(57)【要約】【課題】  自然エネルギーを用いた発電機を提供することが課題である。【解決手段】  本発明は、家庭のベランダ、庭等、平均的に強い風速を望めない場所に設置する風力発電機、または谷戸の湧水を水源とするような低落差、小水量で稼働する水力発電機において、低入力電圧対応の小出力の電圧変換回路と高入力電圧対応用で大出力用電圧変換回路を備え、低入力時（低風速時もしくは小水力時が対応）には、低入力電圧対応の電圧変換回路の出力電圧を高入力電圧対応電圧変換回路の入力電圧として使用する回路構成とする。高入力対応電圧変換回路の入力仕様以上の電圧となった場合には低入力電圧対応の電圧変換回路の入力を開放する構成とした、風力、水力など自然エネルギーを利用した発電装置である。【選択図】  図１
2017204940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧を所望する電圧に変換する第1の電圧変換回路と、
前記電圧変換回路の入力回路であってダイオードを挿入された入力回路と、
前記出力電圧を所望する電圧に変換する第2の電圧変換回路と、
前記第2の電圧変換回路の出力回路であってダイオードのカソード側に接続された出力回路を有することを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、
当該発電機の動力は、風力ないし水力であることを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の発電機において、
さらに、当該発電機の出力電圧を監視する電圧検知回路を設け、当該電圧検知回路は、前記出力電圧が所定の電圧以上になると前記第2の電圧変換回路を電気的に切り離すことを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギーたる風力を利用する発電機やベランダ、家庭の庭等、平均的に強い風速を望めない場所に設置する風力発電機に関する。さらに、自然エネルギーたる水力を利用する発電機、特に、谷戸の湧水等を水源とする多くの水量を望めない場所に設置する水力発電機織内での申請業務を効率化するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、自然エネルギーの見直しがなされ、水力発電装置等の自然エネルギー利用の発電機の提案がなされている
例えば、特許文献１では、開放通風形の水力発電所１１の側壁には、吸気口１５と排気口１８が設けられており、吸気口１５には異物の所内への侵入を阻止するためフィルタ１４を設置し、この吸気口１５に風力発電機２０を装着する水力発電機や、吸気口１５のフィルタ１４の内側に設置する風力発電機が提案されている。
【０００３】
また、図１、図2、図3において、風力発電機および水力発電機に関する別の従来技術を説明する。風力発電機と水力発電機の違いは発電機を駆動する駆動体が異なるのみで本特許技術に関する内容については同一なので説明は風力発電機を主に説明する。図1（イ）が風力発電機の構成図、図1（ロ）が水力発電機の構成図である。
【０００４】
図1（イ）で‘１’は風力を回転運動に変換するものここではプロペラ、  ‘2’は発電機、  ‘3’は電圧変換回路、  ‘4’は、逆流防止用ダイオード、  ‘5’は、バッテリーとする。
プロペラ’1’に風が→方向に吹くとこれが回転し、連結している発電機’2’も回転し、発電機端子に交流電圧（VG）が発生する。この電圧を制御回路’3’において直流に変換し、バッテリー‘5’の充電電圧（V1）に変換する。この電圧（V1）を逆流防止ダイオード’4’を通してバッテリー’5’を充電する。
【０００５】
図2は、風力により得られるエネルギーを風速-出力のグラフで表したものである。
（本表は松本文雄著「手作り風車ガイド」より引用）
風力による発電出力は、風速の3乗に比例することは良く知られているが、一般の住宅地においては山、海上のように強い風は台風等特別な場合を除き吹かず平均0〜5m/sの弱い風であることが殆どである。
【０００６】
図2にて、理論的には曲線Bで示すように2m/sの風で1.6W、4m/sの風で13Wの出力が得られるはずである。曲線Aは、電圧制御回路’3’の風速-出力電圧特性を示す。電圧制御回路’3’は出力定格（風速10m/sでの出力電力200W）で設計されているので、風速4m/s未満では羽根’1‘は回転していても電圧制御回路が動作に至らない。風速4m/s以上の風速になると正常に動作する。つまり2m/s〜4m/s未満の風速での風のエネルギーは僅少な値ではあるがまったく利用されていないことになる。家庭近傍の環境では、この値の風速が最も多い時間を占める記録がある(浜松測候所記録)
図3は、従来構成の電圧制御回路である。発電機の出力電圧（VG）交流を端子’17’,’18’に印加すると’6’,’7’,’8’,’9’で構成する整流回路にて整流し、整流した電圧をコンデンサ’10’にてフィルターしリップルの少ない直流電圧にする。この電圧をリアクトル’11’、開閉素子’12’とダイオード’13’、コンデンサ’14’で構成するブーストアップ回路にてバッテリー‘5’の充電電圧（V1）まで昇圧する。’15’,’16’は電圧制御回路’3’の出力電圧(V1)の出力端子である。開閉素子’12’は、出力電圧V1の電圧を一定となるよう’19’の制御回路にて制御されている。従来例の制御回路に使用している部品は最大出力定格、この例では200Wに対応するように選定された部品である。よって風速の下位領域(4m/s未満)では、正常に動作しない。次に図１（ロ）において水力発電機の従来技術の構成を説明する。図１（ロ）で’30’は、水車本体(ランナー)、‘31’は水を受けるパケットである。パケット’31’に水が落下するとこれの重力により’30’ランナーが回転し、連結している’2’発電機を回転させ電圧を発生させる、以降は風力発電機と同一であるので説明は省略する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2004-197626号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、水源との高低差を利用する水力による発電出力は、水量と落差に比例することは良く知られているが、谷戸の湧水を水源として利用する場合、湧水による一定の水量は小量（測定した湧水量は0.7リットル/秒）である、降雨等によるものは多量の水量（同一点での測定では2リットル以上/秒）が見込める。小水量での発電機出力電圧は4V以下の低電圧、大水量での発電機出力電圧は4V超の高電圧となるので、低電圧より高電圧まで発電可能となるよう単一な回路構成で行うとすれば、低電圧（2V以下）で動作する特殊な部品で構成することになり高価なものとなる。また大水量に合わせた部品、回路構成をとると、コストパフォーマンスの良い機器を製作することが出来るが小水量における発電可能なエネルギーが利用されないことになる。これは水力発電機の特徴である一定水流以上での連続発電可能という利点が失われる。このように自然エネルギーを利用する発電機は、発電可能なエネルギー幅が広いので低コストで広いエネルギー幅を有効に利用できる構成がなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、低入力電圧に対応した小出力の電圧制御回路を備え、小出力の電圧制御回路の出力電圧を従来の大出力用電圧制御回路の入力電圧として利用することにより低風力時においても大出力用の電圧制御回路を動作させることができ、風力/水力を有効に利用することが可能となる。
しかし、少出力の電圧制御回路(低入力電圧に対応)は、高い入力電圧に対応していないことが多い（出力電圧を超える電圧では破損する等の致命的問題が発生する恐れがある）、および発電機の出力電圧が従来構成による電圧制御回路の最低入力電圧以上の場合、従来通りの回路構成で良いので小出力の電圧制御回路は切り離して使用することが必要。この切り離し電圧を判定する判別回路を別途設置し発電機出力電圧が設定電圧を超える電圧を発生の場合これを検知し、判別回路を動作させ、小出力回路を切り離し本小出力回路を保護する構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
日本の住宅地において吹く風の平均風速は、1〜4m/sという測定結果があるため、本発明によれば、住宅地等においての風力エネルギーを最大限利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の従来技術を説明する図（その１）
【図２】本発明の従来技術を説明する図（その２）
【図３】本発明の従来技術を説明する図（その３）
【図４】本発明の一実施形態における制御回路を示す図
【図５】本発明の一実施形態の出力特性を説明する図
【図６】本発明の一実施形態における風力発電機の構成図（その１）
【図７】本発明の一実施形態における風力発電機の構成図（その２）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図4、図5、図6、図7を用いて、発明の実施形態を説明する。風力発電機も水力発電機も発電機の駆動エネルギーが異なるのみで発電機以降の構成は同一であるので風力発電機を実施例として以下記述する。
【００１３】
図6で‘１’は風力を回転運動に変換するものここではプロペラ、‘2’は発電機、‘3’は電圧変換回路、‘4’は、逆流防止用ダイオード、‘5’は、バッテリーである。
【００１４】
プロペラ’1’に風が→方向に吹くとこれが回転し、連結している発電機’2’も回転し、発電機端子に交流電圧（Vg）が発生する。この電圧(Vg)を図4の端子’17’,’18’に印加する。この交流電圧をダイオード’6’,’7’,’8’,’9’で構成する整流回路にて整流しこれをコンデンサ’10’にて平滑し直流電圧とする。この電圧をダイオード’20’を順方向に接続しリアクトル‘11’、開閉素子’12’、ダイオード’13’、コンデンサ’14’、開閉素子’12‘の制御を行う安定化制御回路’19‘で構成するブーストアップコンバータ回路1に加える、ブーストアップコンバータ回路1の出力電圧（V1）を端子’15‘、’16‘を経由してバッテリー’5‘に印加する。バッテリー’5’の充電電圧（V1）はバッテリーが満充電状態の場合、安定化制御回路’19’より開閉素子’12’のＯＮ/OFFの比率を制御することにより一定（13.5V）に制御されている。*充電中の場合は、充電状態により電圧は異なる。
【００１５】
また同様にリアクトル’22’、ダイオード’24’、開閉素子’23’、コンデンサ’25’、開閉素子のON/OFFの比率を制御する安定化制御回路’26’により構成したブーストアップコンバータ回路2に発電機の出力電圧（Vｇ）を整流し濾波した直流電圧（Vg1）を印加する。
【００１６】
ブーストアップコンバータ回路2は小出力回路として選定された部品により設計・構成されているので本回路での入力電圧(Vg1)と出力電圧の関係を図5に示す。図5で特性Cは風速-発電機出力電圧（Vg）および特性Dは風速-ブーストアップコンバータ回路2の出力電圧を示している。ブーストアップコンバータ回路2の入力電圧の最小入力仕様が0.7Vであるものを使用すると、曲線Cより、風速2.5m/sで発電機出力Vg1=0.8V,であるので、ブーストアップコンバータ回路2の出力電圧が5Vとなる。図5の曲線Dで示す。この電圧をブーストアップコンバータ回路1の入力電圧となるようダイオード’20’のカソード側に接続する。ブーストアップコンバータ回路1の最小入力電圧仕様は4Vのものとするとブーストアップコンバータ回路1が動作し出力電圧V1（13.5V）を出力する。図5の特性AのE2点で示してある。ダイオード’20’は入力電圧Vg,1＜5Vの場合、発電機側に逆流しないようにするための働きを行う。発電機電圧Vg1が5Vを超えるときには発電機電圧Vg1が直接ブーストアップコンバータ回路1により規定電圧V1（13.5V）に昇圧され、ブーストアップコンバータ回路2は不要となる。ブーストアップコンバータ2の入力を切り離すために、ブーストアップコンバータ2の入力端子とダイオード’20’のカソード間に切り離し用部品（リレー接点‘21-1’）を挿入する。
【００１７】
発電機電圧（Vg1）を検出回路‘21-2’に入力する、この回路は規定の電圧の上下を判定し、規定電圧を超えると回路出力がＯＮとなり切り離し用部品(リレー接点’21-1’)がブレーク側に動作する、逆に規定電圧より下の場合、回路出力がＯＦＦとなり切り離し用部品(リレー接点’21-1’)がメイク側に動作する。
【００１８】
なお、切り離し用部品としてリレーで説明したが、同様機能を持つ半導体で構成されたものでも良い。また、バッテリーとして鉛バッテリーを使用して説明しているので出力電圧は13.5Vとしているが他のバッテリーを使用する場合には当然ながら当該バッテリーに対応した電圧となる。
【００１９】
本実施形態によれば、具体数値的には、0以上4未満の低風速時においても出力を得ることが出来、4m/s超の高風速時にも定格出力（高い出力電力）を得ることができる。さらに、また谷戸の湧水を利用する小水量の水力発電機においても湧水量と降雨による水量の大きな変化に対しても自然のエネルギーを有効に利用可能となる。
【符号の説明】
【００２０】
1            プロペラ
2            発電機
3            制御回路
4            ダイオード
5            バッテリー
6,7,8,9ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017204940.tif 000005
【図４】
2017204940.tif 000006
【図５】
2017204940.tif 000007
【図６】
2017204940.tif 000008
【図７】
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