JP2013243303A - Power generator and power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器等へ電力を供給する発電装置に関し、特に、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電装置等に関する。 The present invention relates to a power generator that supplies electric power to an electronic device or the like, and more particularly, to a power generator using a thermoelectric conversion module that can generate power due to a temperature difference between thermoelectric conversion materials.
特許文献1には、未利用の排熱を使用して発電する小容量電源装置に関する技術が開示されている。この手法によれば、熱源からの熱の供給の遮断時にも、小容量電力の発電を一時的に継続して維持できる。 Patent Document 1 discloses a technique relating to a small-capacity power supply device that generates power using unused exhaust heat. According to this method, even when the supply of heat from the heat source is interrupted, the power generation of the small-capacity electric power can be temporarily maintained.
しかし、上記の装置では適当な排熱等の熱源が得られない場合には発電することができず、熱源からの熱の供給がない状態が長時間続けば、その後、発電を継続することはできない。 However, the above device cannot generate power if a suitable heat source such as exhaust heat cannot be obtained, and if power is not supplied from the heat source for a long time, power generation cannot be continued thereafter. Can not.
本発明の目的は、排熱等の熱源が得られない場合であっても発電可能な発電装置及び発電方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power generation apparatus and a power generation method capable of generating power even when a heat source such as exhaust heat cannot be obtained.
本発明の発電装置は、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電装置において、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを備え、前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電し、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電することを特徴とする。
この発電装置によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
The power generation device of the present invention is a power generation device using a thermoelectric conversion module capable of generating power due to a temperature difference between thermoelectric conversion materials, and includes a heat storage tank containing a heat storage material that suppresses an internal temperature change. The heat storage surface, which is an end surface, is thermally coupled to the heat storage material, and the heat absorption / radiation surface, which is the other end surface of the thermoelectric conversion module, is thermally coupled to the outside. If the temperature becomes higher, the thermoelectric conversion module generates electric power while storing external heat in the heat storage tank via the heat absorption / radiation surface and the heat storage surface, and when the external temperature becomes lower than the temperature in the heat storage tank, The thermoelectric conversion module generates electricity while radiating the heat stored in the heat storage tank to the outside through the heat storage surface and the heat absorption / radiation surface.
According to this power generation apparatus, power generation is possible without using a heat source such as exhaust heat because power generation is performed using an external temperature change.
前記蓄熱材は、前記外部の温度の最高温度と、最低温度の中間に融点を持つよう構成してもよい。 The heat storage material may be configured to have a melting point between the maximum temperature and the minimum temperature of the external temperature.
前記蓄熱材は、融点が異なる複数の材料により構成してもよい。 The heat storage material may be composed of a plurality of materials having different melting points.
前記熱電変換モジュールにより発電された電力を蓄える蓄電手段を備えてもよい。 You may provide the electrical storage means to store the electric power generated by the said thermoelectric conversion module.
前記外部の温度は気温であって、昼の気温と、夜の気温の温度差を利用するものであってもよい。 The external temperature may be air temperature, and may utilize a temperature difference between daytime air temperature and night air temperature.
前記外部の温度は任意の装置の周囲温度であって、前記任意の装置の稼働時の温度と、停止時の温度の温度差を利用するものであってもよい。 The external temperature may be an ambient temperature of an arbitrary device, and may utilize a temperature difference between a temperature when the arbitrary device is operating and a temperature when the arbitrary device is stopped.
本発明の発電方法は、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールを用いた発電方法において、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを用い、前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電する工程と、外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電する工程と、を有することを特徴とする。
この発電方法によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
The power generation method of the present invention is a power generation method using a thermoelectric conversion module capable of generating power due to a temperature difference between thermoelectric conversion materials, using a heat storage tank containing a heat storage material that suppresses an internal temperature change, and The heat storage surface, which is an end surface, is thermally coupled to the heat storage material, and the heat absorption / radiation surface, which is the other end surface of the thermoelectric conversion module, is thermally coupled to the outside. The thermoelectric conversion module generates power while storing external heat in the heat storage tank via the heat absorption / heat dissipation surface and the heat storage surface, and the external temperature becomes lower than the temperature in the heat storage tank. The thermoelectric conversion module has a step of generating electricity while radiating heat stored in the heat storage tank to the outside via the heat storage surface and the heat absorption / heat radiation surface. And butterflies.
According to this power generation method, since power generation is performed using an external temperature change, power generation is possible without the need for a heat source such as exhaust heat.
本発明の発電装置によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。 According to the power generation device of the present invention, power generation is performed using an external temperature change, so power generation is possible without the need for a heat source such as exhaust heat.
本発明の発電方法によれば、外部の温度変化を利用して発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。 According to the power generation method of the present invention, power generation is performed using an external temperature change, so power generation is possible without the need for a heat source such as exhaust heat.
以下、本発明による発電装置の一実施形態について説明する。本発明の発電装置を、熱電変換モジュールと蓄熱タンクを備えた発電装置、さらに、蓄電手段としての蓄電部を備えた発電システムに適用する場合を例に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a power generator according to the present invention will be described. The case where the power generation device of the present invention is applied to a power generation device including a thermoelectric conversion module and a heat storage tank, and further to a power generation system including a power storage unit as power storage means will be described as an example.
図1は一実施形態の発電装置を備えた発電システムを示す図であり、(a)は充電システムの概略断面図、(b)はコントローラの構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a power generation system including a power generation device according to an embodiment, where (a) is a schematic cross-sectional view of a charging system, and (b) is a block diagram illustrating a configuration of a controller.
図1(a)に示すように、発電システム1は、温度差を利用した発電を行う発電装置10と、発電装置10により発電された電力を制御するコントローラ20と、コンデンサ等を用いた蓄電部30と、により構成される。発電装置10で発電された電力がコントローラ20を介して蓄電部30に充電され、外部の機器(不図示)に供給される。外部の機器は、例えば、温度センサ、圧力センサ等である。
As shown in FIG. 1A, a power generation system 1 includes a
発電装置10は、ゼーベック効果を利用して熱電変換材料の温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール11と、内部の温度を略一定に保つ蓄熱材12aおよび蓄熱材12aを収容する断熱容器12bからなる蓄熱タンク12と、を備える。この断熱容器12bにより蓄熱材12aと外気との間の熱の出入りが抑制される。
The
熱電変換モジュール11としては任意構成のものを使用できるが、例えば、図1に示すように、複数のn型熱電変換材料からなる部材11Aと、同数のp型熱電変換材料からなる部材11Bとを用い、同数の部材11Aおよび部材11Bの対からなる発電要素を形成した熱電変換モジュール11を構成することができる。各対の部材11Aと部材11Bとは互いに接合され、その両端の温度差に応じた電位差を生じ発電する発電要素が形成される。これらの発電要素を直列接続することで、個々の発電要素の電位差が足し合わされた電圧を得ることができる。熱電変換モジュール11が発電した電力は、リード線14により引き出され、コントローラ20を経て蓄熱部30に接続され、発電システム1が構成される。なお、熱電変換モジュールの構成は周知であるため、その詳細説明は省略する。
As the thermoelectric conversion module 11, an arbitrary configuration can be used. For example, as shown in FIG. 1, a member 11A made of a plurality of n-type thermoelectric conversion materials and a member 11B made of the same number of p-type thermoelectric conversion materials It is possible to configure the thermoelectric conversion module 11 in which the power generation elements composed of the same number of members 11A and 11B are formed. Each pair of members 11A and 11B is joined to each other to form a power generation element that generates a potential difference corresponding to a temperature difference between both ends thereof. By connecting these power generation elements in series, a voltage in which the potential differences of the individual power generation elements are added can be obtained. The electric power generated by the thermoelectric conversion module 11 is drawn out by the
蓄熱タンク12の蓄熱材12aとしては、パラフィン、シリコンゲル、水、各種有機化合物等の材料又はこれらの混合物を使用できる。例えば、昼と夜の気温差を利用する場合、蓄熱材12aとして、蓄熱タンク12内の温度を、外気の昼の気温と夜の気温の中間に保つ能力が高いものを選定することで発電効率を向上させることができる。
As the
図1(a)において下面にあたる熱電変換モジュール11の蓄熱面11Cには、熱伝導性が高い材料で構成された接触部材15が接着され、その表面15a(図1(a)において下面)は蓄熱材12aと接触している。この接触部材15により、蓄熱材12aから熱電変換モジュール11への、あるいは熱電変換モジュール11から蓄熱材12aへの熱の効率的な移動が果される。
A
図1(a)において上面にあたる熱電変換モジュール11の吸熱・放熱面11Dは外気に露出している。なお、外気と熱電変換モジュール11との間の熱抵抗を低減するため、吸熱・放熱面11Dに放熱器を取り付けてもよい。
In FIG. 1A, the heat absorption /
図1(b)に示すように、コントローラ20は、熱電変換モジュール11の発電の極性を検出する検出回路21と、蓄電部30を充電するための充電電流を出力する充電回路22と、検出回路21の検出結果に応じて制御されるスイッチSW1およびスイッチSW2と、を備える。スイッチSW1およびスイッチSW2は、検出回路21からの信号に基づいてP側、Q側のいずれかに連動して切り替えられる。これにより、熱電変換モジュール11の発電の極性に関わらず、充電回路22に与えられる熱電変換モジュール11からの電圧の極性が反転しないように制御される。
As shown in FIG. 1B, the
次に、本実施形態の発電装置1の動作について説明する。 Next, operation | movement of the electric power generating apparatus 1 of this embodiment is demonstrated.
図2は、吸熱・放熱面11Dと、蓄熱面11Cの一日の間の気温の変化を示す図である。図2では、吸熱・放熱面11Dの温度が外気温と連動するように吸熱・放熱面11Dに放熱器を付け、蓄熱材12aとして外気の最低温度と最高温度の中間に融点を持つ潜熱型蓄熱材を用いた場合の温度変化の例を示している。図2では、一日のサイクル(A)〜(F)を例に説明する。なお、図2において、吸熱・放熱面11Dの温度を実線で示し、蓄熱面11Cの温度を破線で示す。
FIG. 2 is a diagram illustrating a change in the air temperature during one day between the heat absorption /
図2の例で、0時の時点(A)では、蓄熱タンク12内の蓄熱材12aは、前日の日中に蓄えた熱で溶融状態にある。夜になり、外気温が低下すると、吸熱・放熱面11Dの温度も低下する。一方、蓄熱面11Cの温度は、蓄熱材12aの融点付近で蓄熱材12aが凝固し始め、潜熱が放出されるようになるため、ほぼ一定となる。このため、蓄熱面11Cと吸熱・放熱面11Dとの温度差が維持され、熱電変換モジュール11は、この温度差に応じた電位差を発生させる。
In the example of FIG. 2, at time 0:00 (A), the
熱電変換モジュール11で温度差による発電を行うと蓄熱面11Cから吸熱・放熱面11Dに熱が移動し、蓄熱材12aの凝固、すなわち、潜熱の放出が進む(B)。このように、外部の温度が蓄熱タンク12内の温度よりも低くなると、熱電変換モジュール11が蓄熱タンク12に蓄えた熱を放熱しつつ発電する。
When the thermoelectric conversion module 11 performs power generation based on a temperature difference, the heat moves from the heat storage surface 11C to the heat absorption /
蓄熱材12aが全て凝固すると、蓄熱面11Cの温度は吸熱・放熱面11Dに略等しくなる。そのため、発電は停止する(C)。
When all of the
日が昇り、外気温が上昇すると、吸熱・放熱面11Dの温度も上昇する。蓄熱材12aの融点付近で蓄熱材12aが溶融し始め、潜熱が吸収されるようになる。そのため、蓄熱面11Cの温度は略一定となり、吸熱・放熱面11Dとの温度差が発生して、再び熱電変換モジュール11で発電が可能となる(D)。
When the sun rises and the outside air temperature rises, the temperature of the heat absorption /
熱電変換モジュール11で発電を行うと、吸熱・放熱面11Dから蓄熱面11Cに熱が移動し、蓄熱材12aの溶融、すなわち、潜熱の蓄積が進む(E)。このように、熱電変換モジュール11では、外部の温度が蓄熱タンク12内の温度よりも高くなったときには、熱を蓄熱タンク12に蓄えつつ発電する。
When power is generated by the thermoelectric conversion module 11, heat is transferred from the heat absorption /
蓄熱材12aが全て溶融すると、蓄熱面11Cの温度は吸熱・放熱面11Dに略等しくなる。温度差が無くなり、熱電変換モジュール11での発電が停止する(F)
When all of the
図2の(A)〜(F)のサイクルを毎日繰り返すことにより、(B)及び(E)の間、熱電変換モジュール11で発電が行われる。発電された電力は、コントローラ20により極性及び電圧の変換が行われ、蓄電部30に充電される。
By repeating the cycle of (A) to (F) in FIG. 2 every day, the thermoelectric conversion module 11 generates power during (B) and (E). The generated power is converted in polarity and voltage by the
以上説明したように、本実施形態の発電装置10は、温度差により発電可能な熱電変換モジュール11と、内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンク12とを備え、外部の温度が蓄熱タンク12内の温度よりも高くなると、熱電変換モジュール11は熱を蓄熱タンク12に蓄えつつ発電し(図2の(E))、外部の温度が蓄熱タンク12内の温度よりも低くなると、熱電変換モジュール11は畜熱タンク12に蓄えた熱を放熱しつつ発電する(図2の(B))よう構成している。これにより、屋外、空調されていない屋内等の広い範囲で存在する昼夜の温度など、外部の温度差を用いて発電するため、排熱等の熱源を必要とせずに発電が可能になる。
As described above, the
また、本実施形態の発電装置10は、発電した電力を一時的に蓄電部30に蓄えてから使用するため、発電が行えない間も、蓄電部30に充電された電力を用いることができる。さらに、蓄電部30の蓄電容量を十分に大きくすれば、例えば、天候等の影響で昼夜の温度差が小さい日でも蓄電部30から電力を供給することができ、温度センサ、圧力センサ等の外部の機器(不図示)を継続して動作させることができる。
In addition, since the
なお、蓄熱材12aとして、融点が異なる複数の材料の混合物を使用してもよい。融点が異なる複数の材料を用いることにより、季節による最高温度(最高気温)、最低温度(最低気温)の違いが生じても潜熱を常に利用でき、安定した発電性能を得ることができる。
Note that a mixture of a plurality of materials having different melting points may be used as the
また、本実施形態の発電装置10では、潜熱を利用できる蓄熱材12aを使用しているが、顕熱のみを利用する蓄熱材を使用してもよい。さらに、吸熱・放熱面15が外気温と極力同じになるように構成する代わりに、日中は太陽光を受けて高温となり、夜間は放射冷却により低温となるような吸熱・放熱パネルを用いて、外気温よりも温度差が大きくなるよう構成してもよい。
Moreover, in the electric
さらに、本実施形態の発電システム1では、発電装置10で蓄えた電力を蓄電手段としてのコンデンサに蓄えているが、発電装置10で蓄えた電力をリチウムイオン電池等の二次電池に蓄えてもよい。
Furthermore, in the power generation system 1 of the present embodiment, the power stored in the
さらに、本実施形態の発電装置10では、昼と夜で自然に発生する外気温の温度差を利用しているが、人工的に発生する温度差を用いて発電してもよい。例えば、任意の装置の稼働時と停止時の温度差(装置の周囲温度と、蓄熱材との温度差)を用いて発電してもよい。装置としては、例えば、一日の間の一定の時間だけ稼働する装置を利用できる。
Furthermore, although the
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールと、吸熱・放熱面の熱を蓄熱可能な蓄熱タンクとを有する発電装置に適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be applied to a power generation apparatus having a thermoelectric conversion module capable of generating power due to a temperature difference between thermoelectric conversion materials and a heat storage tank capable of storing heat of the heat absorption / radiation surface.
1 発電システム(発電装置)
10 発電装置(発電装置)
11 熱電変換モジュール
12 蓄熱タンク
12a 蓄熱材
30 蓄電部(蓄電手段)
1 Power generation system (power generation equipment)
10 Power generator (power generator)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Thermoelectric conversion module 12
Claims (7)
内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを備え、
前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、
前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電し、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電することを特徴とする発電装置。 In the power generation device using the thermoelectric conversion module that can generate power due to the temperature difference of the thermoelectric conversion material,
It has a heat storage tank that contains a heat storage material that suppresses internal temperature changes,
While thermally connecting the heat storage surface which is one end surface of the thermoelectric conversion module to the heat storage material,
The heat absorption / radiation surface which is the other end surface of the thermoelectric conversion module is thermally coupled to the outside,
When the external temperature becomes higher than the temperature in the heat storage tank, the thermoelectric conversion module generates electric power while storing external heat in the heat storage tank via the heat absorption / heat radiation surface and the heat storage surface,
When the external temperature becomes lower than the temperature in the heat storage tank, the thermoelectric conversion module generates electricity while radiating the heat stored in the heat storage tank to the outside via the heat storage surface and the heat absorption / radiation surface. A power generator.
内部の温度変化を抑制する蓄熱材を収容した蓄熱タンクを用い、
前記熱電変換モジュールの一端面である蓄熱面を前記蓄熱材に熱的に結合させるとともに、
前記熱電変換モジュールの他端面である吸熱・放熱面を外部に熱的に結合させ、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも高くなると、前記熱電変換モジュールが前記吸熱・放熱面および前記蓄熱面を介して外部の熱を前記蓄熱タンクに蓄えつつ発電する工程と、
外部の温度が前記蓄熱タンク内の温度よりも低くなると、前記熱電変換モジュールが前記蓄熱面および前記吸熱・放熱面を介して前記蓄熱タンクに蓄えた熱を外部に放熱しつつ発電する工程と、
を有することを特徴とする発電方法。 In the power generation method using the thermoelectric conversion module capable of generating power due to the temperature difference of the thermoelectric conversion material,
Using a heat storage tank that contains a heat storage material that suppresses internal temperature changes,
While thermally connecting the heat storage surface which is one end surface of the thermoelectric conversion module to the heat storage material,
The heat absorption / radiation surface which is the other end surface of the thermoelectric conversion module is thermally coupled to the outside,
When the external temperature becomes higher than the temperature in the heat storage tank, the thermoelectric conversion module generates electricity while storing external heat in the heat storage tank via the heat absorption / heat radiation surface and the heat storage surface;
When the external temperature becomes lower than the temperature in the heat storage tank, the thermoelectric conversion module generates electricity while radiating the heat stored in the heat storage tank to the outside via the heat storage surface and the heat absorption / heat radiation surface;
A power generation method comprising:
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Cited By (1)
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JP2016098930A (en) * | 2014-11-25 | 2016-05-30 | マツダ株式会社 | High pressure accumulator of automobile, and regeneration system |
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