JP2007331745A - 車体パネル・エネルギー生成システム及び車両内で電力を生成し利用する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の燃費を向上させるような、車載電気装置に電力を供給する補助パワーユニットを提供する。
【解決手段】車体パネル・エネルギー生成システム１を提供する。このシステム１の実例となる実施形態の一つが、車体と、車体を形成する複数の車体パネル１０ａ、１０ｂ・・・を含む。少なくとも一つの車体パネルが車両用ソーラー・パネルを有する。このシステム１を使用して自動車の中で電力を生成し、利用する方法も提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽エネルギーのシステムに関連する。より具体的には、本発明は、車両の電力システムを増強するために太陽エネルギーを取り込む車体パネルを用いた、車体パネル・エネルギー生成システムに関連する。

内燃機関エンジン（internal combustion engines:ICE）を備えた近代の自動車は、車載電気デバイスへの電力供給と、自動車のバッテリの再充電のため、補助パワーユニット（ancillary power unit: APU）を使用して電力を生成する。APUは、ICEからの機械エネルギーを、バッテリ内に貯蔵される電気エネルギーに変換するオルタネータであるのが一般的である。後述するような幾つかの要因により、新しい種類のAPUが求められている。

オルタネータは、まず燃料エネルギーを機械エネルギーに変換し、その後、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するので、効率が悪い。この処理は、二つの非効率な動力変換の組み合わせである。オルタネータ/APUは、ICEが動作中のときにのみ電気エネルギーを生成する。自動車が停車しているがICEが動作しているときには、APUに動力を供給する為にICEが動いている場合があり、それにより、燃料が消費される。或いは、ICEが動作していないときには、電力貯蔵器は重量が大きく、コストが高く、スペースをとるが、貯蔵されている電気エネルギーを自動車の電気構成部品に動力を供給するために使用する場合がある。

自動車技術の開発は、例えば、ハイブリッド・ドライブトレイン（hybrid drive-train）、アドバンスド始動システム（advanced starting system）、空調装置、バイ・ワイヤ技術（x-by-wire）、コンピュータ・プロセッサ、テレマチック・システムのような、新しい種類の、電力消費型電気システムをもたらしてきた。同時に、自動車の燃料効率についての関心も増加している。従って、この業界において、電気を作り出すために、自動車燃料或いは、代替燃料の消費が少ないAPUが必要とされている。

本発明は、概して、車体パネル・エネルギー生成システムを対象とする。実例となる実施形態において、そのシステムは、車体、及び車体を形成する複数の車体パネルを含む。車体パネルの少なくとも一つが、車両用ソーラー・パネルを備える。本発明は、自動車の中で電力を生成し利用する方法を更に対象とする。

図1乃至3を参照すると、本発明に係る、車体パネル・エネルギー生成システム（以下、システムと記載する）の実例となる実施形態が図1において参照符号1によって概略的に示され、そのシステム1は、車両2に組み込まれている。車両2は、内燃機関（エンジン）を備えた自動車、燃料電池自動車、或いは、ハイブリッド電気自動車（electric hybrid vehicle）の何れでもよい。車両2は一般的に、前輪6及び後輪7の上に搭載される車両フレーム3を持つ。シャーシ或いは車体4は、車両フレーム3の上に搭載され、そして、フロント・ドア8のみ、或いは図示のようにフロント・ドア8とリア・ドア9の両方を備えた車室5を含む。フロント・シート14とリア・シート15とが、車両フレーム3上で車室5の内側に設けられる。フロントガラス16とリアウインドウ17とが、車体4の、車室5前端部及び後端部に設けられるのが一般的である。図2に示すように、車両2は、エンジン18及びバッテリ19を収容するエンジン室21を更に含む。

車体4は、それを形成する、即ち、形作る、複数の車体パネルを含む。例えば、図1及び2に示すように、車体4の車体パネルは、エンジン室21を閉じるフード・パネル10a、車体4の屋根を形成するルーフ・パネル10b、車体4のトランク部を形成するトランク・パネル10c、リア・シート15とリアウインドウ17との間を延びる車室5の一部を形成するリアキャビン・パネル10d、車室5の中にフロントガラスの真下に設けられるダッシュボード・パネル10e、及び/又は、車体4の外側側面（一箇所の場合も複数箇所の場合もあり）に設けられる単一或いは複数のサイドパネル10fを含み得る。

車体4の車体パネルのうち少なくとも一つは、車両用ソーラー・パネル10である。車両用ソーラー・パネル10は、図2の車体パネル10a乃至10fの位置を含むがこれらに限定されない、太陽エネルギーに晒される車体4上の如何なる場所にでも配設され得る。車両2に設けられた車両用ソーラー・パネル10の各々は、図2に示すように、配線20を介して車両2のバッテリ19に電気的に接続されるのが一般的である。或いは、車両用ソーラー・パネル10の各々が、車両2内の電気構成部品に直接、接続される場合もある。システム1の使用の際、後述するように、車両用ソーラー・パネル10の各々は、太陽エネルギー22を取り込み、その太陽エネルギー22を、車両2の種々の電気構成部品へ電力を供給するための電気エネルギーに変換することが出来る。従って、車両用ソーラー・パネル10は車両2にとってAPU（補助電気装置）として機能する。車両用ソーラー・パネル10の各々は、曇りのときには、周辺光および散光のエネルギーを、直射日光の場合と同様に集めることが出来る。

車両2上の車両用ソーラー・パネル10の各々は、太陽エネルギーを取り込んで、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであれば、如何なる種類のソーラー・パネル或いは材料であってもよい。例えば、車両用ソーラー・パネル10の各々は、太陽光を利用可能な繊維を用いたソーラー繊維パネル（solar fabric panel）によって構成される。本技術分野の当業者に良く知られている加工工程が、車両用ソーラー・パネル10をソーラー繊維パネルで構成するのに利用可能である。その工程は、内部にソーラー・パネル用繊維の織布が組み込まれた複合材料を形成するために、用いられ得る。複合材料は、本技術分野の当業者に既知の方法にしたがって、フード・パネル10a、ルーフ・パネル10b、トランク・パネル10c、リアキャビン・パネル10d、ダッシュボード・パネル10e、及び/又はサイドパネル10fのような車両2の車体パネルの形状に形成される。車体パネル10a〜10fは、車体4のデザイン形状即ち外観を構成すべく車両2に組み込まれ、選択された色にされる場合もある。

ソーラー繊維パネルで構成された車両用ソーラー・パネル10の例を図3に示す。ソーラー繊維タイプの車両用ソーラー・パネル10は、ステンレス鋼或いは、他の導電性材料である中央電極11を含み得る。ソーラー繊維層12が、中央電極11の一方側或いは両側に形成される。ソーラー繊維層12を形成する方法の一つが、最初に中央電極11をナノサイズの二酸化チタン（TiO₂）粉体粒子でコーティングする工程を含む。そして、TiO₂粉体粒子は、通常の色素によって活性化され、そして電解質で満たされる。それから、ソーラー繊維層12は、例えば導電性ポリマーのような導電層13でコートされる。

あるいは、車両用ソーラー・パネル10の各々は、電気を生成する為にパネルを横切る日光によって生成される温度勾配を使用する、マイクロ・ぺルチェ/ゼーベック・デバイス（micro peltier/seebeck device）（不図示）から、或いは、それらを組み合わせて製造される場合がある。マイクロ・ぺルチェ/ゼーベック・デバイスはまた、電気を生成することにより、寒冷な天候のときに車両を温めるのに太陽の熱を利用する車両用ソーラー・パネル10を流れる熱量を増やす。そのデバイスは、車両用ソーラー・パネル10に順方向電流が与えられる場合、パネルの外側表面を冷却し、パネルの内側表面を温める、ヒートポンプとしても使用される場合がある。また、車両用ソーラー・パネル10に逆方向電流が与えられると、パネルの外側表面が温められてパネルの内側表面が冷却され、これにより、車両内部が冷却される。車両用ソーラー・パネル10の有用な点は、その電気伝導率である。従って、車両用ソーラー・パネル10は、車両内の電気系統、ネットワーク配線、及び同様のものを、それらを組み合わせたものに置き換えることが出来る。

図1に示すように、システム1の典型的な使用法において、複数の車両用ソーラー・パネル10が、電力を生成し、車両2内の電気構成部品の電力供給用のバッテリ19に供給するAPUとして、協働して機能する。車体パネル10a乃至10fの少なくとも一つ或いは全ては、車両用ソーラー・パネル10であり得る。したがって、車体パネル10a〜10fの各々が車両用ソーラー・パネル10である場合、車両2の動作中において、太陽エネルギー22は車両2の車両用ソーラー・パネル10の各々に作用する。車体4のフード・パネル10a、ルーフ・パネル10b、及びトランク・パネル10cは太陽エネルギーに直接晒され、その一方で、リアキャビン・パネル10d、及びダッシュボード・パネル10eは夫々、リアウインドウ17及びフロントガラス16を通過した太陽エネルギー22に晒される。車体4のサイドパネル10fもまた、フード・パネル10a、ルーフ・パネル10b、及びトランク・パネル10cより程度は少ないが、太陽エネルギー22に晒される。

車体2の車両用ソーラー・パネル10は、太陽エネルギー22を電気エネルギーに変換し、電気エネルギーは、配線20を介してバッテリ19に送られ、その中に貯蔵される。従って、車両2内の電気構成部品の動作の間、バッテリ19から放出される電気エネルギーは、エンジンが動作しているときと、エンジンが停止しているときとの両方において、必要に応じ、車両用ソーラー・パネル10からの電気エネルギーによって常に補充される。これは、バッテリ19内の電気エネルギーを補充する為にエンジン18を動作させることなく、車両2内の電気構成部品への電力供給を促進する。

本技術分野の当業者であれば、本発明のシステム1が、バッテリ19から放出される電力を常に補充する為に十分な量の電力を生成する能力を持つことは理解できるであろう。これは、太陽エネルギーの電気エネルギーへの変換効率が100%と仮定すると、1.2平方メートルの日光が1200ワットの電力を提供するため、エンジン18が動作していようがいまいが、車両2の電気構成部品の機能に適合した電力を確保する。石炭や原子力によって生成される電気エネルギーと違い、太陽エネルギーはクリーンで且つ、コストがかからない。

自動車は、休止状態から経済速度（cruising speed）まで加速するために比較的大きな動力を必要とする。しかしながら経済速度においては、自動車は、一定速度を維持する為に、空気力学的な力及びタイヤの転がり抵抗とバランスさせるのに必要十分な量の動力しか必要とされない。図4のグラフに示すように、低車速において一定速度を維持する為に必要とされる動力は、高車速において一定速度を維持する為に必要とされる動力に比べて非常に小さく、車速と必要な動力との関係は、非線形カーブに従う。回生ブレーキが車両の移動質量のエネルギーを変換してバッテリ装置に貯蔵可能なケース（ブレーキ・シナリオ）と違って、空気力学的な力及びタイヤの転がり抵抗は、失われた後、使用のために回収され得ないので、回収不能の力と見なされる。速度を維持する為に必要とされる動力は、図4のグラフに示すように、空気力学的な力及びタイヤの転がり抵抗に車速を乗じたものに打ち勝つ必要がある。所定の車速（mile per hour: mph = 1.61 キロメートル/時間）を維持する為に必要な動力量（キロワット=KW）を図5に示す。

ハイブリッド・タイプの自動車において、システム1は燃費或いは、1ガロン（3.8リットル）当たりのマイル数（1.61キロメートル）を大きく改善する可能性を持つ。再び図1及び図2を参照すると、太陽エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を30%、2平方メートルの面積を持つフード・パネル10a、2平方メートルの面積を持つルーフ・パネル10b、0.5平方メートルの面積を持つトランク・パネル10c、及び、全部で3平方メートルの面積を持つ複数のサイドパネル10f（リアキャビン・パネル10d及びダッシュボード・パネル10eを除いて合計7.5平方メートル）、と仮定すると、システム1によって取り込まれるソーラー・パワーの総量は、総ソーラー・パワー＝7.5m²ｘ1000W/m²ｘ0.30（効率）=2.25KWである。

図6に示すように、太陽エネルギーを利用可能な車両のエンジンは、20mph（時速32.2キロメートル）よりも低い速度で1ガロン当たりのマイル数（mile per gallon: mpg）が有限の値をもって停止可能なエンジンを持つ通常のハイブリッド自動車と比較したとき、40mph（時速64.4キロメートル）よりも低い速度において、mpgが無限大となる停止状態になり得る。太陽エネルギーを利用可能な車両は、長距離巡航用の50mph（時速80.5キロメートル）までの速度においてエンジンを停止可能な状態であり、速度が40mph（時速64.4キロメートル）より高いときも、ハイウエイを走行する速度までは依然として高い燃費を維持する。これは、オイル交換の回数を減らし、エンジンの寿命を延ばし、回生制動を通じてブレーキ・パッドの使用を減らし、そして、排出物を低減することに繋がる。

次に、図7に、本発明に係る、車両内で電力を生成して利用する方法に従って実行される各ステップを表すフローチャートを示す。ステップ1において、複数の車体パネルを準備する。車体パネルの少なくとも一つは、車両用ソーラー・パネルである。車両用ソーラー・パネルは、太陽光を利用する繊維（ソーラー繊維）や、太陽光を利用する他の材料が一体化された車体パネル（ソーラー繊維パネルなど）であり得、或いは、太陽エネルギーを取り込んで、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能な如何なる種類のソーラー・パネルであってもよい。ソーラー繊維や他の材料は、車体パネルの構造全体に適用される場合があり、或いは、車体パネルの一部に限定される場合もある。

ステップ2において、車体パネルが、車両の車体の中に組み込まれ、車体形状を形成する。車両は、例えば、内燃機関（internal combustion engine: ICE）を備えた自動車、燃料電池自動車、或いは、ハイブリッド電気自動車の何れでもよい。車両用ソーラー・パネルは、車両が屋外にあるときに太陽光に晒される車両の一部に設けられる。例えば、車両用ソーラー・パネルは、これまで図1及び図2を参照して説明したように、車両のフード・パネル、ルーフ・パネル、トランク・パネル、リアキャビン・パネル、ダッシュボード・パネル、及び/又は、サイドパネルを含むがこれらに限定されない如何なる種類の車体パネルの一部も形成し得る、或いは、形成すべく加工され得る。車両用ソーラー・パネルの各々は、車両用ソーラー・パネルによって生成された電力をバッテリへ伝達すべく、車両内のバッテリに接続されるのが一般的である。或いは、車両用ソーラー・パネルの各々が、車両内の電気構成部品に直接的に接続される場合もある。

ステップ3において、車両の車両用ソーラー・パネルに作用する太陽エネルギーが、電気エネルギーに変換される。車両用ソーラー・パネルによって生成された電気エネルギーはバッテリに伝達され、そこにおいて電気エネルギーは車両内で使用するために貯蔵される。或いは、電気エネルギーが、車両内の電気構成部品に直接的に送られる場合がある。本技術分野の当業者であれば、車両用ソーラー・パネルが、エンジンが動作しているときとエンジンが停止しているときとの両方において、太陽エネルギーを利用して電力を生成しているので、バッテリ或いは電気構成部品への電力の流れを維持する為に車両のエンジンの動作が必要ないことを理解出来るであろう。

ステップ4において、バッテリ内に貯蔵された電気エネルギー或いは、電気構成部品に直接送られた電気エネルギーが、車両内の電気システムを機能させるのに使用される。例えば、バッテリ内の電気エネルギーは、電動空調装置、エンターテイメント・システム、及び、同様のものに電力を供給するために使用され得る。燃料電池自動車、或いは、燃料電池ハイブリッド自動車の場合、車両が駐車されてバッテリが充電されているならば、電気エネルギーが加水分解反応を実行する為に使用され得る。

本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明において種々の修正が行われ得ること、及び、特許請求の範囲が、本発明の技術思想及び範囲内のそのような修正の全てを抑えることを意図していることは認識されるであろう。

本発明に係る車体パネル・エネルギー生成システムの一例を示す車両の側面図である。 本発明に係る車体パネル・エネルギー生成システムの一例を示す車両の上面図である。 本発明に係る車体パネル・エネルギー生成システムの一例を示す車両の断面図である。 平均的なサイズの自動車が動作するときの空気力学的な力及びタイヤの転がり抵抗（N）を、車速（mph）の関数として示すグラフである。 平均的なサイズの自動車が、所定の車速（mph）を維持する為に必要とされるエンジンの動力出力（キロワット）を示すグラフである。 車体パネル・エネルギー生成システムを備えたハイブリッド電気自動車における、潜在的な燃費（mpg）を車速（mph）の関数で示すグラフである。 本発明に係る、車両内で電力を生成して利用する方法の各ステップを表すフローチャートである。

符号の説明

4. 車体
5. 車室
10. 車両用ソーラー・パネル
10a. フード・パネル
10b. ルーフ・パネル
10c. トランク・パネル
10d. リアキャビン・パネル
10e. ダッシュボード・パネル
10f. サイドパネル
11. 中央電極
12. ソーラー繊維層
13. 導電層
19． バッテリ
20. 配線

Claims (20)

1. 車体、及び該車体を形成する複数の車体パネルを備え、
   上記複数の車体パネルのうち少なくとも一つが車両用ソーラー・パネルを有する、
   車体パネル・エネルギー生成システム。
2. 上記車両用ソーラー・パネルがフード・パネルを構成している、
   請求項1の車体パネル・エネルギー生成システム。
3. 上記車両用ソーラー・パネルがルーフ・パネルを構成している、
   請求項1又は2の車体パネル・エネルギー生成システム。
4. 上記車両用ソーラー・パネルがトランク・パネルを構成している、
   請求項1乃至3のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
5. 上記車両用ソーラー・パネルがリアキャビン・パネルを構成している、
   請求項1乃至4のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
6. 上記車両用ソーラー・パネルがダッシュボード・パネルを構成している、
   請求項1乃至5のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
7. 上記車両用ソーラー・パネルが少なくとも一つのサイドパネルを構成している、
   請求項1乃至6のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
8. 上記車両用ソーラー・パネルは、ソーラー繊維パネルを有する、
   請求項1乃至7のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
9. 上記ソーラー繊維パネルは、電極、該電極上に設けられたソーラー繊維層、及び該ソーラー繊維層の上に設けられた導電層を有する、
   請求項8の車体パネル・エネルギー生成システム。
10. 上記ソーラー繊維層は、二酸化チタン粉体粒子を有する、
    請求項9の車体パネル・エネルギー生成システム。
11. 上記導電層は、導電性高分子を有する、
    請求項9又は10の車体パネル・エネルギー生成システム。
12. 上記車両用ソーラー・パネルに接続されたバッテリをさらに有する、
    請求項1乃至11のいずれか一つの車体パネル・エネルギー生成システム。
13. 車体、及び該車体を構成し、該車体の外形を形作る複数の車体パネルを備え、
    上記車体パネルの各々が、車両用ソーラー・パネルを有する、
    車体パネル・エネルギー生成システム。
14. 上記車体パネルは、フード・パネル、ルーフ・パネル、トランク・パネル、及び複数のサイドパネルを有する、
    請求項13の車体パネル・エネルギー生成システム。
15. 上記車両用ソーラー・パネルは、ソーラー繊維パネルを有する、
    請求項13又は14の車体パネル・エネルギー生成システム。
16. 上記ソーラー繊維パネルは、電極、該電極上に設けられたソーラー繊維層、及び該ソーラー繊維層の上に設けられた導電層を有する、
    請求項15の車体パネル・エネルギー生成システム。
17. 車両内で電力を生成し利用する方法において、
    少なくとも一つが車両用ソーラー・パネルを有する複数の車体パネルを準備する工程、
    上記複数の車体パネルを用いて車体を形成する工程、及び、
    上記車両用ソーラー・パネルを用いて太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する工程、
    を有する方法。
18. 上記車両を動作させる際に上記電気エネルギーを使用する工程を更に有する、
    請求項17の方法。
19. 上記車両用ソーラー・パネルがソーラー繊維パネルを有する、
    請求項17又は18の方法。
20. 上記ソーラー繊維パネルが、電極、該電極上に設けられたソーラー繊維層、及び該ソーラー繊維層の上に設けられた導電層を有する、
    請求項19の方法。

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