JP2017147876A - 発電回路および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの電力投入を不要とし、発電素子から効率よく電力を取り出すことができる発電回路および発電システムを提供すること。【解決手段】発電回路１に、発電素子９と受電コンデンサ１０と第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２と導線６とスイッチ７とを備える。また、導線６が、発電素子９および第１コンデンサ１１が接続され、受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２が接続されない第１回路Ａと、発電素子９および第２コンデンサ１２が接続され、受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１が接続されない第２回路Ｂと、発電素子９、受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１が接続され、第２コンデンサ１２が接続されない第３回路Ｃと、発電素子９、受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２が接続され、第１コンデンサ１１が接続されない第４回路Ｄとを構成し、スイッチ７が導線６の開閉を切り替え可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、発電回路および発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される発電システム、および、その発電システムにおいて採用される発電回路に関する。

従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。

近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されている。そのようなシステムとして、具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果などにより電気分極する第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されており、さらに、より効率的に発電するために、電圧印加装置によって、第１デバイスの昇温中に第１デバイスに電圧を印加し、また、降温中には電圧の印加を停止することが提案されている。また、その発電システムを自動車などに積載すること、さらには、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）を自動車の排ガスが供給される排気管内に配置することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記した発電システムでは、得られた電力は、第１デバイスから第２デバイスを介してバッテリーに蓄積され、必要に応じて消費可能とされる。

特開２０１４−１１３０２８号公報

一方、このような発電システムでは、第１デバイス（誘電体など）による発電に際して電圧印加装置が用いられるため、回路外部からの電力投入を必要とするという不具合がある。

そこで、本発明の目的は、外部からの電力投入を不要とし、発電素子から効率よく電力を取り出すことができる発電回路および発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の発電回路は、温度が経時的に上下されることにより電気分極する発電素子と、前記発電素子から取り出された電力が供給される受電デバイスと、前記発電素子に電圧を印加するための第１コンデンサと、前記第１コンデンサとは別途、前記発電素子に電圧を印加するための第２コンデンサと、前記発電素子、前記受電デバイス、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサを接続する導線と、前記導線を開閉するスイッチとを備え、前記導線は、前記発電素子および前記第１コンデンサが接続され、前記受電デバイスおよび前記第２コンデンサが接続されない第１回路と、前記発電素子および前記第２コンデンサが接続され、前記受電デバイスおよび前記第１コンデンサが接続されない第２回路と、前記発電素子、前記受電デバイスおよび前記第１コンデンサが接続され、前記第２コンデンサが接続されない第３回路と、前記発電素子、前記受電デバイスおよび前記第２コンデンサが接続され、前記第１コンデンサが接続されない第４回路とを構成し、前記スイッチは、前記第１回路および前記第４回路を閉状態とし、かつ、前記第２回路および前記第３回路を開状態とする第１状態と、前記第２回路および前記第３回路を閉状態とし、かつ、前記第１回路および前記第４回路を開状態とする第２状態と、前記第１回路、前記第２回路、前記第３回路および前記第４回路を開状態において保持する第３状態とを切り替え可能とすることを特徴としている。

また、本発明の発電システムは、上記の発電回路と、前記発電素子の温度を経時的に上下させる熱源と、前記発電素子の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段による検知に基づいて、前記スイッチを制御するための制御手段とを備えることを特徴としている。

本発明の発電回路および発電システムによれば、発電ユニットにおいて生じるエネルギーを用いて、発電素子に電圧を印加することができるため、外部からの電力投入を不要とし、発電素子から効率よく電力を取り出すことができる。

図１は、本発明の発電回路の一実施形態の模式図である。 図２は、図１に示す発電回路が採用される発電システムの一実施形態の模式図である。 図３は、図１に示す発電回路において、素子の加熱中の状態を示す模式図である。 図４は、図１に示す発電回路において、素子の冷却開始の直前状態を示す模式図である。 図５は、図１に示す発電回路において、素子の冷却開始状態を示す模式図である。 図６は、図１に示す発電回路において、素子の冷却中の状態を示す模式図である。 図７は、図１に示す発電回路において、素子の加熱開始状態を示す模式図である。 図８は、本発明の発電回路の他の実施形態の模式図である。

図１において、発電回路１は、発電ユニット２と、受電ユニット３と、第１蓄電ユニット４と、第２蓄電ユニット５と、それらを接続する導線６と、導線６を開閉し電流の流れを制御するためのスイッチ７を備えている。

発電ユニット２は、発電素子９、および、発電素子９を挟んで対向配置される一対の電極（図示せず）を備えている。なお、図１において、発電素子９は、コンデンサ記号で表記される。

発電素子９は、温度が経時的に上下されることにより電気分極するデバイスである。

ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。

このような発電素子９として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。

ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。

このようなピエゾ効果により電気分極する発電素子としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。

発電素子９としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定される。固定部材としては、特に制限されず、例えば、電極（図示せず）を用いることもできる。

焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。

第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。

また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。

このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。

このような発電素子９として、具体的には、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ_３、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２Ｔｉ_４Ｏ_１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＴａＯ_３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３／Ｎｉ、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２／Ｎｉなどを用いることができる。

また、発電素子９としては、さらに、ＬａＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＭｇＮｂＯ_３、ＣａＮｂＯ_３、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３／Ｎｉ、（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／４Ｎａ_１／４）ＮｂＯ_３、（Ｓｒ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｂａ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｌｉ_１／１０（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_９／１０）ＮｂＯ_３、Ｓｒ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６／Ｎｉなどの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ１_／３Ｔａ２_／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３などのリラクサーペロブスカイト型結晶構造の誘電体などを用いることもできる。

これら発電素子９は、単独使用または２種類以上併用することができる。

また、発電素子９は、通常、公知の方法によりポーリング処理されて用いられる。

発電素子９のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。

また、発電素子９（絶縁体（誘電体））の比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。

このような発電回路１では、発電素子９（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、発電素子の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。

なお、発電素子９（絶縁体（誘電体））は、温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。

例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。

なお、図１において、発電素子９は、加熱時に一方側（紙面左側）の電極が正電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が負電荷を帯びるように電気分極する。

また、発電素子９は、冷却時に一方側（紙面左側）の電極が負電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が静電荷を帯びるように電気分極する。

受電ユニット３は、上記の発電素子９から取り出された電力が供給されるユニットであって、受電デバイスとしての受電コンデンサ１０を備えている。

受電コンデンサ１０は、発電素子９から取り出された電力を受電し、蓄積するデバイスであって、図示しないダイオードなどを介して、発電素子９に電気的に接続されている。

また、受電ユニット３は、受電コンデンサ１０を備えることにより、発電素子９に対して電圧を印加可能とされている。

第１蓄電ユニット４は、発電素子９に電圧を印加するための第１コンデンサ１１を備えている。

第１コンデンサ１１は、電気回路に採用される公知のコンデンサであって、導線６の第１回路（後述）に介在されるように設けられており、電気エネルギーを蓄積可能とされている。第１コンデンサ１１の静電容量は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。

第２蓄電ユニット５は、第１コンデンサ１１とは別途、発電素子９に電圧を印加するための第２コンデンサ１２を備えている。

第２コンデンサ１２は、電気回路に採用される公知のコンデンサであって、導線６の第２回路（後述）に介在されるように設けられており、電気エネルギーを蓄積可能とされている。第２コンデンサ１２の静電容量は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。

導線６は、発電素子９、受電コンデンサ１０、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２に接続されており、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄを構成している。

第１回路Ａは、発電素子９と第１コンデンサ１１とが接続され、かつ、発電素子９と受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２とが接続されないように、導線６の環状部分に構成される回路である（図１の２点鎖線Ａ参照）。

第２回路Ｂは、発電素子９と第２コンデンサ１２とが接続され、かつ、発電素子９と受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１とが接続されないように、導線６の環状部分に構成される回路である（図１の２点鎖線Ｂ参照）。

第３回路Ｃは、発電素子９と、受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１とが接続され、かつ、発電素子９と第２コンデンサ１２とが接続されないように、導線６の環状部分に構成される回路である（図１の２点鎖線Ｃ参照）。

第４回路Ｄは、発電素子９と、受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２とが接続され、かつ、発電素子９と第１コンデンサ１１とが接続されないように、導線６の環状部分に構成される回路である（図１の２点鎖線Ｄ参照）。

これら第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄは、導線６が一部共用されることにより、構成される。

より具体的には、導線６は、第１共用導線２１と、第２共用導線２２と、第３共用導線２３と、第４共用導線２４と、第５共用導線２５と、第６共用導線２６と、第７共用導線２７とを備えている。

第１共用導線２１は、受電コンデンサ１０と第１コンデンサ１１との間を接続するように、配設されている。

第２共用導線２２は、第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２との間を接続するように、配設されている。

第３共用導線２３は、第２コンデンサ１２と受電コンデンサ１０との間を接続するように、配設されている。

第４共用導線２４は、第２共用導線２２の途中部分から分岐するように設けられ、第２共用導線２２の途中部分と、発電素子９との間を接続するように、配設されている。

第５共用導線２５は、発電素子９とスイッチ７（後述）との間を接続するように、配設されている。

第６共用導線２６は、第１共用導線２１の途中部分から分岐するように設けられ、第１共用導線２１の途中部分と、スイッチ７（後述）との間を接続するように、配設されている。

第７共用導線２７は、第３共用導線２３の途中部分から分岐するように設けられ、第３共用導線２３の途中部分と、スイッチ７の間を接続するように、配設されている。

そして、図１では、発電素子９の近傍において、第４共用導線２４および第５共用導線２５が、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄとして、共用される。

すなわち、第４共用導線２４および第５共用導線２５は、第１回路Ａの一部を構成し、かつ、第２回路Ｂの一部を構成し、かつ、第３回路Ｃの一部を構成し、かつ、第４回路Ｄの一部を構成する。

また、受電コンデンサ１０の近傍において、第１共用導線２１の一部（具体的には、第６共用導線２６の接続部分と受電コンデンサ１０との間の領域）と、第３共用導線２３の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と受電コンデンサ１０との間の領域）とが、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄとして、共用される。

すなわち、第１共用導線２１の一部（具体的には、第６共用導線２６の接続部分と受電コンデンサ１０との間の領域）と、第３共用導線２３の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と受電コンデンサ１０との間の領域）とは、第３回路Ｃの一部を構成し、かつ、第４回路Ｄの一部を構成する。

また、第１コンデンサ１１の近傍において、第１共用導線２１の一部（具体的には、第６共用導線２６の接続部分と第１コンデンサ１１との間の領域）と、第２共用導線２２の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と第１コンデンサ１１との間の領域）とが、第１回路Ａおよび第３回路Ｃとして、共用される。

すなわち、第１共用導線２１の一部（具体的には、第６共用導線２６の接続部分と第１コンデンサ１１との間の領域）と、第２共用導線２２の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と第１コンデンサ１１との間の領域）とは、第１回路Ａの一部を構成し、かつ、第３回路Ｃの一部を構成する。

また、第２コンデンサ１２の近傍において、第２共用導線２２の一部（具体的には、第４共用導線２４の接続部分と第２コンデンサ１２との間の領域）と、第３共用導線２３の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と第２コンデンサ１２との間の領域）とが、第２回路Ｂおよび第４回路Ｄとして、共用される。

すなわち、第２共用導線２２の一部（具体的には、第４共用導線２４の接続部分と第２コンデンサ１２との間の領域）と、第３共用導線２３の一部（具体的には、第７共用導線２７の接続部分と第２コンデンサ１２との間の領域）とは、第２回路Ｂの一部を構成し、かつ、第４回路Ｄの一部を構成する。

さらに、第６共用導線２６が、第１回路Ａおよび第４回路Ｄとして共用される。

すなわち、第６共用導線２６は、第１回路Ａの一部を構成し、かつ、第４回路Ｄの一部を構成する。

また、第７共用導線２７が、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃとして共用される。

すなわち、第７共用導線２７は、第２回路Ｂの一部を構成し、かつ、第３回路Ｃの一部を構成する。

スイッチ７は、導線６を開閉し、導線６における電流の流れを制御（方向決定）するためのスイッチであって、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄに介在されている。

より具体的には、スイッチ７は、第５共用導線２５と、第６共用導線２６および第７共用導線２７との間を選択的に架設（接続）するように、設けられている。

すなわち、スイッチ７は、第５共用導線２５および第６共用導線２６の間を架設（接続）する第１状態と、第５共用導線２５および第７共用導線２７の間を架設（接続）する第２状態とを切り替え可能に設けられている。

また、発電回路１は、スイッチ７を、第６共用導線２６および第７共用導線２７のいずれにも接続されない状態で保持するためのスイッチ台１３を備えている。スイッチ台１３においてスイッチ７が保持される場合、スイッチ７は、第５共用導線２５、第６共用導線２６および第７共用導線２７の間をいずれも架設（接続）することなく、保持される。

すなわち、スイッチ７は、上記第１状態と、上記第２状態と、さらに、第５共用導線２５、第６共用導線２６および第７共用導線２７の間をいずれも架設（接続）せずに保持される第３状態とを切り替え可能に設けられている。

スイッチ７が第１状態である場合は、スイッチ７は、第５共用導線２５および第６共用導線２６の間を架設（接続）することにより、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを閉状態とし、かつ、第２回路Ｂおよび第３回路Ｄを開状態とする。

また、スイッチ７が第２状態である場合は、第５共用導線２５および第７共用導線２７の間を架設（接続）することにより、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃを閉状態とし、かつ、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを開状態とする。

また、スイッチ７が第３状態である場合は、第５共用導線２５、第６共用導線２６および第７共用導線２７の間がいずれも架設（接続）されず、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄが、いずれも、開状態において保持される。

このような発電回路１は、以下に示す発電システム３１、具体的には、発電素子９から電力を取り出し、その電力を受電ユニット３と、第１蓄電ユニット４および第２蓄電ユニット５とに供給する発電システム３１において、好適に用いられる。

図２において、発電システム３１は、上記の発電回路１と、その発電回路１中の発電素子９の温度を経時的に上下させる熱源３２と、発電素子９の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ３３と、温度センサ３３の検知に基づいて発電回路１の各スイッチを制御する制御手段としての制御ユニット３４とを備えている。なお、図２には、発電回路１を模式的に示している。

熱源３２としては、温度が経時的に上下する熱源であれば、特に制限されないが、例えば、内燃機関、発光装置などの各種エネルギー利用装置が挙げられる。

内燃機関は、例えば、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。

このような内燃機関では、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施され、燃料が燃焼され、動力が出力されている。

このような内燃機関において、排気工程では、高温の排気ガスが、排気ガス管を介して排気され、その排気ガスを熱媒体として熱エネルギーが伝達され、排気ガス管の内部温度が上昇する。

一方、その他の工程（排気工程を除く工程）では、排気ガス管中の排気ガス量が低減されるため、排気ガス管の内部温度は、排気工程に比べて、下降する。

このように、内燃機関の温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。

とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、内燃機関における各気筒の排気ガス管の内部は、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

発光装置は、点灯（発光）時には、例えば、赤外線、可視光などの光を熱媒体として、その熱エネルギーにより温度上昇し、一方、消灯時には温度低下する。そのため、発光装置は、経時的に、点灯（発光）および消灯することにより、その温度が経時的に上下する。

とりわけ、例えば、発光装置が、経時的に照明の点灯および消灯が断続的に繰り返される発光装置（明滅（点滅）式の発光装置）である場合には、その発光装置は、点灯（発光）時における光の熱エネルギーにより、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

また、熱源３２としては、さらに、例えば、複数の熱源を備え、それら複数の熱源間の切り替えにより、温度変化を生じることもできる。

より具体的には、例えば、熱源として、低温熱源（冷却材など）と、その低温熱源より温度の高い高温熱源（例えば、加熱材など）との２つの熱源を用意し、経時的に、それら低温熱源および高温熱源を、交互に切り替えて用いる形態が挙げられる。

これにより、熱源としての温度を、経時的に上下させることができ、とりわけ、低温熱源および高温熱源の切り替えを、周期的に繰り返すことにより、周期的に温度変化させることができる。

切り替え可能な複数の熱源を備える熱源３２としては、特に制限されないが、例えば、燃焼用低温空気供給系、蓄熱式熱交換器、高温ガス排気系、および、供給／排気切替弁を備えた高温空気燃焼炉（例えば、再公表９６−５４７４号公報に記載される高温気体発生装置）、例えば、高温熱源、低温熱源および水素吸蔵合金を用いた海水交換装置（水素吸蔵合金アクチュエータ式海水交換装置）などが挙げられる。

これら熱源３２としては、上記熱源を単独使用または２種類以上併用することができる。

熱源３２として、好ましくは、経時により周期的に温度変化する熱源が挙げられる。

また、熱源３２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。

このような熱源３２は、発電素子９を加熱および／または冷却するため、発電素子９に接触または近接配置される。

温度センサ３３は、発電素子９の温度を検知するため、発電素子９に近接または接触して設けられる。温度センサ３３は、発電素子９の温度として、発電素子９の表面温度を直接検知するか、または、発電素子９の周囲の雰囲気温度を検知する。温度センサ３３としては、例えば、赤外放射温度計や、熱電対温度計などの公知の温度センサが用いられる。

制御ユニット３４は、発電システム３１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

制御ユニット３４は、温度センサ３３およびスイッチ７に電気的に接続されている（破線参照）。これによって、詳しくは後述するが、上記した温度センサ３３によって検知される発電素子９の温度に応じて、スイッチ７を制御し、これにより、発電回路１における各回路（導線６）を開閉可能としている。

また、発電システム３１では、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２には、予め、電気エネルギーが蓄積される。

例えば、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の一方側（紙面上側）の電極が正電荷を帯び、また、他方側（紙面下側）の電極が負電荷を帯びるように、電気エネルギーが蓄積される。

なお、電気エネルギーの蓄積方法は、特に制限されず、例えば、予め外部電源から電気エネルギーが蓄積されていてもよく、また、例えば、発電素子９の電気分極により生じる電気エネルギーが蓄積されていてもよい。

また、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２に蓄積される電気エネルギーの大きさは、目的および用途に応じて、適宜設定される。

そして、このような発電システム３１により発電するには、例えば、まず、熱源３２の温度を経時的に上下、好ましくは、周期的に温度変化させ、その熱源３２により、発電素子９を、加熱および／または冷却する。

熱源３２の温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。

また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。

そして、このような温度変化に応じて、上記した発電素子９を、好ましくは、周期的に電気分極させる。

より具体的には、発電素子９としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、熱源３２に接触するか、または、熱源３２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。そして、ピエゾ素子は、熱源３２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。

また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。そのため、上記したように熱源３２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。

また、発電素子として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、熱源３２に接触するか、または、熱源３２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。このような場合において、焦電素子は、熱源３２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。

また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。そのため、上記したように熱源３２が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。

このようにして、発電素子９は経時的に温度変化し、その温度変化に応じて、電気分極する。

一方、このような発電システム３１では、より効率的に発電するため、発電素子９の温度状態に応じて、発電素子９に電圧を印加することが要求される。

そこで、以下に示すように、制御ユニット３４によりスイッチ７を制御し、発電素子９により生じる電力によって、発電素子９に電圧を印加する。

より具体的には、この発電システム３１では、例えば、
（１）まず、図３に示すように、発電素子９を加熱し、温度上昇させる。

この発電システム３１において、発電素子９が加熱され、温度上昇すると、発電素子９は、一方側（紙面左側）の電極が正電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が負電荷を帯びるように、電気分極する。

このとき、発電システム３１では、制御ユニット３４の制御によって、スイッチ７をスイッチ台１３に固定し、第３状態とする。これにより、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄを、いずれも開状態において保持する。

これにより、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）は、受電コンデンサ１０、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２のいずれにも供給されずに、発電素子９に蓄積される。
（２）次いで、この発電システム３１では、図４に示すように、発電素子９の冷却開始の直前に、発電素子９に蓄積された電気エネルギー（焦電電流）を、回収する。

具体的には、発電システム３１では、例えば、温度センサ３３（図２参照）により検知される発電素子９の温度およびその推移や、例えば、熱源３２の駆動状況などが、制御ユニット３４に入力される。そして、制御ユニット３４により、発電素子９の冷却が予測される。

このような場合において、発電システム３１では、発電素子９が冷却される前（例えば、０．０１〜１秒前）に、制御ユニット３４の制御によって、スイッチ７を第１状態とし、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを閉状態とし、かつ、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃを開状態とする。

これにより、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）が、第４回路Ｄを介して、紙面右周りの電流として、受電コンデンサ１０に供給される（矢印Ｄ参照）。

また、これとともに、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）が、第１回路Ａを介して、紙面左周りの電流として、第１コンデンサ１１に蓄積される（矢印Ａ参照）。
（３）次いで、この発電システム３１では、図５に示すように、熱源３２の制御により、発電素子９を冷却し、温度低下させる。

このとき、発電素子９は、上記（１）および（２）において加熱された影響により、一方側（紙面左側）の電極が正電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が負電荷を帯びるように、電気分極している。

そこで、この発電システム３１では、制御ユニット３４の制御によって、スイッチ７を第２状態とし、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを開状態とし、かつ、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃを閉状態とする。

これにより、第２コンデンサ１２に蓄積されている電気エネルギーが、第２回路Ｂを介して、紙面右周りの電流として、発電素子９に供給される（矢印Ｂ参照）。また、図示しないが、受電コンデンサ１０に蓄積されている電気エネルギーが、第３回路Ｃを介して、発電素子９に供給される。すなわち、発電素子９に、電圧が印加される。
（４）次いで、この発電システム３１では、図６に示すように、上記（３）から引き続いて、発電素子９を冷却する。

この発電システム３１において、発電素子９が冷却され、温度低下する場合には、発電素子９は、一方側（紙面左側）の電極が負電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が静電荷を帯びるように、電気分極する。

そこで、この発電システム３１では、上記（３）から引き続いて、スイッチ７を第２状態とし、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを開状態とし、かつ、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃを閉状態とする。

これにより、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）が、第３回路Ｃを介して、紙面右周りの電流として、受電コンデンサ１０に供給される（矢印Ｃ参照）。

また、これとともに、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）が、第２回路Ｂを介して、紙面左周りの電流として、第２コンデンサ１２に蓄積される（矢印Ｂ参照）。
（５）次いで、この発電システム３１では、図７に示すように、熱源３２の制御により、発電素子９を加熱し、温度上昇させる。

このとき、発電素子９は、上記（４）において冷却された影響により、一方側（紙面左側）の電極が負電荷を帯び、他方側（紙面右側）の電極が静電荷を帯びるように、電気分極している。

そこで、この発電システム３１では、制御ユニット３４の制御によって、スイッチ７を第１状態とし、第１回路Ａおよび第４回路Ｄを閉状態とし、かつ、第２回路Ｂおよび第３回路Ｃを開状態とする。

これにより、第１コンデンサ１１に蓄積されている電気エネルギーが、第１回路Ａを介して、紙面右周りの電流として、発電素子９に供給される（矢印Ａ参照）。また、図示しないが、受電コンデンサ１０に蓄積されている電気エネルギーが、第４回路Ｄを介して、発電素子９に供給される。すなわち、発電素子９に、電圧が印加される。
（６）次いで、この発電システム３１では、第１コンデンサ１１の電圧と、発電素子９の電圧とが等しくなったタイミングで、上記（１）および図３に示すように、制御ユニット３４の制御によって、スイッチ７をスイッチ台１３に固定し、第３状態とする。これにより、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄを、いずれも開状態において保持する。

また、これとともに、上記（５）から引き続き発電素子９を加熱する。

これにより、発電素子９により生じた電気エネルギー（焦電電流）は、受電コンデンサ１０、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２のいずれにも供給されずに、発電素子９に蓄積される。

その後、上記（１）〜（６）の処理が、繰り返され、発電素子９から電力が取り出され、その電力が受電コンデンサ１０（受電ユニット３）に供給される。

このような発電回路１および発電システム３１によれば、発電ユニット２において生じるエネルギーを用いて、発電素子９に電圧を印加することができるため、外部からの電力投入を不要とし、発電素子９から効率よく電力を取り出すことができる。

とりわけ、上記の方法では、発電素子９の加熱の初期には、第１コンデンサ１１から発電素子９に電圧が印加され（上記（５）参照）、また、発電素子９の加熱の中期には、発電素子９に電圧の印加が停止される（上記（１）および（６）参照）。そして、発電素子９の加熱の後期にのみ、発電素子９から電気エネルギー（焦電電流）が取り出される（上記（２）参照）。

このような方法によれば、例えば、発電素子９が加熱される間中、発電素子９に電圧が印加される場合などに比べ、とりわけ効率よく、発電素子９から電力を取り出すことができる。

また、通常、発電システム３１において、発電素子９に過剰な電圧を印加すると、発電素子９に損傷を生じる場合がある。これに対して、上記の発電システム３１では、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２によって発電素子９に電圧が印加される。そのため、それら第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２の静電容量を選択および設計することによって、印加される電圧を選択および設計することができる。その結果、発電素子９に過剰な電圧が印加させることを抑制することができ、発電素子９の損傷を抑制することができる。とりわけ、第１コンデンサ１１および第２コンデンサ１２として、互いに異なる静電容量のコンデンサを選択できるため、発電素子９の加熱時に印加される電圧と、発電素子９の冷却時に印加される電圧とを、個別に設計することができ、発電素子９に過剰な電圧が印加させることを抑制することができ、発電素子９の損傷を抑制することができる。

そのため、このような発電システム３１は、特に制限されないが、例えば、自動車などに搭載される。このような場合、発電素子９は、例えば、自動車のエキゾーストマニホールドにおける分岐管の内部または表面などに配置され、自動車のエンジンおよび排ガスが、熱源３２として用いられる。そして、エンジンの燃焼サイクルに応じて排ガスの温度が経時的に上下され、発電素子９が加熱および／または冷却され、上記の発電システム３１により発電される。得られる電力は、バッテリーに蓄積されてもよく、また、例えば、ヘッドライトなどの電気負荷装置に用いられてもよく、さらには、自動車の動力として用いられてもよい。

なお、上記した説明では、受電ユニット３は、発電素子９により生じた電力を受電する受電デバイスとして、コンデンサ（受電コンデンサ１０）を備えているが、発電素子９により生じた電力が蓄積または利用されるデバイスであれば、特に制限されず、受電コンデンサ１０に代替して、バッテリーなどの蓄電デバイスや、灯火装置などの電気負荷デバイスなどを備えることもできる。また、図示しないが、発電回路１には、必要により、任意の場所に、例えば、昇圧器、電圧変換器、インダクタなどの公知の電気デバイスを介在させることもできる。

また、導線６の構成は、上記に限定されず、例えば、図７に示すように、第１回路Ａ、第２回路Ｂ、第３回路Ｃおよび第４回路Ｄが、それぞれが独立して構成されるように、複数の導線６を備えていてもよい。

図７において、導線６は、第１回路Ａを構成する第１独立導線４１と、第２回路Ｂを構成する第２独立導線４２と、第３回路Ｃを構成する第３独立導線４３と、第４回路Ｄを構成する第４独立導線４４とを備えている。

第１独立導線４１は、発電素子９および第１コンデンサ１１が介在（接続）され、かつ、受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２が介在（接続）されない環状導線として設けられている。

第２独立導線４２は、発電素子９および第２コンデンサ１２が介在（接続）され、かつ、受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１が介在（接続）されない環状導線として設けられている。

第３独立導線４３は、発電素子９、受電コンデンサ１０および第１コンデンサ１１が介在（接続）され、かつ、第２コンデンサ１２が介在（接続）されない環状導線として設けられている。

第４独立導線４４は、発電素子９、受電コンデンサ１０および第２コンデンサ１２が介在（接続）され、かつ、第１コンデンサ１１が介在（接続）されない環状導線として設けられている。

また、このような場合、スイッチ７は、第１独立導線４１、第２独立導線４２、第３独立導線４３および第４独立導線４４のそれぞれに、個別に設けられる。

このような発電システム３１によっても、発電ユニット２において生じるエネルギーを用いて、発電素子９に電圧を印加することができるため、外部からの電力投入を不要とし、発電素子９から効率よく電力を取り出すことができる。

１ 発電回路
６ 回路
７ スイッチ
９ 発電素子
１０ 受電コンデンサ
１１ 第１コンデンサ
１２ 第２コンデンサ
Ａ 第１回路
Ｂ 第２回路
Ｃ 第３回路
Ｄ 第４回路

Claims (2)

1. 温度が経時的に上下されることにより電気分極する発電素子と、
   前記発電素子から取り出された電力が供給される受電デバイスと、
   前記発電素子に電圧を印加するための第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサとは別途、前記発電素子に電圧を印加するための第２コンデンサと、
   前記発電素子、前記受電デバイス、前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサを接続する導線と、
   前記導線を開閉するスイッチとを備え、
   前記導線は、
   前記発電素子および前記第１コンデンサが接続され、前記受電デバイスおよび前記第２コンデンサが接続されない第１回路と、
   前記発電素子および前記第２コンデンサが接続され、前記受電デバイスおよび前記第１コンデンサが接続されない第２回路と、
   前記発電素子、前記受電デバイスおよび前記第１コンデンサが接続され、前記第２コンデンサが接続されない第３回路と、
   前記発電素子、前記受電デバイスおよび前記第２コンデンサが接続され、前記第１コンデンサが接続されない第４回路と、
   を構成し、
   前記スイッチは、
   前記第１回路および前記第４回路を閉状態とし、かつ、
   前記第２回路および前記第３回路を開状態とする第１状態と、
   前記第２回路および前記第３回路を閉状態とし、かつ、
   前記第１回路および前記第４回路を開状態とする第２状態と、
   前記第１回路、前記第２回路、前記第３回路および前記第４回路を開状態において保持する第３状態と
   を切り替え可能とする
   ことを特徴とする、発電回路。
2. 請求項１に記載の発電回路と、
   前記発電素子の温度を経時的に上下させる熱源と、
   前記発電素子の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段による検知に基づいて、前記スイッチを制御するための制御手段とを備えることを特徴とする、発電システム。

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