(57)【要約】【課題】児童・生徒が太陽熱発電に興味を抱き、その理解を深めることができる教材用の太陽熱発電装置を提供する。【解決手段】一方の面と他方の面との温度差に応じた電力を発電する平板状の熱電変換素子２４と、熱電変換素子２４に送る太陽熱を集める集熱銅ブロック２１と、熱電変換素子２４の一方の面と集熱銅ブロック２１との間に介在する蓄熱部２２と、集熱銅ブロック２１を囲むように配置され、太陽光を集熱銅ブロック２１に反射する凹面状の反射板１５と、熱電変換素子２４の他方の面から熱を奪う放熱部２６と、を備える。この装置では、集熱銅ブロック２１で集めた太陽熱が蓄熱部２２で蓄熱され、その熱を使って熱電変換素子２４がゼーベック効果による発電を行う。そのため、太陽が陰っても発電を続けることが可能である。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
一方の面と他方の面との温度差に応じた電力を発電する平板状の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子に送る太陽熱を集める集熱部と、
前記熱電変換素子の一方の面と前記集熱部との間に介在する蓄熱部と、
前記集熱部を囲むように配置され、太陽光を前記集熱部に反射する凹面状の反射板と、
前記熱電変換素子の他方の面から熱を奪う放熱部と、
を備えることを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の教材用太陽熱発電装置であって、
前記熱電変換素子の平板面が嵌合する貫通穴を備える基板を有し、
前記熱電変換素子が、前記基板の貫通穴に配置され、
前記蓄熱部が、前記基板の貫通穴に配置された前記熱電変換素子の一方の面と重なる位置に配置され、
前記集熱部が、前記蓄熱部と重なる位置に配置され、
前記反射板が、前記集熱部を囲むように前記基板の上面側に配置され、
前記放熱部が、前記基板の下面側に配置されている、
ことを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の教材用太陽熱発電装置であって、
前記熱電変換素子の一方の面と前記蓄熱部との間、及び、前記熱電変換素子の他方の面と前記放熱部との間の少なくとも一方に熱伝導シートが介在している、
ことを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の教材用太陽熱発電装置であって、
前記集熱部が、銅を主成分とする金属のブロックから成ることを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の教材用太陽熱発電装置であって、
前記放熱部が、アルミニウムを主成分とする金属のブロック及びフィンと、前記ブロックの熱をフィン側に運ぶヒートパイプとを有することを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の教材用太陽熱発電装置であって、
さらに、太陽光を直接電気に変換する太陽電池を備え、前記熱電変換素子及び太陽電池の各々から発電される電力を検証するための計器又は負荷が設けられていることを特徴とする教材用太陽熱発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、太陽熱発電に対する児童・生徒の関心を高めるように開発された教材用の太陽熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽エネルギーを利用する発電システムでは、太陽電池を用いて太陽光を直接電気に変換する太陽光発電と、太陽熱を利用して発電する太陽熱発電とが知られている。
発電のエネルギー源に化石燃料を使用した場合の温室効果ガスの増加や、原子力発電の安全性が懸念される昨今、太陽エネルギーを利用する発電に対して児童・生徒の興味・関心を高め、その技術に対する科学的な理解を深めることは極めて有意義であると考えられる。
【０００３】
下記特許文献１には、太陽光発電及び太陽熱発電の学習用教材に用いる装置が開示されている。
この装置は、図９に示すように、フレネルレンズ１を通じて入射した太陽光を可視光及び紫外線の光成分と赤外線以上の熱成分とに分離する、４５度傾斜するように配置した波長分離用フィルタ４と、波長分離用フィルタ４で反射された可視光及び紫外線の入射位置に配置した太陽電池５と、波長分離用フィルタ４を透過した赤外線以上の光の入射位置に配置した受光板７及び熱電変換素子８と、熱電変換素子８の他面を冷やす放熱器９とを備えている。
【０００４】
この装置では、フレネルレンズ１を通して太陽光が入射すると、太陽電池５及び熱電変換素子８のそれぞれで発電が行われる。
そのため、児童・生徒は、この装置により、太陽エネルギーを利用して光電及び熱電による発電が可能であることを確認することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５６０５５３１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
わが国では、太陽電池による発電が広く普及しており、児童・生徒にとっても身近な存在である。しかし、太陽熱発電を実感する機会は少ない。
太陽電池は、太陽光が当たると直ぐに発電を開始するが、太陽光は貯めておくことができないため、太陽が陰ると太陽電池による発電は停止してしまう。
これに対して、太陽熱は蓄積が可能であるため、太陽熱発電は、太陽が陰っても、蓄積した熱を利用して発電を継続することができる。
こうした太陽熱発電の利点を児童・生徒に実感させる教材は、現状では見当たらない。
【０００７】
本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、児童・生徒が太陽熱発電に興味を抱き、その理解を深めることができる教材用の太陽熱発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本考案は、教材用の太陽熱発電装置であって、一方の面と他方の面との温度差に応じた電力を発電する平板状の熱電変換素子と、熱電変換素子に送る太陽熱を集める集熱部と、熱電変換素子の一方の面と集熱部との間に介在する蓄熱部と、集熱部を囲むように配置され、太陽光を集熱部に反射する凹面状の反射板と、熱電変換素子の他方の面から熱を奪う放熱部と、を備えることを特徴とする。
この装置では、集熱部で集めた太陽熱が蓄熱部で蓄熱され、その熱を使って熱電変換素子がゼーベック効果による発電を行う。そのため、太陽が陰っても発電を続けることが可能である。
【０００９】
また、本考案の教材用太陽熱発電装置では、熱電変換素子の平板面が嵌合する貫通穴を備える基板を有し、熱電変換素子が、基板の貫通穴に配置され、蓄熱部が、基板の貫通穴に配置された熱電変換素子の一方の面と重なる位置に配置され、集熱部が、蓄熱部と重なる位置に配置され、反射板が、集熱部を囲むように基板の上面側に配置される。そして、放熱部が、基板の下面側に配置される。
基板が、熱電変換素子の一方の面側の空間と他方の面側の空間とを遮断しているため、両空間を行き来する対流が発生しない。そのため、熱電変換素子の両面間で大きな温度差を保つことができる。
【００１０】
また、本考案の教材用太陽熱発電装置では、熱電変換素子の一方の面と蓄熱部との間、及び、熱電変換素子の他方の面と放熱部との間の少なくとも一方に熱伝導シートを介在させている。
熱電変換素子の表面や蓄熱部及び放熱部の表面に凹凸が在っても、熱伝導シートが凹凸を埋めるため、それらの間の熱伝達が効率的に行われる。
【００１１】
また、本考案の教材用太陽熱発電装置では、集熱部が、銅を主成分とする金属のブロックで構成されることが望ましい。
集熱部の銅ブロックは、効果的に熱を集めるとともに、その重さが、集熱部と蓄熱部との間に隙間が生じるのを防止する。
【００１２】
また、本考案の教材用太陽熱発電装置では、放熱部が、アルミニウムを主成分とする金属のブロック及びフィンと、ブロックの熱をフィン側に運ぶヒートパイプとを有することが望ましい。
この放熱部は、熱電変換素子の他方の面を効率的に冷やすことができる。
【００１３】
また、本考案の教材用太陽熱発電装置では、さらに、太陽光を直接電気に変換する太陽電池を配置し、熱電変換素子及び太陽電池の各々から発電される電力を検証するための計器又は負荷を設けることが望ましい。
こうすることで、太陽熱発電と太陽光発電との違いを明確に把握することができる。
【考案の効果】
【００１４】
本考案の教材用太陽熱発電装置では、太陽が陰っても発電を続けることができる。また、熱電変換素子の両面間に大きな温度差を維持することができ、その温度差に応じた電力を発電することができる。児童・生徒は、この装置に接することで、太陽熱発電の理解を深めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本考案の実施形態に係る教材用太陽熱発電装置の斜視図
【図２】図１の断面図
【図３】図１の反射板及び円筒状断熱材を示す図
【図４】図２の太陽熱発電部本体を示す図
【図５】図４の太陽熱発電部本体の分解斜視図
【図６】カバーを備える教材用太陽熱発電装置を示す図
【図７】電圧計、温度表示装置、太陽電池が付加された教材用太陽熱発電装置を示す図
【図８】銅ブロック及びアルミブロックへの温度計の装着形態を示す図
【図９】従来の教材用太陽光熱複合装置を示す図
【考案を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本考案の実施形態に係る教材用太陽熱発電装置の主要部の斜視図であり、図２は、その断面図である。
この装置は、基台１１上に支柱１２で支えられた基板１３と、基板１３の貫通穴１４を貫通して配置された太陽熱発電部本体２０と、基板１３の上面側に配置された、太陽光を中心部に向けて反射する凹面状の反射板１５と、反射板１５を基板１３上で支える円筒状の断熱材１６とを備えている。
図３には、凹面状の反射板１５（図３（ａ））と円筒状の断熱材１６（図３（ｂ））を示している。反射板１５の中央には、図３（ｃ）に示すように、太陽熱発電部本体２０が貫通する穴１５１が設けられている。
【００１７】
図４は、太陽熱発電部本体２０の断面図を示し、その分解斜視図を図５に示している。
この太陽熱発電部本体２０は、太陽の直射光や反射板１５からの反射光に照射されて太陽熱を集める集熱銅ブロック２１と、集熱銅ブロック２１で集められた熱を蓄熱する蓄熱部２２と、ゼーベック効果により両方の面の温度差に応じた電力を発電する平板状の熱電変換素子２４と、蓄熱部２２から熱電変換素子２４の一面への円滑な熱伝導を可能にする熱伝導シート２３と、熱電変換素子２４の他面から熱を奪う放熱部２６と、熱電変換素子２４の他面から放熱部２６への円滑な熱伝導を可能にする熱伝導シート２５とを有する。
また、放熱部２６は、アルミニウムのブロック２６１とフィン２６２と、ブロック２６１の熱をフィン２６２側に運ぶヒートパイプ２６３とから成る。
【００１８】
太陽熱発電部本体２０は、図２に示すように、熱電変換素子２４が基板１３の貫通穴１４の位置に来るように基台１１に取付けられる。
この熱電変換素子２４には、ペルチェ素子を用いている。ゼーベック効果とペルチェ効果とは表裏一体の関係にあり、平板状のペルチェ素子の一方の面を高温に、他方の面を低温に保つことで、その温度差により電力が発生する。
【００１９】
集熱銅ブロック２１は、太陽の直射光や反射板１５での反射光から太陽熱を効率的に集める。集めた熱は、蓄熱部２２に熱伝導する。このとき、集熱銅ブロック２１の重さが、蓄熱部２２との間に隙間が生じるのを防いでおり、そのため、集熱銅ブロック２１から蓄熱部２２に効率良く熱が移動する。
【００２０】
蓄熱部２２は、樹脂製の袋にパラフィン、硫酸ナトリウム水和物（Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ）、酢酸ナトリウム水和物（ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３Ｈ２Ｏ）等の潜熱蓄熱材が封入されて構成されている。これらの潜熱蓄熱材は、固相から液相に転移するとき、温度を一定に保った状態で熱を吸収し、液相から固相に転移するとき、温度を一定に保った状態で熱を放出する。
そのため、太陽熱を吸収した集熱銅ブロック２１から大量の熱が蓄熱部２２に移動しても、蓄熱部２２の温度は、潜熱蓄熱材の全てが固相から液相に転移するまで、その転移温度に維持される。
逆に、太陽が陰り、集熱銅ブロック２１から蓄熱部２２への熱の流入が無くなっても、蓄熱部２２の温度は、潜熱蓄熱材の全てが液相から固相に転移するまで、その転移温度に維持される。
【００２１】
熱伝導シート２３を介して蓄熱部２２に接する熱電変換素子２４の一方の面は、蓄熱部２２と同等の温度になる。
熱伝導シート２３は、熱伝導性フィラーを充てんしたエラストマーシートから成り、蓄熱部２２や熱電変換素子２４の表面の凹凸に追随して変形する。そのため、それらの接合面には空隙が発生せず、効率良く熱が移動する。
なお、反射板１５を支える円筒状の断熱材１６は、熱電変換素子２４の一方の面が外気に触れて冷やされるのを防ぐために、反射板１５の下側の空間と外気とを熱的に遮断している。
【００２２】
熱伝導シート２５を介して熱電変換素子２４の他方の面に接する放熱部２６には、ＣＰＵ冷却用のＣＰＵクーラーを転用している。
熱電変換素子２４の他方の面の熱は、熱伝導シート２５を介して放熱部２６のアルミブロック２６１に流入し、アルミブロック２６１の熱は、ヒートパイプ２６３でフィン２６２側に運ばれ、フィン２６２から放熱される。
それにより、熱電変換素子２４の他方の面は、外気温に近い温度に保たれる。
そのため、熱電変換素子２４の両面には温度差が生じ、熱電変換素子２４は、その温度差に応じた電力を発生する。
【００２３】
この装置では、熱電変換素子２４の両面間の温度差を保つことができるように、熱電変換素子２４を基板１３の貫通穴１４の位置に配置している。そのため、熱電変換素子２４の一方の面が接する空間と他方の面が接する空間との間の熱の移動が、基板１３によって遮られている。
【００２４】
また、この装置では、太陽が陰っても、蓄熱部２２の存在により、熱電変換素子２４の両面間の温度差が維持され、熱電変換素子２４による発電が継続する。
【００２５】
この装置は、図６に示すように、太陽光を通す透明な半球状の樹脂カバー３１で基板１３の上側にある全ての部品を覆うことが望ましい。このカバー３１は、基板１３の上側にある部品の外気との接触による温度の低下を抑制する。
【００２６】
また、この装置には、図７に示すように、熱電変換素子２４の起電力を測る電圧計３２や集熱銅ブロック２１の温度を表示する表示装置３３、放熱部２６のアルミブロック２６１の温度を表示する表示装置３４を取り付け、さらには、太陽電池３５やその起電力を測る電圧計３６等を取り付けることが望ましい。
集熱銅ブロック２１やアルミブロック２６１の温度は、図８に示すように、ブロック２１、２６１に形成した孔に熱電対温度計３７を挿入して測定する。
【００２７】
児童・生徒は、表示装置３３、３４に表示される温度と、電圧計３２に表示される電圧とから、温度差による発電を理解することができる。また、太陽熱発電と太陽電池３５による発電との違いを電圧計３２及び電圧計３６の計測値から理解することができる。
【００２８】
なお、熱電変換素子２４や太陽電池３５の発電状態を確かめるため、ＬＥＤやモータ等の負荷を配置しても良い。
また、この装置を太陽が当たらない教室内に置いて実験する場合は、太陽光を凹面鏡等の鏡に反射させて、この装置に導くようにする。このとき、反射された太陽光が集熱銅ブロック２１の真上近傍から入射するように、鏡の向きや鏡の数を調整し、また、基台１１の下側に傾斜板を差し込んで、装置を必要な方向に傾けることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本考案の教材用太陽熱発電装置は、小型で持ち運びが可能であり、児童・生徒に太陽熱発電を理解させる教材として広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１１    基台
１２    支柱
１３    基板
１４    貫通穴
１５    反射板
１６    断熱材
２０    太陽熱発電部本体
２１    集熱銅ブロック
２２    蓄熱部
２３    熱伝導シート
２４    熱電変換素子
２５    熱伝導シート
２６    放熱部
３１    カバー
３２    電圧計
３３    温度表示装置
３４    温度表示装置
３５    太陽電池
３６    電圧計
３７    熱電対温度計
１５１  穴
２６１  アルミブロック
２６２  フィン
２６３  ヒートパイプ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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