(57)【要約】【課題】排熱等の熱源が得られない場合であっても発電可能な発電装置及び発電方法を提供する。【解決手段】  内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを備え、前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させる。外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電し、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電する。【選択図】図１
2013243303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電装置において、
内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを備え、
前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、
前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電し、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記蓄熱材は、前記外部の温度の最高温度と、最低温度の中間に融点を持つことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記蓄熱材は、融点が異なる複数の材料により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記熱電変換モジュールにより発電された電力を蓄える蓄電手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記外部の温度は気温であって、昼の気温と、夜の気温の温度差を利用するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記外部の温度は任意の装置の周囲温度であって、前記任意の装置の稼働時の温度と、停止時の温度の温度差を利用するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項７】
熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電方法において、
内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを用い、
前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、
前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電する工程と、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電する工程と、
を有することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等へ電力を供給する発電装置に関し、特に、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、未利用の排熱を使用して発電する小容量電源装置に関する技術が開示されている。この手法によれば、熱源からの熱の供給の遮断時にも、小容量電力の発電を一時的に継続して維持できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５１９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の装置では適当な排熱等の熱源が得られない場合には発電することができず、熱源からの熱の供給がない状態が長時間続けば、その後、発電を継続することはできない。
【０００５】
本発明の目的は、排熱等の熱源が得られない場合であっても発電可能な発電装置及び発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発電装置は、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電装置において、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを備え、前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電し、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電することを特徴とする。
この発電装置によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
【０００７】
前記蓄熱材は、前記外部の温度の最高温度と、最低温度の中間に融点を持つよう構成してもよい。
【０００８】
前記蓄熱材は、融点が異なる複数の材料により構成してもよい。
【０００９】
前記熱電変換モジュールにより発電された電力を蓄える蓄電手段を備えてもよい。
【００１０】
前記外部の温度は気温であって、昼の気温と、夜の気温の温度差を利用するものであってもよい。
【００１１】
前記外部の温度は任意の装置の周囲温度であって、前記任意の装置の稼働時の温度と、停止時の温度の温度差を利用するものであってもよい。
【００１２】
本発明の発電方法は、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電方法において、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを用い、前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電する工程と、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電する工程と、を有することを特徴とする。
この発電方法によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発電装置によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
【００１４】
本発明の発電方法によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態の発電装置を備えた発電システムを示す図であり、（ａ）は充電システムの概略断面図、（ｂ）はコントローラの構成を示すブロック図。
【図２】吸熱・放熱面と、蓄熱面の一日の間の気温の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明による発電装置の一実施形態について説明する。本発明の発電装置を、熱電変換モジュールと蓄熱タンクを備えた発電装置、さらに、蓄電手段としての蓄電部を備えた発電システムに適用する場合を例に説明する。
【００１７】
図１は一実施形態の発電装置を備えた発電システムを示す図であり、（ａ）は充電システムの概略断面図、（ｂ）はコントローラの構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、発電システム１は、温度差を利用した発電を行う発電装置１０と、発電装置１０により発電された電力を制御するコントローラ２０と、コンデンサ等を用いた蓄電部３０と、により構成される。発電装置１０で発電された電力がコントローラ２０を介して蓄電部３０に充電され、外部の機器（不図示）に供給される。外部の機器は、例えば、温度センサ、圧力センサ等である。
【００１９】
発電装置１０は、ゼーベック効果を利用して熱電変換材料の温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール１１と、内部の温度を略一定に保つ蓄熱材１２ａおよび蓄熱材１２ａを収容する断熱容器１２ｂからなる蓄熱タンク１２と、を備える。この断熱容器１２ｂにより蓄熱材１２ａと外気との間の熱の出入りが抑制される。
【００２０】
熱電変換モジュール１１としては任意構成のものを使用できるが、例えば、図１に示すように、複数のｎ型熱電変換材料からなる部材１１Ａと、同数のｐ型熱電変換材料からなる部材１１Ｂとを用い、同数の部材１１Ａおよび部材１１Ｂの対からなる発電要素を形成した熱電変換モジュール１１を構成することができる。各対の部材１１Ａと部材１１Ｂとは互いに接合され、その両端の温度差に応じた電位差を生じ発電する発電要素が形成される。これらの発電要素を直列接続することで、個々の発電要素の電位差が足し合わされた電圧を得ることができる。熱電変換モジュール１１が発電した電力は、リード線１４により引き出され、コントローラ２０を経て蓄熱部３０に接続され、発電システム１が構成される。なお、熱電変換モジュールの構成は周知であるため、その詳細説明は省略する。
【００２１】
蓄熱タンク１２の蓄熱材１２ａとしては、パラフィン、シリコンゲル、水、各種有機化合物等の材料又はこれらの混合物を使用できる。例えば、昼と夜の気温差を利用する場合、蓄熱材１２ａとして、蓄熱タンク１２内の温度を、外気の昼の気温と夜の気温の中間に保つ能力が高いものを選定することで発電効率を向上させることができる。
【００２２】
図１（ａ）において下面にあたる熱電変換モジュール１１の蓄熱面１１Ｃには、熱伝導性が高い材料で構成された接触部材１５が接着され、その表面１５ａ（図１（ａ）において下面）は蓄熱材１２ａと接触している。この接触部材１５により、蓄熱材１２ａから熱電変換モジュール１１への、あるいは熱電変換モジュール１１から蓄熱材１２ａへの熱の効率的な移動が果される。
【００２３】
図１（ａ）において上面にあたる熱電変換モジュール１１の吸熱・放熱面１１Ｄは外気に露出している。なお、外気と熱電変換モジュール１１との間の熱抵抗を低減するため、吸熱・放熱面１１Ｄに放熱器を取り付けてもよい。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、コントローラ２０は、熱電変換モジュール１１の発電の極性を検出する検出回路２１と、蓄電部３０を充電するための充電電流を出力する充電回路２２と、検出回路２１の検出結果に応じて制御されるスイッチSW１およびスイッチSW２と、を備える。スイッチSW１およびスイッチSW２は、検出回路２１からの信号に基づいてＰ側、Ｑ側のいずれかに連動して切り替えられる。これにより、熱電変換モジュール１１の発電の極性に関わらず、充電回路２２に与えられる熱電変換モジュール１１からの電圧の極性が反転しないように制御される。
【００２５】
次に、本実施形態の発電装置１の動作について説明する。
【００２６】
図２は、吸熱・放熱面１１Ｄと、蓄熱面１１Ｃの一日の間の気温の変化を示す図である。図２では、吸熱・放熱面１１Ｄの温度が外気温と連動するように吸熱・放熱面１１Ｄに放熱器を付け、蓄熱材１２ａとして外気の最低温度と最高温度の中間に融点を持つ潜熱型蓄熱材を用いた場合の温度変化の例を示している。図２では、一日のサイクル（Ａ）〜（Ｆ）を例に説明する。なお、図２において、吸熱・放熱面１１Ｄの温度を実線で示し、蓄熱面１１Ｃの温度を破線で示す。
【００２７】
図２の例で、０時の時点（Ａ）では、蓄熱タンク１２内の蓄熱材１２ａは、前日の日中に蓄えた熱で溶融状態にある。夜になり、外気温が低下すると、吸熱・放熱面１１Ｄの温度も低下する。一方、蓄熱面１１Ｃの温度は、蓄熱材１２ａの融点付近で蓄熱材１２ａが凝固し始め、潜熱が放出されるようになるため、ほぼ一定となる。このため、蓄熱面１１Ｃと吸熱・放熱面１１Ｄとの温度差が維持され、熱電変換モジュール１１は、この温度差に応じた電位差を発生させる。
【００２８】
熱電変換モジュール１１で温度差による発電を行うと蓄熱面１１Ｃから吸熱・放熱面１１Ｄに熱が移動し、蓄熱材１２ａの凝固、すなわち、潜熱の放出が進む（Ｂ）。このように、外部の温度が蓄熱タンク１２内の温度よりも低くなると、熱電変換モジュール１１が蓄熱タンク１２に蓄えた熱を放熱しつつ発電する。
【００２９】
蓄熱材１２ａが全て凝固すると、蓄熱面１１Ｃの温度は吸熱・放熱面１１Ｄに略等しくなる。そのため、発電は停止する（Ｃ）。
【００３０】
日が昇り、外気温が上昇すると、吸熱・放熱面１１Ｄの温度も上昇する。蓄熱材１２ａの融点付近で蓄熱材１２ａが溶融し始め、潜熱が吸収されるようになる。そのため、蓄熱面１１Ｃの温度は略一定となり、吸熱・放熱面１１Ｄとの温度差が発生して、再び熱電変換モジュール１１で発電が可能となる（Ｄ）。
【００３１】
熱電変換モジュール１１で発電を行うと、吸熱・放熱面１１Ｄから蓄熱面１１Ｃに熱が移動し、蓄熱材１２ａの溶融、すなわち、潜熱の蓄積が進む（Ｅ）。このように、熱電変換モジュール１１では、外部の温度が蓄熱タンク１２内の温度よりも高くなったときには、熱を蓄熱タンク１２に蓄えつつ発電する。
【００３２】
蓄熱材１２ａが全て溶融すると、蓄熱面１１Ｃの温度は吸熱・放熱面１１Ｄに略等しくなる。温度差が無くなり、熱電変換モジュール１１での発電が停止する（Ｆ）
【００３３】
図２の（Ａ）〜（Ｆ）のサイクルを毎日繰り返すことにより、（Ｂ）及び（Ｅ）の間、熱電変換モジュール１１で発電が行われる。発電された電力は、コントローラ２０により極性及び電圧の変換が行われ、蓄電部３０に充電される。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の発電装置１０は、温度差により発電可能な熱電変換モジュール１１と、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンク１２とを備え、外部の温度が蓄熱タンク１２内の温度よりも高くなると、熱電変換モジュール１１は熱を蓄熱タンク１２に蓄えつつ発電し（図２の（Ｅ））、外部の温度が蓄熱タンク１２内の温度よりも低くなると、熱電変換モジュール１１は畜熱タンク１２に蓄えた熱を放熱しつつ発電する（図２の（Ｂ））よう構成している。これにより、屋外、空調されていない屋内等の広い範囲で存在する昼夜の温度など、外部の温度差を用いて発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
【００３５】
また、本実施形態の発電装置１０は、発電した電力を一時的に蓄電部３０に蓄えてから使用するため、発電が行えない間も、蓄電部３０に充電された電力を用いることができる。さらに、蓄電部３０の蓄電容量を十分に大きくすれば、例えば、天候等の影響で昼夜の温度差が小さい日でも蓄電部３０から電力を供給することができ、温度センサ、圧力センサ等の外部の機器（不図示）を継続して動作させることができる。
【００３６】
なお、蓄熱材１２ａとして、融点が異なる複数の材料の混合物を使用してもよい。融点が異なる複数の材料を用いることにより、季節による最高温度（最高気温）、最低温度（最低気温）の違いが生じても潜熱を常に利用でき、安定した発電性能を得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態の発電装置１０では、潜熱を利用できる蓄熱材１２ａを使用しているが、顕熱のみを利用する蓄熱材を使用してもよい。さらに、吸熱・放熱面１５が外気温と極力同じになるように構成する代わりに、日中は太陽光を受けて高温となり、夜間は放射冷却により低温となるような吸熱・放熱パネルを用いて、外気温よりも温度差が大きくなるよう構成してもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態の発電システム１では、発電装置１０で蓄えた電力を蓄電手段としてのコンデンサに蓄えているが、発電装置１０で蓄えた電力をリチウムイオン電池等の二次電池に蓄えてもよい。
【００３９】
さらに、本実施形態の発電装置１０では、昼と夜で自然に発生する外気温の温度差を利用しているが、人工的に発生する温度差を用いて発電してもよい。例えば、任意の装置の稼働時と停止時の温度差（装置の周囲温度と、蓄熱材との温度差）を用いて発電してもよい。装置としては、例えば、一日の間の一定の時間だけ稼働する装置を利用できる。
【００４０】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールと、吸熱・放熱面の熱を蓄熱可能な蓄熱タンクとを有する発電装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  発電システム（発電装置）
１０  発電装置（発電装置）
１１  熱電変換モジュール
１２  蓄熱タンク
１２ａ  蓄熱材
３０  蓄電部（蓄電手段）
【図１】
2013243303.tif 000003
【図２】
2013243303.tif 000004