JP2013188019A

JP2013188019A - エネルギーハーベスト装置及び環境エネルギー供給方法

Info

Publication number: JP2013188019A
Application number: JP2012051591A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Iwasaki; 郁夫岩崎; Masaru Shizume; 大鎮目; Hiroki Saito; 広樹齋藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】環境エネルギーが変動しても安定した電力を負荷に供給する。
【解決手段】電波以外の環境エネルギーを捉えて第１の電力を発電する第１の発電部と、環境エネルギーとしての電波を捉えて第２の電力を発電する第２の発電部と、第１の電力及び第２の電力を蓄える二次電池と、当該二次電池から供給される電力に基づいて所定の処理を行う処理部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーハーベスト装置及び環境エネルギー供給方法に関する。

下記特許文献１には、環境エネルギーの１つであるＲＦエネルギーを捉えて発電し、この電力をコアデバイスに供給するパワーハーベスタを備えるアプリケーション装置が開示されている。このアプリケーション装置は、電池やキャパシタ等の電力貯蔵部に電力を一旦貯蔵した後に、アプリケーション用集積回路を有するコアデバイスに供給する。

特表２００８−５４４７３０号公報

ところで、上記アプリケーション装置では、発電のエネルギー源であるＲＦエネルギーが減衰した場合に、負荷であるコアデバイスに十分な電力を供給することができないう問題がある。このような問題点は、パワーハーベスト装置の本質的な欠点であり、パワーハーベスト装置を実用化する上で解決しなければならない重要な課題である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、環境エネルギーが変動しても安定した電力を負荷に供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、エネルギーハーベスト装置に係る第１の解決手段として、電波以外の環境エネルギーを捉えて第１の電力を発電する第１の発電部と、環境エネルギーとしての電波を捉えて第２の電力を発電する第２の発電部と、第１の電力及び第２の電力を蓄える二次電池と、当該二次電池から供給される電力に基づいて所定の処理を行う処理部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、エネルギーハーベスト装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、第１の発電部は、電波に共振する共振回路と、当該共振回路の出力を直流電力に変換する電力変換器とからなる、という手段を採用する。

本発明では、エネルギーハーベスト装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、処理部は、センサの検出信号に信号処理を施す、という手段を採用する。

本発明では、エネルギーハーベスト装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、処理部は、信号処理を施した前記検出信号を外部に無線送信する、という手段を採用する。

本発明では、エネルギーハーベスト装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、第２の発電部は、光あるいは振動を環境エネルギーとして捉えて第２の電力を発電する、という手段を採用する。

また、本発明では、環境エネルギー供給方法に係る解決手段として、上記第１〜第５いずれかの解決手段に係るエネルギーハーベスト装置に電波を供給する方法として、トランシーバを用いる、という手段を採用する。

本発明によれば、第２の電力のエネルギー源である電波以外の環境エネルギーが変動しても、電波をエネルギー源とする第１の電力を処理部（負荷）に供給することが可能なので、安定した電力を負荷に供給することができる。

本発明の一実施形態に係る温度検出装置Ａの機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る温度検出装置Ａ（エネルギーハーベスト装置）について説明する。本温度検出装置Ａは、図１に示すように、共振発電部１（第１の発電部）、太陽電池２（第２の発電部）、蓄電池３（二次電池）、熱電対４（温度センサ）、センサ回路５及び監視伝送部６によって構成されている。これら構成要件のうち、センサ回路５及び監視伝送部６は、本実施形態における処理部を構成している。

共振発電部１は、環境エネルギーとしての電波を捉えて直流電力を発電する直流発電装置である。この共振発電部１は、図示するように、コイル１ａ、コンデンサ１ｂ及び電力変換器１ｃを備える。コイル１ａ及びコンデンサ１ｂは並列接続されており、並列共振回路を構成している。この並列共振回路の両端は、電力変換器１ｃの一対の入力端に接続されており、上記電波の共振信号を電力変換器１ｃに出力する。また、この並列共振回路の共振周波数は、後述する特定の電波のキャリア周波数（ＵＨＦ帯の周波数、例えば３５０ＭＨｚ）に設定されている。

電力変換器１ｃは、上記並列共振回路の出力である共振信号（交流信号）を直流信号に変換し、当該直流信号を第１の電力（直流電力）として蓄電池３に出力するコンバータである。この電力変換器１ｃは、例えば昇圧トランスと整流回路とから構成されており、共振信号を昇圧トランスで昇圧した後に整流回路で第１の電力（直流電力）に変換する。

太陽電池２は、光をエネルギー源として発電する発電素子である。すなわち、太陽電池２は、熱以外の環境エネルギーである光を捉えて直流電力を発電し、当該直流電力を第２の電力として蓄電池３に出力する。蓄電池３は、上記共振発電部１から入力される第1の電力（直流電力）及び太陽電池２から入力される第２の電力（直流電力）を蓄える二次電池である。この蓄電池３は、自らが蓄えた電力（直流電力）を負荷であるセンサ回路５及び監視伝送部６に供給する。

ここで、このような本温度検出装置Ａでは、共振発電部１が第１の発電部として機能し、太陽電池２が第２の発電部として機能する。すなわち、本温度検出装置Ａには、２つの発電機能部が設けられている。これら２つの発電機能部のうち、太陽電池２（第２の発電部）は、共振発電部１（第１の発電部）よりも発電電力が大きく、よって蓄電池３が蓄える直流電力の殆どは太陽電池２（第２の発電部）が発電したものである。太陽電池２（第２の発電部）は本温度検出装置Ａの主発電機能部であり、一方、共振発電部１は本温度検出装置Ａの補助発電機能部である。このような共振発電部１、太陽電池２及び蓄電池３は、環境エネルギーをエネルギー源として捉えて発電するエネルギーハーベスト発電部を構成している。

熱電対４は、周囲温度を検出し、当該検出結果を温度検出信号としてセンサ回路５に出力する温度センサである。センサ回路５は、上記蓄電池３から入力される直流電源によって動作する電子回路であり、熱電対４から入力される温度検出信号を増幅して監視伝送部６に出力する。監視伝送部６は、センサ回路５から入力された温度検出信号を外部に無線送信すると共に、蓄電池３及びセンサ回路５の動作状態を監視する。この監視伝送部６の無線通信機能は、近距離用の無線通信機能であり、よって電波の出力が比較的小さい。なお、これらセンサ回路５及び監視伝送部６は、本実施形態における処理部を構成している。

次に、このように構成された温度検出装置Ａの動作について詳しく説明する。
本温度検出装置Ａでは、通常動作として、太陽電池２（第２の発電部）が発電した直流電力の一部でセンサ回路５及び監視伝送部６を作動させると共に、上記直流電力の残りを蓄電池３に充電する。

しかしながら、太陽電池２では、十分な日照量が得られず発電量が低下する事態が生じ得る。このような事態が発生して蓄電池３の充電量が所定の第１下限値まで低下すると、蓄電池３は、太陽電池２の直流電力に代えて、共振発電部１（第１の発電部）が発電した直流電力を充電する。すなわち、共振発電部１（第１の発電部）は、太陽電池２がエネルギー源としている光とは異なる熱を捉えて発電を行うので、太陽電池２の発電量の低下に伴って発電量が低下することはない。

したがって、本実施形態によれば、太陽電池２（第２の発電部）の発電量の低下を共振発電部１（第１の発電部）が補うので、エネルギーハーベスト発電部の負荷であるセンサ回路５及び監視伝送部６に安定した直流電力を供給することができる。

しかしながら、共振発電部１（第１の発電部）が発電のエネルギー源としている電波が弱く、並列共振回路に十分な共振電流が生起されない場合には、共振発電部１は、十分な発電量の直流電力を発電することができず、よって蓄電池３に十分な直流電流を供給することができない。

監視伝送部６は、蓄電池３の蓄電量を定期的に監視しており、蓄電池３の蓄電量が所定の第２下限値（＜第１下限値）まで低下すると、外部に警報を送信する。この警報を外部装置で受信した監視員は、上述したトランシーバＴを携帯して温度検出装置Ａの近傍に移動し、トランシーバＴから特定のキャリア周波数の電波を放射させる。

この結果、共振発電部１の発電量が増加して蓄電池３の充電量を増加させることができるので、蓄電池３からセンサ回路５及び監視伝送部６に安定した直流電力を供給することができる。なお、上記トランシーバＴは、特定の電波のキャリア周波数の電波を放射する出力５Ｗ（ワット）のハイパワーデジタルトランシーバ（携帯用無線通信機）である。このような携帯性に優れたトランシーバＴを用いることにより、共振発電部１の発電量を容易に増加させることができる。

センサ回路５は、このようなエネルギーハーベスト発電部から供給される直流電力を電源として熱電対４から入力される温度検出信号を増幅して監視伝送部６に出力する。センサ回路５には熱電対４から常時連続して温度検出信号が入力されるので、センサ回路５は温度検出信号を連続的に増幅して監視伝送部６に出力する。

そして、監視伝送部６は、センサ回路５から入力された温度検出信号を電波として外部に送信する。監視伝送部６は、例えばセンサ回路５から連続的に入力される温度検出信号を所定のタイムインターバルでサンプリングすることにより離散的な温度検出データに変換し、この温度検出データを電波に順次乗せて発信する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、第１の発電部として共振発電部１を採用したが、本発明はこれに限定されない。特定の周波数の電波を効率良く受信できる受信機を備えたものであれば、コイル１ａ及びコンデンサ１ｂからなる並列共振回路を備えなくてもよい。

（２）上記実施形態では、第２の発電部として太陽電池２を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、振動を環境エネルギーとして捉えて発電を行う圧電素子を採用してもよい。また、風（気流）を環境エネルギーとして捉えて発電を行う一種の風力発電装置を第２の発電部として採用してもよい。

（３）上記実施形態では、センサ回路５及び監視伝送部６から処理部を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば処理部をセンサ回路５のみから構成し、センサ回路５の出力を信号線（電線）を介して外部に送信してもよい。

（４）上記実施形態では、熱電対４をセンサ（温度センサ）として設けたが、本発明はこれに限定されない。温度センサ以外のセンサを設けてもよく、また熱電対４以外の温度センサを採用してもよい。

Ａ…温度検出装置（エネルギーハーベスト装置）、１…共振発電部（第１の発電部）、２…太陽電池（第２の発電部）、３…蓄電池（二次電池）、４…熱電対、５…センサ回路、６…監視伝送部、Ｔ…トランシーバ

Claims

環境エネルギーとしての電波を捉えて第１の電力を発電する第１の発電部と、
電波以外の環境エネルギーを捉えて第２の電力を発電する第２の発電部と、
前記第１の電力及び前記第２の電力を蓄える二次電池と、
当該二次電池から供給される電力に基づいて所定の処理を行う処理部と
を備えるエネルギーハーベスト装置。
前記第１の発電部は、電波に共振する共振回路と、当該共振回路の出力を直流電力に変換する電力変換器とからなる請求項１記載のエネルギーハーベスト装置。
前記処理部は、センサの検出信号に信号処理を施す請求項１または２記載のエネルギーハーベスト装置。
前記処理部は、信号処理を施した前記検出信号を外部に無線送信する請求項３記載のエネルギーハーベスト装置。
前記第２の発電部は、光あるいは振動を環境エネルギーとして捉えて第２の電力を発電する請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスト装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のエネルギーハーベスト装置に電波を供給する方法であって、トランシーバを用いる環境エネルギー供給方法。