JP2019149853A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー損失を抑制でき、発電効率に優れる発電システムを提供すること。【解決手段】発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源２と熱源２の温度変化により温度が経時的に上下され電気分極する第１デバイス３と第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と第１デバイス３から取り出された電力が供給されるバッテリー７と第２デバイス４を制御するための制御ユニット１０とを備える。第２デバイス４は、第１デバイス３を挟んで対向配置される１対の電極２２および電極２２に接続される取出導線２７を備え取出導線２７は第１デバイス３からバッテリー７に向かって第１方向に流れる第１電流を取り出すための第１取出回路Ｘと第１デバイス３からバッテリー７に向かって第１方向とは逆の第２方向に流れる第２電流を取り出すための第２取出回路Ｙとを備え、それらの開閉が制御ユニット１０により制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、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、焦電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（導線、電極など）と、その第１デバイスから取り出された電力が供給される第３デバイスとを備える発電システムが提案されている。このような発電システムでは、第１デバイスの加熱により生じた電力を、第１デバイスが降温状態であるときに、第２デバイス（導線、電極など）を介して、第３デバイスに回収している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１５−１０４１７７号公報

一方、上記した発電システムでは、第１デバイスが降温状態であるときに電力（電流）が回収されるが、その電力（電流）の回収と同時に、第１デバイスの冷却によって分極が生じる場合があり、回収される電流とは逆方向の電流が生じる場合がある。また、このような場合、回収される電流と、発生する電流とが、互いに打ち消し合うことにより、エネルギー損失を生じる場合がある。

また、上記した発電システムにおいて、第１デバイスから第３デバイスに電力が回収されると、第１デバイスの電圧が、第３デバイスの電圧より低くなり、その結果、第３デバイスから第１デバイスへ向かって、電流の逆流が発生し、エネルギー損失を生じる場合がある。

本発明は、エネルギー損失を抑制でき、発電効率に優れる発電システムである。

本発明［１］は、温度が経時的に上下する熱源と、前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、前記第１デバイスから取り出された電力が供給される第３デバイスと、前記第２デバイスを制御するための制御手段とを備え、前記第２デバイスは、前記第１デバイスを挟んで対向配置される１対の電極、および、前記電極に接続される導線を備え、前記第２デバイスの前記導線は、前記第１デバイスから第３デバイスに向かって所定の第１方向に流れる第１電流を取り出すための第１取出回路と、前記第１デバイスから第３デバイスに向かって前記第１方向とは逆の第２方向に流れる第２電流を取り出すための第２取出回路とを備え、前記第１取出回路には、前記第１方向における電流の流れを許容し、前記第２方向における電流の流れを規制する整流器と、前記第１取出回路を開閉する第１スイッチとが介在されており、前記第２取出回路には、前記第２取出回路を開閉する第２スイッチが介在されており、前記制御手段は、前記第１デバイスの加熱によって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧よりも高くなった場合、前記第１デバイスの冷却が開始されたときに、前記第１取出回路を閉状態にするとともに前記第２取出回路を開状態にして、前記第１デバイスから前記第３デバイスに前記第１電流を前記第１取出回路を介して取り出し、前記第１電流の取り出しによって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧以下になったときに、前記第１取出回路を開状態にするとともに前記第２取出回路を開状態にして、第１電流の取り出しを中断し、前記第１デバイスの冷却によって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧よりも高くなったときに、前記第１取出回路を開状態にするとともに前記第２取出回路を閉状態にして、前記第１デバイスから前記第３デバイスに前記第２電流を前記第２取出回路を介して取り出す、発電システムを含んでいる。

本発明の発電システムでは、第１デバイスの加熱によって、第１デバイスの電圧が第３デバイスの電圧よりも高くなった場合、第１デバイスの冷却が開始されたときに、第１スイッチを閉状態にするとともに第２スイッチを開状態にして、第１デバイスから第３デバイスに第１電流を第１取出回路を介して取り出し、また、第１デバイスの冷却中に、第１電流を取り出すことによって、第１デバイスの電圧が第３デバイスの電圧以下になったときに、第１スイッチを開状態にするとともに第２スイッチを開状態にして、第１電流の取り出しを中断し、さらに、第１デバイスの冷却によって、第１デバイスの電圧が第３デバイスの電圧よりも高くなったときに、第１スイッチを開状態にするとともに第２スイッチを閉状態にして、第１デバイスから第３デバイスに第２電流を第２取出回路を介して取り出す。

つまり、本発明の発電システムでは、第１デバイスが冷却され、第１電流が第１取出回路を介して回収されるときに、その回収される第１電流と逆向きの第２電流が発生しても、第１取出回路中における第２電流が整流器によって規制されているため、第１電流と第２電流とが打ち消し合うことを抑制できる。

さらに、本発明の発電システムでは、第１電流の回収が完了した後に、第１取出回路を開状態にするとともに第２取出回路を開状態にして、第１電流の取り出しを中断し、その後、第１デバイスにおいて生じる第２電流を、第２取出回路によって回収する。

そのため、本発明の発電システムは、エネルギー損失を抑制でき、発電効率に優れる。

図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。 図２は、第１デバイスの温度変化と、電力取出のタイミングとの関係の一例を示す模式図である。 図３は、図１に示す発電システムにおいて、第１デバイスの加熱による発電状態を示す概略図である。 図４は、図１に示す発電システムにおいて、第１電流の回収状態を示す概略図である。 図５は、図１に示す発電システムにおいて、第１デバイスの冷却による発電状態を示す概略図である。 図６は、図１に示す発電システムにおいて、第２電流の回収状態を示す概略図である。

１．発電システムの全体構成
図１において、発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、必要に応じて第１デバイス３に電圧を印加する電圧印加装置９と、第１デバイス３から取り出された電力が供給される第３デバイスとしてのバッテリー７と、後述するように第２デバイス４および電圧印加装置９を制御する制御手段としての制御ユニット１０とを備えている。

熱源２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２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２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２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２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２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。

第１デバイス３は、熱源２の温度変化に応じて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。

このような第１デバイス３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第１デバイス３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。

第１デバイス３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２に接触するか、または、熱源２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。

固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。

そして、このような場合には、ピエゾ素子は、熱源２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。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ素子から電力が取り出される。

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２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。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。

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。

第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、熱源２に接触するか、または、熱源２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２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。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。

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２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。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。

これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。

このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、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、第１デバイス３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。

第１デバイス３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、第１デバイス３（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。

このような発電システム１では、第１デバイス３（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、第１デバイス３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、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、熱源２の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。

図１において、第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。

第２デバイス４は、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される１対（２つ）の電極２２、および、それら電極２２に接続される導線としての取出導線２７を備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。

電極２２は、第１デバイス３を厚み方向両側から挟み込むように、第１デバイス３に接触配置されている。電極２２としては、特に制限されず、例えば、銅電極、銀電極などの公知の金属電極が挙げられる。電極２２の厚みは、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。

取出導線２７は、第１デバイス３において生じた電力を、バッテリー７に回収するための導線であって、以下に示すように、第１デバイス３から電力を取り出すための環状の電気回路（取出回路）を形成しており、その回路中に、第１デバイス３および電極２２と、バッテリー７（後述）とを介在させている。

より具体的には、取出導線２７は、第１取出導線２７ａ、第２取出導線２７ｂ、第３取出導線２７ｃおよび第４取出導線２７ｄを備えている。

第１取出導線２７ａは、第１デバイス３の一方側（図１の紙面上側）の電極２２と、バッテリー７とを接続する導線である。第１取出導線２７ａの途中部分には、後述する第１方向（矢印α方向）の電流を許容し、後述する第２方向（矢印β方向）の電流を規制する整流器２４が介在されている。

整流器２４としては、特に制限されず、例えば、公知のダイオードなどが挙げられる。

第２取出導線２７ｂは、第１デバイス３の他方側（図１の紙面下側）の電極２２と、バッテリー７とを接続する導線である。第１取出導線２７ｂの途中部分には、後述する第１取出回路Ｘ（図４参照）を開閉する第１スイッチ２３が介在されている。

第１スイッチ２３としては、特に制限されず、公知のスイッチ機構を採用することができる。また、第１スイッチ２３は、後述する制御ユニット１０に電気的に接続されており（図１破線参照）、その開閉が制御されている。

第３取出導線２７ｃは、第２取出導線２７ｂの途中部分と、第１取出導線２７ａの途中部分とを接続する導線である。より具体的には、第３取出導線２７ｃの一端部は、第２取出導線２７ｂにおいて、第１デバイス３（電極２２）と、第１スイッチ２３との間に接続されている。また、第３取出導線２７ｃの他端部は、第１取出導線２７ａにおいて、整流器２４とバッテリー７との間に接続されている。

第４取出導線２７ｄは、上記の第３取出導線２７ｃとは別途、第２取出導線２７ｂの途中部分と、第１取出導線２７ａの途中部分とを接続する導線である。より具体的には、第４取出導線２７ｄの一端部は、第２取出導線２７ｂにおいて、バッテリー７と第１スイッチ２３との間に接続されている。また、第４取出導線２７ｄの他端部は、第１取出導線２７ａにおいて、第１デバイス３（電極２２）と整流器２４との間に接続されている。

また、第３取出導線２７ｃの途中部分、および、第４取出導線２７ｄの途中部分には、それぞれ、後述する第２取出回路Ｙ（図６参照）を開閉する第２スイッチ２５が介在されている。

第２スイッチ２５としては、特に制限されず、公知のスイッチ機構を採用することができる。また、第２スイッチ２５は、後述する制御ユニット１０に電気的に接続されており（図１破線参照）、その開閉が制御されている。

なお、第３取出導線２７ｃに介在される第２スイッチ２５と、第４取出導線２７ｄに介在される第２スイッチ２５とは、一体的に１つのスイッチ機構を構成している。そして、詳しくは後述するように、これら２つの第２スイッチ２５が連動することにより、第２取出回路Ｙ（図６参照）が開閉される。

そして、取出導線２７は、第１取出導線２７ａ、第２取出導線２７ｂ、第３取出導線２７ｃおよび第４取出導線２７ｄによって、第１取出回路Ｘ（図４参照）と第２取出回路Ｙ（図６参照）とが形成される。

第１取出回路Ｘは、第１デバイス３において生じた電力を、第１デバイス３からバッテリー７に向かって、所定の第１方向（矢印α方向）に流れる第１電流として取り出すための環状回路である。

第１取出回路Ｘは、取出導線２７中、図４において太線で示される部分により形成される。具体的には、第１取出回路Ｘは、第１取出導線２７ａと、第２取出導線２７ｂとから形成される。また、第１取出回路Ｘには、上記の整流器２４と、第１スイッチ２３とが介在されている。

このような第１取出回路Ｘによって、例えば、第１デバイス３の一方側（紙面上側）が正極、他方側（紙面下側）が負極に電気分極したときに第１デバイス３において生じる電力を、第１方向（図４において、第１デバイス３を基準とした右回り（矢印α方向））の電流として、バッテリー７に回収可能としている。

第２取出回路Ｙは、第１デバイス３において生じた電力を、第１デバイス３からバッテリー７に向かって、上記の第１方向とは逆の第２方向（矢印β方向）に流れる第２電流として取り出すための環状回路である。

第２取出回路Ｙは、取出導線２７中、図６において太線で示される部分により形成される。具体的には、第１取出導線２７ａの一部（第１デバイス３と、第１取出導線２７ａおよび第４取出導線２７ｄの接続点との間の部分、バッテリー７と、第１取出導線２７ａおよび第３取出導線２７ｃの接続点との間の部分）と、第２取出導線２７ｂの一部（バッテリー７と、第２取出導線２７ｂおよび第４取出導線２７ｄの接続点との間の部分、第１デバイス３と、第２取出導線２７ｂおよび第３取出導線２７ｃの接続点との間の部分）と、第３取出導線２７ｃと、第４取出導線２７ｄとから形成される。また、第２取出回路Ｙには、上記の第２スイッチ２５が介在されている。

このような第２取出回路Ｙによって、例えば、第１デバイス３の一方側（紙面上側）が負極、他方側（紙面下側）が正極に電気分極したときに第１デバイス３において生じる電力を、第２方向（図６において、第１デバイス３を基準とした左回り（矢印β方向））の電流として、バッテリー７に回収可能としている。

また、このような取出導線２７中、第１デバイス３を挟む２点（２つの接続点Ａ）において、印加導線２８（後述）の印加専用部分３２（後述）が接続されている。

詳しくは、第１取出導線２７ａおよび第４取出導線２７ｄの接続部分と、整流器２４との間に、印加専用部分３２（後述）の一端が接続されている。

また、第２取出導線２７ｂおよび第３取出導線２７ｃの接続部分と、第１スイッチ２３との間に、印加専用部分３２（後述）の他端が接続されている。

これにより、取出導線２７の一部（電極２２と接続点Ａとで区画される部分）が、印加導線２８（後述）として共用されている。

つまり、取出導線２７は、印加導線２８（後述）と共用され、詳しくは後述するように、電圧印加装置９からの電圧を第１デバイス３に印加するために用いられるとともに、第１デバイス３から電力を取り出すために用いられる共用部分２９と、印加導線２８（後述）と共用されない部分、すなわち、電圧印加装置９からの電圧を第１デバイス３に印加するためには用いられず、第１デバイス３から電力を取り出すために用いられる取出専用部分３０とを備えている。

共用部分２９は、取出導線２７と印加導線２８（後述）との接続点（２つの接続点Ａ）から、電極２２に至るまでの領域（具体的には、２つの接続点Ａと、それぞれの接続点Ａに近接する側の電極２２との間の領域）であって、その途中部分において、第１デバイス３および１対の電極２２が介在されている。

このような共用部分２９は、取出導線２７の一部であるとともに、印加導線２８（後述）の一部でもあり、そのため、第２デバイス４として電力を取り出すために用いられるとともに、電圧印加装置９（後述）として電圧を印加するためにも用いられる。

取出専用部分３０は、取出導線２７において共用部分２９を除く部分である。なお、図示しないが、取出専用部分３０には、必要により、例えば、昇圧器、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）などを介在させることもできる。

電圧印加装置９は、第１デバイス３に電圧を印加するため、第１デバイス３に直接または近接して設けられる。

電圧印加装置９は、上記の第１デバイス３に電圧を印加するための電圧印加電源３１、および、その電圧印加電源３１に接続される印加導線２８を備えている。

より具体的には、電圧印加装置９の印加導線２８は、上記共用部分２９を取出導線２７と共用して、環状の電気回路（印加回路）を形成しており、この電気回路（環状の印加導線２８）中に、第１デバイス３と、その第１デバイス３を挟んで対向配置される１対（２つ）の電極２２と、電圧印加電源３１とが介在されている。

つまり、電圧印加装置９の印加導線２８は、上記取出導線２７と共用される上記共用部分２９と、上記取出導線２７と共用されない印加専用部分３２とを備えている。

印加専用部分３２は、印加導線２８において共用部分２９を除く部分であって、その両端部が、それぞれ、取出導線２７の第１デバイス３に対する一方側の途中部分（一方側の接続点Ａ）と、他方側の途中部分（他方側の接続点Ａ）とに、電気的に接続されている。また、印加専用部分３２の途中部分には、電圧印加電源３１が介在されている。

これにより、電圧印加電源３１は、第２デバイス４の電極２２に電気的に接続されており、電極２２が、電圧印加装置９により電圧を印加するための電極として共用されている。

そのため、この発電システム１では、電圧印加電源３１から電圧を印加し、第２デバイス４の電極２２および取出導線２７を介して、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

バッテリー７は、特に制限されず、第１デバイス３において発電された電力を蓄電可能な、公知の蓄電池が挙げられる。バッテリー７の蓄電容量および電圧は、目的および用途に応じて、適宜選択される。

制御ユニット１０は、発電システム１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、メモリおよび中央処理装置（ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータで構成されている。

また、制御ユニット１０には、第１スイッチ２３および第２スイッチ２５を制御する制御プログラムが格納されており、後述するように、第１スイッチ２３および第２スイッチ２５を開閉可能としている。

また、発電システム１は、さらに、第１デバイス３の電圧を検知する第１電圧センサ３０と、バッテリー７の電圧を検知する第２電圧センサ３１とを備えている。

第１電圧センサ３０は、取出導線２７の共用部分２９において、第１デバイス３を跨ぐように架設されており、これにより、第１デバイス３の電圧を検知可能としている。

また、第１電圧センサ３０は、上記の制御ユニット１０に電気的に接続されており（破線参照）、検知された第１デバイス３の電圧を、制御ユニット１０に入力可能としている。

なお、第１電圧センサ３０としては、特に制限されず、公知の電圧計が用いられる。

第２電圧センサ３１は、取出導線２７の取出専用部分３０において、バッテリー７を跨ぐように架設されており、これにより、バッテリー７の電圧を検知可能としている。

また、第２電圧センサ３１は、上記の制御ユニット１０に電気的に接続されており（破線参照）、検知されたバッテリー７の電圧を、制御ユニット１０に入力可能としている。

なお、第２電圧センサ３１としては、特に制限されず、公知の電圧計が用いられる。

２．発電
上記の発電システム１により発電するには、例えば、まず、熱源２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２により、第１デバイス３を、加熱および／または冷却する。

このような発電システム１において、熱源２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、熱源２が温度変化することによって、第１デバイス３が、熱源２の温度、および、熱源２に対する距離などに応じて、周期的に加熱および冷却される。なお、第１デバイス３の温度は、必要に応じて、図示しない温度センサや公知の温度予測プログラムなどにより検知（または予測）される。

第１デバイス３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。

第１デバイス３の温度変化の周期（１サイクルの加熱および冷却に所要する時間）は、例えば、０．０１秒以上、好ましくは、０．０２秒以上であり、例えば、４０秒以下、好ましくは、２０秒以下である。

そして、第１デバイス３が加熱および冷却されると、第１デバイス３の性質（焦電性、圧電性）により、温度変化に応じて電気分極し、電力を生じさせる。そこで、この発電システム１では、第１デバイス３とバッテリー７とを、任意のタイミングで接続することにより、第１デバイス３において生じた電力を、バッテリー７に取り出すことができる。

より具体的には、例えば、第１デバイス３が昇温状態であるときに、第１デバイス３とバッテリー７とを電気的に切断し、温度変化による電力を第１デバイス３に生じさせる。そして、例えば、第１デバイス３が降温状態であるときに、第１デバイス３とバッテリー７とを電気的に接続して、第１デバイス３において蓄積された電力を、バッテリー７に取り出す。

これにより、熱源２の温度変化に応じた電力を取り出すことができ、熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。

また、このような発電システム１では、より効率的に発電するため、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

第１デバイス３に電圧を印加する場合には、例えば、第１デバイス３の昇温時に、電圧印加装置９を作動させ、印加導線２８を介して、第１デバイス３に電圧を印加する。

印加される電圧（指示電圧）は、特に制限されないが、例えば、５Ｖ以上、好ましくは、５０Ｖ以上であり、例えば、５ｋＶ以下、好ましくは、１ｋＶ以下である。

これにより、さらに効率的に第１デバイス３を電気分極させることができ、第１デバイス３に電力を生じさせることができる。

そして、第１デバイス３の降温時には、電圧印加装置９を停止させた後、第１デバイス３とバッテリー７とを電気的に接続して、第１デバイス３において生じた電力を、バッテリー７に取り出す。

このように第１デバイス３に電圧を印加することにより、発電効率の向上を図ることができる。

３．制御
上記したように、この発電システム１では、第１デバイス３が加熱されるときに、第１デバイス３に電力が蓄積され、第１デバイス３が冷却されるときに、蓄積された電力（電流）が回収される。

しかし、電力（電流）の回収と同時に、第１デバイス３の冷却によって、第１デバイス３が電気分極して、上記のように回収される電流とは逆方向の電流が生じる場合がある。

このような場合、第１デバイス３の冷却中において、回収される電流と、発生する電流とが、互いに打ち消し合うことにより、エネルギー損失を生じる場合がある。

また、上記した発電システムに１おいて、第１デバイス３からバッテリー７に電力が回収されると、第１デバイス３の電圧が、バッテリー７の電圧より低くなり、その結果、バッテリー７から第１デバイス３に向かって電流の逆流が発生し、エネルギー損失を生じる場合がある。

そこで、この発電システム１では、図２〜図６が参照されるように、第１スイッチ２３および第２スイッチ２５を制御し、電力を回収する。

より具体的には、この発電システム１では、まず、熱源２により第１デバイス３が加熱され、第１デバイス３が昇温状態になる（図２のＡ参照）。

このとき、発電システム１では、図３が参照されるように、制御ユニット１０の制御によって、第１スイッチ２３を開状態にして、第１取出回路Ｘを開状態にする。また、２つの第２スイッチ２５をいずれも開状態にして、第２取出回路Ｙを開状態にする。

すなわち、第１デバイス３とバッテリー７とを、電気的に切断する。

これにより、図３に示されるように、昇温状態の第１デバイス３が、その温度変化に応じて電気分極（例えば、第１デバイス３の一方側（紙面上側）が正極、他方側（紙面下側）が負極に電気分極）し、第１デバイス３の電圧が上昇する。

その結果、第１デバイス３の電圧が、バッテリー７の電圧よりも高くなる。

なお、第１デバイス３の電圧は、第１電圧センサ３０により継続的に検知され、制御ユニット１０に入力される。また、バッテリー７の電圧は、第２電圧センサ３１により検知され、制御ユニット１０に入力される。

また、必要に応じて、第１デバイス３が昇温状態である間、上記したように、電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

次いで、この発電システム１では、上記のように第１デバイス３が加熱され、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧よりも高くなった後、第１デバイス３が冷却され、第１デバイス３が降温状態になる（図２のＢ参照）。

このとき、この発電システム１では、図４が参照されるように、制御ユニット１０の制御によって、第１スイッチ２３を閉状態にして、第１取出回路Ｘを閉状態にする。また、２つの第２スイッチ２５をいずれも開状態にして、第２取出回路Ｙを開状態にする。

すなわち、第１デバイス３とバッテリー７とを、第１取出回路Ｘにより接続する。

これにより、図４に示されるように、第１デバイス３に蓄積された電力を、第１デバイス３からバッテリー７に、所定の第１方向（矢印α方向）に流れる第１電流として、第１取出回路Ｘを介して取り出す。

なお、このとき、第１デバイス３が冷却され、第１電流と逆向きの第２電流が発生しても、第１取出回路Ｘ中における第２電流は、整流器２４によって規制されるため、第１電流と第２電流とが打ち消し合うことを抑制できる。

その結果、第１デバイス３の電圧が低下し、バッテリー７の電圧以下になる。

なお、上記したように、電圧印加装置９により第１デバイス３に電圧を印加している場合、第１デバイス３の冷却時には、その電圧の印加を停止する。

次いで、この発電システム１では、上記のように第１電流を取り出した、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧以下になった後、第１デバイス３の冷却中に、第１デバイス３とバッテリー７とを電気的に切断する（図２のＣ参照）。

より具体的には、この発電システム１では、図５が参照されるように、制御ユニット１０の制御によって、第１スイッチ２３を開状態にして、第１取出回路Ｘを開状態にする。また、２つの第２スイッチ２５をいずれも開状態にして、第２取出回路Ｙを開状態にする。

すなわち、第１デバイス３とバッテリー７とを、電気的に切断する。

これにより、図５に示されるように、降温状態の第１デバイス３が、その温度変化に応じて、上記とは逆方向に電気分極（例えば、第１デバイス３の一方側（紙面上側）が負極、他方側（紙面下側）が正極に電気分極）し、第１デバイス３の電圧が上昇する。

その結果、第１デバイス３の電圧が、バッテリー７の電圧よりも高くなる。

なお、第１デバイス３の電圧は、第１電圧センサ３０により継続的に検知され、制御ユニット１０に入力される。また、バッテリー７の電圧は、第２電圧センサ３１により検知され、制御ユニット１０に入力される。

また、必要に応じて、第１デバイス３が降温状態であり、かつ、第１電流の取り出しが中断されている間、上記したように、電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

そして、この発電システム１では、上記のように第１デバイス３が冷却され、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧よりも高くなったときに、第１デバイス３に蓄積された電力を回収する。

より具体的には、この発電システム１では、図６が参照されるように、制御ユニット１０の制御によって、第１スイッチ２３を開状態にして、第１取出回路Ｘを開状態にする。また、２つの第２スイッチ２５をいずれも閉状態にして、第２取出回路Ｙを閉状態にする。

すなわち、第１デバイス３とバッテリー７とを、第２取出回路Ｙにより接続する。

これにより、図６に示されるように、第１デバイス３に蓄積された電力を、第１デバイス３からバッテリー７に、上記の第１方向とは逆の第２方向（矢印β方向）に流れる第２電流を、第２取出回路Ｙを介して取り出す。

その結果、第１デバイス３の電圧が低下し、バッテリー７の電圧以下になる。

その後、この発電システム１では、上記のように第２電流を取り出し、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧以下になった後、第１デバイス３を再度加熱する（図２のＡ参照）。

また、このとき、図３が参照されるように、制御ユニット１０の制御によって、第１スイッチ２３を開状態にして、第１取出回路Ｘを開状態にする。また、２つの第２スイッチ２５をいずれも開状態にして、第２取出回路Ｙを開状態にする。

すなわち、第１デバイス３とバッテリー７とを、電気的に切断する。

このようにして、第１デバイス３を繰り返し加熱および冷却し、また、その温度状態および電圧状態に応じて、第１スイッチ２３および第２スイッチ２５を操作することにより、第１デバイス３の温度変化により生じる電力を、効率よくバッテリー７に取り出すことができる。

すなわち、このような発電システム１では、第１デバイス３の加熱によって、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧よりも高くなった場合、第１デバイス３の冷却が開始されたときに、第１スイッチ２３を閉状態にするとともに第２スイッチ２５を開状態にして、第１デバイス３からバッテリー７に第１電流を第１取出回路Ｘを介して取り出す。

また、第１デバイス３の冷却中に、第１電流を取り出すことによって、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧以下になったときに、第１スイッチ２３を開状態にするとともに第２スイッチ２５を開状態にして、第１電流の取り出しを中断する。

そして、第１デバイス３の冷却によって、第１デバイス３の電圧がバッテリー７の電圧よりも高くなったときに、第１スイッチ２３を開状態にするとともに第２スイッチ２５を閉状態にして、第１デバイス３からバッテリー７に第２電流を第２取出回路Ｙを介して取り出す。

このような発電システム１では、第１デバイス３が冷却され、第１電流が第１取出回路Ｘを介して回収されるときに、その回収される第１電流と逆向きの第２電流が発生しても、第１取出回路Ｘ中における第２電流が、整流器２４によって規制されているため、第１電流と第２電流とが打ち消し合うことを抑制できる。

さらに、上記の発電システムでは、第１電流の回収が完了した後に、第１取出回路Ｘを開状態にするとともに第２取出回路Ｙを開状態にして、第１電流の取り出しを中断し、その後、第１デバイス３において生じる第２電流を、第２取出回路Ｙによって回収する。

そのため、上記の発電システム１は、エネルギー損失を抑制でき、発電効率に優れる。

なお、このような発電システム１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、第１デバイス３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２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、第１デバイス３が加熱および／または冷却され、上記の発電システム１により発電される。

なお、上記した説明では、発電システム１は、電圧印加装置９を備えているが、電圧印加装置９を備えていなくてもよい。好ましくは、発電効率の向上を図るため、発電システム１は、電圧印加装置９を備え、上記したように、昇温状態の第１デバイス３に電圧を印加する。

また、上記した説明では、第３デバイスとしてバッテリー７を備えているが、第１デバイス３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、バッテリー７に代替して、第３デバイスとして、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。

１ 発電システム
２ 熱源
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
７ バッテリー
１０ 制御ユニット
２３ 第１スイッチ
２５ 第２スイッチ

Claims (1)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する第１デバイスと、
   前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、
   前記第１デバイスから取り出された電力が供給される第３デバイスと、
   前記第２デバイスを制御するための制御手段と
   を備え、
   前記第２デバイスは、前記第１デバイスを挟んで対向配置される１対の電極、および、前記電極に接続される導線を備え、
   前記第２デバイスの前記導線は、
   前記第１デバイスから第３デバイスに向かって所定の第１方向に流れる第１電流を取り出すための第１取出回路と、
   前記第１デバイスから第３デバイスに向かって前記第１方向とは逆の第２方向に流れる第２電流を取り出すための第２取出回路とを備え、
   前記第１取出回路には、前記第１方向における電流の流れを許容し、前記第２方向における電流の流れを規制する整流器と、前記第１取出回路を開閉する第１スイッチとが介在されており、
   前記第２取出回路には、前記第２取出回路を開閉する第２スイッチが介在されており、
   前記制御手段は、
   前記第１デバイスの加熱によって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧よりも高くなった場合、前記第１デバイスの冷却が開始されたときに、前記第１取出回路を閉状態にするとともに前記第２取出回路を開状態にして、前記第１デバイスから前記第３デバイスに前記第１電流を前記第１取出回路を介して取り出し、
   前記第１電流の取り出しによって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧以下になったときに、前記第１取出回路を開状態にするとともに前記第２取出回路を開状態にして、第１電流の取り出しを中断し、
   前記第１デバイスの冷却によって、前記第１デバイスの電圧が前記第３デバイスの電圧よりも高くなったときに、前記第１取出回路を開状態にするとともに前記第２取出回路を閉状態にして、前記第１デバイスから前記第３デバイスに前記第２電流を前記第２取出回路を介して取り出す
   ことを特徴とする、発電システム。

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