
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８  トランジスタ
【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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