(57)【要約】【課題】往復運動する物体&#8226;物質の運動、特に速度が遅い場合の力学的エネルギを効率よく電気エネルギに変換する。【解決手段】 本発明は、 速度型ではなくて、いわば変位型のエネルギ変換である。電磁現象ではなくて、静電現象によるエネルギ変換、新しい静電発電機である。一言で言えば、キャパシタの蓄電効果を利用するもので、変位を電気エネルギに変える装置である。より具体的には，キャパシタの電極板間の距離を増加することにより、力学的エネルギを電気エネルギに変換する。例えば、一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で変動させると、それぞれのキャパシタの電位差および電荷量が逆方向に変動するので、一対のキャパシタを連結する回路中に交番電流が発生する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタの電極間間隔を変動させることにより、発電する静電発電機の原理。
【請求項２】
電極間間隔を往復運動、とりわけ低速往復動運動により駆動して、往復運動の運動エネルギを電気エネルギに変換する静電発電機の原理。
【請求項３】
一対のキャパシタの電極間間隔の一方を動かし、他方を固定することを利用し、発電する静電発電機の原理。
【請求項４】
一対のキャパシタの電極間間隔のそれぞれを逆位相で動かし、発電する静電発電機の原理。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタの静電気的な蓄電現象を用いて往復運動エネルギを電気エネルギに変換する装置の原理に 関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の運動エネルギから電気エネルギへのエネルギ変換は、電磁現象を利用するものが殆どで、運動する物体&#8226;物質が高速で変位あるいは回転することが前提となっている。しかし、自然エネルギからの発電、特に波力や潮汐のようなものは、運動する物体&#8226;物質の速度が極めて遅い。従来のエネルギ変換を使用するためには、低速運動を高速運動に変換せざるを得ず、エネルギ損失の元になる。振動流体運動エネルギから電気エネルギへの変換には，電磁現象を利用すると、一般的に低速直線運動を高速回転運動に変換せねばならない。この際にタービンを用いるが、この段階で発生するエネルギ損失は極めて大きい。また，自然エネルギ特有のエネルギ変動に対する追随能力も十分でない。
【０００３】
低速運動する物体&#8226;物質に適したエネルギ変換の問題点を解決する。速度型ではなくて、いわば変位型のエネルギ変換である。本発明は，電磁現象ではなくて、静電現象によるエネルギ変換、新しい静電発電機である。一言で言えば、キャパシタの蓄電効果を利用するもので、変位を電気エネルギに変える装置である。より具体的には、キャパシタの電極板間の距離を増加することにより、力学的エネルギを電気エネルギに変換する。電気２重層キャパシタを用いると、キャパシタの電気容量が飛躍的に増加するので、キャパシタを利用する静電発電が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
なし
【非特許文献】
【０００５】
なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の運動エネルギから電気エネルギへのエネルギ変換は、電磁現象を利用するものが殆どで、運動する物体&#8226;物質が高速で変位あるいは回転することが前提となっている。このような方式は、低速運動する物体&#8226;物質のエネルギ変換に適さない。この問題点を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、 速度型ではなくて、いわば変位型のエネルギ変換である。電磁現象ではなくて、静電現象によるエネルギ変換、新しい静電発電機である。一言で言えば、キャパシタの蓄電効果を利用するもので、変位を電気エネルギに変える装置である。より具体的には、キャパシタの電極板間の距離を増加することにより、力学的エネルギを電気エネルギに変換する。電気２重層キャパシタを用いると、キャパシタの電気容量が飛躍的に増加するので、キャパシタを利用する静電発電が可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
低速で運動する物体&#8729;物質の運動エネルギを効率よく変換できる。また、潮汐や波力などの低速で変動の大きな自然エネルギの高効率のエネルギ変換を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は平行平板キャパシタの説明図である。以下の説明で必要な記号とその説明および単位を表１に与えている。
【図２】図２はキャパシタの等エネルギ線図の説明図である。
【図３】図３は状態遷移図の説明図である。
【図４】図４は一対のキャパシタの内、一つだけが電極板間隔を動かし、他は固定される場合の静電発電機の原理検証のための説明図である。
【図５】図５は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合の、静電発電機の原理検証のための回路図の説明図である。（実施例１）
【図６】図６は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合の、静電発電機の原理検証のための機構の説明図である。（実施例２）
【図７】図７は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、電極板間隔とその速度変動の説明図である。(計算値)
【図８】図８は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、キャパシタ電位差変動の説明図である。(計算値)
【図９】図９は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、キャパシタ電荷量変動の説明図である。(計算値)
【図１０】図１０は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、計算で得られた電流変動の説明図である。(計算値)
【図１１】図１１は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、抵抗値が平均電気出力パワ、 平均力学的入力パワに及ぼす影響の説明図である。(計算値)
【図１２】図１２は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、ベース電圧が平均電気出力パワ、 平均力学的入力パワに及ぼす影響の説明図である。(計算値)
【図１３】図１３は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、電極板間隔の変動振幅が平均電気出力パワ、 平均力学的入力パワに及ぼす影響の説明図である。(計算値)
【図１４】図１４は一対のキャパシタの電極板間隔を逆位相で動かす場合に、電極板間隔の変動周期が平均電気出力パワ、 平均力学的入力パワに及ぼす影響の説明図である。(計算値)
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電極板間隔が変動可能なキャパシタを用いて、力学的エネルギを電気的エネルギに変換する基本原理をキャパシタの状態遷移により説明する。
【００１１】
図１は平行平板キャパシタの図解である。対向する極板間に電圧を書けると、電極板間に電荷が蓄えられる。
【００１２】
電極の面積S、電極板間の間隔Δ、誘電率ε、蓄電量Q、電極板間電圧V、電気容量C、蓄電エネルギU、電場E、電極板に作用する電気力Fなどの関係式は数式１〜５で与えられる。
【００１３】
静電発電の基本原理を（Δ，E ）状態図 を用いて説明する。（Δ，E ）状態図における蓄電エネルギUの等高線図を図２に示すが、図中の矢印の方向に示されるように、 U が大になると共にエネルギ等高線の勾配が険しくなる。（Δ，E ）状態図で図３に示されるような状態遷移を考える。
【００１４】
ステップ１：（Δ０，E０ ）からスタートする。外部電気回路と遮断して、すなわち蓄電量Qが数式６で与えられるQ０に等しい条件の下で、数式７で与えられる外力Fを加えてΔがΔ０からΔ１になるまで電極板間隔を大にする。外力がする数式８で与えられる仕事量Wの分だけ蓄電エネルギU が大になる。電圧Vは数式９で与えられるV０からV１に上がる。すなわち、数式１０で表わされる状態の遷移が起きる。
【００１５】
ステップ２：ΔがΔ１に等しい条件の下でE がE ２になるまで外部電気回路に電気を放出する。放出される電気エネルギは数式１1で与えられ、 蓄電エネルギは式１2で与えられるU ２に下がる。電圧は式１3で与えられるV２に、電気量は数式１4で与えられるQ２に下がる。すなわち、 数式１５で表わされる状態の遷移が起きる。
【００１６】
ステップ３：外部電気回路と遮断して、すなわちQがQ２に等しい条件の下で、数式１６で与えられれる外力F２を運動と逆方向に加えてΔがΔ０になるまで電極板間隔を小にする。この時、外部に数式１７で与えられる仕事W２ をする。蓄電エネルギUは数式１８で与えられるU２に下がる。電圧はVは数式１９で与えられるV３に下がる。すなわち、 数式２０で表わされる状態の遷移が起きる。
【００１７】
ステップ４：ΔがΔ０に等しい条件の下でQ がQ０になるまで外部電気回路から電気を供給する。EがE０に戻る。外部から供給される電気エネルギは数式２１で与えられる。電圧は数式２２で与えられるV０に戻る。すなわち、 数式２３で表わされる状態の遷移が起きる。
【００１８】
ステップ１〜４で元の状態に戻るが、この間になされる外力による正味の仕事量と外部に供給される正味の電力とは等しい。何故ならば、外部からされる正味の仕事は、ステップ１で外部からされる仕事からステップ３で外部にする仕事を引いたものである。一方。外部に供給される正味の電気エネルギ は、ステップ２で放出した電気エネルギ からステップ４で供給した電気エネルギを引いたものであり、外部からされる正味の仕事と外部に供給される正味の電気エネルギが等しいことが簡単に示されるからである。すなわち、力学的仕事が１００％電気エネルギに変換される。
【実施例１】
【００１９】
図４に示されるように、初期的に蓄電された一対のキャパシタを有する装置を考える。一方の電極板間隔を周期的に変動させると、極板間電圧が変動するので回路に交番電流が発生する。電極板を運動させるためには、外部からの仕事が必要であるが、この仕事に見合う電力が発生し抵抗で消費される。
【実施例２】
【００２０】
図５の回路図 に示されるように、初期的に蓄電された一対のキャパシタを有する装置を考える。一対の電極板の間隔を逆位相で周期的に変動させると、一方の電極板間電圧が上昇するとき他方の電極板間電圧が下降するので、回路には交番電流が発生する。電極板を逆位相で駆動する機構は図６に示されている。電極板を駆動するためには、外部からの仕事が必要であるが、この仕事に見合う電力が発生し抵抗で消費される。
【００２１】
実施例２に関する電気回路の数式モデルは、数式２４〜２９で与えられる。電極板間の間隔は数式２７で与えられているので、数式２９の電極板間電位差を未知数とする連立常微分方程式を数式３０で与えられる初期条件で解くとことにより、電気回路のシミュレーションができる。平均電気出力、平均力学的入力などは、数式３１により求める。計算例に用いたパラメータの値を表２に与えている。シミュレーション結果を図７〜図１４に示す。電極板間隔を逆位相で駆動することにより、駆動運動エネルギが電気エネルギに変換されることが検証されている。
【００２２】
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【数７】
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【数８】
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【数９】
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【数１０】
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【数１１】
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【数１２】
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【数１３】
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【数１４】
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【数１５】
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【数１６】
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【数１７】
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【数１８】
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【数１９】
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【数２０】
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【数２１】
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【数２２】
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【数２３】
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【数２４】
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【数２５】
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【数２６】
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【数２７】
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【数２８】
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【数２９】
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【数３０】
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【数３１】
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【００２３】
【表１】
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【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００２４】
波力発電&#8226;潮汐発電のような往復動運動、とりわけ低速往復動運動の力学的エネルギを高い効率で電機エネルギに変換するエネルギ変換装置を提供する。人力&#8226;畜力による発電のような用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００２５】
１    電極板
２    電池
３    電位差
４    間隔
５    ＋電荷
６    −電荷
７    キャパシタ０
８    キャパシタ１
９    抵抗
１０  電流
１１  運動
１２  動０
１３  運動１
１４  ストッパー
１５  格納室
１６  海底
１７  駆動棒０
１８   駆動棒１
１９  連結棒
２０  駆動力
【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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