(57)【要約】【課題】簡単な構造で発電効率の高い熱発電装置及びこれを用いた熱発電方法並びに熱発電システムを提供する。【解決手段】熱発電装置１は、電力が供給されることにより表面温度が昇温する略板形状の発熱体２と、該発熱体２の表裏面に対して間隔を存して配設され、電力が供給されることにより前記発熱体２の表面温度よりも低温の表面温度に設定可能な冷却体３と、電流を流すことで発熱する発熱板を有し、前記発熱体に前記発熱板を密着させて配設されたペルチェ素子４と、該ペルチェ素子４を形成して電流を流すことで吸熱されて前記発熱板の温度よりも低温となり、前記冷却体に対向して配されている冷却板と、少なくとも前記ペルチェ素子４及び前記発熱体２と電気的に接続されたバッテリ１０とを備え、前記発熱体２は、無酸素状態で焼成されて炭化された布帛である。【選択図】        図１
2016127033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力が供給されることにより表面温度が昇温する略板形状の発熱体と、
該発熱体の表裏面に対して間隔を存して配設され、電力が供給されることにより前記発熱体の表面温度よりも低温の表面温度に設定可能な冷却体と、
電流を流すことで発熱する発熱板を有し、前記発熱体に前記発熱板を密着させて配設されたペルチェ素子と、
該ペルチェ素子を形成して電流を流すことで吸熱されて前記発熱板の温度よりも低温となり、前記冷却体に対向して配されている冷却板と、
少なくとも前記ペルチェ素子及び前記発熱体と電気的に接続されたバッテリとを備え、
前記発熱体は、無酸素状態で焼成されて炭化された布帛であることを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
前記ペルチェ素子が複数配設されていることを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
【請求項３】
外部電源又は前記バッテリに蓄電された電力を利用して前記発熱体を昇温させる昇温工程と、
該昇温工程によって前記発熱板を昇温させて前記冷却板との間に温度差を発生させて前記ペルチェ素子を用いて発電する発電工程と、
該発電工程によって発電された電力を前記バッテリに蓄電する蓄電工程とを備え、
前記蓄電工程によって蓄電された電力を用いて前記昇温工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置を用いた熱発電方法。
【請求項４】
前記発熱体、前記ペルチェ素子を少なくとも備えて熱発電ユニットとし、
該熱発電ユニットを複数有し、
前記ペルチェ素子は他の前記熱発電ユニットの発熱体と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の熱発電装置を用いた熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気に変換させて発電する熱発電装置及びこれを用いた熱発電方法並びに熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温と低温を発生させてその温度差を利用して発電する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この装置は、温水及び冷水が通る配管の間にペルチェ素子を配し、ゼーベック効果を利用してこのペルチェ素子によって発電するものである。このような特許文献１の発電装置では、その発電効率を高めるため、ペルチェ素子への熱伝達効率の向上を図っている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の発電装置においても、発電効率が劇的に高まっているものではない。また装置に液体を用いることは装置が複雑化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、簡単な構造で発電効率の高い熱発電装置及びこれを用いた熱発電方法並びに熱発電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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明では、電力が供給されることにより表面温度が昇温する略板形状の発熱体と、該発熱体の表裏面に対して間隔を存して配設され、電力が供給されることにより前記発熱体の表面温度よりも低温の表面温度に設定可能な冷却体と、電流を流すことで発熱する発熱板を有し、前記発熱体に前記発熱板を密着させて配設されたペルチェ素子と、該ペルチェ素子を形成して電流を流すことで吸熱されて前記発熱板の温度よりも低温となり、前記冷却体に対向して配されている冷却板と、少なくとも前記ペルチェ素子及び前記発熱体と電気的に接続されたバッテリとを備え、前記発熱体は、無酸素状態で焼成されて炭化された布帛であることを特徴とする熱発電装置を提供する。
【０００７】
好ましくは、前記ペルチェ素子が複数配設されている。
【０００８】
また、本発明では、外部電源又は前記バッテリに蓄電された電力を利用して前記発熱体を昇温させる昇温工程と、該昇温工程によって前記発熱板を昇温させて前記冷却板との間に温度差を発生させて前記ペルチェ素子を用いて発電する発電工程と、該発電工程によって発電された電力を前記バッテリに蓄電する蓄電工程とを備え、前記蓄電工程によって蓄電された電力を用いて前記昇温工程を行うことを特徴とする熱発電装置を用いた熱発電方法を提供する。
【０００９】
さらに本発明では、前記発熱体、前記ペルチェ素子を少なくとも備えて熱発電ユニットとし、該熱発電ユニットを複数有し、前記ペルチェ素子は他の前記熱発電ユニットの発熱体と電気的に接続されていることを特徴とする熱発電装置を用いた熱発電システムも提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発熱体が無酸素状態で焼成されて炭化された布帛で形成されているため、少ない電力で急速に昇温することができる。このため、昇温のための電力を低電力として、その温度を利用してペルチェ素子により高電力を発電することができる。すなわち、発電効率を向上させることができる。また、そのための構造は発熱体と冷却体、及びペルチェ素子とバッテリのみで足りるので、簡単な構造にて実現できる。
【００１１】
また、ペルチェ素子を複数配設することで、さらに発電効率を高めることができる。
【００１２】
また本発明によれば、昇温工程で用いる電力よりも高い電力を発電工程にて取得してバッテリに蓄電し、発電工程で得られた電力を昇温工程に使用してさらに大きな電力量を得ることができる。このため、各工程を繰り返せば繰り返すほど多大な電力を得ることができ、発電効率が向上する。
【００１３】
また本発明によれば、発熱体とペルチェ素子を含むユニットを一つの熱発電ユニットとし、この熱発電ユニットを複数設けて発熱体と他の熱発電ユニットのペルチェ素子とを電気的に接続すれば、一つの熱発電ユニットによる発電を他のユニットの発熱体の発熱に対する電力として利用することができ、複数の熱発電ユニットを利用して無限に電力を蓄電、利用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る熱発電装置１の概略図である。
【図２】発熱体にペルチェ素子を複数配設した状態を示す概略図である。
【図３】ペルチェ素子の概略図である。
【図４】本発明に係る熱発電装置を用いた熱発電方法のフローチャートである。
【図５】本発明に係る熱発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に示すように、本発明に係る熱発電装置１は、略板形状の発熱体２及び冷却体３とを備えている。発熱体２は電力が供給されることにより表面温度が昇温するものであり、具体的には無酸素状態で焼成されて炭化された布帛である。布帛の原料としては綿、麻、竹及び木材等の繊維であり、一般的なセルロース系繊維を利用することができる。一方でこの例では冷却体３も略平板形状であり、電力が供給されることにより表面温度が発熱体の表面温度よりも低温となるように設定可能である。この冷却体３は発熱体２の表裏面に対してそれぞれ間隔を存して配設されている。すなわち、発熱体２と冷却体３との間には間隙が形成されている。
【００１６】
この発熱体２と冷却体３との間にはペルチェ素子４が挟持されている。このペルチェ素子４は図３に示すように、＋と−のそれぞれのリード線５、６を有し、これが互いにＰＮ接合された発熱板７及び冷却板８の一方に接続されている。すなわち、発熱板７と冷却板８との間にはＰ型及びＮ型の熱電半導体９が複数配設されている。このペルチェ素子４は、電流を流すことによって冷却板８から発熱板７へ熱が移動するものであり（ペルチェ効果）、したがってリード線５、６に直流電流を流すことで冷却板８が吸熱し、発熱板７が発熱する。このペルチェ素子４を利用してゼーベック効果も実現できる。すなわち、発熱板７と冷却板８との間に温度差を与えることで電圧を生じさせることができ、リード線５、６を介して電力を得ることができる。
【００１７】
ペルチェ素子４の発熱板７は発熱体２に密着されて配設されている。したがって発熱体２が昇温して発熱すると、その熱は発熱板７に伝達される。換言すれば、発熱板７も発熱体２に合わせて昇温する。一方で発熱体２よりも低い温度となるように設定された冷却体３は冷却板８と密着しているので、冷却板８は発熱板７よりも低い温度となる。したがって発熱板７と冷却板８との間には温度差が生じる。このため、ゼーベック効果によりペルチェ素子４は発電する。
【００１８】
ここで、ペルチェ素子４はそのリード線５、６がバッテリ１０と電気的に接続されている。したがって、ペルチェ素子４にて発電された電力はバッテリ１０に蓄電することができる。一方でバッテリ１０は発熱体２とも電気的に接続されている。したがって、発熱体２の発熱に要する電力はバッテリ１０から供給される。なお、バッテリ１０は冷却体３とも電気的に接続されていてもよい。この構造により、冷却体３の冷却についてもバッテリ１０の電力を用いることができる。
【００１９】
以上の構成により、発熱体２が無酸素状態で焼成されて炭化された布帛で形成されているため、少ない電力で急速に昇温することができる。このため、昇温のための電力を低電力として、その温度を利用してペルチェ素子４により高電力を発電することができる。すなわち、発電効率を向上させることができる。また、そのための構造は発熱体２と冷却体３、及びペルチェ素子４とバッテリ１０のみで足りるので、簡単な構造にて実現できる。
【００２０】
なお、冷却体３は図１の例のように略板形状でもよいし、ペルチェ素子４の冷却板８に対して発熱板７との間に温度差を与えるような構成であればどのようなものを用いてもよい。例えば発熱体２及びペルチェ素子４を密閉空間にて覆い、その内部を冷却するような冷却手段でもよい。
【００２１】
また図２に示すように、ペルチェ素子４は発熱体２に対して複数配設されていてもよい。図２の例では４×４の計１６個のペルチェ素子４が配設された例を示している。このように複数のペルチェ素子４を配設することで、さらに発電効率を高めることができる。すなわち、発熱体２の昇温に要する電力量は発熱体２が大きくなってもそれほど大きくなることはないが、ペルチェ素子４を複数配することで得られる発電による電力量は数倍となる。
【００２２】
以下に本発明に係る発電方法について説明する。
【００２３】
まず、昇温工程を行う（ステップＳ１）。この昇温工程は、外部電源又はバッテリ１０に蓄電された電力を利用して発熱体２を昇温させる工程である。最初の段階では電力も何もない状態なので、発熱体２を昇温させるために外部電源を用いてもよいし、あるいはバッテリ１０に予め蓄電されている電力を用いてもよい。
【００２４】
次に、発電工程を行う（ステップＳ２）。この発電工程は、昇温工程によって発熱体２とともに昇温した発熱板７と冷却板８との間に温度差を発生させてゼーベック効果によりペルチェ素子４を用いて発電する工程である。すなわち、ペルチェ素子４を用いていわゆる熱電変換を行う。この工程によりペルチェ素子４の両方のリード線５、６の間に電圧が発生し、結果として電力を得ることができる。
【００２５】
次に、蓄電工程を行う（ステップＳ３）。この蓄電工程は、発電工程によって発電された電力をバッテリ１０に蓄電する工程である。これにより、バッテリ１０には電力が蓄電されていく。
【００２６】
上記発電方法を行っているうちは、ステップＳ１〜ステップＳ３が繰り返されることになる。このとき、蓄電工程によって蓄電された電力は、昇温工程に用いられて繰り返される。すなわち、ペルチェ素子４の発電により得られた電力をバッテリ１０を介して再び発熱体２の昇温に利用する。これにより、昇温工程で用いる電力よりも高い電力を発電工程にて取得してバッテリ１０に蓄電し、発電工程で得られた電力を昇温工程に使用してさらに大きな電力量を得ることができる。このため、各工程を繰り返せば繰り返すほど多大な電力を得ることができ、発電効率が向上する。
【００２７】
上記効果を実際に実験してみたところ、昇温工程にて発熱体２を３００℃まで昇温させるのにおよそ１０Ｗの電力量が必要であった。そして、発電工程にてペルチェ素子４の一つから得られる電力量はおよそ１４Ｗであった。このときの冷却体３の温度は５０℃に設定していた。この冷却体３を５０℃に保持する電力量を差し引いたとしても、６Ｗの電力で１４Ｗを発電できていることから、ステップＳ１〜ステップＳ３を繰り返すことで、得られる電力は無限に増大していくことになる。このため、将来的にはバッテリ駆動の自動車等に応用できる。他のペルチェ素子では同条件で２８Ｗ得られるものも存在している。これを用いることで、さらに発電効率は向上する。
【００２８】
なお、上述したように発熱体２を上記布帛としたことで本発明の効果は得られている。上記布帛は無酸素状態下での焼成工程を経ることで耐熱温度が１０００℃となっている。このため、発熱体２と冷却体３との温度差はさらに広げることができ、温度設定によってはさらなる発電効率の向上を見込むことができる。
【００２９】
また、図５に示すように、少なくとも発熱体２とペルチェ素子４を含めて熱発電ユニット１１を形成し、これを複数備えた熱発電システム１２を形成してもよい（図５では３つの熱発電ユニット１１を有する熱発電システム１２を示している）。このとき、一つの熱発電ユニット１１ａの発熱体２ａにバッテリ１０を電気的に接続し、他の熱発電ユニット１１ｂや１１ｃの発熱体２ｂや２ｃにはバッテリ１０を接続しない構造としてもよい。このシステム１２では、最初にバッテリ１０を用いてペルチェ素子４ａを用いて発電し、その発電によって得られた電力を他の発熱体（図５の例では熱発電ユニット１１ｂの発熱体２ｂ）の発熱のための電力として利用する。このような接続を連続して他の熱発電ユニット１１と接続してもよいし（図５の例ではペルチェ素子４ｂが発熱体２ｃと接続）、あるいは蛸足状に、一つの熱発電ユニット１１が有する複数のペルチェ素子４のそれぞれと複数の他の熱発電ユニット１１とを接続してもよい。これにより、複数の熱発電ユニットを利用して無限に電力を蓄電、利用することができるようになる。なお、図５では冷却体３は省略して記載している。
【符号の説明】
【００３０】
１：熱発電装置、２：発熱体、３：冷却体、４：ペルチェ素子、５：リード線、６：リード線、７：発熱板、８：冷却板、９：熱電半導体、１０：バッテリ、１１：熱発電ユニット、１２：熱発電システム
【図１】
2016127033.tif 000003
【図２】
2016127033.tif 000004
【図３】
2016127033.tif 000005
【図４】
2016127033.tif 000006
【図５】
2016127033.tif 000007