JP2007165544A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】将来の化石燃料枯渇による電力不足問題や、環境破壊といった地球規模の課題に鑑みてなされたもので、自然エネルギーを利用した自己発電型の照明装置を提供する。
【解決手段】この照明装置は、地熱によって加熱される電極Ａを備える。電極Ａの加熱される面とは反対面には中央に発光素子１が実装され、発光素子１の周囲に熱発電素子２の一端が接続されている。そして、熱発電素子２の他端には電極Ｂが接続されて外気に曝されている。熱発電素子２は例えばペルチェ素子のような熱電変換効率の高い半導体熱発電素子を使用している。熱発電素子２は、加熱側の電極Ａが地熱により高温に、冷却側の電極Ｂが外気により低温になることで、その熱勾配に応じた直流の熱起電力が発生する。この熱発電素子２より発生した直流電圧は、発光素子１に直接印加されている。この結果、発光素子１は光を放射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱などの熱エネルギーを利用して熱発電素子から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーを発光素子によって光エネルギーに変換する照明装置に関する。

一般的な照明装置（例えば街灯やガーデンライトなど）は、発電所から送電される電気エネルギーを使用して発光するが、化石燃料を使用した火力発電、放射性廃棄物が出される原子力発電など環境に負荷のかかる発電が大多数である。当該発電による地球環境への影響が年々深刻化し、如何に環境負荷のかかる発電量を減少させるかが世界的テーマとなっている。また、近い将来来る化石燃料の枯渇に伴うエネルギー不足や発電量低下といった課題もある。さらに、発電所からの送電は、発電所の事故および送電線の欠陥、災害による不通といった事態に停電となる問題も併せ持っている。

このような将来の化石燃料枯渇による電力不足問題や、環境破壊といった地球規模の課題を回避するため、現在の送電線が必要な発電力による照明装置ではなく、地球環境にやさしい自然エネルギーを用いた自己発電型の照明装置が期待される。

自然エネルギーを利用する発電方法には水力、太陽光、潮位、波力、地熱など種々のエネルギーを利用した形態が知られている。中でも、日本列島は火山帯上にあることから、地熱のエネルギーを得やすい環境にある。

特許文献１には、両端電極の温度差を電力に変換するペルチェ素子などの熱発電素子を地熱発生場所に設置し、地熱によって熱発電素子の吸熱側電極を放熱電極側よりも高温にすることで電力を得る地熱発電方法が開示されている。
特開２００５−１３７１３８号

本発明は、将来の化石燃料枯渇による電力不足問題や、環境破壊といった地球規模の課題に鑑みてなされたもので、自然エネルギーである地熱を利用した自己発電型の照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の照明装置は、両端にそれぞれ付与される熱エネルギーの差に応じた電気エネルギーを発生する熱発電素子を備える。熱発電素子の一端には、地熱によって加熱される加熱側電極が設けられ、熱発電素子の他端には、外気に曝される冷却側電極が設けられている。加熱側電極の加熱される面とは反対側面には、熱発電素子にて発生した電気エネルギーを受けて発光する発光素子が実装されている。

このような構成では、地球内部から絶え間なく供給される地熱エネルギーを熱発電素子によって電気エネルギーにし、この電気エネルギーにより発光素子が発光する。

当該電気エネルギーは、熱発電素子の両端に与える熱エネルギーの差が大きいほど大きなエネルギーを生じるため、加熱側電極に地中の地熱を効率良く伝える熱伝導体を設けたり、冷却側電極に水冷などの冷却装置を実装したりすることが好ましい。

上記発光素子としてはＬＥＤまたはＥＬ素子を使用することが好ましい。

本発明による照明装置は、地球環境にやさしい自然エネルギーである地熱を用いた自己発電・自己発光の照明であり、また停電といったイレギュラーな事態に対しても対応できる。

さらに、本発明の照明装置は、熱発電素子にて発生した電気エネルギーを蓄積する蓄積装置と、暗くなると当該蓄積装置の電気エネルギーを発光素子に供給するセンサースイッチとをさらに備えていることが好ましい。このような構成によれば、日中など周りが明るいときは発光せず、熱発電素子にて発生した電気エネルギーを蓄積しておき、夜間など周りが暗くなると当該電気エネルギーを用いて発光することができるので、経済的である。

さらに、熱発電素子の加熱側電極を地熱以外の自然エネルギーである太陽光エネルギーによっても加熱すれば、照度アップが期待できる。

本発明による効果は、１）地熱エネルギーの有効活用により現行発電量が低減でき、また本発明による照明装置は燃料が不要であることから、環境破壊・電力不足といった環境問題が軽減される、２）発電所からの送電に影響なく常時発光可能であることから、送電が困難な地域および送電が困難な事態（災害等）において有効な照明であることが挙げられる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態１の照明装置を示す模式図である。

この図に示される形態の照明装置は、地熱によって加熱される電極Ａを備える。電極Ａの加熱される面とは反対面には中央に発光素子１が実装され、発光素子１の周囲に熱発電素子２の一端が接続されている。そして、熱発電素子２の他端には電極Ｂが接続されて外気に曝されている。

熱発電素子２は例えばペルチェ素子のような熱電変換効率の高い半導体熱発電素子を使用している。一般に半導体熱発電素子はＰ型、Ｎ型の電気的特性を持つ半導体チップを銅、ニッケルなどの伝熱性、導電性の優れた電極板で挟んで電気回路を構成した構造になっている。このように構成した熱発電素子２は、加熱側の電極Ａが地熱により高温に、冷却側の電極Ｂが外気により低温になることで、その熱勾配に応じた直流の熱起電力が発生する。

この熱発電素子２より発生した直流電圧は、発光素子１に直接印加されている。このため、熱発電素子２により熱起電力が生じると直ちに発光素子１は発光する。

熱発電素子２から発生した電気は直流であるため、発光素子１には直流駆動が可能な素子を使用した方が効率的であり、ＬＥＤやＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）素子を用いる。また、使用用途によって当該直流駆動素子を電流制御する回路を付加することにより、点滅制御をする、安定輝度を保つ、輝度ピーク値を上げる、素子寿命を延ばすという様な付加機能が実現可能である。

このように本実施形態の照明装置は、熱発電素子２により、地熱から得られる熱エネルギーと外気間の熱エネルギー差を直流電圧に変換し、当該直流電圧を発光素子１にダイレクトに印加できる構造である。当該直流電圧（電気エネルギー）にて発光素子１が発光する。従って、この照明装置は、自然エネルギーである地熱を用いることから、燃料が不要な照明であり、ＣＯ₂排出量減少に貢献するエコロジー照明といえる。また、地熱エネルギーは地球内部から絶え間なく供給されるため、停電といったイレギュラーな事態が起こりにくい。

また、熱発電素子２は、熱発電素子２の両端に与える熱エネルギー差が大きければ大きいほど大きな電気エネルギーを発生する。このため、地熱を効率よく熱発電素子２に伝えるため加熱側電極Ａに高効率熱伝導体を用いたり、冷却側電極Ｂを外気にさらすだけでなく水冷等の冷却装置で積極的に冷やしたりして、必要照度にあわせて熱発電素子２の両端に与えるエネルギー差を変える。

図２は熱発電素子２の加熱側電極Ａに高効率熱伝導体を用いた例であり、図３は熱発電素子２の冷却側電極Ｂに冷却装置を用いた例である。

図２に示す形態では、電極Ａの加熱される面とは反対面には中央に熱発電素子２の一端が接続され、熱発電素子２の周囲に発光素子１が実装されている。熱発電素子２の他端には電極Ｂが接続されて外気に曝されている。熱発電素子２より発生した直流電圧は発光素子１に直接印加されている。このため、熱発電素子２により熱起電力が生じると、直ちに発光素子１は発光する。本形態では、特に、電極Ａの加熱される面に熱伝導体３が接合されており、地熱を効率よく熱発電素子２に伝えるために、熱伝導体３の熱発電素子２に対応する部分が凸状に突き出て地中に差し込めるようになっている。

一方、図３に示す形態では、電極Ａの加熱される面とは反対面に熱発電素子２の一端が接続され、熱発電素子２の他端に電極Ｂが接続されている。電極Ｂの熱発電素子２とは反対側面には水冷等の冷却装置４を介して発光素子１が実装されている。そして、熱発電素子２より発生した直流電圧は発光素子１に直接印加されている。

図２、３のような構成により、熱発電素子２の両端電極Ａ，Ｂ間の温度勾配を大きくして、発生する熱起電力を大きくすることが可能になる。

以上のような各実施形態を挙げて説明した本発明の照明装置は、自然エネルギーである地熱を利用して自己発電・自己発光する照明であることから、基本的に設置場所を選ばない。ただし、本発明による照明装置は、地熱エネルギーが高ければ高いほど高輝度発光が可能となるため、特に温泉地での活用がより効果的となり、地熱エネルギーが低い場所では地中までの掘削が必要となる。本発明による照明装置は、主照明としてのエネルギー発生に至らない地域では補助照明としての活用が期待される。具体例としては、道路内の埋め込み式の表示板や公園内における足元補助照明としての用途が考えられる。また、災害時に起こるライフラインのシャットダウンのような緊急時に対しても影響なく発光することから、避難場所への誘導灯としての活用も有効的である。その他、商用電力を開通させることが難しい環境（例えば登山道）にも有効な照明である。高地熱エネルギー地域（地表温度が高温地帯）においては、一般に熱発電素子のエネルギー変換効率が上がるため、常夜灯のような主照明としての活用も期待できる。

（本発明の他の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態を説明する。

他の実施形態として、熱発電素子２にて発生する電気エネルギーをインバータ回路に入力することにより、ＬＥＤやＥＬ素子などの直流駆動の発光素子１に代えて放電管を点灯させることが可能である。

また、上記各実施形態の照明装置は、日中など周りが明るいときは発光せず夜間など周りが暗くなると発光するものであってもよい。例えば、上記各実施形態の照明装置に、熱発電素子２にて発生した電気エネルギーを蓄積する蓄積装置（バッテリ）と、所定の入射光量以下の場合（周りが暗くなった場合）に蓄積装置の蓄電気を発光素子１に供給するセンサースイッチとを備えることが考えられる。このような装置によれば、明るい時に得た電気エネルギーを夜間などに発光素子１の駆動源として有効活用することができる。

さらに、日中、地熱で加熱される熱発電素子２の加熱側電極Ａに太陽光エネルギーを集積させることにより、上記の蓄積装置に蓄積される電気エネルギーを増やして夜間照度の向上を図ってもよい。

本発明の実施形態１の照明装置を示す模式図である。 本発明の実施形態２の照明装置を示す模式図である。 本発明の実施形態３の照明装置を示す模式図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ 熱発電素子
３ 熱伝導体
４ 冷却装置
Ａ 熱発電素子の加熱側電極
Ｂ 熱発電素子の冷却側電極

Claims (6)

1. 両端にそれぞれ付与される熱エネルギーの差に応じた電気エネルギーを発生する熱発電素子と、
   前記熱発電素子の一端に設けられ、地熱によって加熱される加熱側電極と、
   前記熱発電素子の他端に設けられ、外気に曝される冷却側電極と、
   前記加熱側電極の加熱される面とは反対側面に実装され、前記熱発電素子にて発生した電気エネルギーを受けて発光する発光素子と、
   を備えた照明装置。
2. 前記加熱側電極に接合された、地中の地熱を伝える熱伝導体を有する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記冷却側電極を冷却する冷却装置を有する請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記熱発電素子にて発生した電気エネルギーを蓄積する蓄積装置と、
   暗くなると前記蓄積装置の電気エネルギーを前記発光素子に供給するセンサースイッチと、をさらに備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記加熱側電極が太陽光によっても加熱される請求項１から４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記発光素子がＬＥＤまたはＥＬ素子である請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。

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