JP2014217250A - 熱電発電装置および熱電発電システム - Google Patents

熱電発電装置および熱電発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】熱発電素子から簡単な回路で最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱電発電装置１は、熱電発電素子１０と、熱電発電素子に接続され、所定のタイミング毎の熱電発電素子の出力に基づいて動作点を設定するための動作点設定回路１２と、動作点設定回路に接続され、動作点設定回路にサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路に接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、熱電発電装置および熱電発電システムに関し、特に、最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置および熱電発電システムに関する。
熱発電モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が高温側の伝熱部材と低温側の伝熱部材との間に配置された構造を有し、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。このような熱電発電モジュールの高温側伝熱部材に高熱源を接触させ、低温側伝熱部材に冷却源を接触させることで熱電発電装置が構成される。
発電時に熱電発電モジュールのペルチェ効果による温度変化を考慮し、実際の電流電圧特性に合わせて最大電力に追尾させる熱電発電装置も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
太陽光発電装置においては、従来周知のＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracker）制御によって、出力が最大電力に追尾するように制御される（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−５３７１号公報 特開平８−１７９８４０号公報
エネルギーハーベスタ素子を用いた最大電力動作は、山登り法・増分コンダクタンス法など多種ある。山登り法・増分コンダクタンス法などは、回路構成が複雑で、制御に要する消費電力が大きい。このため、熱電発電のような発電力が小さいエネルギーハーベスタ素子を適用する場合、電源の内部消費電力の方が大きく、有効に電力を取り出すことが難しい。
熱電発電素子の熱電出力電流と熱電出力電圧との関係は、一次関数の関係が成立するため、新たな制御方法が必要になる。
本発明の目的は、熱発電素子から簡単な回路で最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供することにある。
本発明の一態様によれば、熱電発電素子と、前記熱電発電素子に接続され、所定のタイミング毎の前記熱電発電素子の出力に基づいて動作点を設定するための動作点設定回路と、前記動作点設定回路に接続され、前記動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給するシーケンス回路と、前記動作点設定回路に接続され、出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続され、フィードバック信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータにフィードバックするエラーアンプとを備える熱電発電装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、熱電発電素子と、前記熱電発電素子の出力に接続された出力キャパシタと、前記熱電発電素子の出力に接続された動作点設定回路と、前記熱電発電素子の出力および前記動作点設定回路に接続されたフィードフォワード回路と、前記動作点設定回路と前記フィードフォワード回路に接続され、前記動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給するシーケンス回路と、前記フィードフォワード回路に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続された第１直列抵抗と、前記第１直列抵抗の接続点に負入力が接続され、参照電圧を正入力に接続され、フィードバック信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給するエラーアンプとを備える熱電発電装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、上記の熱電発電装置を搭載した熱電発電ストーブが提供される。
本発明の他の態様によれば、上記の熱電発電装置を複数配置し、センサネットワークを構成した熱電発電システムが提供される。
本発明によれば、熱発電素子から簡単な回路で最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供することができる。
基本技術に係る熱電発電装置の模式的ブロック構成図。 基本技術に係る熱電発電装置の模式的回路ブロック構成図。 （ａ）基本技術に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の電圧電流特性例、（ｂ）温度差−電圧特性例。 （ａ）実施の形態に係る熱電発電装置の詳細な模式的ブロック構成図、（ｂ）実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の電流電圧特性上の動作点の設定例。 （ａ）太陽電池の場合を比較例とする電流電圧特性例、（ｂ）出力電力特性例。 （ａ）実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の電流電圧特性上における最適動作点の説明図、（ｂ）出力電力特性例。 （ａ）実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の動作原理の説明図、（ｂ）温度変化ΔＴにおける熱電発電素子の電流電圧特性。 実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の模式的構成図（低温側にヒートシンク、高温側に熱交換器を備える例）。 実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の模式的構成図（複数の熱電発電素子を直列に配置した例）。 実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の温度変化ΔＴをパラメータとする電流電圧特性例。 実施の形態に係る熱電発電装置に適用される熱電発電素子の温度変化ΔＴをパラメータとする電流電圧特性上の動作点の説明図。 実施の形態に係る熱電発電装置において、（ａ）動作点設定回路の構成例１、（ｂ）動作点設定回路の構成例２、（ｃ）動作点設定回路の構成例３。 実施の形態に係る熱電発電装置の詳細な回路ブロック構成図。 実施の形態に係る熱電発電装置の動作タイミングチャートであって、（ａ）サンプルホールド回路のサンプル／ホールド動作波形、（ｂ）ｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱnのゲート電圧ＶGの動作波形、（ｃ）サンプルホールド回路の入力電圧ＶSHIおよび出力電圧ＶSHOの動作波形、（ｄ）入力電圧Ｖinとヒステリシスコンパレータの閾値電圧の動作波形、（ｅ）イネーブル信号ＥＮの動作波形、（ｆ）ドライバ回路のＰＷＭオンオフ動作の動作波形。 実施の形態に係る熱電発電装置において、ヒステリシスコンパレータの回路構成図。 実施の形態に係る熱電発電装置を適用した熱発電ストーブの模式的回路構成図。 （ａ）実施の形態に係る熱磁気発電装置の模式的ブロック構成図、（ｂ）実施の形態に係る熱イオン発電装置の模式的ブロック構成図、（ｃ）実施の形態に係る熱光発電装置の模式的ブロック構成図、（ｄ）実施の形態に係る熱音響発電装置の模式的ブロック構成図。 （ａ）複数のＴＥＧを配置し、センサネットワークを構成した第２の実施の形態に係る熱電発電システムの模式的ブロック構成図、（ｂ）モニタコントローラのブロック構成図。 （ａ）複数のＴＥＧを配置し、センサネットワークを構成した第２の実施の形態に係る熱電発電システムにおいて、共通の負荷に電力を供給する構成の模式的ブロック構成図、（ｂ）モニタコントローラのブロック構成図。 第２の実施の形態に係る熱電発電システムにおいて、ＴＥＧを搭載する対象装置の模式的ブロック構成図。 複数のＴＥＧを配置し、センサネットワークを構成した第２の実施の形態に係る熱電発電システムの動作フローチャート図。 実施の形態に係る熱電発電装置における動作をトランス２次側＋整流回路にも適用した他の実施の形態の模式的ブロック構成図。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
［第１の実施の形態］
（基本技術）
基本技術に係る熱電発電装置１Ａは、図１に示すように、熱電発電（ＴＥＧ：Thermoelectric generator）素子１０（以下、単にＴＥＧ１０と表記）と、ＴＥＧ１０に接続された動作点設定回路２２と、動作点設定回路２２に接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給するエラーアンプ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された出力キャパシタＣoutとを備える。
基本技術に係る熱電発電装置１Ａの模式的回路ブロック構成は、図２に示すように、ＴＥＧ１０と、ＴＥＧ１０に接続された動作点設定回路２２と、動作点設定回路２２に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された直列抵抗Ｒ01・Ｒ02と、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02の接続点に負入力が接続され、参照電圧Ｖref1を正入力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給するエラーアンプ２０とを備える。
動作点設定回路２２は、ＴＥＧ１０の出力を正入力に供給され、参照電圧Ｖref1を負入力に供給されたコンパレータ１８を備え、ＴＥＧ１０の出力電圧ＶO―出力電流ＩO特性上、出力電圧ＶO＝Ｖref1一定となる帰還、すなわち、コンパレータ１８の入力電圧がＶref1一定となる帰還がかかるように設定されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、スイッチング制御回路１６と、スイッチング制御回路１６に接続されたｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）ＱPおよびｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱNと、ＴＥＧ１０の出力とｐチャネルＭＯＳＦＥＴＱP・ｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱNの接続点との間に接続されたインダクタンスＬとを備える。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、同期整流方式の構成を備える。
基本技術に係る熱電発電装置１Ａに適用されるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性は、図３（ａ）に示すように、負の傾きを有する一次関数で表され、出力電圧ＶO−温度差ΔＴ特性は、図３（ｂ）に示すように、正の傾きを有する一次関数で表される。
基本技術に係る熱電発電装置１Ａに適用されるＴＥＧ１０において、出力電流ＩOおよび出力電圧ＶOは、温度差ΔＴに比例する。また、出力抵抗が高いため、ＴＥＧ１０の出力電圧ＶOを一定に保つ制御が必要とされる。すなわち、基本技術に係る熱電発電装置１Ａにおいては、ＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の動作点Ｒは、出力電圧ＶO＝Ｖref1（ＩO＝Ｉref1）一定となる帰還がかかるように設定されている。このため、動作点設定回路２２は、必ずしも最適な動作点で動作する設定がなされているわけではない。尚、図３（ａ）において、ＶOCは、開放出力電圧、ＩOCは、開放出力電流を表す。
実施の形態に係る熱電発電装置１は、図４（ａ）に示すように、ＴＥＧ１０と、ＴＥＧ１０に接続され、所定のタイミング毎のＴＥＧ１０の出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２と、動作点設定回路１２に接続され、動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路１２に接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４にフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された出力キャパシタＣoutとを備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、昇圧型、若しくは降圧型のいずれも適用可能である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、ダイオード整流方式、同期整流方式のいずれも適用可能である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、図４（ａ）に示すように、ＰＷＭコンパレータ６６を内蔵し、フィードバック信号ＦＢは、ＰＷＭコンパレータ６６に入力される。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の動作点Ｐは、図４（ｂ）に示すように、出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上を移動可能である。すなわち、シーケンス回路６４より動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給して動作点設定回路１２の動作点に設定する。
ＴＥＧ１０の出力電流と出力電圧の特性上の動作点は、シーケンス回路６４より動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給し、サンプルホールド信号ＳＨがハイレベルになるタイミングで動作点設定回路１２がＴＥＧ１０の出力に応じた値を基準値として出力することで、動作点設定回路１２を最適動作点に設定可能である。
ＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の動作点Ｐは、例えば、図４（ｂ）の矢印で示されるように、最適動作点（ＩP×ＶPが最大値となる）に向けて移動可能である。、図４（ｂ）において、ＶOCは開放出力電圧、ＩOCは開放出力電流を表す。
実施の形態に係る熱電発電装置１は、図４（ａ）に示すように、動作点設定回路１２により、一定期間毎にＴＥＧ１０の開放出力電圧ＶOCに準ずる電圧を採取・保持し、常に最大の電力を出力可能である。すなわち、一定期間に、ＴＥＧ１０の開放出力電圧ＶOCに準ずる電圧をモニター・保持し、熱電発電装置１の入力電圧Ｖin（＝ＴＥＧ１０の出力電圧）が常に最大の電力を出力可能な電圧となる。
実施の形態に係る熱電発電装置１によれば、簡単な回路構成でＴＥＧ１０を最大電力動作させることができる。
ＴＥＧ１０の出力電流―出力電圧特性は、一次関数で表されるため、電流および電圧が開放出力電圧ＶOCの１／２の値、開放出力電流ＩOCの１／２の値のとき、最大出力電力ＰMAXが得られる。よって、動作点設定回路１２は、開放出力電圧ＶOCの１／２となる分圧電圧を保持すればよい。
動作点設定回路１２には、サンプルホールド回路（４６：図１２参照）が内蔵される。なお、サンプルホールド回路は、スイッチ＋コンデンサで構成されていても良いし、ＡＤＣ＋ＤＡＣで構成されていても良い。
尚、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とエラーアンプ２０とを組み合わせて、全体として１つのＤＣ／ＤＣコンバータ２４を構成しても良い。この場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、昇圧型、若しくは降圧型のいずれも適用可能である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、ダイオード整流方式、同期整流方式のいずれも適用可能である。
（比較例）
太陽電池の場合を比較例とする出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例は、図５（ａ）に示すように表され、出力電力ＰO―出力電圧ＶO特性例は、図５（ｂ）に示すように表される。太陽電池の場合、最大出力電力ＰMAXは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上のＩO＝ＩMP、ＶO＝ＶMPの点が最適動作点（ＩMP×ＶMPが最大値ＰMAX）となる。太陽電池の出力電圧＝電源回路の入力を一定となる帰還をかける。入力電圧が一定になる帰還をかける。したがって、ＭＰＰＴ制御によって、出力が最大電力に追尾するように制御される。尚、図５（ａ）および図５（ｂ）において、ＶOCは開放出力電圧、ＩOCは開放出力電流を表す。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上における最適動作点の説明図は、図６（ａ）に示すように表され、出力電力ＰO―出力電圧ＶO特性例は、図６（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上において、ＩO＝ＩOC／２、ＶO＝ＶOC／２の点が最適動作点となる。すなわち、（ＩOC／２）×（ＶOC／２）が最大出力電力ＰMAXとなる。図６（ａ）および図６（ｂ）において、ＶOCは開放出力電圧、ＩOCは開放出力電流を表す。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の動作原理の説明図は、図７（ａ）に示すように表され、温度変化ΔＴにおけるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例は、図７（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０は、図７（ａ）に示すように、高温（温度Ｔh）側に配置される結合電極３０と低温（温度Ｔc）側に配置されるｎ側電極３２との間に配置されたｎ型半導体２８と、高温側に配置される結合電極３０と低温側に配置されるｐ側電極３４との間に配置されたｐ型半導体２６と、ｎ側電極３２とｐ側電極３４との間に接続される負荷３６とを備える。ｎ型半導体２８中の電子（ｅ）は、矢印で示すように、高温側に配置される結合電極３０から低温側に配置されるｎ側電極３２の方向に導通され、ｐ型半導体２６中の正孔（ｈ）は、矢印で示すように、高温側に配置される結合電極３０から低温側に配置されるｐ側電極３４の方向に導通される。温度差ΔＴ＝Ｔh―Ｔcで表される。結果として、回路的に直列接続される負荷３６・ｎ型半導体２８・ｐ型半導体２６には、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。負荷３６と導通電流Ｉによって決まる負荷特性と、図７（ｂ）に示された温度変化ΔＴにおけるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例との交差点によって、動作点が決定される。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の模式的構成例であって、低温側にヒートシンク３８、高温側に熱交換器４０を備える例は、図８に示すように表される。さらに、結合電極３０と熱交換器４０との間に高温側伝熱部材４４を配置し、ｎ側電極３２・ｐ側電極３４とヒートシンク３８との間に低温側伝熱部材４２を配置しても良い。ｎ側電極３２とｐ側電極３４との間に配線４５を介して負荷３６を結合することで、負荷３６には、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の模式的構成であって、複数の熱電発電素子を直列に配置した例は、図９に示すように表される。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０は、図９に示すように、高温（温度Ｔh）側に配置される複数の結合電極３０1・３０2・…・３０nと低温（温度Ｔc）側に配置される複数のｎ側電極３２1・３２2・…・３２nとの間に配置された複数のｎ型半導体２８1・２８2・…・２８nと、高温側に配置される複数の結合電極３０1・３０2・…・３０nと低温側に配置される複数のｐ側電極３４1・３４2・…・３４nとの間に配置された複数のｐ型半導体２６1・２６2・…・２６nと、ｎ側電極３２nとｐ側電極３４1との間に接続される負荷３６とを備える。低温側の互いに隣接配置される電極(３２1・３４2)・(３２2・３４3)・…・(３２n-1・３４n)は、共通電極として接続されている。温度差ΔＴ＝Ｔh―Ｔcで表される。結果として、回路的に直列接続される負荷３６・ｎ型半導体２８1・２８2・…・２８n・ｐ型半導体２６1・２６2・…・２６nには、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０は、図９に示すように、複数のＴＥＧを直列化配置することによって、熱電変換モジュールの高耐圧化を図ることができる。また、直列化配置構成を並列化して、大電流量・高出力化を図ることも可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用される熱電発電素子の温度変化ΔＴをパラメータとする出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例は、図１０に示すように表される。図１０において、Ｐ1・Ｐ2・Ｐ3・Ｐ4は、温度変化ΔＴ1・ΔＴ2・ΔＴ3・ΔＴ4における出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の最大電力が得られる最適動作点に対応し、温度変化ΔＴ1・ΔＴ2・ΔＴ3・ΔＴ4における出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の開放出力電圧ＶOCの１／２、開放出力電流ＩOCの１／２に対応した動作点である。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の温度変化ΔＴをパラメータとする電流電圧特性上の動作点の説明図は図１１に示すように表される。図１１において、動作点ＰO1・ＰO2は、それぞれ温度変化ΔＴ・２ΔＴにおける最適動作点に対応している。一方、動作点ＰEは、温度変化２ΔＴにおける最適動作点ＰO2以外の動作点に対応する。
温度差ΔＴにおける最適動作点ＰO1に対して出力電圧ＶOが一定となる動作点に制御すると、温度差２ΔＴにおける動作点は、動作点ＰEとなり、最適動作点ＰO2を外れることになる。したがって、ΔＴを最低温度差とした場合、最低温度差以外の電力効率が悪い。この場合は、温度差ΔＴにおける最適動作点ＰO1に対して出力電圧ＶOが一定となる動作点に制御するため、出力電力は、温度差に比例する。
一方、ＴＥＧ１０をＭＰＰＴ動作させる場合、出力電力は、温度差の２乗に比例する。
図１１を参照すると、出力電流ＩOは、（１）式で表される。すなわち、

ＩO＝−２ｍＩOCＶO／０．５ＶOC＋２ｍＩOC （１）

ここで、ｍは、出力電流ＩOの倍率を表す。出力電力Ｐは、（２）式で表される。すなわち、

Ｐ＝ＩOＶO＝−２ｍＩOCＶO 2／０．５ＶOC＋２ｍＩOCＶO
＝−２ｍＩOC／０．５ＶOC・（ＶO 2−０．５ＶOCＶO） （２）

したがって、ｄＰ／ｄＶO＝０の条件より、ＶO＝０．２５ＶOCのとき、最大電力ＰMAXが得られる。この点は、最適動作点ＰO1に相当する。温度差２ΔＴにおける最適動作点ＰO2も同様に求めることができる。
（動作点設定回路）
実施の形態に係る熱電発電装置１において、動作点設定回路１２の構成例１は、図１２（ａ）に示すように、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱnと、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02の接続点に接続されたサンプルホールド回路４６を備える。
実施の形態に係る熱電発電装置１において、動作点設定回路１２の構成例２は、図１２（ｂ）に示すように、直列接続されたＭＯＳＦＥＴＱ11・Ｑ12およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱnと、直列接続されたＭＯＳＦＥＴＱ11・Ｑ12の接続点に接続されたサンプルホールド回路４６を備える。
実施の形態に係る熱電発電装置１において、動作点設定回路１２の構成例３は、図１２（ｃ）に示すように、直列接続されたキャパシタＣ11・Ｃ12およびｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱnと、直列接続されたキャパシタＣ11・Ｃ12の接続点に接続されたサンプルホールド回路４６を備える。
ＴＥＧ１０の出力電流と出力電圧の特性上の動作点は、シーケンス回路６４より動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給し、サンプルホールド信号ＳＨがハイレベルになるタイミングで動作点設定回路１２がＴＥＧ１０の出力に応じた値を基準値として出力することで、動作点設定回路１２を最適動作点に設定可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置１は、動作点設定回路１２により、一定期間毎にＴＥＧ１０の開放出力電圧ＶOCに準ずる電圧を採取・保持し、常に最大の電力を出力可能である。すなわち、一定期間に、ＴＥＧ１０の開放出力電圧ＶOCに準ずる電圧をモニター・保持し、熱電発電装置１の入力電圧Ｖin（＝ＴＥＧ１０の出力電圧）が常に最大の電力を出力可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置１によれば、簡単な回路構成でＴＥＧ１０を最大電力動作させることができる。
ＴＥＧ１０の出力電流―出力電圧特性は、一次関数で表されるため、電流および電圧が開放出力電圧ＶOCの１／２の値、開放出力電流ＩOCの１／２の値のとき、最大出力電力ＰMAXが得られる。よって、動作点設定回路１２は、開放出力電圧ＶOCの１／２となる分圧電圧を保持すればよい。
（熱電発電装置）
実施の形態に係る熱電発電装置１は、図１３に示すように、ＴＥＧ１０と、ＴＥＧ１０の出力に接続された出力キャパシタＣOと、ＴＥＧ１０の出力に接続された動作点設定回路１２と、ＴＥＧ１０の出力および動作点設定回路１２に接続されたフィードフォワード（ＦＦ）回路４８と、動作点設定回路１２とフィードフォワード回路４８に接続され、動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、フィードフォワード回路４８に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された出力キャパシタＣoutとを備える。
さらに、実施の形態に係る熱電発電装置１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された直列抵抗Ｒ01・Ｒ02と、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02の接続点に負入力が接続され、参照電圧Ｖref2を正入力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給するエラーアンプ５８とを備える。
ＴＥＧ１０の出力には入力電圧Ｖin、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力には出力電圧Ｖoutが検出される。
動作点設定回路１２は、図１３に示すように、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02およびスイッチＳＷ1と、直列抵抗Ｒ01・Ｒ02の接続点に接続されたサンプルホールド回路４６を備える。
フィードフォワード（ＦＦ）回路４８は、ヒステリシスコンパレータ６２とＡＮＤ回路５４とを備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、ＰＷＭコンパレータ６６と、ドライバ回路５６からなるスイッチング制御回路と、ドライバ回路５６に接続されたｐチャネルＭＯＳＦＥＴＱPおよびｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱNと、ＴＥＧ１０の出力とｐチャネルＭＯＳＦＥＴＱP・ｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱNの接続点との間に接続されたインダクタンスＬとを備え、同期整流方式の構成を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、用途に応じて、昇圧型、降圧型のいずれの方式も採用可能である。
シーケンス回路（ＳＥＱ）６４は、サンプルホールド回路４６およびＡＮＤ回路５４に対してサンプルホールド信号ＳＨを供給する。
実施の形態に係る熱電発電装置１に適用されるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性は、図１０・図１１と同様に、負の傾きを有する一次関数で表され、出力電圧ＶO−温度差ΔＴ特性は、図３（ｂ）と同様に、正の傾きを有する一次関数で表される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力には出力キャパシタＣoutが接続され、また用途に応じた負荷６０が接続される。ここで、負荷６０は、図示は省略するが、例えば安定化電源と、安定化電源に接続され、電力を消費するシステム負荷とを備えていても良い。安定化電源は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を有する。安定化電源は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等のような供給電圧安定化電源である。システム負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
（動作タイミングチャート）
実施の形態に係る熱電発電装置１について動作タイミングチャートを説明する。
実施の形態に係る熱電発電装置１の動作タイミングチャートであって、サンプルホールド回路４６のサンプル／ホールド動作波形は、図１４（ａ）に示すように表される。すなわち、時刻０〜ｔ１の期間はホールド動作、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はサンプル動作、時刻ｔ２〜ｔ３の期間はホールド動作、時刻ｔ３〜ｔ４の期間はサンプル動作、時刻ｔ４〜は、ホールド動作を実行する。
ｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱnのゲート電圧ＶGの動作波形は、図１４（ｂ）に示すように表される。すなわち、時刻０〜ｔ１の期間はオフ動作、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はオン動作、時刻ｔ２〜ｔ３の期間はオフ動作、時刻ｔ３〜ｔ４の期間はオン動作、時刻ｔ４〜は、オフ動作を実行する。
サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４６の入力電圧ＶSHIおよび出力電圧ＶSHOの動作波形は、図１４（ｃ）に示すように表される。ここで、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４６の入力電圧ＶSHIの値は、ＴＥＧ１０の温度変化ΔＴに応じた出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の最大電力ＰMAXが得られる最適動作点に対応するように、開放出力電圧ＶOCの１／２に制御される。
入力電圧Ｖinとヒステリシスコンパレータ６２の閾値電圧ＶTH―high・ＶTH―lowの動作波形は、図１４（ｄ）に示すように表される。閾値電圧ＶTH―high・ＶTH―lowは、サンプルホールドした出力電圧ＶSHOによって決まるフィードフォワード回路４８のコンパレータ（ヒステリシスコンパレータ６２）のハイレベル・ローレベルの閾値電圧に対応している。
ドライバ回路５６へのイネーブル信号ＥＮの動作波形は、図１４（ｅ）に示すように表される。すなわち、入力電圧Ｖinで表されるアナログ入力波形に対して、時刻０〜ｔ１の期間はＶTH―high＜Ｖinであり、ＥＮ＝Ｈ（ハイ）となる。時刻ｔ１〜ｔ２の期間はＶTH―low＜Ｖin＜ＶTH―highとなり、ＥＮ＝Ｌ（ロー）となる。時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はＶTH―low＜Ｖinとなり、ＥＮ＝Ｈ（ハイ）となる。
時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間において、Ｖin＜ＶTH―lowとなる期間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の昇圧動作がストップする。すなわち、ヒステリシスコンパレータ６２の出力がＬ（ロー）になり、ＥＮ＝Ｌ（ロー）になる。
時刻ｔ２２〜の期間において、ＶTH―high＜Ｖinとなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の昇圧動作が再開する。すなわち、ヒステリシスコンパレータ６２の出力がＨ（ハイ）になり、ＥＮ＝Ｈ（ハイ）になる。
ドライバ回路５６のＰＷＭオンオフ動作波形は、図１４（ｅ）に示すように表される。すなわち、ＥＮ＝Ｈ（ハイ）においては、ＰＷＭ動作が実行され、ＥＮ＝Ｌ（ロー）においては、ｐチャネルトランジスタＱP・ｎチャネルトランジスタＱNのいずれもがオフ状態となる。結果として、ドライバ回路５６へのイネーブル信号ＥＮの動作波形に合わせてＰＷＭ動作・オフ動作が繰り返される。
実施の形態に係る熱電発電装置１において、サンプルホールド信号ＳＨによって、ＴＥＧ１０の温度変化ΔＴに応じた出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の最大電力ＰMAXが得られる最適動作点で動作可能となるように、開放出力電圧ＶOCの１／２に制御されると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４のＰＷＭ動作によって、負荷６０へ最大出力電力が供給可能である。
（ヒステリシスコンパレータ）
実施の形態に係る熱電発電装置１において、ヒステリシスコンパレータ６２の詳細な回路構成は、図１５に示すように表される。ヒステリシスコンパレータ６２は、正入力に入力電圧Ｖinが入力され、負入力に閾値電圧Ｖthが入力されるコンパレータ６１を備える。コンパレータ６１の負入力には、抵抗Ｒ1を介して、サンプルホールド回路４６が接続される。また、コンパレータ６１の負入力には、接地電位との間に、抵抗Ｒ2が接続され、かつ抵抗Ｒ2に並列に、接地電位との間に、抵抗Ｒ3とＭＯＳＦＥＴＱの直列構成が接続される。また、ＭＯＳＦＥＴＱのゲートは、コンパレータ６１の出力電圧によって、オンオフ制御可能である。尚、コンパレータ６１の出力は、ＡＮＤ回路５４の一方の入力に接続される。
ＭＯＳＦＥＴＱがオンになり、抵抗Ｒ3に電流が導通する場合には、閾値電圧Ｖth＝ＶTH―lowになる。一方、ＭＯＳＦＥＴＱがオフになり、抵抗Ｒ3に電流が導通しない場合には、閾値電圧Ｖth＝ＶTH―highになる。
（熱発電ストーブ）
実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２の模式的回路構成は、図１６に示すように表される。ＴＥＧ１０を内蔵した実施の形態に係る熱電発電装置１には、ＤＣファン（ＦＡＮ）７０およびツェナーダイオード（ＺＤ）７２が並列接続される。さらに、熱電発電装置１には、ダイオード（Ｄ）７４とリチウムイオン電池７６との直列回路が、並列接続される。リチウムイオン電池７６の両端にはＤＣ／ＤＣコンバータ７８は接続される。ダイオード（Ｄ）７４は、例えば、ショットキーダイオードで構成可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２は、バイオマス（主に木）を主たるエネルギー源にする環境に適用される。バイオマス（主に木）を主たるエネルギー源にする環境においては、電力網にアクセスすることができない。このため、実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブを普及させることによって、ストーブで調理しながら、携帯電話やＬＥＤランタンを充電可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２は、図１６に示すように、発電した電力でＤＣファン（ＦＡＮ）７０を回すことができるため、ＴＥＧ１０自身を冷却可能である。これによって、ＴＥＧ１０の電極間に温度差ΔＴを維持し、発電量を確保することができる。
さらに、実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７８の出力から冷蔵庫やＣＰＵのクーラー、ＤＣモータを駆動することも可能である。
さらに、実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２は、ＤＣファン（ＦＡＮ）７０を回して電力を消費するが、ＤＣファン（ＦＡＮ）７０を回す方が利用可能な電力は増加する。例えば、ＤＣファン（ＦＡＮ）７０で消費される電力は、全体の約１３％程度であり、ツェナーダイオード（ＺＤ）７２で消費される電力は、全体の約２１％程度であり、ダイオード（Ｄ）７４で消費される電力は、全体の約４％程度である。
発電量の約６１％は、リチウムイオン電池７６に充電される。
実施の形態に係る熱電発電装置１を適用した熱発電ストーブ２の発電量は、例えば、最大約６Ｗ程度であり、平均すると約３Ｗ程度である。１時間調理すると、約３Ｗｈ発電可能であるため、携帯電話やＬＥＤランタンを充電可能である。
発電素子は、熱電発電素子に限らず、電流・電圧特性が一次関数であるならば、適用可能である。すなわち、実施の形態に係る熱電発電装置１に適用された回路構成は、熱磁気発電素子、熱音響発電素子、熱イオン発電素子、熱機関発電素子、熱光発電素子、クーロンカップリング発電素子にも同様に適用可能である。
実施の形態に係る熱磁気発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ａ）に示すように表される。実施の形態に係る熱イオン発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｂ）に示すように表され、実施の形態に係る熱光発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｃ）に示すように表され、実施の形態に係る熱音響発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｄ）に示すように表される。
図１７（ａ）〜図１７（ｄ）に示された模式的ブロック構成は、図４（ａ）と同様に表される。また、詳細な回路ブロック構成は、図１３と同様に表される。
実施の形態に係る熱磁気発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ａ）に示すように、熱磁気発電素子（ＴＭＥＧ）１０Ａと、ＴＭＥＧ１０Ａに接続され、所定のタイミング毎のＴＭＥＧ１０Ａの出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２Ａと、動作点設定回路１２Ａに接続され、動作点設定回路１２Ａにサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路１２Ａに接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａに接続された出力キャパシタＣoutと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。
実施の形態に係る熱イオン発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｂ）に示すように、熱イオン発電素子（ＴＩＥＧ）１０Ｂと、ＴＩＥＧ１０Ｂに接続され、所定のタイミング毎のＴＩＥＧ１０Ｂの出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２Ｂと、動作点設定回路１２Ｂに接続され、動作点設定回路１２Ｂにサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路１２Ｂに接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｂに接続された出力キャパシタＣoutと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｂの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｂにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。
実施の形態に係る熱光発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｃ）に示すように、熱光発電素子（ＴＰＥＧ）１０Ｃと、ＴＰＥＧ１０Ｃに接続され、所定のタイミング毎のＴＰＥＧ１０Ｃの出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２Ｃと、動作点設定回路１２Ｃに接続され、動作点設定回路１２Ｃにサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路１２Ｃに接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｃと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｃに接続された出力キャパシタＣoutと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｃの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｃにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。
実施の形態に係る熱音響発電装置の模式的ブロック構成は、図１７（ｄ）に示すように、熱音響発電素子（ＴＡＥＧ）１０Ｄと、ＴＡＥＧ１０Ｄに接続され、所定のタイミング毎のＴＡＥＧ１０Ｄの出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２Ｄと、動作点設定回路１２Ｄに接続され、動作点設定回路１２Ｄにサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、動作点設定回路１２Ｄに接続され、出力電圧Ｖoutを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｄと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｄに接続された出力キャパシタＣoutと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｄの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ｄにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａ・１４Ｂ・１４Ｃ・１４Ｄは、昇圧型、若しくは降圧型のいずれも適用可能である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４Ａ・１４Ｂ・１４Ｃ・１４Ｄは、ダイオード整流方式、同期整流方式のいずれも適用可能である。
（センサネットワーク）
複数のＴＥＧを配置し、センサネットワークを構成した実施の形態に係る熱電発電システム３の模式的ブロック構成は、図１８（ａ）に示すように表され、モニタコントローラ９２のブロック構成は、図１８（ｂ）に示すように表される。
図１８に示された模式的ブロック構成は、図４（ａ）と同様に表される。また、詳細な回路ブロック構成は、図１３と同様に表される。
実施の形態に係る熱電発電システム３は、図１８（ａ）に示すように、複数の対象装置１００1・１００2・…・１００nと、複数の対象装置１００1・１００2・…・１００nに接続され、所定のタイミング毎の対象装置１００1・１００2・…・１００nの出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nと、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nに接続され、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nにサンプルホールド信号ＳＨ1・ＳＨ2・…・ＳＨnを供給するシーケンス回路６４1・６４2・…・６４nと、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nに接続され、出力電圧Ｖout1・Ｖout2・…・Ｖoutnを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nに接続された出力キャパシタＣout1・Ｃout2・…・Ｃoutnと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nの出力に接続され、フィードバック信号ＦＢ1・ＦＢ2・…・ＦＢnをＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nにフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０1・２０2・…・２０nとを備える。
また、複数の対象装置１００1・１００2・…・１００nは、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nに接続される熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）と、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）とを備える。
また、モニタコントローラ９２は、図１８（ｂ）に示すように、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）から送信されたワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを受信し、フィードバック出力信号ＳOを出力する。
また、複数のＴＥＧを配置し、センサネットワークを構成した実施の形態に係る熱電発電システム３において、共通の負荷１２０に電力を供給する構成の模式的ブロック構成は、図１９（ａ）に示すように表され、モニタコントローラのブロック構成は、図１９（ｂ）に示すように表される。
ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）は、図１９（ａ）に示すように、ワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを送信し、モニタコントローラ９２は、図１９（ｂ）に示すように、ワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを受信し、フィードバック出力信号ＳFBを、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）に対してワイヤレス送信出力する。
ここで、対象装置１００1・１００2・…・１００nは、例えば、工場内の複数の機械を想定することができる。工場内の複数の機械において発生した熱エネルギーを熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）を用いて電気エネルギーに変換すると共に、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nとＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nからなる簡単な回路を用いて、共通の負荷１２０において、最大出力電力を取り出し可能である。
ここで、負荷１２０は、図示は省略するが、例えば安定化電源と、安定化電源に接続され、電力を消費するシステム負荷とを備えていても良い。安定化電源は、システム負荷への供給電圧を安定化させる機能を備える。安定化電源は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＤＯ等のような供給電圧安定化電源である。システム負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などモバイル機器や、自動車や、産業機器や、医療機器や、それらの機器の構成部品であり、エネルギーを消費する機器である。
対象装置１００1・１００2・…・１００nが工場内の複数のモータである場合には、対象装置１００1・１００2・…・１００nに搭載されるワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）において、複数のモータの回転数を計測し、ワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎをモニタコントローラ９２に送信し、モニタコントローラ９２は、受信したワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理することによって、フィードバック出力信号ＳFBを、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）に対してワイヤレス送信出力する。この結果、実施の形態に係る熱電発電システム３は、工場内の複数のモータで発生した熱エネルギーを共通の負荷１２０において、最大出力電力を取り出し可能であると共に、複数のモータの回転数をフィードバック制御することができる。結果として、複数の対象装置１００1・１００2・…・１００nをローカルな電源として使用しつつ、しかも複数の対象装置１００1・１００2・…・１００nを高効率動作させる等のエコロジカルなシステム全体の制御が可能となる。
第２の実施の形態に係る熱電発電システム３において、ＴＥＧ１０を搭載する対象装置１００の模式的ブロック構成は、図２０に示すように、ＴＥＧ１０と、電源回路８０と、蓄電素子９０と、センサ８６・無線モジュール８８を備えるワイヤレスセンサモジュール８４（ＷＳ）と、マイクロコントローラ（ＭＣ）８２とを備える。
（熱電発電システムの動作フローチャート）
複数の熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）を配置し、センサネットワークを構成した第２の実施の形態に係る熱電発電システム３の動作フローチャートは、図２１に示すように表される。
まず、ステップＳ１において、対象装置１００1・１００2・…・１００nに搭載された熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）で発電を開始する。
次に、ステップＳ２において、蓄電素子９０1・９０2・…・９０nに電力が蓄積されたか否かを判定する。
次に、ステップＳ２において、ＮＯの場合には、ステップＳ１に戻る。
次に、ステップＳ２において、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３に移行する。
次に、ステップＳ３において、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）から、モニタコントローラ９２に、ワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを送信する。
次に、ステップＳ４において、モニタコントローラ９２において、ワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを受信する。
次に、ステップＳ５において、複数の熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）を最適動作させるように、動作点設定回路１２1・１２2・…・１２nの動作点を最適化設定する。
次に、ステップＳ６において、複数の熱発電素子１０1（ＴＥＧ１）・１０2（ＴＥＧ２）・…・１０n（ＴＥＧｎ）より、最大出力電力を伝送する。
次に、ステップＳ７において、モニタコントローラ９２において、受信したワイヤレスセンサ信号Ｓ１・Ｓ２・…・Ｓｎを、ＦＦＴ処理することによって、フィードバック出力信号ＳFBを、ワイヤレスセンサモジュール８４1（ＷＳ１）・８４2（ＷＳ２）・…・８４n（ＷＳｎ）に対してワイヤレス送信出力し、熱電発電システム全体の最適化動作を実施する。
次に、ステップＳ８において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４1・１４2・…・１４nを介して、共通の負荷１２０に対して、最大電力供給を実施する。
尚、実施の形態に係る熱電発電装置１とワイヤレスセンサを搭載した対象装置を複数配置し、センサネットワークを構成した場合、ワイヤレスセンサ数の増加と共に無線通信頻度も増加する。したがって、このような場合には、熱電発電装置１とワイヤレスセンサを対象装置に装着後の起動を短時間化すると良い。
（トランス２次側＋整流回路）
発電素子は、熱電発電素子に限らず、電流・電圧特性が一次関数であるならば、適用可能である。
実施の形態に係る熱電発電装置と同様の回路構成をトランス２次側＋整流回路にも適用した他の実施の形態の模式的ブロック構成は、図２２に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２に接続され、動作点を設定するための動作点設定回路１２と、動作点設定回路１２に接続され、動作点設定回路１２にサンプルホールド信号ＳＨを供給するシーケンス回路６４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続された出力キャパシタＣoutと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力に接続され、フィードバック信号ＦＢをＤＣ／ＤＣコンバータ１４にフィードバックするエラーアンプ（ＥＲＲ）２０とを備える。
ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性は、図２２（ｂ）に示されるような一次関数で表される場合を想定している。このような場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性上の動作点Ｑを上記の実施の形態と同様に、開放出力電圧ＶOCの１／２、開放出力電流ＩOCの１／２となる動作点に設定することによって、負荷に対して、最大電力を供給可能である。
以上説明したように、本発明によれば、熱発電素子から簡単な回路で最大出力電力を取り出し可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供することができる。
（その他の実施の形態）
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の熱電発電装置および熱電発電システムは、熱電発電素子により発電したエネルギーを効率よく供給する装置およびシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。
１、１Ａ…熱電発電装置
２…熱発電ストーブ
３…熱電発電システム
１０、１０1、１０2、…、１０n、ＴＥＧ、ＴＥＧ１〜ＴＥＧｎ…熱電発電素子
１０Ａ…熱磁気発電素子
１０Ｂ…熱イオン発電素子
１０Ｃ…熱光発電素子
１０Ｄ…熱音響発電素子
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、２２…動作点設定回路
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、７８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６…スイッチング制御回路
１８、６１…コンパレータ
２０、２０1、２０2、…、２０n、５８…エラーアンプ（ＥＲＲ）
２６、２６1、２６2、…、２６n…ｐ型半導体
２８、２８1、２８2、…、２８n…ｎ型半導体
３０…結合電極
３２、３２1、３２2、…、３２n…ｎ側電極
３４、３４1、３４2、…、３４n…ｐ側電極
３６、６０…負荷
３８…ヒートシンク
４０…熱交換器
４２、４４……伝熱部材
４５…配線
４６…サンプルホールド回路
４８…フィードフォワード回路
５４…ＡＮＤ回路
５６…ドライバ回路
６２…ヒステリシスコンパレータ（ＨＣＰ）
６４、６４、６４1、６４2、…、６４n…シーケンス回路（ＳＥＱ）
６６…ＰＷＭコンパレータ
６８…スイッチング回路
７０…ＤＣファン（ＦＡＮ）
７２…ツェナーダイオード
７４…ダイオード（ショットキーダイオード）
７６…リチウムイオン電池
８０…電源回路
８２…マイクロコントローラ（ＭＣ）
８４、８４1、８４2、…、８４n、ＷＳ１〜ＷＳｎ…ワイヤレスセンサモジュール
８６…ワイヤレスセンサ
８８…無線モジュール
９０…蓄電素子
９２…モニタコントローラ
１００、１００1、１００2、…、１００n…対象装置
Ｒ01、Ｒ02、Ｒ11、Ｒ12、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3…抵抗
ＱP…ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ
ＱN、Ｑn…ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ
Ｑ11、Ｑ12…ＭＯＳＦＥＴ
Ｃ11、Ｃ12…キャパシタ
ΔＴ、ΔＴ1、ΔＴ2、、ΔＴ3、ΔＴ4…温度変化（温度差）
ＩO…出力電流
ＶO、Ｖout、Ｖout1、Ｖout2、…、Ｖoutn…出力電圧
ＶSHI…（サンプルホールド回路の）入力電圧
ＶSHO…（サンプルホールド回路の）出力電圧
ＣO…ＴＥＧの出力キャパシタ
Ｃout、Ｃout1、Ｃout2、…、Ｃoutn…出力キャパシタ
Ｖin…入力電圧
Ｖout…出力電圧
ＥＮ…イネーブル信号
ＳＨ、ＳＨ1、ＳＨ2、…、ＳＨｎ…サンプルホールド信号
ＦＢ、ＦＢ1、ＦＢ2、…、ＦＢｎ…フィードバック信号
Ｌ…インダクタンス

Claims (16)

  1. 熱電発電素子と、
    前記熱電発電素子に接続され、所定のタイミング毎の前記熱電発電素子の出力に基づいて動作点を設定する動作点設定回路と、
    前記動作点設定回路に接続され、前記動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給するシーケンス回路と、
    前記動作点設定回路に接続され、出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続され、フィードバック信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータにフィードバックするエラーアンプと
    を備えることを特徴とする熱電発電装置。
  2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＰＷＭコンパレータを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
  3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記エラーアンプとを組み合わせて、全体として１つのＤＣ／ＤＣコンバータを構成したことを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
  4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧型、若しくは降圧型であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
  5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、ダイオード整流方式、若しくは同期整流方式であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
  6. 前記熱電発電素子の出力電流と出力電圧の特性上の動作点は、前記シーケンス回路より前記動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給し、前記サンプルホールド信号がハイレベルになるタイミングで前記動作点設定回路が前記熱電発電素子の出力に応じた値を基準値として出力することで、前記動作点設定回路を最適動作点に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
  7. 前記熱電発電素子の出力電流と出力電圧の特性上において、最適動作点は、開放出力電圧の１／２および開放出力電流の１／２であることを特徴とする請求項６に記載の熱電発電装置。
  8. 熱電発電素子と、
    前記熱電発電素子の出力に接続された出力キャパシタと、
    前記熱電発電素子の出力に接続された動作点設定回路と、
    前記熱電発電素子の出力および前記動作点設定回路に接続されたフィードフォワード回路と、
    前記動作点設定回路と前記フィードフォワード回路に接続され、前記動作点設定回路にサンプルホールド信号を供給するシーケンス回路と、
    前記フィードフォワード回路に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続された第１直列抵抗と、
    前記第１直列抵抗の接続点に負入力が接続され、参照電圧を正入力に接続され、フィードバック信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給するエラーアンプと
    を備えることを特徴とする熱電発電装置。
  9. 前記動作点設定回路は、
    第２直列抵抗と、
    前記第２直列抵抗に直列接続されたスイッチと、
    前記第２直列抵抗の接続点に接続されたサンプルホールド回路と
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の熱電発電装置。
  10. 前記動作点設定回路は、
    直列接続されたＭＯＳＦＥＴと、
    前記直列接続されたＭＯＳＦＥＴに直列接続されたスイッチと、
    前記直列接続されたＭＯＳＦＥＴの接続点に接続されたサンプルホールド回路と
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の熱電発電装置。
  11. 前記動作点設定回路は、
    直列接続されたキャパシタと、
    前記直列接続されたキャパシタに直列接続されたスイッチと、
    前記直列接続されたキャパシタの接続点に接続されたサンプルホールド回路と
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の熱電発電装置。
  12. 前記フィードフォワード回路は、
    ヒステリシスコンパレータと、
    前記ヒステリシスコンパレータの出力と前記シーケンス回路の出力に接続されたＡＮＤ回路と
    を備えることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
  13. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
    ＰＷＭコンパレータと、
    前記ＰＷＭコンパレータに接続されたスイッチング制御回路と、
    前記スイッチング制御回路に接続されたｐチャネルＭＯＳＦＥＴおよびｎチャネルＭＯＳＦＥＴと、
    前記熱電発電素子の出力と前記ｐチャネルＭＯＳＦＥＴと前記ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの接続点との間に接続されたインダクタンスと
    備えることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
  14. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続される負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置のうちいずれかであるモバイル機器、自動車、産業機器、医療機器、それらの機器の構成部品であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の熱電発電装置を搭載したことを特徴とする熱電発電ストーブ。
  16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の熱電発電装置を複数配置し、センサネットワークを構成したことを特徴とする熱電発電システム。
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