(57)【要約】【課題】舗装道路内部の温度差を有効に利用可能とした熱電発電ユニットおよびシステムを提供することを目的とする。【解決手段】単一の放熱棒と、集熱天板の下面中央と放熱棒の上面中央間に配置された熱電変換素子と、集熱天板と前記放熱棒とを連結する連結部材と、連結部材と集熱天板を熱電変換素子を挟む如く固定する第１の固定部材と、連結部材と放熱棒を固定する第２の固定部材と、第１の固定部材と連結部材間を断熱する第１の断熱部材と、集熱天板の下面と放熱棒の上面間の間隙を断熱する第２の断熱部材と、集熱天板の上面ならびに放熱棒の下端を除く外周面を被覆する第３の断熱部材とを具備する道路用熱電発電ユニット。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集熱天板と、
単一の放熱棒と、
前記集熱天板の下面中央と前記放熱棒の上面中央間に配置された熱電変換素子と、
前記集熱天板と前記放熱棒とを連結する連結部材と、
前記連結部材と前記集熱天板を前記熱電変換素子を挟む如く固定する第１の固定部材と、
前記連結部材と前記放熱棒を固定する第２の固定部材と、
前記第１の固定部材と前記連結部材間を断熱する第１の断熱部材と、
前記集熱天板の下面と前記放熱棒の上面間の間隙を断熱する第２の断熱部材と、
前記集熱天板の上面ならびに前記放熱棒の下端を除く前記集熱天板ならびに前記放熱棒の外周面を被覆する第３の断熱部材とを具備することを特徴とする道路用熱電発電ユニット。
【請求項２】
前記集熱天板ならびに前記放熱棒はいずれも断面が略正方形であり、前記集熱天板の辺長を前記放熱棒の辺長より大なるように構成され、前記連結部材はＬ字状アングルであって、前記第１の固定部材ならびに前記第２の固定部材はボルトであることを特徴とする請求項１記載の道路用熱電発電ユニット。
【請求項３】
前記第２の断熱部材は、前記集熱天板の下面と前記Ｌ字状アングルとの間の間隙まで延在されていることを特徴とする請求項２記載の道路用熱電発電ユニット。
【請求項４】
前記集熱天板上面に長形の集熱部材を結合したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の道路用熱電発電ユニット。
【請求項５】
前記長形の集熱部材は、平行な複数の線材であることを特徴とする請求項４記載の道路用熱電発電ユニット。
【請求項６】
前記長形の集熱部材は、単一のシート状部材であることを特徴とする請求項４記載の道路用熱電発電ユニット。
【請求項７】
請求項１乃至６記載のいずれか１項記載の道路用熱電発電ユニットを、前記集熱天板の上面が舗装道路の舗装表層直下に配置されるごとく埋設したことを特徴とする道路用熱電発電システム。
【請求項８】
前記請求項４乃至６記載のいずれか１項記載の道路用熱電発電ユニットを、前記集熱天板の位置が舗装道路の路肩の舗装表層直下に配置され、前記長形の集熱部材が前記舗装道路の舗装表層直下を道路中央へ向けて延在する如く配置したことを特徴とする道路用熱電発電システム。
【請求項９】
前記道路用熱電発電ユニットの複数を前記舗装道路の路肩に沿って配置したことを特徴とする請求項８記載の道路用熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アスファルトなどで舗装された道路において熱電変換素子を利用した発電ユニットおよびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、未利用エネルギや廃エネルギの有効利用のために多くの分野で採用されている。例えば、自動車のエンジンからの排気を送る排気管を熱電変換素子の高温端に接触させ、冷却水を送る冷却水管を熱電変換素子の低温端に接触するように構成することで、排気管と冷却水管との温度差によって発電が行われる（特許文献１を参照）。
【０００３】
また、ボイラ装置における高温ボイラ水を循環させる配管と低温ボイラ水を供給する配管との間に熱電発電装置を配置することで、ボイラ運転中に熱電発電を行うことも知られている（特許文献２を参照）。
【０００４】
他に、ナトリウム凝縮器の温度６００Ｋと冷却器の温度２００Ｋとの温度差を利用して、熱電変換素子によって発電を行い、極地、深海あるいは宇宙などでの発電設備とする技術も知られている（特許文献３を参照）。
【０００５】
これら特許文献１〜３に示されている技術のいずれも、流体輸送にエネルギが必要である。すなわち、自動車エンジンの排気ガス、ボイラ水、凝縮ナトリウムなどの液体の場合にはポンプによって給送したり、循環させる必要がある。また、媒体が気体の場合にはファンなどを必要とする。このポンプやファンを駆動する電力は、熱電発電装置の効率を低下させてしまう。
【０００６】
一方、都市の中心部と郊外とを比較して常に都市の気温が高いということは、１００年以上も前から報告されており、世界中の多くの都市でも確かめられている。この都市部の気温が周辺部より高くなる現象をヒートアイランド現象といい、その主な原因の一つにアスファルト道路がある。アスファルト道路は昼間の太陽の熱射で深層まで高温となり、夜間に蓄積された熱が放出されることが問題となっている。
【０００７】
舗装道路の内部の温度差を利用して熱電発電を行う技術も知られている。例えば、路面と地下の路床との間に形成されている上層路盤部と下層路盤部との境界に熱電変換モジュールを配置し、上層路盤部と下層路盤部間の温度差を利用して熱電発電を行う構成である（特許文献４を参照）。
【０００８】
すなわち、この熱電発電モジュールの上層路盤部に接する上面に多数の温熱側フィンを取着し、下層路盤部に接する冷熱側ベースに多数の熱伝導ロッドが地中に埋設されるように取着されている。そして、各熱伝導ロッドの先端には冷熱側フィンが設けられている。このように、格子状の熱電変換素子部の下方に、同様に格子状に多数の熱伝導ロッドを立設させた構成を１ユニットとし、このような構成のユニットを１個あるいは複数個を路面下方の路盤内へ埋設するにあたっては、熱電発電１ユニットあたりの構成が大きくなり、利用可能な場所や環境が制限される。また、熱伝導ロッドの先端部から熱電変換素子側に至るまで同一な構成であって、地中深くの冷熱効果が熱電変換素子近傍の高温部によって低減されてしまうことにもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２９９４１７号公報
【特許文献２】特開平７−１１９９０８号公報
【特許文献３】特開平６−２４５５５８号公報
【特許文献４】特開２００５−２６４５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した各種問題点に鑑みなされたもので、熱輸送動力を必要とせず、舗装道路内部の温度差を有効に利用可能とし、さらに、道路の設置場所・環境の制限を最小とすることを可能とした熱電発電ユニットおよびシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る道路用熱電発電ユニットは、集熱天板と、単一の放熱棒と、前記集熱天板の下面中央と前記放熱棒の上面中央間に配置された熱電変換素子と、前記集熱天板と前記放熱棒とを連結する連結部材と、前記連結部材と前記集熱天板を前記熱電変換素子を挟む如く固定する第１の固定部材と、前記連結部材と前記放熱棒を固定する第２の固定部材と、前記第１の固定部材と前記連結部材間を断熱する第１の断熱部材と、前記集熱天板の下面と前記放熱棒の上面間の間隙を断熱する第２の断熱部材と、前記集熱天板の上面ならびに前記放熱棒の下端を除く前記集熱天板ならびに前記放熱棒の外周面を被覆する第３の断熱部材とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に係る道路用熱電発電ユニットは、前記集熱天板ならびに前記放熱棒はいずれも断面が略正方形であり、前記集熱天板の辺長を前記放熱棒の辺長より大なるように構成され、前記連結部材はＬ字状アングルであって、前記第１の固定部材ならびに前記第２の固定部材はボルトであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に係る道路用熱電発電ユニットは、前記第２の断熱部材が、前記集熱天板の下面と前記Ｌ字状アングルとの間の間隙まで延在されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に係る道路用熱電発電ユニットは、前記集熱天板上面に長形の集熱部材を結合したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に係る道路用熱電発電ユニットは、前記長形の集熱部材が、平行な複数の線材であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６に係る道路用熱電発電ユニットは、前記長形の集熱部材が、単一のシート状部材であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項７に係る道路用熱電発電システムは、請求項１乃至６記載のいずれか１項記載の道路用熱電発電ユニットを、前記集熱天板の上面が舗装道路の舗装表層直下に配置されるごとく埋設したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項８に係る道路用熱電発電システムは、前記請求項４乃至６記載のいずれか１項記載の道路用熱電発電ユニットを、前記集熱天板の位置が舗装道路の路肩の舗装表層直下に配置され、前記長形の集熱部材が前記舗装道路の舗装表層直下を道路中央へ向けて延在する如く配置したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項９に係る道路用熱電発電システムは、前記道路用熱電発電ユニットの複数を前記舗装道路の路肩に沿って配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る道路用熱電発電ユニットによれば、アスファルトなどの路面表層の高温と地中の低温との温度差で、熱輸送動力を用いることなく発電を行うことが可能となり、また、各ユニットが単一の放熱棒を備えた構成としたことによって、埋設利用可能な道路の範囲を大きく広げることを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る道路用熱電発電ユニットの一部切欠断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明に係る道路用熱電発電ユニットの利用形態を示す概念図。
【図４】舗装道路の深さ方向の温度分布を示すグラフ。
【図５】本発明に係る道路用熱電発電ユニットの主要部材の組み合わせ毎の温度差と開放電圧との関係を示すグラフ。
【図６】本発明に係る道路用熱電発電ユニットを複数埋設した例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る道路用熱電発電ユニットの基本構成を説明する図で、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
本発明に係る道路用熱電発電ユニット１１は、集熱天板１２、放熱棒１３、熱電変換素子１４ならびにこれらを組立てるアングル１５によって構成されている。集熱天板１２は、略正方形であり、表面が平坦な熱伝導率の高い材料から形成されている。本例においては、一辺が１３５ｍｍの断面正方形である。放熱棒１３は、熱伝導率の高い材料から形成されており、７５ｍｍ×７５ｍｍの断面正方形で、長さが２０００ｍｍの棒状体である。
【００２４】
４０ｍｍ×４０ｍｍの熱電変換素子１４は、放熱棒１３の上面と集熱天板１２の下面のそれぞれの中央に、両者間に挟まれるように設置される。そして、放熱棒１３と集熱天板１２は対向する一対のＬ字状アングル１５ａ、１５ｂによって連結される。一対のＬ字状アングル１５ａ、１５ｂと集熱天板１２間は、第１ボルト対１６ａ、１６ｂによって、間に挟まれた熱変換素子１４が強固に圧接されるように螺合される。また、一対のＬ字状アングル１５ａ、１５ｂと放熱棒１３間は、第２ボルト対１７ａ、１７ｂによって螺合される。
【００２５】
このようにして、熱電変換素子１４は、集熱天板１２と放熱棒１３によって強固に熱結合されており、集熱天板１２と放熱棒１３との温度差によって熱電発電が実行される。従って、集熱天板１２に印加される高温と、放熱棒１３に印加される低温の温度差を大きくするための環境を形成することは重要である。
【００２６】
この集熱天板１２と放熱棒１３との温度差を阻害する要因の一つが、集熱天板１２と放熱棒１３をアングル１５ａ、１５ｂで連結する際、第１ボルト対１６ａ、１６ｂによる熱伝導である。この熱伝導を最小にするために第１ボルト対１６ａ、１６ｂとアングル１５ａ、１５ｂ間に断熱ワッシャ１８ａ、１８ｂを装着する。また、第１ボルト対１６ａ、１６ｂとアングル１５ａ、１５ｂ間には、断熱カラー１９ａ、１９ｂを装着したこの断熱ワッシャ１８ａ、１８ｂならびに断熱カラー１９ａ、１９ｂを装着することによって、集熱天板１２から放熱棒１３への熱の漏洩を防止することを可能とした。
【００２７】
また、集熱天板１２と放熱棒１３との温度差を阻害する第２の要因として、集熱天板１２と放熱棒１３間に装着された熱電変換素子１４の周囲の間隙に形成される空気層を介しての放熱がある。すなわち、この間隙が空気層のままでは、集熱天板１２に印加された熱が空気層を介して両側へ漏洩してしまうこととなる。そこで、熱電変換素子１４の周囲にジェルなどの断熱材２０を充填し、この断熱材２０の側方に断熱スペーサ２１を挿入する。このようにして熱電変換素子１４の周囲の集熱天板１２と放熱棒１３との間隙に断熱材を形成することで、集熱天板１２から放熱棒１３への空気層を介しての熱伝導を防止することを可能とした。
【００２８】
また、道路用熱電発電ユニット１１の、集熱天板１２の上面ならびに放熱棒１３の下端を除く外周面を、断熱カバー２２で被覆する。これは、後述するように、道路用熱電発電ユニット１１は、集熱天板１２が上部に配置されるように道路地中へ埋設し、道路の表層に集熱天板１２を配置し、放熱棒１３を地中へ垂直に延在するように配置する。この結果、道路表層の高温域にて集熱天板１２にて集熱し、地中の低温域にて放熱棒１３から放熱を行うことで熱電変換素子１４に温度差を形成して発電を行うことができる。
【００２９】
この場合、地中の温度は道路表層から地下へ向かって温度勾配があり、放熱棒１３の全体の表面を露出して埋設してしまうと、放熱棒１３の先端すなわち下端近傍の低温域の低温を熱電変換素子１４へ印加しようとしても、放熱棒１３の下端から上端への過程で温度上昇してしまい、温度差形成を阻害することになってしまう。
【００３０】
このため、上述したように、集熱天板１２の上面ならびに放熱棒１３の下端を除く外周面を、断熱カバー２２で被覆することで、放熱棒１３の下端近傍の低温域の温度を高効率で熱電変換素子１４へ供給することを可能とした。断熱カバー２２は、放熱棒１３の先端が露出するように被覆するが、本例においては、放熱棒１３の先端１００ｍｍが露出するように被覆した。断熱カバー２２の一例としては、熱伝導率０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの高密度ポリエチレンを使用し、その施工厚さは３０ｍｍとした。
【００３１】
図３には、上述した本発明に係る道路用熱電発電ユニット１１を舗装道路２３へ埋設した状態を模式的に示した図である。道路用熱電発電ユニット１１は、舗装道路２３の最終層であるアスファルト表層２４の直下に集熱天板１２が水平に位置するように配置され、放熱棒１３が垂直に地中に埋設される。このように、本発明に係る道路用熱電発電ユニット１１は、単一の放熱棒１３の上部に集熱天板１２を配置し、これら放熱棒１３と集熱天板１２間に熱電変換素子１４を挟むように配置したことによって、極めて小型の熱電発電ユニット１１とすることを可能とした。なお、熱電発電ユニット１１は、舗装道路の表層直下であれば埋設場所を選ばないが、道路の通行車両の荷重を受ける場所では、埋設した熱電発電ユニット１１に大きな衝撃が継続して付加されることとなる。そこで、通常はこのような衝撃の少ない路肩部分に埋設することが望ましい。
【００３２】
この結果、この熱電発電ユニット１１は、舗装道路のアスファルト表層などの路面表層直下であれば、場所を選ぶことなく、高範囲に埋設して発電可能である。もし、放熱手段として、多数の放熱棒やフィンを平面状に配列したユニットの場合では、大型なユニットになり、埋設可能な場所の選択に多くの制限が発生する。
【００３３】
一般的に道路は、その目的や規模によって舗装施工の内容が異なるが、路面から地下へ向かって温度勾配がある。図４に夏季の地温の温度分布を示した。このグラフは横軸に時刻、縦軸に温度をとった図で、夏季の温度分布を２４時間の温度変化で示した一例である。
【００３４】
図５のグラフａはアスファルト表層面の温度分布を示したもので、以下、ｂは地下１００ｍｍ、ｃは地下２５０ｍｍ、ｄは地下６００ｍｍ、ｅは地下１０００ｍｍ、ｆは地下１３００ｍｍ、ｇは地下１９００ｍｍの各地点の時刻ごとの温度分布である。このように、地下深い箇所では時刻による変動は少ないが、路面に向って温度は、時刻による変動はあるが高温域を形成することがわかる。アスファルト表層が太陽光を浴びて６０℃以上に上昇したときでも、地下１９００ｍｍ程度の深さの温度は、２２℃程度で変化ないことがわかる。
【００３５】
このことから、図１、２に示した本発明に係る道路用熱電発電ユニット１１を、図３に示したようにアスファルト表層２４の道路に埋設すると、集熱天板１２のアスファルト表層２４に接触している部分と放熱棒１３の下端の温度差は、４０℃となりこの温度差を熱電変換素子１４に伝えて発電を行う。アスファルト表層２４の熱は、集熱天板１２→熱電変換素子１４→放熱棒１３→路床２５へと流れるわけであるが、熱電変換素子１４の熱伝導率（熱輸送能力）に比べて、集熱天板１２や放熱棒１３は、熱伝導率（熱輸送能力）が二桁以上高い材料を選択すれば、熱電変換素子１４の両面の温度差が大きくなり、発電量も大きくとれることとなる。
【００３６】
図５には、集熱天板１２と放熱棒１３の組み合わせ金属ごとに、横軸に試験温度差、縦軸に開放電圧をとった関係を示すグラフである。このときに、組み合わせた各々の金属の熱伝導率は次の通りである。
【００３７】
銅（Ｃｕ）…３９８Ｗ／ｍ・Ｋ
アルミニウム（Ａｌ）…２３６Ｗ／ｍ・Ｋ
図５のグラフａは、集熱天板１２ならびに放熱棒１３ともにＣｕの場合の特性、グラフｂは、集熱天板１２がＡｌで放熱棒１３がＣｕの場合の特性、グラフｃは、集熱天板１２がＣｕで放熱棒１３がＡｌの場合の特性、グラフｄは、集熱天板１２ならびに放熱棒１３ともにＡｌの場合の特性である。
【００３８】
図５に示すように、温度差と開放電圧の関係は、放熱棒１３の材質に依存することが支配的である。すなわち、放熱棒１３がＣｕであることが望ましいが、Ｃｕの経済性や質量が大であることからくる施工性を考慮すると、グラフｃの組み合わせである、集熱天板１２がＣｕで放熱棒１３がＡｌであることが現実的である。
【００３９】
本発明に係る熱電発電ユニット１１は、上述したように通行車両による衝撃の少ない道路路肩に埋設することが望ましいと述べたが、道路路肩部分には街路樹や道路付帯設備の陰になることが多いため、集熱天板１２への高温をあまり期待できない箇所もある。このような場合に適した例を、図６を利用して説明する。
【００４０】
この例では、舗装道路２３の路肩２６に近接した箇所に、路肩２６に平行で一列に図１、図２に示した本発明に係る道路用熱電発電ユニット１１を埋設する。さらに、路肩より高温となる道路中央付近の熱を利用するように、長形の熱伝導部材２７を道路の路肩２６から道路中央へ延在するように道路の舗装表層直下へ埋設する。
【００４１】
熱伝導部材２７の一端は熱電発電ユニット１１の集熱天板１２に溶接あるいはロウ付けする。熱伝導部材２７としては、図６の例示のように、各ユニットに、複数の平行な熱伝導性の良好な線材を道路中央へ向かって延在させることでもよく、また、図示してはいないが、各ユニットに単一の熱伝導性の良好な材料からなるシート状部材を道路中央へ向かって延在させることでもよい。また、長形の集熱部材２７としては、隣接する集熱部材２７と重ならない範囲で道路中央へ向かって扇状の展開する形状とすることも有効である。
【００４２】
なお、図６の例においては、長形の集熱部材２７を複数のユニットを路肩に配列して埋設した場合の各ユニットに結合した例として説明したが、前述した図１、図２に示した単一の道路用熱電発電ユニット１２を道路の路肩に埋設した場合に、道路中央の高温を利用するために、図６に示した長形の集熱部材２７を延在させるように利用することも可能である。
【００４３】
このように構成することで、道路中央の通行車両による衝撃が大きい箇所であっても、その直下には線材あるいはシート状の熱伝導部材２７のみが埋設されるため、通行車両の衝撃が加えられても、発電機能への障害とはならない。各道路用熱電発電ユニット１１を複数台配置して発電を行うにあたっては、複数ユニットの発電電力を取りまとめて負荷へ供給する監視制御盤２８を設けるとよい。この監視制御盤２８は、昼間の発電電力を夜間利用するためのバッファである蓄電池を内蔵させたり、各ユニットの状態監視機能を有する。
【００４４】
上述のように本発明に係る道路用熱電発電ユニットを構成、運用することで、アスファルトなどの路面表層の高温と地中の低温との温度差で、熱輸送動力を用いることなく発電を行うことが可能となり、また、各ユニットが単一の放熱棒を備えた構成としたことによって、埋設利用可能な道路の範囲を大きく広げることを可能とした。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、アスファルトなどの路面表層の高温と地中の低温との温度差で、熱輸送動力を用いることなく発電を行うことが可能な道路用熱電発電ユニットに利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１１…道路用熱電発電ユニット、１２…集熱天板、１３…放熱棒、１４…熱電変換素子、１５ａ、１５ｂ…アングル、１６ａ、１６ｂ…第１ボルト対、１７ａ、１７ｂ…第２ボルト対、１８ａ、１８ｂ…断熱ワッシャ、１９ａ、１９ｂ…断熱カラー、２０…断熱材、２１…断熱スペーサ、２２…断熱カバー、２３…舗装道路、２４…アスファルト表層、２５…路床、２６…路肩、２７…熱伝導部材、２８…監視制御盤。
【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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