JP2009208766A - 軽航空機の電力発生用熱電対アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】船体に柔軟性のある気体不浸透性の布を用いた軽航空機用のエネルギー発生装置を提供する。
【解決手段】気体不浸透性の布の外層１２に配置された太陽電池セル１４と、前記太陽電池のセルと前記気体不浸透性の布の間に配置された熱電対アレイ１６と、前記熱電対アレイと前記太陽電池セルとの間および前記熱電対アレイと前記気体不浸透性の布との間に配置された熱伝導層すなわち熱拡散層２０，１８と、前記熱電対アレイから電力を取り出すために前記熱電対アレイに接続される電気的導通手段３０と、前記熱電対アレイから電力を取り出すための、例えば蓄電装置や電力を消費する装置といった電気負荷とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、昼夜を通して、軽航空機の太陽電池パネルと軽航空機が浮揚用気体として使用するヘリウムとの温度差を利用する例えば高高度飛行船（High Altitude Airships（HAA））などの軽航空機（Lighter-than-air vehicles（LTA））の熱電装置および電力発生方法に関する。

高高度を長時間運航する軽航空機は、夜間の電気エネルギーの保存や発生のためにバッテリーや燃料電池に頼らざるを得ない。現在の技術ではバッテリーは比較的重く、高高度飛行船（HAA）のペイロードや高度を制限する。

本発明は、船体に柔軟性のある気体不浸透性の布を用いた（having a gas impervious outer flexible fabric）軽航空機（lighter-than-air vehicles）用のエネルギー発生装置に関し、前記気体不浸透性の布の外層に配置された太陽電池セルの層と、前記太陽電池セルと前記気体不浸透性の布の間に配置された熱電対アレイと、前記熱電対アレイから電力を取り出すために前記熱電対アレイに接続される電気的導通手段と、前記熱電対アレイから電力を取り出すための、例えば蓄電装置や電力を消費する装置といった電気負荷を含む。

本発明における前記および他の特徴と有利な効果は、下記の添付された図を引用した後述の説明を読むことにより、本発明の属する分野における通常の知識を有する者にとって明白となるであろう。
表面に太陽電池セルのアレイを有する軽航空機の概略図である。 船体の布の表面に配置された熱電対アレイと太陽電池セルの層状配列の概略図である。 本発明の熱電対配列の図である。

本発明は、軽航空機用電力の熱電気発電に関するものであり、電力発生のために太陽電池パネルとヘリウムまたは水素のような浮揚用気体との温度差を利用する。

図１のように、軽航空機１０はこの軽航空機に浮力を与えるヘリウムや水素といった気体を含む外皮１２を有する。ソーラーセルすなわち太陽電池セル１４は、太陽光の照射に有利になるように軽航空機の上部表面に取り付けられ、太陽エネルギーを軽航空機で使用される電気エネルギーへと変換する。太陽電池セルは、太陽電池セルから軽航空機の船体や浮揚用気体への熱の伝導が最小になるように裏面が粘着性の断熱発泡剤を用いて、通常は布の外層に取り付けられる。

図１は軽航空機１０の一つの例を示す。それはＬＴＡ機もしくは軽航空機を想定するが、本発明が、基本骨格を有するもしくは他の空気注入式の構造のいかなる軽航空機、例えばエアロスタット（aerostat）、小型飛行船（blimp）、飛行船（airship）、気球（balloon）や、繋留（けいりゅう）型（tethered）または非繋留型（un-tethered）、または、プロペラが有るまたはプロペラが無い、他の浮揚物（floating object）にも応用可能な柔軟性のあるラミネート（積層）構造に関するものであることが理解されるであろう。そして、軽航空機１０は安定板１５のある船体１２を有する。本発明は、安定板（fin）のない場合にも適用可能である。少なくとも一の安定板以外の安定化要素（例えば誘導ファン（vectored fan））を使用してもよい。また、船体１２は楕円形の形状として示されているが、どのような形−球体、長円、パラボラ型、涙型および同類の形でもよいことが理解されるであろう。そして、軽航空機１０は人員、監視装置、天候モニタリング設備、通信装置および同類の物を含むペイロード（図示せず）を運んでいてもよい。ペイロードの重量は軽航空機のサイズに従って変動し、船外にあって運ばれる場合も、船内にあって運ばれる場合も、例えばレーダー送受信機用の機材として船体に組み込まれて運ばれる場合もある。そして、例えばエンジンおよび／又はプロペラといった推進手段は図１には記載されていない、というのも本発明はプロペラが有る軽航空機にも、プロペラが無い軽航空機にも、又は、繋留型の軽航空機にも使用できるからである。

通常は、高高度飛行船や軽航空機は、ヘリウムガスをしっかりと通さず、大幅な温度変動、オゾン分解、紫外線照射、１日の周期的変化および強風や気候の影響によりもたらされる大幅な温度変動を考慮して過度の伸張や収縮に耐えるラミネート加工された材料で作られている。例えば、米国特許番号6,074,722のCucciasの発明によると、高い強度を持つ、サーモトロピック液晶（融解紡糸）ポリエステルVECTRAN（米国登録商標）、芳香族ポリアラミドKEVLAR（米国登録商標）又はポリエステルDACRON（米国登録商標）繊維の織物糸の層やポリビニルフッ化物繊維TEDLAR（米国登録商標）やMYLAR（米国登録商標）の層に貼り合わされたポリウレタン樹脂（polyurethane resin）の層からなり、紫外線照射による劣化に対し耐性をもつ素材の外層を有する布のラミネート加工が提案されている。米国特許番号6,979,479によると、室内表面層としての液晶ポリマー繊維糸の層（VECTRAN（米国登録商標））、粘着層、ポリイミド層、外部表面層としてのポリフッ化ビニリデン（PVDF）層からなるラミネート加工が提案されている。高高度を運航する軽航空機用の布にとって、入射する太陽光照射の大半を反射するために、ヘリウムの浸透を減らすために、落雷の影響を最小にするために、そして船体表面にわたり静電気を分散させる手段を備えるために、その層の一つに薄いアルミニウムのコーティング層を有することは好都合である。

太陽光による加熱によって、日中は、太陽電池セルの表面が軽航空機内部のヘリウムの温度より高くなる。本発明によると、外部又は軽航空機の外皮と太陽電池セルの間に配置された熱電対アレイを使用することで、電流を発生させるのにこの温度差をうまく利用することができる。

図２に示すように、熱電対アレイ１６は船体の外皮１２と太陽電池セル１４の間に配置される。熱伝導層すなわち熱拡散層２０は太陽電池セル１４と熱電対アレイ１６の間に配置されていてもよいし、そして、第２の熱伝導層すなわち熱拡散層１８は熱電対アレイと船体の外皮１２の間に配置されて使用されていてもよい。熱伝導層には、昼間および夜間に、太陽電池セルと熱電対アレイと軽航空機内部のヘリウムの間の熱の移動を促進する以外の重要な意味はない。

熱電対アレイはこの熱の移動を利用して、軽航空機で使用するため、もしくは後の使用のために蓄電するために電気エネルギーに変える。この熱電対アレイは、通常コンピューター部品を冷却するのに使われるペルチェ熱電素子に似ているが、ペルチェ素子が電流を利用して温度差を発生させるのに対し、このアレイは温度差から電流を発生させるのに使われる。しかしながら、この熱電対アレイとペルチェ素子は、どちらも電流又は温度差を発生させるために使用される。

図３はシステムがどのように稼働するかを示す。熱伝導層２０、１８は、片側において熱電対アレイ１６と太陽電池セル１４に挟まれ、反対側においては軽航空機の船体１２に挟まれている。矢印４０は、例えば夜間に軽航空機の船体１２内部のヘリウムが太陽電池セル１４よりも高い温度である場合の、熱の移動を示す。熱電対アレイ１６は熱エネルギーと温度差を、伝導体２６、２８に接続された電気バス３０経由で取り出される電気エネルギーに変える。伝導体は熱電対アレイ経由で作成された電気エネルギーを引き出す適当な蓄電装置又は電力を消費する装置（図示せず）につながれている。

熱電対アレイは蛇腹折りにされた薄くて柔軟性のある電気絶縁フィルムであって、軽航空機の船体が昼間から夜にかけての圧力差によって伸縮するのに伴いどちらの方向にも伸縮できるように穴が開いているフィルムの両面にプリントされていてもよい。このことは、船体の圧力の上昇が壊れやすい太陽電池セルに伝わることを防ぐ。熱電対の金属配線は、デュポン社の製造するKapton（米国登録商標）といったポリイミドフィルムにフレキシブルプリント回路の製造に用いるのと同様の手法を使ってプリントされてもよい。フレキシブルプリント回路の製造に用いる手法は、以下に限られるものではないが、金属の真空蒸着、フォトリソグラフィー、不要な金属部分のエッチング、金属の厚さ形成のための電気めっきを含んでもよい。蛇腹折りにされた薄いフィルムの空間的な隙間は太陽電池セルから船体の布への熱の伝導を最小にするための断熱材として働き、発泡断熱材の必要量を最小にする。さらに、熱電対アレイは、いくらかの変換されない太陽エネルギーを取り除くことで、太陽電池セルを冷却するのに役立ちその効率を向上させる。そして、軽航空機に太陽電池セルを搭載するための伸縮可能なトラス構造としての機能を果たす。

熱電対アレイの効率は熱電対の密度と温度差に依存する。熱電対の密度はポリイミドフィルムの両面に熱電対の金属配線をプリントし、蛇腹折りの間隔が近くなるように縮めることで容易に高めることができる。夜間は太陽電池セルはヘリウムの温度よりも低くなる。再び、この温度差によって熱電対アレイに電流が発生する。そのため、本発明は昼夜で逆転するこの温度差によって、昼間も夜間も電力を発生させる。

太陽エネルギー収集システムすなわち太陽電池アレイは、通常、電気エネルギーを、エネルギー貯蔵システム、推進システム、非常通報システム、自律制御システム、通信システム、任務に固有なペイロード、に供給する。ここで、これらはどれも図示されていないが、この分野においてよく知られるものである。日中は、太陽電池アレイによって発生した電気エネルギーは軽航空機の電気的なシステムに電力を供給するためや燃料電池やバッテリーといったエネルギー貯蔵システムに再充電するために使われる。熱電対アレイは、日中および特に夜間に、バッテリーを再充電を補助するために、また燃料電池の場合は、燃料電池反応の副生成物である水の電気分解による水素と酸素の再発生のために電気エネルギーを供給することで太陽電池アレイを補完する。

前記の本発明の記述から、この分野における通常の知識を有する者であれば、軽航空機用の電気エネルギーの収集および使用に関する改良、変更、修正を理解するであろう。この分野における技能に属するそのような改良、変更、修正は添付の特許請求の範囲の目的に含まれる。

Claims (15)

1. 船体に柔軟性のある気体不浸透性の布を用いた軽航空機用のエネルギー発生装置であって、
   Ａ．前記気体不浸透性の布の外層に配置された太陽電池アレイと、
   Ｂ．前記太陽電池アレイと前記気体不浸透性の布の間に配置された熱電対アレイと、
   Ｃ．前記熱電対アレイから電力を取り出すために前記熱電対アレイに接続される電気的導通手段と、
   Ｄ．前記熱電対アレイから電力を取り出すための電気負荷と、
   Ｅ．前記気体不浸透性の布と前記熱電対アレイとの間および前記太陽電池アレイと前記熱電対アレイとの間に配置された熱伝導層すなわち熱拡散層と、を含むエネルギー発生装置。
2. 請求項１において、
   前記電気負荷は蓄電装置であることを特徴とするエネルギー発生装置。
3. 請求項１において、
   前記熱電対アレイは蛇腹折りにされた薄いフィルムの片面又は両面にプリントされていることを特徴とするエネルギー発生装置。
4. 請求項１において、
   前記熱電対アレイは蛇腹折りにされた薄いフィルムにプリントされており、前記薄いフィルムは伸縮できるように穴が開いていることを特徴とするエネルギー発生装置。
5. 請求項１において、
   前記電気的導通手段は熱電対の蒸着された金属配線であるか又は薄いフィルムにプリントされていることを特徴とするエネルギー発生装置。
6. 請求項１において、
   前記熱伝導層は前記熱電対アレイのすぐ近傍にあることを特徴とするエネルギー発生装置。
7. 請求項１において、
   前記電気負荷は、蓄電装置又は電力を消費する装置のいずれかであることを特徴とするエネルギー発生装置。
8. 請求項１において、
   前記熱電対アレイは昼も夜も電力を発生することを特徴とするエネルギー発生装置。
9. 請求項１において、
   前記熱電対アレイは太陽電池アレイを補完し、太陽電池アレイの冷却を補助することを特徴とするエネルギー発生装置。
10. 請求項１において、
    前記熱電対アレイは電力を、電池の充電および再生燃料電池で用いる水素と酸素を電気分解によって発生させるために供給することを特徴とするエネルギー発生装置。
11. 請求項１において、
    前記電気的導通手段は熱電対の蒸着された金属配線であるか又は薄い電気絶縁フィルムにプリントされていることを特徴とするエネルギー発生装置。
12. 請求項１において、
    前記電気的導通手段は熱電対の蒸着された金属配線であるか又は薄いポリイミドフィルムにプリントされていることを特徴とするエネルギー発生装置。
13. 請求項１において、
    前記熱電対アレイは、電流を前記熱電対アレイに流すことにより太陽電池アレイを冷却するのに使われることを特徴とするエネルギー発生装置。
14. 請求項１において、
    前記熱電対アレイは、冷却装置として使われる代わりに電流を発生するために接続されたペルチェ素子であることを特徴とするエネルギー発生装置。
15. 請求項１において、
    前記熱電対アレイは、軽航空機の前記気体不浸透性の布から太陽電池アレイを熱的に隔離することを特徴とするエネルギー発生装置。

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