JP2008301630A - 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】曇天等でも効率よく発電でき、かつ、効率よく発電電力を蓄え電力負荷に電力供給できる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供する。
【解決手段】上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板２と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃８を有する熱伝導パイプ７で熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプ７で導いて冷却し低温となる下部板６と、上部板２と下部板６との間に挟んだペルチェ素子５とを有する発電装置２０と、ナトリウム硫黄電池からなる蓄電装置３０と、照明灯等からなる電力負荷４０と、発電装置２０と蓄電装置３０、電力負荷４０との間に接続され、発電装置２０の発電電力を駆動用として電力負荷４０に若しくは充電用として蓄電装置３０に供給し、又は蓄電装置３０の放電電力を駆動用として電力負荷４０に供給する切替装置５０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムに関し、更に詳しくは温度差を利用する発電装置と二次電池とを組み合わせ効率のよい発電充電を実現する太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムに関するものである。

近年、エネルギー源として主に利用されているのは化石燃料である。しかし、化石燃料はその燃焼時にＮＯｘやＳＯｘなどの有害物質やＣＯ_２を排出し、環境汚染を引起こす原因となっている。

特にＣＯ_２は地球温暖化の主原因と考えられ、ＣＯ_２削減が人類に与えられたテーマであると云っても過言ではない。現に世界中でＣＯ_２排出量を減らそうとする動きが見られている。

その一環として化石燃料以外の原料から新エネルギー源を創出しようとする研究がなされ、醗酵技術を応用して植物からエネルギー源を取出そうとする研究が行われている。いわゆるバイオマスからバイオエタノールを得ようとする研究で、ガソリンに混ぜて自動車の燃料として使われている。

しかし、バイオマスの原料は主にトウモロコシ等の穀物であり、人間や家畜に対する食料の供給を減らすことになり、穀物価格の高騰を招き、人間や家畜の生活を圧迫しつつある。

このような状況を踏まえ、食料資源を損なうことなく新エネルギーを得ようとする動きが出てきた。太陽光発電、風力発電、波力発電、地熱発電等が研究され、実用化が進みつつあり、種々の技術が開示されている。

太陽光発電は太陽電池の発電素子の発電効率が低いこと、設置面積が広くなること、曇天には十分な発電量が得られないことなどの懸念がある。近年、クリーンエネルギーとして注目を集めている風力発電は、常時風が吹いていることが必要で、発電に適した場所に限りがあるし、無風状態では発電できず、効率が悪く、発電コストが高くなるという欠点があった。

その他のエネルギー源による発電も化石燃料による発電コストに比べ高くなっているのが現状である。

更に、単に発電装置で発電した電力をそのまま電力負荷に供給するのみならず、発電した電力を蓄電しより効率よく電力負荷に電力供給を行うシステムの実現も要請されているところである。

特許文献１には、太陽光発電システムと蓄電池とを組み合わせた家庭用トータルエネルギーシステムが提案されている。この特許文献１の場合も太陽光発電システムを利用するものであり、上述した場合と同様な問題がある。
特開２００６−２９６１７３号公報

本発明者らは、このような現状に鑑み、曇天でも無風状態でも効率よく発電でき、かつ、発電電力を効率よく蓄え、電力負荷に対する効率のよい電力供給を行うことが可能なシステムを模索した結果、太陽の放射熱で加温する部分と地下放熱により冷却した部分との間にペルチェ素子を挟み込んだ発電装置と、ナトリウム硫黄電池（ＮＡＳ電池）のような蓄電装置とを組み合わせることで目的が達せられることを見出し、本発明を完成した。

本発明の太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムは、上面に太陽熱を受光し蓄熱することにより高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電される二次電池からなる蓄電装置と、を有することを最も主要な特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、太陽光発電のように例えば曇天には発電効率が悪くなったり、風力発電のように無風状態では発電できないといった状況が起こりにくく、太陽の放射熱を利用するため曇天でも無風状態でも発電でき、しかも、発電電力を効率よく蓄え、電力負荷に対する効率のよい電力供給を実現し得る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、発電装置を、上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する構成とし、またナトリウム硫黄電池を備える構成で請求項１記載の発明と同様な効果を奏する太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明と同様な効果を奏するとともに、熱伝導パイプの下部先端にドリル刃を有する構成としているので、地中や水中の底に設置し易い太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。

請求項４記載の発明によれば、太陽光発電のように例えば曇天には発電効率が悪くなったり、風力発電のように無風状態では発電できないといった状況が起こりにくく、太陽の放射熱を利用するため曇天でも無風状態で発電装置により効率よく発電し、ナトリウム硫黄電池に蓄えて、発電電力により又は蓄電電力により電力負荷を駆動できる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。

本発明は、曇天でも無風状態でも効率よく発電でき、かつ、発電電力を効率よく蓄え電力負荷に対する効率のよい電力供給を行うことができる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供するという目的を有するものである。
本発明は、上記目的を、上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、照明灯等からなる電力負荷と、前記発電装置と、ナトリウム硫黄電池、電力負荷との間に接続され、発電装置の発電電力を駆動用として電力負荷設備に若しくは充電用としてナトリウム硫黄電池に供給し、又は、ナトリウム硫黄電池の放電電力を駆動用として電力負荷に供給する切替装置と、を有する構成により実現した。

以下に、図面を参照して、本発明の実施例に係る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム６０を詳細に説明する。

本実施例の発電蓄電システム６０は、発電装置２０により太陽からの放射熱（輻射熱）を利用して曇天でも効率よく発電するとともに、発電電力をナトリウム硫黄電池（ＮＡＳ電池）等の蓄電装置３０に蓄え、電力負荷４０に対して発電装置２０からの発電電力又は蓄電装置３０からの放電電力を供給するようにしたことが特徴である。

すなわち、本実施例に係る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電充電システム６０は、図１に示すように、太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電装置２０と、この発電装置２０に切替装置５０を介して接続した蓄電装置３０及び電力負荷４０とを有している。

前記発電装置２０は、円板状の上部板２と円板状の下部板６との間にペルチェ効果による起電部分として機能するペルチェ素子５を介在させるとともに、下部板６に接合装置１０を取り付け、この接合装置１０から下方に略円筒状で下部先端部分にドリル刃８を設けた熱伝導パイプ７を突設することにより構成している。また、接合装置１０には電源盤９を配置している。

前記上部板２は、図２に示すように、太陽放射熱を吸収し、蓄熱する蓄熱部材３と、断熱部材４とを具備している。前記上部板２の蓄熱部分の面積は大きいほど発電効率は上がるので、蓄熟した熱を周囲に逃さないために蓄熱部分の周囲に又は適宜位置に断熱部材４を設けることが好ましい。

前記断熱部材４は、熱伝導率の小さいセラミックが好ましく用いられるが、断熱性のよいプラスチック類も用いることもできる。前記蓄熱部材３と周囲の断熱部材４とを一体として上部板２として用いることもできる。

前記上部板２の上側に、太陽放射熱を効率よく吸収させるため、出来る限り黒っぽい色の略円板状の被覆材１を取り付けることもできる。

また、上部板２自体の色を黒くすれば被覆材１を省略することもできる。前記蓄熱部材３としては熱伝導率に優れた金属類、セラミック類が挙げられるが、なかでも銅、真鍮、グラファイトが好ましく用いられる。

前記上部板２及び下部板６は、これらの間に挟むペルチェ素子５の補強材としての役割をも果たすので、ある程度の強度が必要となる。そのため金属板が好ましい。厚みは３ｍｍ程度で十分である。グラファイトを使用する場合には薄い金属板若しくは箔を併用するとよい。要するに上部板２は蓄熱した熱をペルチェ素子５に伝導できる構成とすればよい。

前記被覆材１は、集熱目的の他にも上部板２の保護と美観のためにも装着する。被覆材１は太陽の放射熱を吸収し、上部板２の蓄熱部材３に効率よく吸熱を伝導するため、黒っぽい色が好ましいが、美観の面から茶色や水色等、その設置場所の雰囲気に合った色を着色したものでもよい。また、被覆材１に花や鳥等の絵柄、模様等を印刷したものでもよい。

前記起電部分として機能するペルチェ素子５は、地表から離れた位置に設置してもよいし、地面に埋め込んでもよい。地面に埋め込む場合は、前記上部板２、被覆材１は地表面に近い方が好ましい。また前記上部板２、被覆材１は道路の舗装に使われているアスファルトで覆えば地表面に凹凸を生じさせないという利点もあって好ましい。この場合は発電装置２０を設置した地表面がすべて蓄熱領域となる。

前記ペルチェ素子５を挟む下部板６は、熱伝導性のよい材質のものが好ましい。すなわち、地中若しくは水中に熱伝導パイプ７を通じて熱を放出して下部板６の温度を下げたり、地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプ７を通じて下部板６に伝え、下部板６の温度を下げるためである。従って、熱伝導性のよい金属板やセラミック板若しくは補強したグラファイト板を使用できるが、上部板２と同じ材質のものを使うことが便利である。

前記下部板６には熱伝導パイプ７が連結される。
熱伝導パイプ７は熱伝導性のよい金属製のパイプが好ましく用いられる。金属製パイプとしては真鍮、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス製のものが好ましい。なかでも熱伝導性のよい真鍮や銅製のものが好ましく、サビないということとコスト面でステンレス製のパイプも好都合に用いることができる。

発電装置２０を設置した箇所の周囲の温度の影響を出来る限り受けないようにするため、熱伝導パイプ７の表面は熱を反射するような色に着色することが好ましい。また、熱伝導パイプ７の周囲に断熱材を巻き付けてもよい。熱伝導パイプ７を地中に埋め込む場合には、熱伝導パイプ７の周囲の地下に断熱層を設けるのが好ましい。地中の温度も１ｍ以上の深さでは地表の温度の影響が少なくなるので、断熱材も１ｍ程度の範囲に設ければよい。

前記熱伝導パイプ７の下部先端は、地中や水中の底に埋め込み易くするため、ドリル刃８を設けるのが好ましい。所定の箇所に熱伝導パイプ７を埋め込んだ後、接合装置１０を介して下部板６、ペルチェ素子５、上部板２を載せ一体化する。

また設置場所の関係で熱伝導パイプ７は途中折れ曲がっていてもよい。この場合には設置場所が傾斜地でも問題なく設置することができる。

設置場所が水面であれば、冷却効果は空気中より大きいため、発電効果は高くなるので好ましい。この場合には水底に熱伝導パイプ７を打ち込むか、水深が深い場合はペルチェ素子５等の起電部が水面より上に出るようにブイをつけ、更に熱伝導パイプ７の上部の起電部が安定する程度の錘を付加する構成とすることもできる。

前記ペルチェ素子５にはその材質によりいろいろな種類のものがある。本実施例では市販のペルチェ素子５を使用した。ペルチェ素子５により起電された電力は図示しない内部配線材を経て電源盤９に送られ、電源盤９に設けたプラス極９ａ、マイナス極９ｂから切替装置５０を介して外部接続される照明灯や標識灯等の電力負荷４０に供給され、これらを点灯駆動することになる。

本実施例において、ペルチェ素子５は、日本テクモ株式会社製の型式１ＭＨ１４−１２７−１６のものを使用した。

前記上部板２及び下部板６は、厚さ３ｍｍの銅板を用いた。上部板２の表面は黒色塗料を塗布して黒くした。被覆材１は黒色の塗料を塗布した銅板を広口の皿状のものとし、起電部をすっぽり覆うように被せ、上部板２に載せて固定した。
本実験は、これを４月の室内で行った。室温は約２０℃であった。熱伝導パイプ７を１２℃の水中に入れ、被覆材１の上から照明灯で加熱した。上部板２の温度は６５℃、下部板６の温度が３５℃の時、１．７５Ｖの起電力が得られた。

また、本実施例において、電力負荷４０が電力を消費しない時や余剰に発電した場合には、発電装置２０からの出力電力を切替装置５０を介してナトリウム硫黄電池等のような蓄電装置３０に供給して、蓄電装置３０を充電する。

そして、電力負荷４０の駆動が必要な場合において、発電装置２０からの電力供給が不足する場合には、蓄電装置３０に蓄えた電力を切替装置５０を介して照明灯や標識灯等の電力負荷４０に供給し、電力負荷４０を点灯駆動するように構成している。

前記切替装置５０としては、詳細は省略するが、例えば発電装置２０の出力電圧を検出し出力電圧が低下した場合には、蓄電装置３０に蓄えた電力を電力負荷４０に自動供給する構成、前記発電装置２０の設置箇所周辺の明るさを検知し、昼間等の明るい時間帯には発電装置２０の出力電圧を蓄電装置３０に自動供給して充電する構成等を備えたものを挙げることができる。

前記蓄電装置３０として使用するナトリウム硫黄電池（ＮＡＳ電池）は、図３に示すように、電力貯蔵用の公知の二次電池であり、プラス極３０ａ側に硫黄３１を、マイナス極３０ｂ側にナトリウム３２を使用し、電解質３３としてベータアルミナ（アルミニウム、ナトリウムの酸化物からなる固体）を用い、単セルで１．８ボルト程度の直流電圧を出力するものである。

なお、本実施例において、全体としての大規模化を図るために、発電装置２０を複数個設置しそれぞれを接続するとともに、蓄電装置３０として数十乃至数百の単セルを列設した図４に示すＮＡＳ電池モジュール３０Ａを配置する構成とすることももちろん可能である。

本実施例の太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム６０によれば、太陽熱と地下放熱との温度差を利用して発電する発電装置２０と、ナトリウム硫黄電池のような蓄電装置３０とを組み合わせたシステム構成としているので、発電装置２０の発電電力による電力負荷４０の駆動、発電装置２０の発電電力による蓄電装置３０の充電、蓄電装置３０に蓄えた電力による電力負荷４０の駆動を効果的に実行し得る発電蓄電システムとして機能させ、単独電源設備として有効に活用することができる。

例えば、電力会社が供給する電源設備のない道路際や山中に設置し道路標識用や夜間照明用の単独電源設備として、また、登山道路の標識灯の電源設備、緊急事態用の電源設備として好適に用いることができる。

また、発電装置２０や照明灯等の電力負荷４０を海や河川等に設置すれば水路標識用の電源設備としても便利に利用することができる。

更に、本実施例の発電蓄電システム６０は、上述した照明関連設備用として使用する他、例えば小形モータ等の動力設備を駆動するシステムとしても適用可能である。

本発明は、上述した場合の他、例えば電力会社が供給する交流電源設備と組み合わせ、かつ、交直変換手段を付加することによって、無停電電源設備として機能させるという応用も可能である。

本発明の実施例に係る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムの全体の概略構成図である。 本実施例の上部板の概略斜視図である。 本実施例の蓄電装置の一部を断面として示す斜視図である。 本実施例のＮＡＳ電池モジュールの一部を断面として示す斜視図である。

符号の説明

１ 被覆材
２ 上部板
３ 上部板
３ 蓄熱部材
４ 断熱部材
５ ペルチェ素子
６ 下部板
７ 熱伝導パイプ
８ ドリル刃
９ 電源盤
９ａ プラス極
９ｂ マイナス極
１０ 接合装置
２０ 発電装置
３０ 蓄電装置
３０Ａ ＮＡＳ電池モジュール
３０ａ プラス極
３０ｂ マイナス極
３１ 硫黄
３２ ナトリウム
３３ 電解質
４０ 電力負荷
５０ 切替装置
６０ 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電充電システム

Claims (4)

1. 上面に太陽熱を受光し蓄熱することにより高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
   前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電される二次電池からなる蓄電装置と、
   を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。
2. 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
   前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
   を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。
3. 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
   前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
   を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。
4. 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
   発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
   照明灯等からなる電力負荷と、
   前記発電装置と、ナトリウム硫黄電池、負荷設備との間に接続され、発電装置の発電電力を駆動用として電力負荷に若しくは充電用としてナトリウム硫黄電池に供給し、又はナトリウム硫黄電池の放電電力を駆動用として電力負荷に供給する切替装置と、
   を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。

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