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オルタネータの人力発電への利用の検討
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2019.2.3
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1.目的：人力発電に自動車に使われているオルタネータが使えるかどうか検討する。
2.検討の概要
これまで人力発電には独自に開発したコアレス発電機を用いて検討してきたが、自動車用オルタネータが使用できればシステムのコストダウンになるので検討に値すると思い検討に着手した。
オルタネータはエンジン回転に常に連動していて、発電電力はバッテリに充電されるほか、搭載している電装品に電力を供給する。バッテリに充電するために、発電電圧は内装のレ
ギュレータで適正値に制御されている。発電電圧は励磁電流の大きさで制御できる。励磁電流が大きくなれば、電圧が上がり、小さくなれば下がる。内装のレギュレータは常
にバッテリ電圧を監視していて、所定の電圧（鉛バッテリの充電終止電圧）に達すると、それ以上発電電圧が上がらないよう励磁電流を制御する。
検討には軽自動車用の解体品のオルタネータを4個用いた。解体品であるため、使えるもの、使えないものがあることを前提として進めた。供試オルタネータの写真をfig.1に示
す。
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No.1
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No.2
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No.3
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No.4
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Fig.1
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3.人力発電に適した発電機の特性について
(1)
人力発電を非常用電源として用いることを前提とすれば、むやみに大きな発電電力を求める必要はない。これまでの検討結果、連続してペダルが漕げる負荷は10〜20Wであ
ると考えられる。従って、発電機の容量は50Ｗ程度で十分と云える。なお、参考のために最大発電電力がどの位であるかは、人力発電にチャレンジを参考にされたい。
(2)発電機の回転数は出来るだけ少ない方がよい。人力発電の場合、自転車のペダルを漕いで、発電機を回すのが一般的だが、ペダル回転数では不足で増速する必要がある。
(3)増速方法はいろいろあるが、増速比が大きい程損失が大きくなる。1：10〜20以下にしたい。一例として、私が開発した小型コアレス発電機の場合、800ｒｐｍで38Ｗ、900
ｒｐｍで48Ｗを得ている。
（1） 発電電力はそのまま利用するには変動が大きすぎるので、バッテリに充電する必要がある。オルタネータは、もともとバッテリに充電することを前提に充電電圧を制御している.
ので、外部に余分な制御回路を必要としない。前述のコアレス発電機の場合、発電電圧は回転数に比例して大きくなるため、バッテリに充電する場合には、出力電圧を調整で
きるコンバータが必要となる。
4.テスト回路とその状況
Fig.2にテスト回路を示す。また、fig.3にテスト状況を示す。
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Fig.2
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Fig.3
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5.テストデータ
テストにはＮｏ.2試料を用いた。
5-1 バッテリ接続、ランプ負荷なし の場合
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回転数 rpm
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発電電圧（バッテリ端子電圧）Ｖｄｃ
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充電電流 Ａｄｃ
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発電電力 Ｗ
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摘要
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1050
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12.35
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0.34
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4.0
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1050ｒｐｍで発電開始これ以下の回転数では発電しない。
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1078
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12.49
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1.00
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12.7
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1106
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12.64
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1.60
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21.0
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1154
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12.85
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2.70
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35.5
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1200
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13.13
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3.77
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49.5
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1260
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13.45
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5.16
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70.0
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1336
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13.89
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6.75
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95.0
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1410
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14.25
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7.80
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118.0
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1410rpm以上で発電電圧14.26V一定
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1500
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14.26
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7.50
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106.0
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1618
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14.26
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7.45
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107.0
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1735
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14.28
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7.40
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105.0
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要点
（1） 発電電力としては十分な出力が得られる。
（2）1050rpm以下では発電しない。
（3）1410rpm以上で発電電圧は14.26Vでクランプされる。
5-2 バッテリ接続、白熱電球100V100W負荷接続
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回転数 rpm
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発電電圧 Vｄｃ
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負荷電流 Adc
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発電電力 W
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摘要
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1315
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13.95
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5.90
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83.0
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電球負荷なし
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1315
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12.68
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7.80
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100.0
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電球負荷ON 1分後
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1315
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12.35
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9.90
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110.0
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同上 3分後
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1315
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12.45
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8.70
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108.0
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同上 10分後
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要点
（1）100Wの負荷を接続するので、これに見合う発電になる回転数でテストした。
（2）電球負荷なしで1315rpmで稼働し100W電球を接続すると、回転数が落ちるので、1315rpmになるよう回転数を上げる。切替1分後の発電電力は100Wである。発電電圧（バッテリ端子
電圧）は12.68〜12.45Vでほぼ安定している。これは発電電力の殆どすべてが負荷で消費されていることを意味する。
6.考察
（1） 発電電力は負荷の大きさ、バッテリの充電状態などによって変わる。従って上記の計測値は一例として取り扱う必要あり。
（2） オルタネータは回転数が1050rpm以上でないと発電しない。ペダルを1回転/秒（60rpm）で踏んだ時、1050ｒｐｍオルタネータを回すには増速比を1：17.5以上にする必要がある。
4個の試料中3個はほぼ同じ特性を示した。1個はNG品。
（3）制限電圧が14.26Vと少し高いが、バッテリ充電には問題はないと思われる。
（4）トルクメーターを用いて、増速機、オルタネータの効率を測定すべきだが、今回は行っていない。
7.結論
（1）発電能力としては100W以上発電できるので、人力発電用としては十分である。
（3） 増速比が1：17.5以上の損失の少ない増速機であれば、人力発電に利用できそうだが、もう少し検討を要する。なおタイヤ径26インチの自転車のタイヤにオルタネータのプーリーを接触
させる方法（シャーシダイナモ方式）をとれば、1：20の増速比が得られる。これについては別途報告する。
以上
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