(57)【要約】【課題】エネルギー損失を抑制できる発電システムを提供すること。【解決手段】発電システム１に、温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第１デバイス３と、複数の第１デバイス３間を接続する導線２２、および、導線２２を開閉するスイッチ２３を備え、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、スイッチ２３の開閉を制御するための制御ユニット１０とを備える。制御ユニット１０は、スイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖが所望の値となるよう、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度が経時的に上下する熱源と、
前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第１デバイスと、
複数の前記第１デバイス間を接続する導線、および、前記導線を開閉するスイッチを備え、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、
前記スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、
複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖが所望の値となるよう、
複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、
複数の前記第１デバイスの総静電容量Ｃを調整する
ことを特徴とする、発電システム。
【請求項２】
さらに、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段を備え、
前記制御手段は、
複数の前記第１デバイスに印加される総電圧Ｖが所望の値となるよう、
前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替える
ことを特徴とする、発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。
【０００３】
近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されている。そのようなシステムとして、具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果などにより電気分極する複数の第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイス（導線および電極など）とを備え、第１デバイスから取り出された電力をバッテリーなどに回収する発電システムが提案されており、さらに、そのような場合、複数の第１デバイス（誘電体など）をグループ分けし、各グループを電気的に接続することも、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０７０７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、上記した発電システムでは、第１デバイスから電力を取り出し、バッテリーなどに回収するときに、バッテリーの性能に応じて電圧変換（昇圧または降圧）されるため、その変換に伴って、エネルギー損失を生じる場合がある。
【０００６】
本発明は、エネルギー損失を抑制できる発電システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明［１］は、温度が経時的に上下する熱源と、前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第１デバイスと、複数の前記第１デバイス間を接続する導線、および、前記導線を開閉するスイッチを備え、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、前記スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖが所望の値となるよう、複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の前記第１デバイスの総静電容量Ｃを調整する、発電システムを含んでいる。
【０００８】
このような発電システムでは、第１デバイスから取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【０００９】
そのため、このような発電システムによれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【００１０】
本発明［２］は、さらに、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記制御手段は、複数の前記第１デバイスに印加される総電圧Ｖが所望の値となるよう、前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替える発電システムを、含んでいる。
【００１１】
このような発電システムでは、第１デバイスに印加される電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【００１２】
そのため、このような発電システムによれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発電システムでは、制御手段がスイッチを開閉させ、複数の第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイスの総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。
【００１４】
つまり、本発明の発電システムでは、第１デバイスから取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【００１５】
そのため、このような発電システムによれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明の発電システムでは、上記したように、第１デバイスの総電圧Ｖを所望の値に調整することができるので、第１デバイスから発生する起電力（Ｖ）を絶縁破壊電圧（Ｖ）未満に制御でき、第１デバイスの破壊を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は、第１デバイスおよび第２デバイスを示す拡大図である。
【図３】図３は、複数の第１デバイスを接続する回路を示す模式図である。
【図４】図４は、図３に示す回路において、９つの第１デバイスが直列接続される状態の模式図である。
【図５】図５は、図３に示す回路において、３つの第１デバイスが直列接続されてなる第１デバイス群が、３つ並列接続される状態の模式図である。
【図６】図６は、図３に示す回路において、３つの第１デバイスが直列接続されてなる第１デバイス群が、２つ並列接続され、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続される状態の模式図である。
【図７】図７は、図３に示す回路において、破損した第１デバイスを回避するように、その他の第１デバイスが接続される状態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．発電システム
図１において、発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、第１デバイス３に電圧を印加する電圧印加手段としての電圧印加装置９と、その電圧印加装置９を作動および停止させるための制御ユニット１０とを備えている。
【００１９】
熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源、具体的には、経時により周期的に温度変化する熱源であれば、特に制限されないが、例えば、内燃機関、発光装置などの各種エネルギー利用装置が挙げられる。
【００２０】
内燃機関は、例えば、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。
【００２１】
このような内燃機関では、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施され、燃料が燃焼され、動力が出力されている。
【００２２】
このような内燃機関において、排気工程では、高温の排気ガスが、排気ガス管を介して排気され、その排気ガスを熱媒体として熱エネルギーが伝達され、排気ガス管の内部温度が上昇する。
【００２３】
一方、その他の工程（排気工程を除く工程）では、排気ガス管中の排気ガス量が低減されるため、排気ガス管の内部温度は、排気工程に比べて、下降する。
【００２４】
このように、内燃機関の温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。
【００２５】
とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、内燃機関における各気筒の排気ガス管の内部は、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００２６】
発光装置は、点灯（発光）時には、例えば、赤外線、可視光などの光を熱媒体として、その熱エネルギーにより温度上昇し、一方、消灯時には温度低下する。そのため、発光装置は、経時的に、点灯（発光）および消灯することにより、その温度が経時的に上下する。
【００２７】
とりわけ、例えば、発光装置が、経時的に照明の点灯および消灯が断続的に繰り返される発光装置（明滅（点滅）式の発光装置）である場合には、その発光装置は、点灯（発光）時における光の熱エネルギーにより、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００２８】
また、熱源２としては、さらに、例えば、複数の熱源を備え、それら複数の熱源間の切り替えにより、温度変化を生じることもできる。
【００２９】
より具体的には、例えば、熱源として、低温熱源（冷却材など）と、その低温熱源より温度の高い高温熱源（例えば、加熱材など）との２つの熱源を用意し、経時的に、それら低温熱源および高温熱源を、交互に切り替えて用いる形態が挙げられる。
【００３０】
これにより、熱源としての温度を、経時的に上下させることができ、とりわけ、低温熱源および高温熱源の切り替えを、周期的に繰り返すことにより、周期的に温度変化させることができる。
【００３１】
切り替え可能な複数の熱源を備える熱源２としては、特に制限されないが、例えば、燃焼用低温空気供給系、蓄熱式熱交換器、高温ガス排気系、および、供給／排気切替弁を備えた高温空気燃焼炉（例えば、再公表９６−５４７４号公報に記載される高温気体発生装置）、例えば、高温熱源、低温熱源および水素吸蔵合金を用いた海水交換装置（水素吸蔵合金アクチュエータ式海水交換装置）などが挙げられる。
【００３２】
これら熱源２としては、上記熱源を単独使用または２種類以上併用することができる。
【００３３】
また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
【００３４】
第１デバイス３は、熱源２の温度変化に応じて電気分極するデバイスである。
【００３５】
ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。
【００３６】
このような第１デバイス３として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
【００３７】
ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。
【００３８】
このようなピエゾ効果により電気分極する第１デバイス３としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。
【００３９】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。
【００４０】
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００４１】
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、熱源２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。
【００４２】
このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ素子から電力が取り出される。
【００４３】
また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００４４】
そのため、上記したように熱源２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００４５】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００４６】
焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。
【００４７】
第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。
【００４８】
また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。
【００４９】
このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。
【００５０】
第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。
【００５１】
このような場合において、焦電素子は、熱源２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。
【００５２】
また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００５３】
そのため、上記したように熱源２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００５４】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００５５】
これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００５６】
このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ３、ＢａＮｄ２Ｔｉ５Ｏ１４、ＢａＳｍ２Ｔｉ４Ｏ１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）、Ｃａ３（ＶＯ４）２、Ｃａ３（ＶＯ４）２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＴａＯ３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３／Ｎｉ、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝２、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝２／Ｎｉなどを用いることができる。
【００５７】
また、第１デバイス３としては、さらに、ＬａＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＭｇＮｂＯ３、ＣａＮｂＯ３、（Ｋ１／２Ｎａ１／２）ＮｂＯ３、（Ｋ１／２Ｎａ１／２）ＮｂＯ３／Ｎｉ、（Ｂｉ１／２Ｋ１／４Ｎａ１／４）ＮｂＯ３、（Ｓｒ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｂａ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｌｉ１／１０（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９／１０）ＮｂＯ３、Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、Ｓｒ１９／１０Ｃａ１／１０ＮａＮｂ５Ｏ１５、Ｓｒ１９／１０Ｃａ１／１０ＮａＮｂ５Ｏ１５／Ｎｉ、Ｂａ２ＮａＮｂＯ１５、Ｂａ２Ｎｂ２Ｏ６、Ｂａ２ＮａＮｂＯ１５／Ｎｉ、Ｂａ２Ｎｂ２Ｏ６／Ｎｉなどの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３などのリラクサーペロブスカイト型結晶構造の誘電体などを用いることもできる。
【００５８】
第１デバイス３のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。
【００５９】
また、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。
【００６０】
このような発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【００６１】
なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、熱源２の温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。
【００６２】
例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。
【００６３】
このような第１デバイス３は、互いに間隔を隔てて複数（図１では９つ）整列配置されるとともに、図２に示すように、第２デバイス４の電極により、固定されている。
【００６４】
第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられており、例えば、図２に示すように、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される電極（例えば、銅電極、銀電極など）を備えている。
【００６５】
また、第２デバイス４は、図３に示すように、電極に接続される複数の導線２２と、その導線を開閉する複数のスイッチ２３とを備えている。これにより、第２デバイス４は、第１デバイス３に電気的に接続され、また、複数の第１デバイス３を電気的に接続可能としている。
【００６６】
導線２２は、図３に示すように、格子状に設けられ、その導線２２の交点に第１デバイス３が介在されている。
【００６７】
スイッチ２３は、導線２２を開閉する機構であり、隣接する第１デバイス３の間の導線２２に設けられている。また、スイッチ２３は、導線２２同士の交点間にも設けられている。
【００６８】
電圧印加装置９は、第１デバイス３に電圧を印加するため、第１デバイス３に直接または近接して設けられる。具体的には、電圧印加装置９は、例えば、上記した第２デバイス４とは別途、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、電圧印加電源Ｖ、およびそれらに接続される導線などを備えており、図２に示されるように、電極間に第１デバイス３および第２デバイス４を介在させるように、配置されている。なお、図示しないが、電圧印加装置９の電極と、第２デバイス４の電極とは、共用されていてもよい。
【００６９】
制御ユニット１０は、発電システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。
【００７０】
制御ユニット１０は、温度センサ８および電圧印加装置９に電気的に接続されており、詳しくは後述するが、上記した温度センサ８によって第１デバイス３の昇温が検知されたときに、電圧印加装置９を作動させる（破線参照）。
【００７１】
また、制御ユニット１０は、図示しないが、各スイッチ２３にも電気的に接続されており、詳しくは後述するように、スイッチ２３を操作可能とし、第２デバイス４としての導線（回路）を開閉可能としている。これにより、制御ユニット１０は、各第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を、任意に切り替え可能としている。
【００７２】
また、発電システム１では、第２デバイス４が、バッテリー７に電気的に接続されている。
【００７３】
２．発電方法
発電システム１により発電するには、例えば、まず、熱源２の温度を経時的に上下、具体的には、周期的に温度変化させ、その熱源２により、第１デバイス３を、加熱および／または冷却する。
【００７４】
そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出す。
【００７５】
このような発電システム１において、熱源２の温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００７６】
また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。
【００７７】
そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出す（図２の細実線参照）。
【００７８】
また、このような発電システム１では、より効率的に発電するため、必要により、第１デバイス３の温度状態に応じて、第１デバイス３に電圧を印加する。
【００７９】
すなわち、この発電システム１では、上記した熱源２による加熱および／または冷却とともに、温度センサ８によって、第１デバイス３の温度を連続的に測定し、第１デバイス３が昇温状態であるか、降温状態であるかを検知する。より具体的には、例えば、温度センサ８によって検知される第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上上昇したときに、昇温状態であると検知され、また、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上下降したときに、降温状態であると検知される。
【００８０】
そして、この発電システム１では、第１デバイス３が昇温状態であると検知されたときには、制御ユニット１０によって電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に所定の電圧を印加する（図２の１点鎖線参照）。
【００８１】
印加電圧としては、電場の強さが、例えば、０．２ｋＶ／ｍｍ以上、好ましくは、０．４ｋＶ／ｍｍ以上であり、例えば、５ｋＶ／ｍｍ以下、好ましくは、４ｋＶ／ｍｍ以下である。
【００８２】
印加電圧（電場）が上記範囲であれば、第１デバイス３から取り出されるエネルギー量と、電圧印加装置９により消費されるエネルギー量とのバランスをとることができ、優れた効率で発電することができる。
【００８３】
また、電圧を印加する時間は、特に制限されず、第１デバイス３の温度や電圧などに応じて、適宜設定される。電圧を印加する時間として、具体的には、例えば、０秒を超過し、例えば、１秒以下、好ましくは、０．５秒以下である。
【００８４】
そして、上記の時間が経過した後、制御ユニット１０によって電圧印加装置９を停止させ、第１デバイス３に対する電圧の印加を停止する。
【００８５】
なお、第１デバイス３が昇温状態に至ってから、降温状態に至るまでの間（具体的には、昇温状態中）、電圧を印加し続けることもできる。
【００８６】
また、この発電システム１では、第１デバイス３が降温状態であると検知されたときには、電圧の印加を停止した状態で維持し、その後、第１デバイス３が、再度、昇温状態であると検知されたときに、第１デバイス３に電圧を印加する。
【００８７】
このように第１デバイス３に電圧を印加することにより、第１デバイス３の発電効率の向上を図ることができる。
【００８８】
なお、電圧印加装置９を作動させてから上記電圧が印加される（すなわち、電場の強さが上記の所定値に達する）までの所要時間、および、電圧印加装置９を停止させてから、電場の強さが０ｋＶ／ｍｍに達するまでの所要時間は、実質的に０秒とみなすことができる。すなわち、この発電システム１では、上記所定値に満たない電圧が印加されている時間は、実質的に０秒であって、上記所定値の電圧が印加されている状態（ＯＮ）と、電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ）とが、制御ユニット１０によって切り替えられる。
【００８９】
このような発電システム１によれば、電圧印加装置９を作動または停止させる、つまり、ＯＮ／ＯＦＦ操作するという比較的簡易な方法によって、電圧を印加しない場合に比べ、第１デバイス３から効率的にエネルギーを取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００９０】
そして、このような発電システム１では、取り出された電力を、バッテリー７に蓄電する。
【００９１】
３．第１デバイスの接続制御
このような発電システム１では、通常、第１デバイス３から電力を取り出し、バッテリー７に回収するときに、バッテリー７の性能に応じて、昇圧器や降圧器などの電圧変換器により電圧変換（昇圧または降圧）する必要があり、このとき、電圧変換に伴って、エネルギー損失を生じる場合がある。
【００９２】
そこで、この発電システムでは、第１デバイス３が電気分極して電荷Ｑを生じた後、その電荷Ｑを回収するタイミングで、以下の方法でスイッチ２３を切り替え、第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整する。これにより、第１デバイス３から取り出される電力の電圧を調整する。
【００９３】
より具体的には、この方法では、まず、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑを、予め測定し、マッピングデータを作成する。
【００９４】
すなわち、第１デバイス３は、上記したように、温度変化に応じて電気分極するが、その電気分極により生じる電荷Ｑは、温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）に応じて異なる。そこで、この方法では、第１デバイス３の温度変化における温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）と、その温度条件下における第１デバイス３に生じる電荷Ｑとの相関を予め測定し、マッピングデータとして、制御ユニット１０に入力する。
【００９５】
次いで、この方法では、第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖの目標値を、所望の値に設定する。そのような値としては、例えば、第１デバイス３から生じた電力をバッテリー７に蓄積する場合には、バッテリー７の最大許容電圧値などが挙げられる。
【００９６】
次いで、この方法では、電気分極時における第１デバイス３の電荷Ｑと、所望の電圧Ｖとから、下記式に従って、第１デバイス３の所望の静電容量Ｃを算出する。
【００９７】
電荷Ｑ  ＝  静電容量Ｃ  ×  電圧Ｖ
つまり、第１デバイス３の電荷Ｑを、所望の電圧Ｖに調整するため、第１デバイス３が有するべき静電容量Ｃを算出する。
【００９８】
そして、この方法では、制御ユニット１０によりスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替える。これにより、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整する。
【００９９】
具体的には、直列接続される誘電体の総静電容量は、［各誘電体の静電容量の積］／［各誘電体の静電容量の和］である。また、並列接続される誘電体の総静電容量は、［各誘電体の静電容量の和］である。
【０１００】
このことから、例えば、各第１デバイス３の有する静電容量がＡ（単位：ファラデー）の場合、図４に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、９つの第１デバイス３を直列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。
【０１０１】
図４の総静電容量Ｃ＝  Ａ９／９Ａ  ＝Ａ８／９
また、例えば、図５に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、３つ並列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。
【０１０２】
図５の総静電容量Ｃ＝  （Ａ３／３Ａ）×３  ＝  Ａ２
さらに、例えば、図６に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、２つ並列接続し、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。
【０１０３】
図６の総静電容量Ｃ  ＝  ［（Ａ３／３Ａ）×２］×Ａ３／［（Ａ３／３Ａ）×２］＋３Ａ
以上のように、スイッチ２３を開閉させ、第１デバイス３の接続方法を切り替えることによって、総静電容量Ｃを調整することができる。なお、図４〜６は、スイッチ２３の開閉動作の一例であって、図示しないが、その他、種々の接続方法に切り替えることができる。
【０１０４】
このように、第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整することにより、第１デバイス３が電荷Ｑを生じるときの電圧Ｖを、所望の値に調整することができる。
【０１０５】
そして、この発電システム１では、取り出された電力を、バッテリー７に蓄電する（図１参照）。
【０１０６】
このような発電システムでは、制御ユニット１０がスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。
【０１０７】
つまり、上記の発電システム１では、第１デバイス３から取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【０１０８】
そのため、このような発電システム１によれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【０１０９】
また、このような発電システム１では、上記したように、第１デバイス３の総電圧Ｖを所望の値に調整することができるので、第１デバイス３から発生する起電力（Ｖ）を絶縁破壊電圧（Ｖ）未満に制御でき、第１デバイス３の破壊を抑制できる。
【０１１０】
なお、第１デバイス３の総数、総静電容量Ｃおよび総電荷Ｑによっては、所望の電圧Ｖ丁度に調整できない場合がある。この場合には、電圧変換に伴うエネルギー損失が最も少なくなるような、所望の電圧Ｖの近似値に調整する。このような発電システム１でも、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【０１１１】
４．破損抑制
このような発電システム１では、その使用に伴って、図７に黒塗で示すように、例えば、１つの第１デバイス３（紙面右下の第１デバイス３）が損傷する場合がある。
【０１１２】
このような場合、従来の発電システム１では、電気的に接続される複数の第１デバイス３のうち、少数（１つなど）の第１デバイス３が破損するだけで、発電システム１全体として発電不能になる場合や、また、その他の第１デバイス１に対する負荷が増加して、さらなる損傷を惹起する場合がある。
【０１１３】
これに対し、本発明の発電システム１では、以下のようにして、発電効率を維持し、また、システム全体の損傷を抑制できる。
【０１１４】
具体的には、例えば、第１デバイス３が直列接続されているとき（図４参照）に、１つの第１デバイス３（紙面右下の第１デバイス３）が損傷した場合は、スイッチ２３を切り替えることにより、図７に破線で示すように、破損した第１デバイス３に接続されていた導線を電気的に切断し、図７に太線で示すように、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続する。
【０１１５】
これにより、発電システム１全体として発電不能になることや、また、その他の第１デバイス１に対する負荷が増加して、さらなる損傷を惹起することを、抑制することができる。
【０１１６】
また、図示しないが、第１デバイス３が並列接続されているとき（図５参照）や、直列接続された第１デバイス３がさらに並列接続されているとき（図６参照）など、種々の接続態様において、スイッチ２３を切り替えることにより、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続することができる。
【０１１７】
５．印加電圧の制御
このような発電システム１では、電圧印加装置９の電圧と、第１デバイス３に印加すべき電圧とが一致しない場合がある。
【０１１８】
具体的には、第１デバイス３に電圧を印加することにより、発電効率を向上させることができるが、要求される印加電圧の大きさは、第１デバイス３の種類や、その温度条件などにより異なる。
【０１１９】
これに対して、従来の発電システム１では、電圧印加装置９の出力が一定の場合があり、この場合、出力される電圧が過度に大きい場合や、出力される電圧が過度に小さい場合がある。つまり、従来の発電システム１では、第１デバイス３に適度な電圧を印加できない場合がある。
【０１２０】
そのため、電圧印加装置９に蓄電された電力を第１デバイス３に印加するときに、電圧変換（昇圧または降圧）することが検討されるが、その変換に伴ってエネルギー損失を生じる場合がある。
【０１２１】
そこで、上記の発電システム１では、以下の方法でスイッチ２３を切り替え第１デバイス３に印加される総電圧Ｖを調整する。
【０１２２】
この方法では、まず、第１デバイス３が要求する電圧の大きさを予め測定し、マッピングデータを作成する。
すなわち、上記したように、第１デバイス３に電圧を印加し、その発電効率の向上を図る場合、第１デバイス３が要求する印加電圧の大きさは、第１デバイス３の種類や、その温度条件などにより異なる。そこで、この方法では、第１デバイス３の種類や温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）と、その温度条件下において要求される印加電圧Ｖとの相関を予め測定し、マッピングデータとして、制御ユニット１０に入力する。
【０１２３】
次いで、この方法では、電圧印加装置９により出力される電圧Ｖ（一定）を入力する。
【０１２４】
そして、この方法では、第１デバイス３に印加される電圧が、所望の値となるように、スイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替える。
【０１２５】
具体的には、例えば、電圧印加装置９による出力が、１２Ｖであった場合、図４に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、９つの第１デバイス３を直列接続すると、各第１デバイス３には、約１．３Ｖ（１２Ｖ／９）の電圧が印加される。
【０１２６】
また、例えば、図５に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、３つ並列接続すると、各第１デバイス３にや、約４Ｖ（１２Ｖ／３）の電圧が印加される。
【０１２７】
また、例えば、図６に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、２つ並列接続し、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続すると、紙面下列および中列の各第１デバイス３には、約２．２Ｖの電圧が印加され、また、紙面上列の各第１デバイス３には、約３．３Ｖの電圧が印加される。
【０１２８】
このように、第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、電圧印加装置９の出力が一定であっても、所望の電圧Ｖを第１デバイス３に印加することができる。
【０１２９】
つまり、このような発電システム１では、第１デバイス３に印加される電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【０１３０】
そのため、このような発電システム１によれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【０１３１】
６．作用・効果
上記したように、この発電システム１では、制御ユニット１０がスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。
【０１３２】
つまり、上記の発電システム１では、第１デバイス３から取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。
【０１３３】
そのため、このような発電システム１によれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【０１３４】
また、上記の発電システム１では、スイッチ２３を切り替えることにより、破損した第１デバイス３に接続されていた導線を切断し、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続することができる。
【０１３５】
これにより、発電システム１全体として発電不能になることや、また、その他の第１デバイス１に対する負荷が増加して、さらなる損傷を惹起することを、抑制することができる。
【０１３６】
また、上記の発電システム１では、第１デバイス３に印加される電圧が、所望の値となるように、スイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、第１デバイス３に印加される電圧を、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整することができる。
【０１３７】
そのため、このような発電システム１によれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。
【０１３８】
その結果、このような発電システム１は、特に制限されないが、例えば、自動車などに搭載される。このような場合、第１デバイス３は、例えば、自動車のエキゾーストマニホールドにおける分岐管の内部または表面などに配置され、自動車のエンジンおよび排ガスが、熱源２として用いられる。
【０１３９】
そして、エンジンの燃焼サイクルに応じて排ガスの温度が経時的に上下され、第１デバイス３が加熱および／または冷却され、上記の発電システム１により発電される。
【０１４０】
なお、上記した説明では、発電システム１は、バッテリー７を備えているが、第１デバイス３により生じた電力が蓄積または利用されるデバイスであれば、特に制限されず、バッテリー７に代替して、灯火装置などの電気負荷デバイスなどを備えることもできる。
【符号の説明】
【０１４１】
１      発電システム
２      熱源
３      第１デバイス
４      第２デバイス
９      電圧印加装置
１０    制御ユニット
２２    導線
２３    スイッチ
【図１】
2018137866.tif 000003
【図２】
2018137866.tif 000004
【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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