JP2014109532A - 環境計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギーを利用する発電装置において、発電量が低下するような条件下でも、燃料電池を用いて安定した電力を供給し、感知、計測の継続的な実施が可能な環境計測装置の提供。
【解決手段】少なくとも一つ以上の（Ａ）感知装置または計測装置と、（Ｂ）感知装置または計測装置からそれぞれ出力される結果を統合する装置、及び（Ｃ）統合した装置の出力を遠隔地に伝送する装置を有すると共に、該（Ａ）〜（Ｃ）の装置に電力を供給する電源装置を有することを特徴とする環境計測装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、計測場所と監視場所が同じ場所にない場合に好適に使用される環境計測装置に関するものである。

わが国は国土の７０％以上が山地であり降水量が多いこと、河川の勾配が急峻であることから、洪水などや崖崩れ等の災害が発生しやすい。国土交通省の統計によれば、全国に
525,307箇所の土砂災害危険箇所が存在する。これらの災害の発生を防ぐために災害が予測される箇所に護岸工事、落石防護工事、のり面安定工事等の防災工事が施行されている。災害の発生が予測される箇所は数多く、工事の完成までには数年を要することからすべての危険箇所に工事が施行されているわけではない。（非特許文献１）

一方で計測技術、検知技術の発達により、落石の検知や河川の水位、土地の歪みを計測することで災害の発生を事前に検知することができるようになってきた。

これらを計測するには電源の確保が必要になる。災害の発生が予測される場所は、人家から離れていることが多く電力会社からの電気の供給がなされていないことがおおい。電源としては、二次電池や太陽光発電装置や風力発電装置、小型水力発電装置などの自然エネルギーを利用する発電装置のいずれか、または二者を組み合わせて使用される。しかし、二次電池や自然エネルギーを利用する発電装置を電源として使用した場合、例えば太陽光発電装置であれば雨天時や降雪、積雪時に十分な発電量が得られない。このため冬季には、数日ごとに二次電池の交換を余儀なくされている。また、晴天時に太陽光発電装置で発電された電力を二次電池に充電し、雨天時や夜間に先記二次電池に充電された電力を使用することも可能であるが、設備が大型化し、発電に必要な太陽光をえるために発電装置付近の木々の伐採が必要になるなどの課題があった。

国土交通省 道府県別土砂災害危険箇所

本発明は上記課題を解決するものであり、特に降雪、積雪がある冬季などのように自然エネルギーを利用する発電装置において発電量が低下するような条件下でも、安定した電力を供給し、感知、計測の継続的な実施を可能にする装置を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討の結果、以下の手段により、課題を解決しうる発明をなした。

（１）少なくとも一つ以上の（Ａ）感知装置または計測装置と、（Ｂ）感知装置または計測装置からそれぞれ出力される結果を統合する装置、及び（Ｃ）統合した装置の出力を遠隔地に伝送する装置を有しすると共に、該（Ａ）〜（Ｃ）の装置に電力を供給する電源装置（Ｄ）を有し、電源装置として、少なくとも燃料電池装置から構成されることを特徴とする環境計測装置。
（２）前記（Ｄ）電源装置として、太陽光発電装置、風力発電装置、小型水力発電装置のからなる群より選ばれる少なくとも一種以上の装置と、二次電池、及び燃料電池装置から構成されることを特徴とする（１）の環境計測装置。
（３）前記燃料電池装置が、ダイレクトメタノール型燃料電池装置であることを特徴とする（２）の環境計測装置。
（４）前記ダイレクトメタノール型燃料電池装置の燃料として、濃度６０％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする（３）の環境計測装置。
（５）前記ダイレクトメタノール型燃料電池装置の燃料として、濃度６０％以上９９．８％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする（３）の環境計測装置
（６）前記二次電池として鉛蓄電池を使用することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかの環境計測装置。
（７）１台の容量が３５Ａｈ乃至３ｋＡｈである鉛蓄電池を少なくとも１台以上使用することを特徴とする（６）の環境計測装置。
（８）前記二次電池としてリチウム二次電池を使用することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかの環境計測装置。
（９）感知装置、または計測装置として、歪み計測装置、画像撮像装置、水位計測装置、雨量計、伸縮計からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上の装置を有することを特徴とする〜（８）のいずれかの環境計測装置。
（１０）感知または計測対象として地面の変位、雨量、水位の変位、潮位の変位からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上を計測することを特徴とする（１）〜（９）のいずれかの環境計測装置を使用した計測方法。
（１１）感知、計測対象として地すべり検知、土砂崩れの検知、河川の決壊検知、海岸における高潮検知からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上を検知することを特徴とする（１）〜（９）の環境計測装置を使用した計測方法。

本発明の環境計測装置は、天候や周囲環境に左右されず、メンテナンス不要で長時間の運転が可能である。また、複数の電源装置を組み合わせることで安定的に長期の連続駆動による長期間の連続遠隔計測が可能となる。

本発明の一例を示す概念図である。 本発明の一例を示す概念図である。

また、本発明における環境計測装置は、遠隔計測機能と独立型電源として少なくとも燃料電池によって二次電池に電力を充電する機能を有する電源装置をもつ環境計測装置であり、感知または計測する対象や内容、数は限定されることなく感知または計測の対象や内容によって選択することが可能であり、得られた感知または計測結果を監視場所にむけて伝送することが可能な装置構成にすることも可能である。

本発明の環境計測装置においては、感知装置または計測装置の設置場所とは異なった監視場所に遠隔計測した結果の伝送ができることと共に、好ましい実施様態においては燃料電池を用いて二次電池を充電する機能を有する電源装置を持つ点に特徴がある。環境計測装置用電源としては、商用電力を用いるのが一般的であるが、感知装置または計測装置を設置する場所によっては、商用電源の確保が困難であるという問題がある。商用電力を代替する電力供給手段としては、太陽光発電、風力発電、水力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置を用いることが提案されているが、たとえば太陽光の場合は、曇天、降雨、降雪、積雪などの気象条件や、森林、山等による発電量の低下がおこる。また、風力発電であれば、常時風が発生することはなくこの場合は、発電量が０となる。また、低気圧、台風、冬型の気圧配置等で等圧線の間隔が狭くなるような場合は、強風が発生し、風が強すぎる場合にも同様に発電が出来なくなる。水力発電の場合は、日照が続くと水量が低下して十分な発電量を確保できないなどの問題がある。

それに対し本発明の環境計測装置では、燃料電池により安定的に二次電池に電力を供給することができ、自然エネルギーを利用した発電装置と組み合わせることで、自然エネルギーによる発電において発生が不可避な電力供給量の低下が発生した場合に、燃料電池が不足する電力量を補うことにより、さらに安定かつ長期間の駆動が可能になり、その結果長時間にわたる連続計測が可能になるという利点がある。

本発明の環境計測装置の感知装置は、感知対象とする物理現象が一定の範囲を超えた場合に電気信号を出力するなどの機能を有するものであり、例えば、水位があらかじめ設定された値を超えた場合に、電気信号を発生させるような装置類があげられる。また、計測装置は、計測対象とする物理現象の変化を電気信号の変化として出力するなどの機能を有するものであり、たとえば、位置の変位を電気信号に変換して伝達するような機構をもった装置類があげられる。変位センサや歪み計などのセンサー類が代表的なものである。
また、監視カメラなどは、光学情報を電気信号に変換する計測装置として使用してもよいし、逐次画像を比較し何らかの変化が見られた場合にその差分やあらかじめ変化パターンを設定しておき、変化パターンが設定済みのパターンと一致したときに、電気信号を発生させる感知装置としての使い方をしてもよい。

一般に、感知装置や計測装置が発した電気信号を個別に扱うと個々に伝送装置が必要になるが、本発明の環境計測装置は、感知装置はや計測装置が発した、複数の電気信号をまとめ、１台のデータ伝送装置で計測結果の伝送ができる統合装置を有する。統合装置からの出力は伝送装置に接続される。伝送装置は、統合装置からの出力を遠距離に伝送する機能を有する。伝送装置の伝送径路は、有線、無線のいずれの方式を取ってもよいが、設置場所の制約が少なく、保守も簡単な無線方式がより適している。また、空中線が小さくなる極超短波より波長の短い電波を用いることもできるし、空中線が大きくなるが回折効果等により、見通しのきかない範囲に伝送が可能な長い波長の電波を用いることもできる。さらに、伝送装置、もしくは空中線の上空に見通しが可能であれば、人工衛星等を利用する方法を用いることもできる。

前記、感知装置、計測装置、統合装置、伝送装置への電力は、電源装置から供給される供給される電力は、直交変換装置を付加して交流で供給しても、二次電池から供給される直流のいずれでもよいが、各装置の動作電圧が同じであれば、変換損失がない、直流方式が望ましい。電源装置として燃料電池を用いると二次電池に電力を供給することができる。

燃料電池は、アノード側に水素やメタノールなどの燃料を供給し、カソード側に空気を供給することで触媒を使用した化学反応により電気を産み出せる仕組みをもった発電装置である。燃焼ではなく化学反応による発電のため、排ガスには、NｏｘやＳＯｘの発生がなく、クリーンな特徴があり、設置場所の環境に対して負荷をかけないという特徴を持つ。

さらに燃料電池の中でも好ましい実施様態であるダイレクトメタノール型燃料電池は、電解質としてプロトン伝導性イオン交換膜を用い、膜の表面に触媒電極微粒子と、ガス拡散電極層が直接接合されており、イオン交換膜−電極接合体のアノード側にメタノール水溶液を、カソード側に空気をそれぞれ供給することで触媒を用いた化学反応により電力を発生させる発電システムである。燃焼・爆発等が発生する内燃機関と異なり原理的に運転音が静かな発電機である。また、排ガスはクリーンであり、ＳＯｘやＮＯｘを発生しない特徴をもち、装置が設置された場所における環境に対して負荷をかけないという特徴を持つ。

前記ダイレクトメタノール型燃料電池には燃料としてメタノールもしくは、メタノール希釈液が用いられる。希釈液濃度が低下するに従い、反応によって発生する水分が増加するが、発生した水分は冷却や濃度調整に用いることで、反応に必要な水分を確保でき、水分の補充が不要となる利点がある。また、濃度が６０％未満であれば、保存条件が緩和される。一方、６０％以上９９．８％未満になると燃料比率が上がることで、反応効率がよくなり、燃費が向上する。これらの濃度は、感知計測する対象や連続計測時間等により適切に選択されるのが望ましい。

前記ダイレクトメタノール型燃料電池を二次電池と組み合わせ、二次電池の電圧により燃料電池の動作を制御することで、発電が必要なときにのみ燃料電池を運転するので不必要に燃料を消費せず、燃料を有効に利用することができ、遠隔計測において長時間にわたり電力を供給することができる。

前記二次電池は、特に限定されるものではないが、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、バナジウム電池等が好適な例として挙げられる。特に好ましくは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池である。鉛蓄電池やニッケル水素電池は使用に供された場合に安全性が高い電池であり、本発明の遠隔計測装置において信頼性の高い遠隔計測システムを提供するのに有効である。またリチウムイオン電池は小型化が可能であるため、可搬性に優れるという長所を提供できる。また二次電池として要求される特性には、繰り返し充放電への耐性が高いサイクルユース鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池が好ましい。

前記二次電池の容量としては、５時間率容量として、３５Ａｈから３ｋＡｈのものを使用するのが望ましい、特に好ましくは３５Ａｈから２ｋＡｈである。２０Ａｈ以下の容量だと電池容量が不足する傾向にあり、また過充電による劣化がおこる可能性が有る。また、３ｋＡｈ以上だと大きくまた重過ぎる傾向にある。一例として、発電量が２０Ｗのダイレクトメタノール型燃料電池を使う場合には、２０Ａｈから１００Ａｈの容量を、４０Ｗの場合３０Ａｈから１６０Ａｈ、１００Ｗの場合４０Ａｈから４００Ａｈ、５００Ｗの場合５０Ａｈから１ｋＡｈ、１ｋＷの場合８０Ａｈから２ｋＡｈがひとつの目安となる。

前記ダイレクトメタノール型燃料電池の運転時間は、使用するメタノールもしくは、メタノール水溶液を供給するタンクの容量に依存する。したがってタンクの容量を調節することで長時間安定して動作させることが可能になる。タンクの大きさを適切に設定することで、好ましくは、１０日以上燃料を補充する必要がない遠隔計測装置にすることが望まれる。より適切には、１５日以上、さらに好ましくは３０日以上燃料補充を行うことが望ましい。タンクの容量としては、３Ｌから８０Ｌが好ましく、より好ましくは、５Ｌから３０Ｌである。タンク容量が３Ｌ未満であると燃料の補充頻度が高くなり、長時間の連続運転に適さない。一方、容量が８０Ｌをこえるとタンクの扱い、とくに持ち運ぶ場合、不便である。

本発明では、燃料電池装置と太陽光発電装置、風力発電装置、小型水力発電装置などの自然エネルギーを利用する発電装置と組み合わせることができ、さらに長時間にわたり安定した電力がえられるため、長時間にわたる連続計測が可能となる。また、自然エネルギーを利用する発電装置には、発電した電力を二次電池に充電できる機能を有することが好ましい。

以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。

（実施例１）
ダイレクトメタノール型燃料電池として、ＳＦＣ Ｅｎｅｒｇｙ社製のＥＦＯＹ１６００ＪＰ（発電量６５Ｗ）を用い、ジーエス・ユアサ社製鉛蓄電池ＧｒａｎｄＳｔａｒＥＢ５０（５０Ａｈ）と接続し、合計消費電力５８Ｗの歪み計測センサ、カラービデオカメラ、水位計、雨量計、伸縮センサにデータ集計装置とデータ伝送装置を接続することで、地面の変位、雨量、水位の変位を計測し、地すべり検知、土砂崩れの検知、河川の決壊検知が可能な遠隔環境計測装置を構築した。濃度９０％、８０Ｌのメタノール燃料を使用し、２４時間／日の連続計測をおこなったところ、約５６日間の連続使用が可能であった。

（比較例１）
実施例１において、ダイレクトメタノール型燃料電池を使用せず、実施例１に記載の鉛蓄電池のみで遠隔環境計測装置を構成し、計測を行ったところ、約０．５日しか動作させることができなかった。また、鉛蓄電池をジーエス・ユアサ社製鉛蓄電池ＧｒａｎｄＳｔａｒＥＢ１００（１００Ａｈ）８台に代えて同様の計測を行ったが、約７日しか動作させることができなかった。このことからダイレクトメタノール型燃料電池を発電装置として使用すると長時間かつ安定的に、遠隔環境計測装置による計測を行えることがわかる。

（実施例２）
実施例１の遠隔環境計測装置に発電量１ｋＷの太陽光発電装置を接続した。冬期に北陸地方の山間部で動作試験を行ったところ、冬期は日照が少なくまた積雪により太陽発電装置が使用できないときは、の発電量は、急激に低下したが、低下分を燃料電池装置の発電により補えたため、約９０日間の連続運転を行うことが可能であった。

（比較例２）
比較例１の蓄電池を増強した遠隔環境計測装置に発電量１ｋＷの太陽光発電装置を接続した。実施例２と同じ場所、同じ時期に試験を行ったところ、冬期に北陸地方の山間部で動作試験を行ったところ、冬期は日照が少なくまた積雪により太陽発電装置の発電量は、急激に低下したが、低下分を蓄電池で補ったため、蓄電池の残容量不足により、９０日間に８回の蓄電池交換を実施することとなった。

（実施例３）
実施例１の遠隔環境計測装置に発電量２００Ｗの風力発電装置５台を使用し、山間部で動作試験を行ったところ、約３０日間の連続運転が可能であった。

（比較例３）
比較例１の蓄電池を増強した遠隔環境計測装置に発電量２００Ｗの風力発電装置を５台使用して接続した。山間部で試験を行ったところ、９０日間で１１回の蓄電池交換が必要となった。

（実施例４）
実施例１の遠隔環境計測装置に発電量１ｋＷの超小型水力発電装置を使用し、冬期の山間部で動作試験を行ったところ、凍結による発電の停止が発生したが、燃料電池がその間発電を行い、この間に凍結が解凍され、水力発電が回復したため、９０日間の連続計測が行えた。

（比較例４）
比較例１の蓄電池を増強した遠隔環境計測装置に発電量１ｋＷの超小型水量発電装置を使用し、冬期の山間部で動作試験を行ったところ、２０日目に凍結が発生した。この際、蓄電池の電力により計測が続行できたが、蓄電池の持続期間７日以内に解凍しなかったため、連続計測時間は２７日間となった。

本発明の環境計測装置は、蓄電池の交換等の保守作業を大幅に低減して、長時間、安定的に連続計測を行うことが可能であり、信頼性の高い環境計測装置を提供することができる。

Claims (11)

1. 少なくとも一つ以上の（Ａ）感知装置または計測装置、（Ｂ）感知装置または計測装置からそれぞれ出力される結果を統合する装置、及び（Ｃ）統合した装置の出力を遠隔地に伝送する装置を有すると共に、該（Ａ）〜（Ｃ）の装置に電力を供給する電源装置（Ｄ）を有し、該電源装置として、少なくとも燃料電池装置から構成されることを特徴とする環境計測装置。
2. 前記（Ｄ）電源装置として、太陽光発電装置、風力発電装置、小型水力発電装置からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上の装置と、二次電池、及び燃料電池装置から構成されることを特徴とする請求項１に記載の環境計測装置。
3. 前記燃料電池装置が、ダイレクトメタノール型燃料電池装置であることを特徴とする請求項２に記載の環境計測装置。
4. 前記ダイレクトメタノール型燃料電池装置の燃料として、濃度６０％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする請求項３の範囲の環境計測装置。
5. 前記ダイレクトメタノール型燃料電池装置の燃料として、濃度６０％以上９９．８％未満のメタノール水溶液を使用することを特徴とする請求項３に記載の環境計測装置。
6. 前記二次電池として鉛蓄電池を使用することを特徴とする請求項1乃至請求項５のいずれかに記載の環境計測装置。
7. １台の容量が３５Ａｈ乃至３ｋＡｈである鉛蓄電池を少なくとも１台以上使用することを特徴とする、請求項６に記載の環境計測装置。
8. 前記二次電池として二次電池としてリチウム二次電池を使用することを特徴とする、請求項1乃至請求項５のいずれかに記載の環境計測装置。
9. 前記（Ａ）感知装置または計測装置として、歪み計測装置、画像撮像装置、水位計測装置、雨量計、伸縮計からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上の装置を有することを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の環境計測装置。
10. 感知または計測対象として、地面の変位、雨量、水位の変位、潮位の変位からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上を計測することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の環境計測装置を使用した計測方法。
11. 感知または計測対象として、地すべり検知、土砂崩れの検知、河川の決壊検知、海岸における高潮検知からなる群より選択されてなる少なくとも一種以上を検知することを特徴とする、請求項１乃至請求項９の範囲の環境計測装置を使用した計測方法。