(57)【要約】【課題】児童・生徒の多くが興味・関心を抱く、水に浮かぶ太陽熱発電装置を提供する。【解決手段】水に一方の面が直接又は第１のヒートシンク４を介して接触する冷却板５と、冷却板の他方の面に一方の面が接する平板状の熱電変換素子と、熱電変換素子の他方の面に接する蓄熱部と、冷却板に対して蓄熱部及び熱電変換素子を介して対向し、蓄熱部に一方の面が接する集熱板６と、集熱板の他方の面に接触して太陽熱を集熱板に伝熱する第２のヒートシンク７と、熱電変換素子、蓄熱部、集熱板及び第２のヒートシンクが水に接触するのを防止するカバー部８と、を備える。水に浮いた状態で発電が行われるため、固定された教材よりも、児童・生徒の興味・関心を引きやすい。【選択図】図４
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
水に浮かぶ浮上太陽熱発電装置であって、
前記水に一方の面が直接又は第１のヒートシンクを介して接触する冷却板と、
前記冷却板の他方の面に一方の面が接する平板状の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の他方の面に接する蓄熱部と、
前記冷却板に対して前記蓄熱部及び熱電変換素子を介して対向し、前記蓄熱部に一方の面が接する集熱板と、
前記集熱板の他方の面に接触して太陽熱を前記集熱板に伝熱する第２のヒートシンクと、
前記熱電変換素子、蓄熱部、集熱板及び第２のヒートシンクが前記水に接触するのを防止するカバー部と、
を備えることを特徴とする浮上太陽熱発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の浮上太陽熱発電装置であって、
前記蓄熱部及び熱電変換素子が存在していない前記冷却板と前記集熱板との間隙の少なくとも一部に断熱材が配置されていることを特徴とする浮上太陽熱発電装置。
【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した教材用の太陽熱発電装置であって、水に浮かべた状態で発電するように構成したものである。
【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】
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、あまり見られない。
【０００４】
本考案者は、先に、下記特許文献１において、図８に示す教材用の太陽熱発電装置を提案している。
この装置は、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、を備えている。
放熱部２６にはＣＰＵクーラーを転用している。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３２０９６５３号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、先に提案した装置では、放熱部２６の放熱効率を高めようとすると、冷却ファンの風を放熱部２６のフィン２６２に当てて空冷する必要があり、冷却ファンを回転するため、太陽熱発電で得られる電力や太陽電池を用いて得られる電力を消費する必要があった。
本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、冷却のためにエネルギーを使う必要が無い太陽熱発電装置であって、より多くの児童・生徒が、興味・関心を抱くことができる、水に浮かぶ状態で太陽熱発電を行う教材用の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】
【０００７】
本考案は、水に浮かぶ浮上太陽熱発電装置であって、水に一方の面が直接又は第１のヒートシンクを介して接触する冷却板と、冷却板の他方の面に一方の面が接する平板状の熱電変換素子と、熱電変換素子の他方の面に接する蓄熱部と、冷却板に対して蓄熱部及び熱電変換素子を介して対向し、蓄熱部に一方の面が接する集熱板と、集熱板の他方の面に接触して太陽熱を集熱板に伝熱する第２のヒートシンクと、熱電変換素子、蓄熱部、集熱板及び第２のヒートシンクが水に接触するのを防止するカバー部と、を備えることを特徴とする。
この装置では、冷却板が水冷されるため、冷却のためにエネルギーを使う必要がない。集熱板で集めた太陽熱は蓄熱部で蓄熱され、蓄熱部から伝わる熱が熱電変換素子の一方の面の温度を高める。熱電変換素子の他方の面の温度は水温に保たれるため、この温度差が作用する熱電変換素子は、ゼーベック効果により起電力を発生（発電）する。太陽が陰っても蓄熱部は熱を出し続けるため、発電を続けることが可能である。なお、ここで言う“水”には、水道水、河川の水、海水など、全ての水が含まれる。
【０００８】
また、本考案の浮上太陽熱発電装置では、蓄熱部及び熱電変換素子が存在していない冷却板と集熱板との間隙の少なくとも一部に断熱材を配置することが望ましい。
断熱材の存在により、集熱板から冷却板への熱の伝搬が抑制され、熱電変換素子に作用する温度差の低減を防ぐことができる。
【考案の効果】
【０００９】
本考案の浮上太陽熱発電装置は、水に浮いた状態で発電が行われるため、固定された教材よりも、児童・生徒の興味・関心を引きやすい。
また、児童・生徒は、身近な存在である水を通して、太陽エネルギーの大きさを実感することができ、太陽熱発電に対する理解が深まる。
また、この装置を海面に浮かべて太陽熱発電を行わせる場合は、児童・生徒に海洋エネルギーへの関心を持たせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本考案の実施形態に係る浮上太陽熱発電装置が水に浮かんだ状態を示す図
【図２】図１の浮上太陽熱発電装置の主要部の構成を示す図
【図３】図１の浮上太陽熱発電装置の半球ドームを除いた状態を示す図
【図４】図１の浮上太陽熱発電装置の側面図
【図５】図１の浮上太陽熱発電装置の上面図
【図６】図１の浮上太陽熱発電装置の異なる方向からの側面図
【図７】図１の浮上太陽熱発電装置の更に異なる方向からの側面図
【図８】従来の教材用太陽熱発電装置を示す図
【考案を実施するための形態】
【００１１】
図１は、盥の水に本考案の実施形態に係る浮上太陽熱発電装置を浮かべた状態を示している。この太陽熱発電装置は、水面上の部分がフランジ部分１０を有するアクリル製の半球ドーム８で覆われている。
図２は、この太陽熱発電装置の主要部を模式的に示している。
この装置は、水の温度に維持される冷却板５と、冷却板５の下面に固定された第１ヒートシンク４と、冷却板５の上面に固定された、ゼーベック効果により発電する平板状の熱電変換素子１１と、熱電変換素子１１の上面に接する潜熱蓄熱材１２と、冷却板５に対して潜熱蓄熱材１２及び熱電変換素子１１を介して対向し、潜熱蓄熱材１２に下面が接する集熱板６と、冷却板５と集熱板６との隙間（潜熱蓄熱材１２及び熱電変換素子１１が存在しない箇所）に配置された断熱材１５（図３参照）と、集熱板６の上面に接触して太陽熱を集熱板６に伝熱する第２ヒートシンク７とを備えている。なお、図１では、断熱材１５の記載を省略している。
【００１２】
ここでは、冷却板５に熱伝導率が高いアルミ板を使用し、集熱板６には、さらに熱伝導率が高い銅板を使用している。しかし、冷却板５及び集熱板６として、その他の金属板を用いても良い。
第１ヒートシンク４が固定された冷却板５の下面は、水に接触し、水温と同じ温度になる。第１ヒートシンク４は、冷却板５の放熱・吸熱の効率を高め、冷却板５の水温への同化を促進している。
平板状の熱電変換素子１１は、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。なお、ゼーベック効果とペルチェ効果とは表示一体の関係にあり、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。従って、熱電変換素子１１として市販の平板状ペルチェ素子を用いることができる。
【００１３】
潜熱蓄熱材１２は、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）等であり、樹脂製の袋に封入されている。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板６から大量の熱が潜熱蓄熱材１２に移動しても、潜熱蓄熱材１２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、集熱板６から潜熱蓄熱材１２への熱の流入が無くなっても、潜熱蓄熱材１２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。
【００１４】
断熱材１５は、冷却板５と集熱板６との隙間を埋めるように配置しても良いし、冷却板５及び集熱板６のそれぞれの対向面を覆うように配置しても良い。ここでは、断熱材１５として、樹脂中にシリカナノ中空粒子が配合された断熱塗料を用いている。この塗料は、樹脂中に真空の小粒子が多数存在していると見られる優れた断熱性を有している（特開２００９−１０８２２２号参照）。勿論、その他の断熱材を用いても良い。
第２ヒートシンク７は、底を切断したコーヒー飲料のアルミ製ボトル缶の外周を黒色に塗装して用いている。
【００１５】
図２では、この浮上太陽熱発電装置の特性を調べるための計器についても示している。
２は、加熱側の温度（潜熱蓄熱材１２の温度）を測定するデジタル温度計である。３は、冷却側の温度（第１ヒートシンク４の温度）を測定するデジタル温度計である。１は、熱電変換素子１１の起電力を測定する電圧計である。
また、熱電変換素子１１が発電する電力により工作用モータの回転等の仕事を行わせるため、熱電変換素子１１の発生電圧を高めるＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、それに接続するＤＣジャック１４とを設けている。
図２では、熱電変換素子１１として１枚のペルチェ素子を用いる場合を示しているが、４枚のペルチェ素子を使用するとＤＣ−ＤＣコンバータ１３で太陽熱発電の発生電圧を２．５Ｖに高めることができる。この電力は、耐圧２．５Ｖの電気二重層コンデンサに蓄えることができ、蓄えた電力は、電気二重層コンデンサから取り出して種々の仕事に用いることができる。
【００１６】
図３は、ヒートシンク７、デジタル温度計２、３及び電圧計１が配置された集熱板６と、第１ヒートシンク４（図３では見えない）が固定された冷却板５とを組み合わせた状態を示している。
ヒートシンク７、デジタル温度計２、３及び電圧計１が配置された集熱板６の上面は、それらの配置箇所を除く部分が黒色の太陽熱吸収塗料で覆われている。
集熱板６の下面周縁部は断熱材１５を介して冷却板５の上面に接触している。
また、冷却板５の上面周縁部には、半球ドーム８のフランジ（図５の１０）を固定するためのネジが等間隔に配置されたドーム固定部が設けられている。半球ドーム８のフランジ１０は、ゴムパッキン９を介して冷却板５のドーム固定部にネジ固定される。
【００１７】
図４、図５は、半球ドーム８が冷却板５のドーム固定部に固定された浮上太陽熱発電装置の完成形を示している。図４は側面図であり、図５は上面図である。
図６は、図４の浮上太陽熱発電装置を９０度回転させたときの側面図を示している。また、図７は、図４の浮上太陽熱発電装置を１８０度回転させたときの側面図を示している。
【００１８】
水道水の水温は平均気温に近いことが知られている。
また、日向の温度は、日陰の温度（気温）に比べて２０℃程度高いことが知られている。
また、水の比熱容量（単位質量の物質の温度を１℃上げるのに必要な熱量）は、他の物質に比べて極めて高い。
そのため、日向に置いた盥に水道水を貯めて浮上太陽熱発電装置を浮かべた場合、熱電変換素子１１に作用する温度差は２０℃程度になる。また、浮上太陽熱発電装置を浮かべている時間が長くなっても、水の比熱容量が高いため、この温度差が減少する割合は極めて小さい。
それ故、長時間に渡って太陽熱発電を続けることが可能である。
また、新たな水道水を盥に順次注ぐような工夫をすれば、水温の上昇を更に抑えることができる。
【００１９】
児童・生徒は、太陽熱発電の結果をデジタル温度計２、３や電圧計１の計測値から認識することができる。
また、ＤＣジャック１４に工作用モータを接続すれば、モータの回転により太陽熱発電を確かめることができる。
【００２０】
なお、ここでは、熱電変換素子１１、潜熱蓄熱材１２、集熱板６及びその上の部材が水に接触するのを防ぐために半球ドーム８を用いているが、同様の目的が達成できるものであれば、その他の形状のカバー部材を用いても良い。
また、冷却板５と集熱板６との間に配置する断熱材１５は、有る方が望ましいが、無くても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本考案の浮上太陽熱発電装置は、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】
【００２２】
１    電圧計
２    デジタル温度計
３    デジタル温度計
４    第１ヒートシンク
５    冷却板
６    集熱板
７    第２ヒートシンク
８    半球ドーム
９    ゴムパッキン
１０  フランジ
１１  熱電変換素子
１２  潜熱蓄熱材
１５  断熱材
【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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