JP2007228719A - Hybrid power generation element, power supply device using the same and installation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池やコンセントからの受電を不要とするユビキタス電源において、複数の発電手段を備えるハイブリッド発電素子、ハイブリッド発電素子を用いた電源装置、及びハイブリッド発電素子の設置方法に関する。 The present invention relates to a hybrid power generation element including a plurality of power generation means, a power supply device using the hybrid power generation element, and a method for installing the hybrid power generation element in a ubiquitous power supply that does not require power reception from a battery or an outlet.
有限な化石燃料の消費削減、二酸化炭素排出量の削減を目的とした火力発電に依存しない新エネルギー利用が進みつつある。 The use of new energy that does not depend on thermal power generation for the purpose of reducing the consumption of finite fossil fuels and reducing carbon dioxide emissions is progressing.
更に、他方では送電ロスの低減とユビキタス情報社会を迎えてエネルギー消費の場の近傍で発電を行う分散型発電システムの研究及び実用化が進められている。 On the other hand, research and commercialization of a distributed power generation system that generates power in the vicinity of the field of energy consumption in response to the reduction of power transmission loss and the ubiquitous information society are underway.
こうした動きの中で、kWオーダー以上の規模では、太陽光、風力等を利用した発電が既に実用化されているが、ユビキタスセンサネットワーク構想(例えば、e−Japan重点計画2002参照。)にみられるように、微小なセンサをばらまいて環境監視等を行おうという用途においては、センサが設置される現場でセンサを動作させるエネルギーを得るために、Wオーダー、mWオーダー、更にはそれ以下の発電量の発電素子の研究が行われている。 In such a movement, power generation using sunlight, wind power, etc. has already been put into practical use at a scale of kW order or more, but can be seen in the ubiquitous sensor network concept (see e-Japan priority plan 2002, for example). As described above, in applications where small sensors are dispersed and environmental monitoring is performed, in order to obtain energy for operating the sensor at the site where the sensor is installed, the power generation amount is W order, mW order, or even lower. Research on power generation elements is underway.
これらのユビキタスセンサネットワークで要求される発電の主な方式としては、熱電効果(ゼーベック効果)を利用した熱電素子による温度差発電、太陽電池を利用した光発電、圧電効果を利用した振動・衝撃による発電など、自然エネルギーや運動エネルギーを利用した各種の発電機構がある(例えば、非特許文献1参照。)。
The main methods of power generation required for these ubiquitous sensor networks are temperature difference power generation using thermoelectric elements using the thermoelectric effect (Seebeck effect), photovoltaic power generation using solar cells, and vibration / impact using piezoelectric effects. There are various power generation mechanisms using natural energy and kinetic energy such as power generation (see Non-Patent
詳細には、温度差発電を利用した熱電池を内蔵したICカード(例えば、特許文献1参照。)や、電磁波発生装置を所定の部屋などのビジネス活動の空間において放射し、その空間内で使用される夫々の機器に受信アンテナを備えて放射された電磁波を受信し、電力に変換するバッテリーレス、コードレスの無線電力供給システムがある(例えば、特許文献2参照。)。
非特許文献1や特許文献1に開示された携帯形の機器やICカード、所定の空間に多数設けられる温度センサ、及び人感センサ等のユビキタスセンサのための各種の方式のユビキタス電源は、その機器やセンサの使用環境の近傍に存在する、温度差、光、振動・衝撃などの自然エネルギーや運動エネルギーを利用した発電である。
Various types of ubiquitous power sources for ubiquitous sensors such as portable devices and IC cards disclosed in Non-Patent
しかしながら、これらの携帯形の機器やユビキタスセンサの使用される環境に内在するエネルギー源は一般にその出力が不安定であり、例えば、夜間には太陽光発電は利用できないといったように、必要な発電量が安定して得られないという問題があった。 However, the output of energy sources inherent in the environment where these portable devices and ubiquitous sensors are used is generally unstable. For example, solar power cannot be used at night. There was a problem that could not be obtained stably.
また、特許文献2に開示された放射電磁波を受信して電力に変換する電波エネルギーによる発電は、各種のセンサや電子機器の電源のコードレス化、バッテリーレス化を実現するものではあるが、特別の放射電磁波発生装置を必要とし、設備の大型化が避けられない問題がある。
In addition, power generation by radio wave energy that receives radiated electromagnetic waves and converts them into electric power disclosed in
そこで、各種のユビキタスセンサや携帯形機器の置かれる空間で、複数の発電方式を組合せ発電することで、必要な発電量が得られないリスクを低減する方法が考えられる。しかし、単純な組合せ方式では発電機構自体を複数備えることから、センサや電子機器が複雑化、且つ大型化する問題があった。 Therefore, a method of reducing the risk that a necessary amount of power generation cannot be obtained by combining a plurality of power generation methods in a space where various ubiquitous sensors and portable devices are placed can be considered. However, since the simple combination method includes a plurality of power generation mechanisms themselves, there is a problem that sensors and electronic devices become complicated and large.
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、携帯形の電子機器やユビキタスセンサの置かれる空間に内在する複数の発電エネルギーを同時に利用して、発電エネルギーの利用効率を高めた、コンパクトなハイブリッド発電素子、ハイブリッド発電素子を用いた電源装置、及びハイブリッド発電素子の設置方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and uses a plurality of power generation energy existing in a space where a portable electronic device or a ubiquitous sensor is placed at the same time to use the power generation energy. An object of the present invention is to provide a compact hybrid power generation element with improved efficiency, a power supply device using the hybrid power generation element, and a method for installing the hybrid power generation element.
上記目的を達成するために、本発明による請求項1に係るハイブリッド発電素子は、異種金属線を接合してなる複数の熱電対を交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電することが可能なハイブリッド発電素子であって、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a hybrid power generating element according to
上記目的を達成するために、本発明による請求項4に係るハイブリッド発電素子を用いた電源装置は、異種金属線を接合してなる複数の熱電対を交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電することが可能なハイブリッド発電素子を用いた電源装置であって、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたハイブリッド発電素子と、前記ハイブリッと発電素子の出力から所定の電圧を得る電源部とを備え、前記電源部は、前記ハイブリッド発電素子の出力を平滑する第1の平滑化回路と、前記ハイブリッド発電素子の出力の高電位出力と前記第1の平滑化回路の高電位出力との間の電位差を整流する整流化回路と、前記整流化回路の出力に接続された第2の平滑化回路とから成ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a power supply device using a hybrid power generation element according to
上記目的を達成するために、本発明による請求項9に係るハイブリッド発電素子の設置方法は、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法であって、前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の対向する辺を、異方向に交流電流が流れる一対の平行導線の一方の導線の近傍で並走するように成形し、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を前記平行導線の一方の導線に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を前記平行導線から断熱材で隔離して外気温に触れるように設定したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method for installing a hybrid power generation element in which first metal wires and second metal wires of different types from the first metal wires are alternately connected in series. And forming in a coil state, setting the joint portion of the first metal wire and the second metal wire to different temperature states alternately, and setting the coil so that the magnetic flux intersects, A method of installing a hybrid power generation element characterized in that a thermoelectromotive force and an induced electromotive force are generated simultaneously, wherein the hybrid power generation element is formed of a rectangular coil in a state of the hybrid power generation element. The opposing sides are shaped so as to run in parallel in the vicinity of one of the pair of parallel conductors in which alternating currents flow in different directions, and the hot junction of the hybrid power generation element is brought into close contact with one of the parallel conductors The high Characterized by being configured to touch the outside temperature of the cold junction of the lid generating elements from said parallel conductors and separated by insulation.
上記目的を達成するために、本発明による請求項10に係るハイブリッド発電素子の設置方法は、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法であって、前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、長尺の棒状、または、管状の金属管に沿って設け、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を前記金属管に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を地中に埋設、または、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を前記金属管に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を地中に埋設したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for installing a hybrid power generation element in which first metal wires and second metal wires of different types from the first metal wires are alternately connected in series. And forming in a coil state, setting the joint portion of the first metal wire and the second metal wire to different temperature states alternately, and setting the coil so that the magnetic flux intersects, A method of installing a hybrid power generation element characterized in that a thermoelectromotive force and an induced electromotive force are generated simultaneously, wherein the hybrid power generation element is formed of a rectangular coil in a state of the hybrid power generation element. One side is provided along a long rod-like or tubular metal tube, the cold junction portion of the hybrid power generation element is brought into close contact with the metal tube, and the hot junction portion of the hybrid power generation element is buried in the ground, or The above The hot junction of the hybrid power generation element is in close contact with the metal tube, characterized by being embedded cold junction of the hybrid power generating element into the ground.
上記目的を達成するために、本発明による請求項11に係るハイブリッド発電素子の設置方法は、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法であって、前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、窓、ドア、壁、屋根など非導電性材料の外縁部に沿って内蔵させ、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を外気に、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を室内気に触れるように、または、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を外気に、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を室内気に触れるように、設定したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the eleventh aspect of the present invention, there is provided a method for installing a hybrid power generation element in which first metal wires and second metal wires of a different type from the first metal wires are alternately connected in series. And forming in a coil state, setting the joint portion of the first metal wire and the second metal wire to different temperature states alternately, and setting the coil so that the magnetic flux intersects, A method of installing a hybrid power generation element characterized in that a thermoelectromotive force and an induced electromotive force are generated simultaneously, wherein the hybrid power generation element is formed of a rectangular coil in a state of the hybrid power generation element. One side is built in along the outer edge of a non-conductive material such as a window, door, wall, roof, etc. so that the hot junction of the hybrid power generation element is exposed to the outside air and the cold junction of the hybrid power generation element is exposed to the room air Ni Is the cold junction of the hybrid power generating element to the outside air, the hot junction of the hybrid power generating element to touch the room air, characterized in that set.
上記目的を達成するために、本発明による請求項12に係るハイブリッド発電素子の設置方法は、第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法であって、前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、額など非導電性材料の外縁部に沿って内蔵させ、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を額の上部位置で室内気に、または冷接点部を室内下部位置で室内気に触れるように設定したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method for installing a hybrid power generation element in which first metal wires and second metal wires of different types from the first metal wires are alternately connected in series. And forming in a coil state, setting the joint portion of the first metal wire and the second metal wire to different temperature states alternately, and setting the coil so that the magnetic flux intersects, A method of installing a hybrid power generation element characterized in that a thermoelectromotive force and an induced electromotive force are generated simultaneously, wherein the hybrid power generation element is formed of a rectangular coil in a state of the hybrid power generation element. One side is built in along the outer edge of a non-conductive material such as a forehead so that the hot junction part of the hybrid power generation element touches the room air at the upper part of the forehead or the cold junction part touches the room air at the lower part of the room Set to The features.
以上説明したように、本発明によれば、一対の異種金属線を交互に直列に接続してコイル状に成形し、一方温接点部と、他方の冷接点部とを異なる温度環境に設定し、且つ、その環境に内在する交差磁束をコイルと交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するハイブリッド発電素子とし、このハイブリッド発電素子の出力で電源を構成するようにしたので、空間に内在する発電エネルギーの利用効率の高い、コンパクトなハイブリッド発電素子、ハイブリッド発電素子を用いた電源装置、及びハイブリッド発電素子の設置方法を提供することが出来る。 As described above, according to the present invention, a pair of dissimilar metal wires are alternately connected in series and formed into a coil shape, and one hot junction part and the other cold junction part are set in different temperature environments. And, the cross magnetic flux inherent in the environment is set so as to cross the coil, and the hybrid power generation element that simultaneously generates the thermoelectromotive force and the induced electromotive force is formed, and the power source is configured by the output of the hybrid power generation element. Therefore, it is possible to provide a compact hybrid power generation element having high utilization efficiency of power generation energy in the space, a power supply device using the hybrid power generation element, and a method for installing the hybrid power generation element.
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明に係る実施例について、図面を参照して説明する。図1(a)は、本発明のハイブリッド発電素子10の発電の原理とその構成を説明する図である。実線で示す円弧状に成形されたプラス脚1と破線で示すマイナス脚2とは、熱電効果(ゼーベック効果)を発生する異種金属線で構成される。
Embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Fig.1 (a) is a figure explaining the principle of the electric power generation of the hybrid electric
例えば、図1(b)に示すようにプラス脚1を銅(Cu)、マイナス脚2をコンスタンタン(Cu55%、Ni45%)とするType−Tの熱電対の構成とするが、最近の新材料であるBi・Te系との組合せであっても良い。
For example, as shown in FIG. 1 (b), a Type-T thermocouple with a
図1(c)に示すように、接続点は溶接で接合され、一方の接続点の温度はT1℃、他方の接続点の温度はT2℃、且つ、T1>T2の状態で設定された一対の熱電対を構成する。 As shown in FIG.1 (c), a connection point is joined by welding, the temperature of one connection point is T1 degreeC, the temperature of the other connection point is T2 degreeC, and the pair set in the state of T1> T2. The thermocouple is configured.
このような一対の熱電対を図1(a)に示すように、円弧状のプラス脚1とマイナス脚2とは、交互にそれぞれ10本ずつ直列接続され、対向してコイル状に成形されたコイルを構成する。
As shown in FIG. 1 (a), such a pair of thermocouples are connected in series with 10 arcuate plus
そして、高温度側の10箇所の接続点の温接点部3、低温度側の9箇所の低温接点部4の両端は、夫々正出力電極5、負出力電極6となる。
And the both ends of the
正出力電極5と負出力電極6とは、夫々正端子7及び負端子8に導線で接続され、この端子7と端子8との間からハイブリッド発電素子10の発電出力が取り出される。
The
次に、再び、図1を参照してハイブリッド発電素子10の動作について説明する。
Next, the operation of the hybrid
温接点部3が存在する部分の温度をT1、冷接点部4が存在する部分の温度2をT2とすると、1対の熱電対に相当する図1(c)に示す要素部において、プラス脚1とマイナス脚2の材質、及び温度T1と温度T2の温度差とによって決定されるゼーベック効果による熱起電力V12が発生する。
When the temperature of the portion where the
1図(c)の熱電対の要素がN個分、ここでは10個が直列に接続されているので、T1、T2に基づく熱起電力をV12とすると、この時の端子間の熱起電力VTCは、下記のようになる。
VTC=N×V12・・・(1)
なお、熱電対は10組として図示したが、熱電対の対数は、このハイブリッド発電素子10に要求される起電力とその設定される温度と磁界との発電環境の条件から、最適な対数とその形状が予め設定される。
1 Figure thermoelectric element pairs are N content of (c), since here 10 are connected in series, when the thermoelectromotive force based on T1, T2 and V 12, thermoelectromotive between the time of the terminal The power V TC is as follows.
V TC = N × V 12 (1)
Although the thermocouples are illustrated as 10 sets, the thermocouple pairs are determined based on the optimum logarithm and the number of thermocouples based on the conditions of the power generation environment of the electromotive force required for the hybrid
例えば、発電の温度差を与える設置環境が比較的小さい温度差の場合、例えば3℃と想定する、ボルトオーダーの出力を得るには2500対程度の熱電対を接続する必要がある。 For example, when the installation environment that gives the temperature difference of power generation is a relatively small temperature difference, it is necessary to connect about 2500 thermocouples in order to obtain an output of a volt order, for example, assuming 3 ° C.
即ち、Type・Tの熱電対を2500組とした場合、冷接点が0℃、温接点が3℃の状態では、約0.3Vの出力電圧が得られる。 That is, when 2500 Type / T thermocouples are used, an output voltage of about 0.3 V is obtained when the cold junction is 0 ° C. and the hot junction is 3 ° C.
一方、設置される空間に存在する磁束によって図1の1点破線に示すようなハイブリッド発電素子10と交差する磁束成分が得られ誘導起電力が発生する。
On the other hand, a magnetic flux component intersecting with the hybrid
この磁束をΔφとすると、交差磁束の変化に伴う誘導起電力V1は、下記のようになる。
VI=−N×(Δφ/Δt)・・・(2)
When this magnetic flux is Δφ, the induced electromotive force V 1 accompanying the change of the cross magnetic flux is as follows.
V I = −N × (Δφ / Δt) (2)
以上のことから、図1に示した構成において得られる端子7及び端子8間で得られる発電起電力Vは、下記式で示される。
V=VTC+VI
=N×V12 −N×(Δφ/Δt)・・・(3)
From the above, the generated electromotive force V obtained between the terminal 7 and the
V = V TC + V I
= N × V 12 −N × (Δφ / Δt) (3)
ここで、大きな発電起電力Vを得るためには、コイルの巻き数に相当する熱電対数Nを増やすだけでなく、磁束φは交差面積に比例するので、その空間で発生する磁束に対し、ハイブリッド発電素子10と交差する熱電対の断面形状が大きくなるように設定する必要がある。
Here, in order to obtain a large generated electromotive force V, not only the number N of thermocouples corresponding to the number of turns of the coil is increased, but also the magnetic flux φ is proportional to the crossing area. It is necessary to set so that the cross-sectional shape of the thermocouple that intersects the
また、温度の時間的変化は一般にゆっくりであるため、(3)式の第1項は、直流成分であるが、第2項は、一般に交流成分であり、発電機電力Vは、熱起電力VTCと誘導起電力V1とが合成された図2に示すような波形の出力となる。 In addition, since the temporal change in temperature is generally slow, the first term in equation (3) is a direct current component, while the second term is generally an alternating current component, and the generator power V is the thermoelectromotive force. and V TC and induced electromotive force V 1 is the output of the waveform shown in FIG. 2, which is synthesized.
このように、温度差と磁界の変化という異なる2つの発電エネルギー源から、単一のコイル状部品、即ち、ハイブリッド発電素子10によって熱起電力VTCと誘導起電力V1との和を出力電圧として同時に取り出すことが可能となる。
Thus, from two different power generation energy sources of temperature difference and magnetic field change, the sum of the thermoelectromotive force V TC and the induced electromotive force V 1 is output by the single coil-shaped component, that is, the hybrid
次に、ハイブリッド発電素子10の製作方法の図3及び図4を参照して説明する。図3は、ハイブリッド発電素子10aの組立を説明するための分解斜視図で、図4は、その構成要素である熱電対の構造を示す。
Next, a method for manufacturing the hybrid
ハイブリッド発電素子10aは、プラス脚フレキシブルプリント基板11と、マイナス脚フレキシブルプリント基板12と、夫々のフレキシブルプリント基板の両端部にもけられる補強板15乃至18と、夫々のフレキシブルプリント基板の温接点部と冷接点部とを接合するための異方性導電ゴム19及び異方性導電ゴム20とからなる。
The hybrid power generation element 10a includes a plus leg flexible printed
また、夫々のフレキシブルプリント基板の接合部の両端には、プラス脚導線21及びマイナス脚導線22が接続され、この両端から出力が取り出される。
Further, a
次に、このハイブリッド発電素子10の製作方法について説明する。プラス脚フレキシブルプリント基板11上には、図4(a)に示すように、熱電対の一方を形成する銅箔パターン13が所定数平行に長く形成され、その両端には補強板15及び補強版17が接着されている。
Next, a manufacturing method of the hybrid
また、マイナス脚フレキシブルパターン基板12上には、図4(c)に示すように、熱電対の他方を形成するコンスタンタン(Cu55%、Ni45%の合金)パターン14が、所定数平行に長く形成され、その両端には補強板16及び補強板18が接着される。
Further, as shown in FIG. 4C, a constantan (
そして、2つのフレキシブルプリント基板の両端部をパターン面が対向するようにして、図4(a)に示すように、その一方の端部は、異方性導電ゴム19を補強板15及び補強板16で挟み込んで、両側から圧接する。
And, as shown in FIG. 4 (a), both ends of the two flexible printed boards are opposed to each other, and as shown in FIG. 4 (a), the anisotropic
同様に、他方の端部は、異方性導電ゴム20を補強板17及び補強板18で挟み込んで、両側から圧接する。
Similarly, the other end is pressed from both sides with the anisotropic
この時、個々のフレキシブルプリント基板の両端部のパターンは、図4に示す如く円形のランドパターン13a及びランドパターン14aが形成されており、且つ、このランドパターン13aとランドパターン14aの位置は上下で半ピッチずつずれているので、プラス脚フレキシブルプリント基板11の銅箔パターン13とマイナス脚フレキシブルプリント基板12のコンスタンタンパターン14の端部の曲がり方向が逆となるようにしておくことによって、対向するランド同士が異方性導電ゴム19及び異方性導電ゴム20を補強板15乃至補強板18介して圧接する。
At this time,
その結果、両フレキシブルプリント基板11、12の基板上の全てのパターンが、電気的に直列に接続されることになり、さらに、フレキシブルプリント基板11とフレキシブルプリント基板12との空間を図3に示すように円弧状に広げるように成形することによって、図1で示したと同様のハイブリッド発電素子10aが得られる。
As a result, all the patterns on the flexible printed
次に、このようにして作られたハイブリッド発電素子10を用いた電源装置100の電源部30について図5を参照して説明する。
Next, the
ハイブリッド発電素子10を用いた電源装置100は、ハイブリッド発電素子10とその電源部30とから構成される。
The
電源部30は、温度差による熱起電力を処理する第1の電源系統と、磁束変化で発電される誘導起電力を処理する第2の電源系統と2つの系統からなる。
The
第1の電源系統は、ハイブリッド発電素子10の出力を平滑する第1の平滑回路31と、平滑回路31の出力を所定の電圧に昇圧する昇圧回路34aと、昇圧回路34aの出力でキャパシタ1を充電するための充電回路35と、キャパシタ1とからなる。
The first power supply system includes a
また、第2の電源系統は、ハイブリッド発電素子10の出力と、第1の平滑回路31の出力との差を整流する整流回路32と、整流回路32の出力を平滑する第2の平滑回路33と、第2の平滑化回路33の出力を所定の電圧に昇圧する昇圧回路34と、昇圧回路34の出力でキャパシタ2を充電するための充電回路35と、キャパシタ2とからなる。
The second power supply system includes a
さらに、キャパシタ1及びキャパシタ2の出力は、どちらか一方のみを選択する双極切換スイッチ37と、選択された双極切換スイッチ37の出力でリチウムイオン電池39を充電する充電制御回路38と、このリチウムイオン電池39とからなる。
Further, the outputs of the
そして、このように構成された電源部30の動作について説明する。ハイブリッド発電素子10の発電起電力は、温度差による熱起電力が磁束変化による誘導起電力よりも大きい場合には、第1の電源系統でキャパシタ1を充電する。磁束変化による誘導起電力が温度差による熱起電力よりも大きい場合には、第2の電源系統でキャパシタ2を充電する。
And operation | movement of the
通常、キャパシタ1及びキャパシタ2の出力は、どちらか一方のみが双極切換スイッチ37を介して充電制御回路38に接続され、この充電制御回路38によってリチウムイオン電池39を充電する。
Normally, only one of the outputs of the
そしてリチウムイオン電池39の出力は、携帯形機器やユビキタスセンサなどの電力供給対象機器40に接続される。同時に、充電制御回路39にも接続されて、自身の電源ともなる。
The output of the
そして、充電制御回路38は双極切換スイッチ37を周期的に切換え、キャパシタ1とキャパシタ2の少なくともどちらか一方が、所定の値以上の電荷を保有していればリチウムイオン電池39の充電を行う。
Then, the
そしてリチウムイオン電池39の充電エネルギーによって電力供給対象機器40に電力が供給される。
Then, power is supplied to the power supply target device 40 by the charging energy of the
ハイブリッド発電素子10の設けられる空間での温度差、磁界変化ともに必要とされる発電起電力を満たさない状態が継続すると、キャパシタ1、キャパシタ2とも充電不足となり電力供給対象機器40に必要な電力が供給されないことが起きる。
If the state in which the generated electromotive force required for both the temperature difference and the magnetic field change in the space where the hybrid
その場合には充電制御回路39は、キャパシタ1またはキャパシタ2のどちらか一方に双極切換スイッチ37を切換え、選択された発電エネルギーで所定の充電量を確保した後に電力を供給する。
In that case, the
なお、充電制御回路39がキャパシタ1とキャパシタ2のそれぞれに接続したときの充電電流を監視する監視手段を設け、充電電流が大きい方、即ち充電速度の速い方のキャパシタへの接続時間比率を大きくすることで、より効率的な充電が可能となるように構成することもできる。
Note that monitoring means for monitoring the charging current when the charging
また、ハイブリッド発電素子10の出力の正負の電位を判定する判定手段と、この判定手段の出力でハイブリッド発電素子10の出力電圧を同一の極性で出力する切替え手段とを備えることによって、電源部30は、前述した第1の電源系統のみで構成することもできる。
Further, the
上述の述べたように、本発明によれば、温度差と磁界変化という異なる発電エネルギーの少なくとも一方が存在していれば、対象とする電力供給対象機器40が動作するための電力供給を継続することが可能で、異なる発電エネルギーを電気エネルギーに変換する単一のハイブリッド発電素子、及びこれを用いた電源装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, when at least one of different power generation energies such as a temperature difference and a magnetic field change exists, power supply for operating the target power supply target device 40 is continued. It is possible to provide a single hybrid power generation element that converts different power generation energy into electric energy, and a power supply device using the same.
次に、このようなハイブリッド発電素子10の設置方法について、図6を参照して説明する。
Next, the installation method of such a hybrid electric
図6は、比較的大電流が流れる家庭用交流電源コードから発電エネルギーを取り出す場合の方法を示すもので、各種の電源コードに接続する電源アダプター101として使用される構成を示したものである。
FIG. 6 shows a method for extracting generated energy from a household AC power cord through which a relatively large current flows, and shows a configuration used as a
電源アダプター101は、電源ケーブルと接続する一方のコネクタ部52と他方のコネクタ部53と、ハイブリッド発電素子10の発電起電力を取り出す出力端子部56とからなる。
The
そして、電源の一方の導線51と他方の導線51aとがコネクタ部52とコネクタ部53の図示しない電源ピンと接続しておく。
And one
そして、導線51と導線51aとの間に所定の面積の矩形空間を形成するように成形し、夫々の導線の周囲にハイブリッド発電素子10の一方のプラス脚1と他方のマイナス脚2とを近接して並走するように設定する。
And it shape | molds so that the rectangular space of a predetermined area may be formed between the conducting
そしてプラス脚1は銅線とし、マイナス脚2はコンスタンタン線とし、その温接点部3は、銅線51に近接させ、冷接点部4は大気に感温するように電源アダプター101の表面近傍に設け、導線51及び導線51aとは断熱材54で断熱する。
The
そして、電源アダプター101のコネクタ部52と他方のコネクタ部53とは直線状に、発電起電力を取り出す出力端子部56は、これらのコネクタ部と異なる方向から取り出せるように設定し、電源アダプター101の周囲は樹脂等の絶縁物で成形する。
Then, the
このように構成されたハイブリッド発電素子10の導線51及び導線52には、交流電流が半サイクルごとに異なる方向に流れる。例えば、矢印実線に示す方向に電流が流れている場合には、導線51及び導線52の周囲には一点破線で示す方向の磁界が発生する。
Alternating current flows in different directions every half cycle through the
そして、電流の向きは時間的に半サイクルごとに逆転を繰り返すので、その磁界の向きも逆転を繰り返す。 Since the direction of current repeats reversal every half cycle in time, the direction of the magnetic field also repeats reversal.
したがって、ハイブリッド発電素子10に交差する磁束も時間的に変化するので、このハイブリッド発電素子10の両端子7、8には交流電圧が誘起される。
Therefore, since the magnetic flux intersecting the hybrid
また、温度差についてみると、温接点部3は電源コードに密着して設定されているため比較的温度が高く、冷接点部4は、電源アダプター101の表層部に設定されているため温接点部3に比べて低い、外気温度に近い温度となる。
Further, regarding the temperature difference, the
このため、温接点部3と冷接点部4の間には温度差(例えば5℃以上)が存在し、これによる熱起電力がハイブリッド発電素子10の両端子7、8に出力される。
For this reason, there exists a temperature difference (for example, 5 ° C. or more) between the
このように設置された電源アダプター101によれば、電源ケーブルを前後に接続して、この電源ケーブルを流れる磁界変化による誘導起電力である交流電圧と、温度差による熱起電力である直流電圧とが同時に加算された出力電圧が発生するので、この出力を図5に示したような電源部30を介して、電源ケーブル近傍に置かれる各種の携帯形の電子機器やユビキタスセンサの電源を提供することが出来る。
According to the
本発明のハイブリッド発電素子10の他の設置方法について、実施例2として図7を参照して説明する。
Another installation method of the hybrid
図7は金属配管62に接続された水道メーター61の電源として使用される場合のハイブリッド発電素子10の設置方法の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a method for installing the hybrid
矩形のコイル状に成形されたハイブリッド発電素子10は、対向する辺の一方の温接点部3(または冷接点部4)を金属配管62に下部に密着して平行に設置し、対向する辺の他方の冷接点部4(または温接点部3)を地中に埋設する。
The hybrid
このような設置方法とすると、夏季及び冬季で接点部の温度差の極性は変わるものの、配管表面と地中の温度差を利用して、季節の影響を受けにくい熱起電力が得られる。 With such an installation method, although the polarity of the temperature difference of the contact portion changes in summer and winter, a thermoelectromotive force that is not easily affected by the season can be obtained using the temperature difference between the pipe surface and the ground.
このような屋外に設けられる機器の場合、充電量が不足する場合には、ハイブリッド発電素子10と交差する磁界を発生させる移動型の充電装置を備えることで、非接触で外部から充電することも出来る(例えば、特願2005−286016参照。)。
In the case of such an outdoor device, when the amount of charge is insufficient, a mobile charging device that generates a magnetic field that intersects with the hybrid
また、磁界の変化としては、配管に流れる誘導雷、電気機器の発生するノイズ、放送局や無線機器の発信電波による誘導電流など各種の誘導電流による交差磁界を得ることによって、ハイブリッド発電素子10の両端子間で、同時に、誘導起電力を得ることが出来るので、熱起電力と誘導起電力によるハイブリッド発電が可能となる。
In addition, as a change in the magnetic field, the hybrid
したがって、電池交換が不要な電子式水道メーターの電源を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a power source for an electronic water meter that does not require battery replacement.
このような屋外に設けられる機器の場合、充電量が不足する場合には、ハイブリッド発電素子10と交差する磁界を発生させる移動型の充電装置を備えることで、非接触で外部から充電することも出来る。
In the case of such an outdoor device, when the amount of charge is insufficient, a mobile charging device that generates a magnetic field that intersects with the hybrid
本発明のハイブリッド発電素子10の他の設置方法について、実施例3として図8を参照して説明する。
Another installation method of the hybrid
図8は、建物72の非導電性材料からなる樹脂サッシ71の窓に取付ける場合の設置方法の説明図である。ハイブリッド発電素子10は、窓の開口部を取囲む矩形の形を基本とするが、温度差として屋内外の気温差を得るために、一方の接点が樹脂サッシ71を貫通できるよう図8(b)のように突出するよう成形して、屈曲した形状とする。
FIG. 8 is an explanatory diagram of an installation method in the case where the
また、樹脂サッシ71の断面図を図8(c)Cに示す。本設置方法では、夏季には屋外が高温となる温接点部3を屋外に設けるようにしているが、冬季には、温接点部3を屋内に設け、冷接点部4を屋外としても良い。
A cross-sectional view of the
このような設置方法によって温度差による熱起電力を得るとともに、樹脂サッシ71の窓を貫通する各種電磁波等による磁界変化を捉えて誘導起電力を得ることが出来るので、同時に、熱起電力と誘導起電力による発電が可能となる。したがって、防犯用の侵入検知センサなどホームセキュリティ用の各種センサの電源を提供することができる。
With such an installation method, a thermoelectromotive force due to a temperature difference can be obtained, and an induced electromotive force can be obtained by capturing a magnetic field change due to various electromagnetic waves penetrating through the window of the
本発明のハイブリッド発電素子10の他の設置方法について、実施例4として図9を参照して説明する。
Another installation method of the hybrid
図9は、室内に設けられる額縁73の周囲に取付ける場合の設置方法の説明図で、室内での高さ方向の温度差を感知しやすいようにハイブリッド発電素子10を設定する。
FIG. 9 is an explanatory diagram of an installation method in the case of mounting around the
例えば、温接点部3は、額縁73の上部に、冷接点部4は額縁7縁の周囲よりも下方の、部屋の下部の温度状態に置かれるように設定する。
For example, the
通常、室内空気をサーキュレーションしないで暖冷房した場合、天井付近と床付近では、5℃程度の温度差が存在するので、この温度差による熱起電力が発生する。 Usually, when the room air is heated and cooled without being circulated, a temperature difference of about 5 ° C. exists between the vicinity of the ceiling and the floor, and thus a thermoelectromotive force is generated due to this temperature difference.
また、磁界変化については額縁73の空間に鎖交する磁束変化を捉えることになるが、矩形に成形されたハイブリッド発電素子10の上下方向の一辺を壁内の電源ケーブルに近接させて、実施例2と同様な誘導起電力を得るようにすることも出来るので、この周囲に備えられる絵画等の監視センサの電源を提供することが出来る。
In addition, as for the magnetic field change, the magnetic flux change interlinked with the space of the
上述の述べたように、本発明によれば、温度差と磁界変化という異なる発電エネルギーの少なくとも一方が存在していれば、対象とする電力供給対象機器40が動作するための電力供給を継続することが可能で、異なる発電エネルギーを電気エネルギーに変換する単一のハイブリッド発電素子、及びこれを用いた電源装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, if at least one of different power generation energies such as a temperature difference and a magnetic field change exists, power supply for operating the target power supply target device 40 is continued. It is possible to provide a single hybrid power generation element that converts different power generation energy into electric energy, and a power supply device using the same.
本発明は上述したような各実施例に何ら限定されるものでなく、ハイブリッド発電素子の温接点部及び例接点部の設定位置、コイル状に成形される接点部の対点数とコイルの形状とを、設置される空間の温度及び磁気エネルギーの状態と携帯形の電子機器やユビキタスセンサから要求される電力条件に適合するように適宜変更することが出来る。 The present invention is not limited to each of the embodiments described above, and the setting position of the hot contact portion and the example contact portion of the hybrid power generation element, the number of points of the contact portion formed in a coil shape, and the shape of the coil Can be appropriately changed so as to conform to the temperature and magnetic energy state of the installed space and the power requirements required from portable electronic devices and ubiquitous sensors.
1 プラス脚
2 マイナス脚
3 温接点部
4 冷接点部
5 正出力電極
6 負出力電極
7 正端子
8 負端子
10、10a ハイブリッド発電素子
11 プラス脚フレキシブルプリント基板
12 マイナス脚フレキシブルプリント基板
13 銅箔パターン
13a、14a ランドパターン
14 コンスタンタンパターン
15、16、17、18 補強板
19、20 異方性導電ゴム
21 プラス脚導線
22 マイナス脚導線
30 電源部
31、33 平滑回路
32 整流回路
34、34a 昇圧回路
35、35a 充電回路
36 キャパシタ2
36a キャパシタ1
37 双極切換スイッチ
38 充電制御回路
39 リチウムイオン電池
40 携帯形電子機器
51、51a 導線
52、53 コネクタ部
54 断熱材充填部
55 充填材
56 出力端子部
61 水道メーター
62 金属配管
71 窓
72 部屋
73 額縁
100 電源装置
101 電源アダプター
DESCRIPTION OF
37
Claims (12)
第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、
前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、
前記コイルを磁束が交差するように設定し、
熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたことを特徴とするハイブリッド発電素子。 A hybrid power generation element capable of generating a thermoelectromotive force and an induced electromotive force simultaneously by alternately forming a plurality of thermocouples formed by joining different metal wires in series and in a coil state,
A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state,
The joints between the first metal wire and the second metal wire are alternately set to different temperature states,
Set the coils so that the magnetic fluxes intersect,
A hybrid power generation element characterized in that a thermoelectromotive force and an induced electromotive force are generated simultaneously.
第1の金属線と前記第1の金属線と異なる種類の第2の金属線とを交互に直列に、且つ、コイルの状態に成形し、前記第1の金属線と前記第2の金属線との接合部を交互に異なる温度状態に設定し、前記コイルを磁束が交差するように設定し、熱起電力と誘導起電力とを同時に発電するようにしたハイブリッド発電素子と、
前記ハイブリッと発電素子の出力から所定の電圧を得る電源部と
を備え、
前記電源部は、前記ハイブリッド発電素子の出力を平滑する第1の平滑化回路と、前記ハイブリッド発電素子の出力の高電位出力と前記第1の平滑化回路の高電位出力との間の電位差を整流する整流化回路と、前記整流化回路の出力に接続された第2の平滑化回路とから成ることを特徴とするハイブリッド発電素子を用いた電源装置。 A power source using a hybrid power generation element capable of generating a thermoelectromotive force and an induced electromotive force simultaneously by alternately forming a plurality of thermocouples formed by joining different types of metal wires in series and in a coil state A device,
A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state, and the first metal wire and the second metal wire are formed. And a hybrid power generation element that sets the coils alternately so that the magnetic flux intersects, and generates the thermoelectromotive force and the induced electromotive force at the same time,
A power supply unit for obtaining a predetermined voltage from the output of the hybrid and the power generation element,
The power supply unit calculates a potential difference between a first smoothing circuit that smoothes an output of the hybrid power generation element, and a high potential output of the output of the hybrid power generation element and a high potential output of the first smoothing circuit. A power supply apparatus using a hybrid power generation element, comprising: a rectifying circuit for rectification; and a second smoothing circuit connected to an output of the rectifying circuit.
前記充電制御回路によって充電される蓄電手段と
から成る請求項4に記載の電源装置。 A charge control circuit for selectively connecting one of the output of the first smoothing circuit and the output of the second smoothing circuit in a time-sharing manner;
The power supply device according to claim 4, comprising power storage means charged by the charge control circuit.
前記ハイブリッド発電素子の出力電圧の後段に極性を切換る切換手段と
を備え、
同一の極性の出力電圧を出力するようにしたことを特徴とした第4項記載の直流電源装置。 Determination means for determining the positive / negative of the direct current component of the output voltage of the hybrid power generation element;
Switching means for switching the polarity to the subsequent stage of the output voltage of the hybrid power generation element,
The DC power supply device according to claim 4, wherein output voltages having the same polarity are output.
前記コイルとの交差する磁束を印加して、前記蓄電手段に充電を行うようにしたことを特徴とする請求項4乃至請求項7のいずれか1項に記載の電源装置。 It has a mobile charging device that generates a magnetic field,
The power supply device according to any one of claims 4 to 7, wherein a magnetic flux intersecting with the coil is applied to charge the power storage means.
前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の対向する辺を、異方向に交流電流が流れる一対の平行導線の一方の導線の近傍で並走するように成形し、
前記ハイブリッド発電素子の温接点部を前記平行導線の一方の導線に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を前記平行導線から断熱材で隔離して外気温に触れるように設定したことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法。 A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state, and the first metal wire and the second metal wire are formed. Of the hybrid power generating element, wherein the joints are alternately set to different temperature states, the coils are set so that the magnetic fluxes intersect, and the thermoelectromotive force and the induced electromotive force are generated simultaneously. An installation method,
The hybrid power generation element is formed so that the opposing sides of the hybrid power generation element formed into a rectangular coil state run in parallel in the vicinity of one of the pair of parallel conductors in which alternating current flows in different directions. ,
The hot junction part of the hybrid power generation element is brought into close contact with one of the parallel conductors, and the cold junction part of the hybrid power generation element is isolated from the parallel conductor by a heat insulating material and is set to be exposed to the outside air temperature. The installation method of the hybrid power generation element.
前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、長尺の棒状、または、管状の金属管に沿って設け、
前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を前記金属管に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を地中に埋設、または、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を前記金属管に密着させ、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を地中に埋設したことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法。 A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state, and the first metal wire and the second metal wire are formed. The hybrid power generating element is characterized in that the joints are alternately set to different temperature states, the coils are set so that the magnetic fluxes intersect, and the thermoelectromotive force and the induced electromotive force are generated simultaneously. An installation method,
The hybrid power generation element is provided with one side of the hybrid power generation element formed into a rectangular coil state along a long rod-like or tubular metal tube,
The cold junction portion of the hybrid power generation element is brought into close contact with the metal tube, the hot contact portion of the hybrid power generation element is buried in the ground, or the hot contact portion of the hybrid power generation element is brought into close contact with the metal tube, and the hybrid A method for installing a hybrid power generation element, characterized in that a cold junction portion of the power generation element is buried in the ground.
前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、窓、ドア、壁、屋根など非導電性材料の外縁部に沿って内蔵させ、
前記ハイブリッド発電素子の温接点部を外気に、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を室内気に触れるように、または、前記ハイブリッド発電素子の冷接点部を外気に、前記ハイブリッド発電素子の温接点部を室内気に触れるように、
設定したことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法。 A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state, and the first metal wire and the second metal wire are formed. Of the hybrid power generating element, wherein the joints are alternately set to different temperature states, the coils are set so that the magnetic fluxes intersect, and the thermoelectromotive force and the induced electromotive force are generated simultaneously. An installation method,
The hybrid power generation element has one side of the hybrid power generation element formed in a rectangular coil state built in along an outer edge portion of a nonconductive material such as a window, a door, a wall, a roof,
The hot junction part of the hybrid power generation element is exposed to the outside air, the cold junction part of the hybrid power generation element is exposed to room air, or the cold junction part of the hybrid power generation element is exposed to the outside air. Like touching the room
A method of installing a hybrid power generation element, characterized by being set.
前記ハイブリッド発電素子は、矩形のコイルの状態に成形された前記ハイブリッド発電素子の一辺を、額など非導電性材料の外縁部に沿って内蔵させ、
前記ハイブリッド発電素子の温接点部を額の上部位置で室内気に、または冷接点部を室内下部位置で室内気に触れるように設定したことを特徴とするハイブリッド発電素子の設置方法。 A first metal wire and a second metal wire of a different type from the first metal wire are alternately formed in series and in a coil state, and the first metal wire and the second metal wire are formed. Of the hybrid power generating element, wherein the joints are alternately set to different temperature states, the coils are set so that the magnetic fluxes intersect, and the thermoelectromotive force and the induced electromotive force are generated simultaneously. An installation method,
The hybrid power generation element has one side of the hybrid power generation element formed in a rectangular coil state built in along an outer edge portion of a non-conductive material such as a forehead,
A method of installing a hybrid power generation element, wherein the hot contact portion of the hybrid power generation element is set to be in contact with room air at an upper position of the forehead or the cold contact portion is in contact with room air at a lower position of the room.
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