特開 2024-58731 非対称鏡像力駆動型の静電発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024058731

(43)【公開日】2024-04-30

(54)【発明の名称】非対称鏡像力駆動型の静電発電機

(51)【国際特許分類】

   H02N 1/08 20060101AFI20240422BHJP

【ＦＩ】

H02N1/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022166006

(22)【出願日】2022-10-17

(71)【出願人】

【識別番号】398055026

【氏名又は名称】酒井 捷夫

(74)【代理人】

【識別番号】100198373

【弁理士】

【氏名又は名称】江畑 耕司

(72)【発明者】

【氏名】酒井 捷夫

(57)【要約】

【課題】電荷搬送体に高電位充電電極と異極性の電荷を帯電させ、該電荷搬送体と充電電極との間に生じる後退鏡像力よりも、該電荷搬送体とその先にある電荷回収電極との間に生じる前進鏡像力の方が大きくなる非対称鏡像力現象を利用して該電荷搬送体を駆動し前進させ、前記電荷搬送体が前記回収電極に到達した時点で保有する余剰エネルギーで、該帯電電荷を電気的により高いポテンシャルまで持ち上げる非対称鏡像力駆動型静電発電機において、現状で利用可能な3.5kV以下のエレクトレットを高電位充電電極として使用可能にすること。
【解決手段】充電電極と回収電極との間隔を適正化することで、余剰エネルギーを増大させることで達成した。
【効果】余剰エネルギーが増大した結果、より低い電位のエレクトレットが使用可能になった。
【選択図】図２０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電位を有する高電位源と、電荷回収電極と、前記高電位源から電荷回収電極へ進行し、その進行方向に直角な軸に対して前後非対称の形状を有する導電性の電荷搬送体とからなり、
高電位を有する前記高電位源に前記電荷搬送体を接近させ、同時にこれを接地することで、前記高電位源と異極性の電荷を該電荷搬送体に充電させて帯電し、前記電荷搬送体と高電位源電極との間に生じる後退鏡像力よりも、前記電荷搬送体と前記電荷回収電極との間に生じる前進鏡像力の方が大きくなる非対称鏡像力を生じさせ、該後退鏡像力と該前進鏡像力との差で該電荷搬送体を駆動し、且つ前記帯電電荷を電気的により高いポテンシャルまで持ち上げ、前記電荷回収電極で回収して発電する非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、 高電位源の電位を2kV以上とする静電発電機。

【請求項2】

請求1において、前記高電位源と前記回収電極の間隔を、出力が最大となる間隔の前後近傍とする静電発電機。

【請求項3】

請求項１において、前記高電位源と前記回収電極の間隔を、前記電荷搬送体の幅の約10±2.5倍とする静電発電機。

【請求項4】

請求項１において、前記高電位源と前記回収電極の間隔を約7.5±2mmとする静電発電機。

【請求項5】

請求項1において、前記高電位源と前記回収電極の間に複数の電荷搬送体が入れる静電発電機。

【請求項6】

請求項１において、前記回収電極に替えて接地電極を置いた静電モータ。

【請求項7】

請求項５において、前記高電位源と前記接地電極を直線的に配置した静電加速器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、その進行方向に直角な軸に対し前後非対称な形状を有する電荷搬送体に帯電電荷を保持させ、該帯電電荷に作用する鏡像力の強さが、該進行方向の前後で異なる現象（以下非対称鏡像力という）を利用して得た非対称な鏡像力をその駆動力とする静電発電機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

地球の温暖化と、環境問題を解決するために、二酸化炭素を発生しない発電方法がいろいろと実施されている。例えば、原子力発電、太陽光発電、風力発電等である。しかしながら、これらは、安全性、安定性、コスト、及び耐久性、並びに小型化等の観点で難がある。
他方、静電発電機は、製造、使用、及び廃棄を通じて危険性はなく、又、天候、発電時刻に左右されず、発電量は常時安定である。
更に、小型化も容易なため、蓄電器や送電線も不要である。更に、エネルギーの補給やメンテナンスも略不要であり、長い（約１００年）寿命を有し、低コストでできる電源である。

【0003】

かかる静電発電機は、低電位の電荷注入電極（以下注入電極という）で、電荷を電荷搬送体に注入し、電界においてこれに作用する静電力に逆らって、該電荷搬送体を高電位の電荷回収電極（以下回収電極という）まで搬送し持ち上げ、そこで、搬送した電荷を回収するものである。
ただし、バンデグラーフの静電発電機では、電荷搬送体を静電力に逆らって搬送するために機械力（電気モータ）を使用しており、該電気モータで消費される電力が、生成される電力よりも大きいため、高電位（100万ボルト）発生装置ではあるが発電機とは言えない。

【0004】

これに対して、非対称静電力を利用して電荷搬送体を低電位から高電位まで引き上げる駆動力とする静電発電方法が提案されており（特許文献１～５）、非対称鏡像力を駆動力として使用する物がある。以下これを簡単に説明する。

【0005】

図１に示すように、点電荷1が、接地された導電性の平板2から距離ｒにあるとき、該点電荷1には、下記（１）式で計算される静電気力（静電力）が働く。これが鏡像力に相当する。

F = ｑ²/4πε₀(2r)² (１)

尚、電荷は、点電荷または球状帯電体として説明されるが、非球状の帯電体でも同様に鏡像力が発生する。
ここで、帯電体の形状が対称形であれば、該帯電体が移動する電界の向きが反転しても、電荷に作用する鏡像力の強度は変わらないが、非対称形状の場合は、該電界が反転したとき、その強度は大きく変わる（非特許文献１、２）。

【0006】

例えば、図２に示した横置き樋型の電荷搬送体４の帯電量が1μCで、接地された導体板２との距離が1.0mmのとき、開口部を接地導体板２に向けたときは、該搬送体４に作用する鏡像力は32.4Nで、逆に底面を接地導体板２に向けたときは69.0Nになることが二次元差分法のシミュレーションで明らかになった。以下、この現象を非対称鏡像力と言う。

【0007】

この非対称鏡像力を電荷搬送体の駆動力とする静電発電機の基本構造を図３に示す。主要部品は、充電電位源３（例えば、充電電極または充電エレクトレット）、横置き樋型の電荷搬送体４と、回収電極５のみである。但し、実際の装置には、そこに、回収電極コンデンサー６、電荷を注入する導電性端子７と、電荷を回収する導電性端子８が加わるが、以下、簡略化のため、主に主要部品のみについて説明する。

【0008】

電荷搬送体４が、図３の左から、上下一対の充電電極（例えばエレクトレット）３の間に入り、図３に示される位置に来たとき、電荷搬送体４の上下平板４2と、上下一対の充電エレクトレット３間に、夫々空気コンデンサーが形成される。この時、電荷注入端子７により電荷搬送体４が接地されると、該空気コンデンサーへの充電電荷が、大地より電荷搬送体４に注入される。
その後、帯電された電荷搬送体４は、さらに図示右方向に進み、上下一対の回収電極５の中に入るそして、上下一対の回収電極５内に設けられ、電荷搬送体４と当接する電荷回収端子８により、該回収電極５と電荷搬送体４は電気的に連結され、帯電電荷は回収電極５を通って、回収電極コンデンサー６に蓄積される。そして、帯電電荷は、さらに図示しない回路を通じて外部負荷に流れる。

【0009】

充電電極たるエレクトレット３が負帯電の場合、電荷搬送体４は正帯電される。その結果、充電電極たるエレクトレット３と回収電極５の間を、図示右に進む電荷搬送体４には、充電電極たるエレクトレット３と回収電極５間に形成された電界により図示左向きに静電力が働く、以下この力を電界力と言う。
加えて充電電極たるエレクトレット３の背面電極により、やはり図示左向きに鏡像力が働く。以下この力を後退鏡像力と言う。同時に、回収電極５により図示右向きの鏡像力も働く。以下この力を前進鏡像力と言う。
ここで、充電電極たるエレクトレット３を出た直後は、左向きの後退電界力と後退鏡像力の合力が強いが、回収電極５に接近すると、右向きの前進鏡像力と左向きの後退電界力の和の方が強くなる。

【0010】

従い、電荷搬送体４が非対称である場合、電荷搬送体４の上下水平板４２のエッジに働く左向きの電界力、および後退鏡像力は弱く、水平板４２の表裏に垂直に働く電界力は、上方向と下方向が同じ強さで相殺され、前方垂直板部４１に働く右向きの前進鏡像力は強い。
この結果、右向きの前進鏡像力が、左向きの後退電界力と後退鏡像力の和より強くなり、電荷搬送体４は、充電電極たるエレクトレット３から回収電極５に到達することができる。よって、電荷搬送体４により搬送された電荷が回収電極５に回収されれば、この装置は静電発電機になる。回収されなければ、該装置は静電モータになる。

【0011】

そこで、充電電極たるエレクトレット３と回収電極５間で、帯電した電荷搬送体４に働く静電力をシミュレーションで求めた。その一例を図４に示す。図中、充電電極たるエレクトレットの右端と電荷搬送体の左端の間隔（距離）を以て電荷搬送体の位置とする（以下同じ）。
先ず、電荷搬送体４が、充電電極たるエレクトレット３を出た後、約10mmの間は、該電荷搬送体４に働く静電力はマイナス、すなわち左向きであるが、10mmを越えるとプラス、すなわち右向きに転じ、しかもその絶対値がより大きくなることが図４より明らかである。このため、回収電極５に到達した電荷搬送体４には余剰の運動エネルギーが残されている。この余剰エネルギーを使って、低電位（0V）から搬送してきた電子をより高い電位（例えば、-1000V）に引き上げることができる。すなわち、発電できる。

【0012】

実際に、該原理に基づいて非対称鏡像力駆動型の静電発電実験機（ベンチモデル）を試作し、発電を行った結果は、特許文献５（特開2022-084111号公報）に記載されているが、以下、概略縦断面図５と、概略横断面図（又は平面図）６を参照して簡単に説明する。
該当図中、参照番号４は樋型電荷搬送体、同３は半径方向にみて内外一対の板状充電電極たるエレクトレット、参照番号５は半径方向にみて内外一対の板状回収電極、参照番号９は非対称鏡像力を強める半径方向にみて内外一対の板状加速電極であって、接地されている。参照番号１０は、充電電極たるエレクトレット３の高電位が回収電極５に影響することを阻止する半径方向にみて内外一対の板状シールド電極であって接地されている。参照番号１１は電荷搬送体を保持する保持円板で、参照番号１２はステンレス製の回転軸（支柱）である。注入用端子、及び回収用端子は省略した。参照番号１３は、電荷搬送体の保持円板１１のセンターに固定され、固定回転軸１２の周りを回転する高性能のボールベアリングである。
ここで、加速電極９を1個置いたときのシミュレーションされた静電力を図７に示す。図４と比較するとその効果の違いは明らかである。

【0013】

図において、電荷搬送体保持円板１１の半径は45mmで、各内外一対の充電電極たるエレクトレット３、加速電極９、及び回収電極５の各外側部分は、半径50mmの円周の上に形成し、各内側部分は半径30mmの円周の上に形成した。この結果、充電電極たるエレクトレット３の内外電極間間隔は20mmになる。
充電電極たるエレクトレット３と回収電極５の外側部分の幅は40mmで、加速電極９の同幅は20mmである。
これら充電電極たるエレクトレット３、加速電極９、及び回収電極５の外側部分の高さは共に65mmで、内側部分の高さは55mmである。図中、樋型電荷搬送体４の幅と奥行きと高さは、夫々、5mm、5mm、及び50mmである。

【0014】

該実験装置で、まず、エレクトレットではない充電電極を使用して、非対称鏡像力駆動型の静電発電機の実験を行った。
具体的には、充電電極３に対し図示しない高圧電源から、高電圧を印加して、エアースプレイで電荷搬送体４を３～３０秒間強制回転させた。この後、電荷搬送体に加わる静電力（前進鏡像力－（後退電界力＋後退鏡像力））が、電荷搬送体に加わる空気抵抗力＋機械的摩擦力よりも大きければ、電荷搬送体円板１１は回転を続け、充電電極３で充電された電荷は回収電極５で回収され、その結果、回収コンデンサー６の表面電位は勢いよく上昇する。すなわち、発電が継続される。

【0015】

充電電極３に印加する電圧を、-3.0kVから-0.5kVずつ上げたところ、-5.0kVまでは強制回転から連続回転に移らず、数十秒後に止まってしまったが、-5.5kVでは、緩やかに回転続け、回収コンデンサー６の電位も緩やかに上昇した。又、回収コンデンサー６を3回アースしたが、そのたびに、その電位は0Vからプラス方向に上昇した。

【0016】

しかしながら、充電エレクトレットを充電電極として使用する場合、現状-3.5kVの出力が限界であり、-5.5kV以上を出力する高電位エレクトレットを作製できず、利用できない。なお、発電装置内を真空にして空気抵抗をゼロにすれば、低電位の充電エレクトレットでも使用可能になるが、民生品で長期間真空を維持するのは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

[特許文献１］ 特開２００８－５６９０号公報
[特許文献２］ 特開２０２０－１５０７８０号公報
［特許文献３］ 特開２０２１－１０８５２４号公報
［特許文献４］ 特開２０２２－２４３６号公報
［特許文献５］ 特開２０２２－８４１１１号公報

【非特許文献】

【0018】

[非特許文献1］2006年米国静電気学会年次大会予稿集 P.137
[非特許文献2］[Asymmetric Electrostatic Forces and a New Electrostatic Generator], Nova Science Publishers, New York, 2010

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

本発明の目的は、非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、表面電位が3.5kV以下の充電エレクトレットを使用して、空気抵抗等に打ち勝つに十分な余剰エネルギーが得られる方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

上記本発明の目的は、充電エレクトレットと回収電極間との距離を適正化することで達成できる。

【発明の効果】

【0021】

本発明の実施例によれば、表面電位が3.5kV以下の充電エレクトレットで、空気抵抗等に打ち勝つに十分な余剰エネルギーが得られるようになったので、非対称鏡像力駆動型の静電発電機を実現できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、従来公知の鏡像力の原理を説明する模式図である。

【図2】図２は、非対称鏡像力の原理を説明する模式図である。

【図3】図３は、非対称鏡像力駆動型の静電発電機の基本構造を示す正面図である。

【図4】図４は、充電電極たるエレクトレットと回収電極間において、帯電した電荷搬送体に働く静電力を示すグラフである。

【図5】図５は、試作した非対称鏡像力駆動型の静電発電実験機の概略縦断面図である。

【図6】図６は、試作した非対称鏡像力駆動型の静電発電実験機の概略横断面図である。

【図7】図７は、加速電極を1個加えた場合における電荷搬送体に働く静電力を示すグラフである。

【図8】図８は、一定の角度で電荷搬送体を水平に乗せた電荷搬送体円板の構成を示す斜視図である。

【図9】図９は、電荷搬送体円板とそれを上下で挟む電極板で構成される実験機の構成を示す斜視図である。

【図10】図１０は、電極板上の充電エレクトレットおよび回収電極の配置を示す平面図である。

【図11】図１１は、充電電位に対して充電電荷量をシミュレーションした結果を示すグラフである。

【図12】図１２は、電荷搬送体が、充電エレクトレットを抜けて回収電極に至る工程で受ける静電力をシミュレーションした結果を示すグラフである。

【図13】図１３は、各充電電位別に求めた余剰エネルギーを示すグラフである。

【図14】図１４は、電荷密度の二乗と余剰エネルギーとの関係をプロットしたグラフである。

【図15】図１５は、充電電極と回収電極との距離と、電荷搬送体に作用する鏡像力との関係をシミュレーションで求めたグラフである。

【図16】図１６は、充電電極と回収電極との距離と、電荷搬送体に作用する鏡像力との関係をシミュレーションで求めた他のグラフである。

【図17】図１７は、充電電極と回収電極の距離と、余剰エネルギーとの関係を算出したグラフである。

【図18】図１８は、充電電極と回収電極の距離と、余剰エネルギーで搬送電荷が高められる電位との関係を算出したグラフである。

【図19】図１９は、充電電極と回収電極の間隔と、1秒間に回収コンデンサーに回収される電荷量、すなわち電流との関係を算出したグラフである。

【図20】図２０は、充電電極と回収電極の間隔と、それぞれの電位と電流に基づいて算出された出力との関係を示すグラフである。

【図21】図２１は、充電エレクトレットと回収電極の間隔が1760μmのとき、電荷搬送体に加わる静電力（鏡像力＋後退電界力）をシミュレーションした結果を示すグラフである。

【図22】図２２は、充電電極と回収電極との距離が7360μmの場合、2個の電荷搬送体が2280μmの間隔を空けて移動する間に受ける静電力と、電荷搬送体が１個の場合に受ける静電力との関係を比較しつつ示すグラフである。

【図23】図２３は、円筒型の充電エレクトレットと、円筒型の回収電極と、円筒型の電荷搬送体とで構成される加速器の概略横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

出願人は、非対称鏡像力駆動型の静電発電機において、充電エレクトレット３の表面電位が-3.5kV以下であっても、前記余剰エネルギーが、空気抵抗力等を上回って電荷搬送体４が回転を続けられる状態、すなわち連続発電の状態を、充電エレクトレット３と回収電極５との距離を適正化することで実現した。

【実施例0024】

ここで、充電エレクトレット３の電位を下げるためには、装置全体のダウンサイズが有効である。サイズを１／２にすることで、充電エレクトレット３の電位を、-５.5kVから、約半分の-3.0kVにすることが可能であるからである。
また、充電エレクトレット３の電位が、-3.0kVであっても、電荷搬送体４に充電できる電荷量が、その電位が-5.5kVの場合と同じであれば、同様の余剰エネルギーが得られ、電荷搬送体円板１１が回転を続け、発電が継続されることができる。従い、上記試作機では、充電エレクトレット３と電荷搬送体４の間隔7.5mmを、半分の3.75mmにすればよい。
しかしながら、縦方向に吊るした電荷搬送体４を採用した試作機では、電荷搬送体円板１１の回転とともに、電荷搬送体４の下端が遠心力で膨らみ、外周の該電極に接触し、上記間隔の維持は困難である。

【0025】

そこで、出願人は、図８に示すように、電荷搬送体４を吊り下げる方式から、電荷搬送体円板１１上において、一定の角度間隔で水平に載せる方式に変更した。それに伴って、充電エレクトレット３と、回収電極５も、図９に示すように、電荷搬送体円板１１を挟む上下の電極円板１５と１４の各表裏に向かい合わせに設置した。よって、この方式ならば、電荷搬送体が遠心力で外に広がり、各電極と接触することは無くなる。しかしながら、この方式では、充電電極３と回収電極５の幅を一定とすると、円板１４，１５の中心付近では、充電電極３と回収電極５の間隔が狭まって、その間に、リークまたは放電が発生してしまう。
そこで、両電極の形状を図９に示すように、中心に近づくにつれて狭くなる台形形状とした。また電荷搬送体４も図８に示すように同様に台形形状とした。

【0026】

具体的には、図８に示すように、厚さ0.5mm、半径50mmの絶縁性円板たる電荷搬送体円板１１に、外周マージン5mm空けて、長さ25mm、下底1.0mm、上底0.5mm、高さ1.0mm、及び厚さ0.04mmの横置き樋型の電荷搬送体４を82個セットする。
また、図１０に示すように、同一形状の絶縁性円板である、上下電極円板１４，１５夫々に、外周マージン5mm空け、長さ25mm、下底1.5mm、及び上底0.75mmの台形の充電エレクトレット３と、長さ25mm、上底2.0mm、及び下底1.0mmの台形の回収電極５を交互に設け、一組の充電エレクトレット３と回収電極５の配置を、外間隔3.2mm、及び内間隔1.6mmとし、次の組の回収電極５と充電エレクトレット３の外間隔を0.8mm、内間隔0.4mmとして41組セットする。以下、該1組を１ユニットと言う。
従い、ユニットの外幅は7.5mm、内幅は3.75mmになる。上下電極板１４，１５間隔は1.24mmであり、基板の厚さ0.5mmを加えるとユニットの高さは1.74mmになる。なお、横置き樋型電荷搬送体４の上下水平板４２と、上下一対の充電エレクトレット３の各間隔は0.1mm、充電エレクトレットの厚さ（９図で上下）は0.04mm、比誘電率は2.0である。

【0027】

かかる方式において、出願人は、充電エレクトレット３の電位を変えて、電荷搬送体４に充電される電荷量と、該充電により帯電した電荷搬送体４と、充電エレクトレット３と回収電極５間で作用する静電力の関係をシミュレーションで求めてみた。
ここで、台形の電荷搬送体４のシミュレーションは、2次元差分法ではできないので、長方形の電荷搬送体４にして行った。そして、電荷搬送体４の幅は、上底と下底の平均値をとり0.75mmとした。同様に、上底と下底の平均値たる充電エレクトレット３の幅、充電エレクトレット３と回収電極５の間隔、上底と下底の平均値たる回収電極５の幅、及び回収電極５と隣の組の充電エレクトレット３との間隔も、それぞれ、1.12mm、2.4mm、1.6mm、及び0.6mmとした。よって、１ユニットの長さはこの合計で5.72mmになる。

【0028】

更に、充電エレクトレット３の電荷密度を、0.1mC/m² 、0.2mC/m²、0.4mC/m²、及び1.0mC/m²と変えて、電荷搬送体４が上下充電エレクトレット３間にあるときの充電電荷量をシミュレーションした。
このとき、充電エレクトレット３の表面電位は、周囲に電荷搬送体４が存在しないとき、それぞれ、225V、450V、900V、及び2250Vである。充電のために接地された電荷搬送体４が、充電エレクトレット３に対し0.1mmの間隔を空けて置かれた場合は、2250Vあった電位は、1882V～2111Vに下がる。以下、シミュレーション結果を電位で表示する場合は、周囲に電荷搬送体４が存在しないときの電位である。

【0029】

充電エレクトレット３の電荷密度が、0.1mC/m² 、0.2mC/m²、0.4mC/m²、及び1.0mC/m²のときの充電電位を公式に基づいて計算すると、それぞれ、225V、450V、900V、2250Vになる。すなわち、充電電位は、エレクトレットの電荷密度に正比例して増加する。
それぞれの充電電位に対して、電荷搬送体４に注入される充電電荷量をシミュレーションした結果を表示すると、図１１のようになる。すなわち、充電電荷量は、充電電位に正比例して増加する。

【0030】

次に、充電エレクトレットの電荷密度が、0.1mC/m² 、0.2mC/m²、0.4mC/m²、及び1.0mC/m²（即ち、充電電位が、225v、450V、900V、及び2250V）のときの充電電荷量を有する電荷搬送体４が、充電エレクトレット３を抜けて回収電極５に至る工程で受ける静電力をシミュレーションした。その結果を図１２に示す。図１１と合わせて考えると、電荷搬送体４の帯電量が増えると、電荷搬送体４が受ける静電力は、充電エレクトレット３を抜けた初期において後方に引かれるとき、及び中盤から後半にかけてその前方に引かれるときにおいても大幅に増加することが解る。

【0031】

更に、その関係を定量的にみるために、該静電力と電荷搬送体４の移動距離をもとに、電荷搬送体４が受ける正負の運動エネルギーを各充電電位別に計算し、それを合計して、各充電電位別の余剰エネルギーを求めた。その結果を、図１３に示す。図１３から、充電電位は、すくなくとも2.0kV以上が望ましいことが解る。

【0032】

なお、同図１３から、余剰エネルギーは、充電電位の二乗に略比例している。そこで、充電電位と充電電荷量は、図１１に示したように正比例するので、充電電位に替えて、充電電荷量の二乗に対して対応する余剰エネルギーをプロットした。その結果を示すグラフを図１４に示す。
同図１４から、余剰エネルギーは、略正確に、充電電荷量、すなわち、充電電位の二乗に正比例している。以上より、余剰エネルギーを大きくするためには、充電エレクトレットの帯電電位をより高くすることが効果的である。

【実施例0033】

前記した鏡像力の公式（１）から、鏡像力は、帯電体１と接地導体２との距離rの二乗に反比例することがわかっている。
すなわち、距離が短いほど、鏡像力は急激に大きくなり、少し長くなると急激に小さくなる。この点を考慮すると、充電エレクトレット3と回収電極5との間隔を長くするのは、その間の電荷搬送体４の移動の最初と最後を除いて、鏡像力はほとんど効かないのでムダであり、この間隔は短いほどよい。
そこで、この間隔のみを変えて、一定の帯電量を有する電荷搬送体４に作用する静電力をシミュレーションで求めた。なお、帯電後の電荷搬送体４に作用する電界力を除いた鏡像力の効果のみをみるために、充電手段を充電エレクトレット３に替えてエレクトレットでない充電電極３とし、接地した。

【0034】

具体的には、充電電極３と回収電極５との間隔を、2380μmから1760μmに縮めて、-1.0nCの電荷を保持する電荷搬送体４に作用する鏡像力をシミュレーションで求めた。その結果を、2380μmの結果と並べて図１５に示す。
しかしながら、電荷搬送体４の移動初期における左に引き戻す後退静電力も、中盤から後半にかけて右に引っ張る前進静電力も、同間隔が2380μmの場合の各静電力よりも小さくなった。その結果、余剰エネルギーも、0.247μJから0.168μJとなり、少なくなった。

【0035】

この結果になったのは、充電電極３と回収電極５の間隔が狭くなると、充電電極３を抜けた電荷搬送体４には、充電電極３との間において左に引く後退鏡像力が働くのみならず、少し離れた回収電極５との間においては、右に引っ張る前進鏡像力が、距離が短い分だけより強く働き、その結果、間隔2380μmよりも、間隔1760μmの方が、作用する鏡像力は少し小さくなったと考えられる。
逆に、回収電極５に近づいた時も、距離が短い分だけ、後退鏡像力が強く、間隔2380μmよりも、間隔1760μmの方が、作用する鏡像力は少し小さくなったと考えられる。よって、前記した鏡像力の公式は当てはまらず、以下を検討した。

【0036】

充電電極３と回収電極５との間隔が、2380μmから1760μmに短縮された結果、円周上の１ユニットの長さも、5700μmから5130μmに短くなり、その結果、円周上に配置できるユニットの数は、４１個から４６個に増えた。
そこで、それぞれの場合において、電荷搬送体円板１１が1回転したときの出力を比較した。まず、その発生電圧Vは、余剰エネルギーWがすべて搬送された電荷qの電位を上げるのに使用できると仮定すると、下記式（２）で計算される。
（数3）
Ｖ ＝ Ｗ／ｑ （２）

それぞれの場合、搬送電荷量qはともに1.0nCで、余剰エネルギーWは0.168μJと0.247μJなので、発生電圧Vは168Vと247Vになる。
よって、間隔1760μmの場合、電荷搬送体円板１１が1回転するとき、1個の電荷搬送体４は、４６個の回収電極に1.0nCの電荷を運ぶので、搬送電荷量は合計46nCになる。４６個の電荷搬送体４があるので、電荷搬送体円板１１の1回転で、合計2116nCの電荷が、回収電極５のコンデンサー６に蓄えられる。
電荷搬送体円板１１の回転数が1000rpmだとすると、1秒間に16.7回転する。その結果、1秒間に回収コンデンサー６に回収される電荷の量、すなわち電流は35.3μAとなり、電圧との掛け算で得る出力は5.94mWとなる。同様の計算を、充電電極３と回収電極５との間隔が2380μmの場合も行うと、得られる電圧は247V、電流は28.0μA、及び出力は6.92mWとなり、間隔1760μmの場合より大きくなる。

【0037】

以上の通り、充電電極３と回収電極５の間隔が広い方が、出力は大きくなったので、この間隔をさらに広げた。具体的には、該間隔を、3920μm、5360μm、7740μm、9680μm、及び12000μmに広げ、1.0nCを帯電した電荷搬送体４に作用する静電力をシミュレーションした。その結果を図１６に示す。
同図から、電荷搬送体４に作用する静電力のピーク値は、充電電極３と回収電極５の間隔が狭いと低くなるが、8000μm以上の間隔の場合では、ピーク値は変わらないことがわかる。この結果は、8000μmくらい離れると、充電電極３との間に働く後退鏡像力はほとんどなくなったことを示唆していると思われる。

【0038】

上図から、充電電極３と回収電極５の間隔毎に、電荷搬送体４が回収電極５に到達した時点で保有している余剰エネルギーを算出すると図１７のようになる。これらの余剰エネルギーで搬送された1nCの電荷は、前記の式２に基づいて計算される電位に高められる。その結果を、図１８に示す。

【0039】

また、電荷搬送体４の回転1000rpmに伴って、1秒間に回収コンデンサー６に回収される電荷量、すなわち電流は、間隔ごとに前記同様に算出される。その結果を図１９に示す。
各出力は、上記出力電圧と出力電流の掛け算として求められる。
その結果、上下電極板１４、１５と電荷搬送体円板１１で構成される高さ1.74mmの１セットを、10cm立方体に５７段に重ねたときの出力は、電荷搬送体４が１ユニットに1個の場合の出力の５７倍となり、さらに、該10cm立方体を1m立方体（1ｍ³）に１０００個入れた発電機の出力は、その１０００倍になる。該１ｍ³の立方体装置の合計出力を、図２０に示す。
以上の結果から、発電機の出力は、充電電極３と回収電極５の間隔がひろいほど大きくなるが、間隔が8000μm付近でピークとなり、それ以上広いと、逆に減少していくことがわかる。すなわち、最高の出力を得るためには、充電電極３と回収電極５の最適な間隔を選択する必要がある。
電荷搬送体の大きさ等によって最適値は異なると思われるが、本実施例の場合は7.5±2mmである。すなわち、電荷搬送体の幅0.76mmの10±2.5倍である。
なお、上記シミュレーションは、鏡像力の影響のみを見るために、充電エレクトレットに代えて、接地した充電電極で行ったが、以下前記後退電界力が加わる充電エレクトレットと比較する。
充電電極及びエレクトレット３夫々と回収電極５の間隔が1760μmのとき、この間を移動する電荷搬送体４に加わる静電力（鏡像力＋後退電界力）をシミュレーションした。その結果を図２１に示す。この図から、電荷搬送体４に加わる静電力は主に鏡像力であることがわかる。後退電界力が加わると、静電力は小さくなるので、余剰エネルギーも168.4μJから92.5μJに減少し、１立方メートルの装置の出力も、339Wから186Wに減少した。