JP2022027050A - buoy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境発電装置を搭載する水上に浮かぶブイ(浮標)に関する。 The present invention relates to a buoy (buoy) floating on water on which an energy harvesting device is mounted.
従来、この種のブイは、例えば特許文献1で示されるものがあり、浮かべられる水面に対して水平方向に平たい形状のフロートとこれに固定されたチャンバとこの中に搭載される熱電発電素子や充電池とを有し、気温と海水温を熱電発電素子に伝熱する構造を備える。
Conventionally, this type of buoy is, for example, the one shown in
しかしながら、上記従来のブイでは、平たい形状のフロートを用いたブイであるため熱電発電素子の配置が固定されるため、気温が海水温よりも高い状況(あるいはその逆)でしか発電できない問題点や、また、平たい形状のフロートを用いるため浮力と重心と形状により、海面に対して表裏が固定できるブイにしか搭載できない、という問題点があった。一般に、熱電発電素子は高温側電極と低温側電極で構成され、高温側に高温側電極を、低温側に低温側電極を配置することで発電するが、その逆は発電できない。 However, in the above-mentioned conventional buoy, since the buoy uses a flat float, the arrangement of the thermoelectric power generation elements is fixed, so that there is a problem that power can be generated only when the temperature is higher than the seawater temperature (or vice versa). In addition, since a flat float is used, there is a problem that it can be mounted only on a buoy whose front and back can be fixed to the sea surface due to its buoyancy, center of gravity and shape. Generally, a thermoelectric power generation element is composed of a high temperature side electrode and a low temperature side electrode, and power is generated by arranging a high temperature side electrode on the high temperature side and a low temperature side electrode on the low temperature side, but vice versa.
本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、熱電発電素子の配置が緩和され様々な姿勢で発電できるブイを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a buoy capable of generating electricity in various postures by relaxing the arrangement of thermoelectric power generation elements.
本発明のブイは、浮体を含むブイであって、前記浮体として内周面に蓄熱部を備える閉塞筐体と、各々が、前記閉塞筐体から外部に露出する第1伝熱部及び前記第1伝熱部の反対側で前記蓄熱部に熱的に接触する第2伝熱部を有し、前記閉塞筐体に液密的に保持され、且つ前記第1伝熱部及び前記第2伝熱部の間の温度差により熱電発電する、複数の熱電発電ユニットと、前記複数の熱電発電ユニットに接続されて電力が供給される電子装置と、を有することを特徴とする。 The buoy of the present invention is a buoy including a floating body, and the closed housing having a heat storage portion on the inner peripheral surface as the floating body, a first heat transfer portion exposed to the outside from the closed housing, and the first heat transfer portion, respectively. It has a second heat transfer section that is in thermal contact with the heat storage section on the opposite side of the first heat transfer section, is held liquid-tightly in the closed housing, and has the first heat transfer section and the second heat transfer section. It is characterized by having a plurality of thermoelectric power generation units that generate heat electricity by a temperature difference between the heat units, and an electronic device connected to the plurality of thermoelectric power generation units to supply power.
本発明の発電装置によれば、ブイにおける複数の熱電発電ユニットの配置が緩和され様々な姿勢で発電できるブイを提供できる。 According to the power generation device of the present invention, it is possible to provide a buoy capable of generating power in various postures by relaxing the arrangement of a plurality of thermoelectric power generation units in the buoy.
以下、図面を参照しつつ本発明による実施例の発電装置について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, the power generation device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the examples, components having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
(第1の実施例)
(構成の説明)
図1は第1の実施例の海上に浮いているブイ1を示す斜視図である。図2は図1の線xxに沿って切断したブイ1を示す断面図である。ブイ1の密閉された内部には、蓄熱部2と複数の熱電発電ユニット3と電子装置4と蓄電デバイス5と、が配置されている。
(First Example)
(Explanation of configuration)
FIG. 1 is a perspective view showing a
[閉塞筐体]
ブイ1は、浮体として閉塞筐体1a(外郭ともいう)を備える。閉塞筐体1aには、水又は空気の影響を遮断し、外部から内部に熱又は電磁波を透過させるべく、耐水性の樹脂やガラス等の透明壁を使用することができる。また、閉塞筐体1aは、蓄熱部2と透明壁との間を真空にして断熱構造としてもよい。透明壁は、太陽光線や赤外線の透過特性を適切に考慮し、適切な材質のものを用いることが好ましい。
[Closed housing]
The
本実施例の閉塞筐体1aの内周面に蓄熱部2が設けられている。蓄熱部2はブイ1内部にて、図1のようにブイ1外郭内側を覆った状態で、内部の空洞SP(蓄熱部不在空間)を画定している。なお、蓄熱部2の内側面は、これを被覆する公知の適当な断熱材(図示せず)によって覆われていてもよい。
A
電子装置4と蓄電デバイス5を、ブイ1の蓄熱部2の空洞SP内に配置することもできる。この構成によれば、電子装置4等の温度を、例えば、外部環境の最高温度と最低温度の中間温度付近に保つことができ、それによって、電子装置4等を温度ストレスから保護し、安定的に動作させることができる。
The
ブイ1の外郭形状は球体、多面体、角柱形又は円柱形などで、波や風などの外乱による回転が許容される形状である。
The outer shape of the
[蓄熱部]
蓄熱部2は、外部環境との熱交換(熱吸収及び放熱)がより高い効率で行えるような構成を有していることが好ましい。蓄熱部2は全方位的に電磁波エネルギーを吸収し、昇温できればよい。そのため、蓄熱部2の熱交換面は黒色等の濃い色を有していることが好ましい。なお、蓄熱部2の熱交換面は、熱電発電ユニット3との接触領域を除く蓄熱部2の外側面、すなわち閉塞筐体1aとの対向面である。
[Heat storage unit]
It is preferable that the
蓄熱部2は、高い蓄熱性があることが好ましい。そのため、蓄熱部2は市販されている黒いゴム材のような材料で構成できる。蓄熱部2は黒体に近い特徴を備えていれば、材料は限定しない。
The
変形例としては、蓄熱部2は、固体状の金属又は非金属からなっていてもよく、この場合、蓄熱部2には、その熱交換面が黒色被覆されたアルミニウム塊又はプラスチック塊等を用いることが好ましい。
As a modification, the
また、蓄熱部2は、蓄熱部2の熱交換面は黒色被覆され、水等の液体によって満たされた防水性容器からなっていてもよく、この場合、容器の壁の熱電発電ユニット3との接触領域は、熱伝導性を有している。容器を満たす液体は、腐敗しにくく、凍結しにくいものであれば、どのような液体からなっていてもよく、例えば、純水、又は純水に不凍液を混合したもの、又は純水に防腐剤を混合したものを使用することができる。なお、液体にはゲル状のものも含まれる。
Further, the
またさらに、蓄熱部2には潜熱蓄熱材を用いてもよい。この場合、蓄熱部2の熱交換面は黒色被覆された防水性容器内に潜熱蓄熱材の相変化(相転移)物質を収容する。潜熱蓄熱材は、酢酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物又は石油精製品のパラフィン等の、相変化温度での融解熱又は凝固熱を利用するもので、上述の比熱が一定の液体や固体からなる蓄熱部と比べて、より大きな熱容量の蓄熱部2とすることができる。
Furthermore, a latent heat storage material may be used for the
また、構造上、例えば、蓄熱部2の全体がブイ1の外郭によって完全に覆われず、防水が確保されていれば蓄熱部2の一部が外部の環境に接していてもよく、さらに、蓄熱部2の全体が閉塞筐体1a(外郭)として外部の環境に接していてもよい。
Further, due to the structure, for example, if the entire
[熱電発電ユニット]
複数の熱電発電ユニット3の各々は、熱抵抗の低い高温側伝熱部3a及び低温側伝熱部3bとこれらに挟まれ熱的に接触する熱抵抗の高い熱電発電素子3cとを有する。高温側伝熱部3aと低温側伝熱部3bと熱電発電素子3cの側面周囲には、熱抵抗の高い断熱材(例えば空気層)からなる断熱部3dが設けられている。断熱部3dにより、熱電発電素子3c両端(高温側伝熱部3aと低温側伝熱部3b)の温度差が得られなくなることを防止する。
[Thermoelectric power generation unit]
Each of the plurality of thermoelectric
熱電発電素子3cは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る任意のものが使用可能であるが、この実施例では、ゼーベック効果を利用した、例えば、KELK製KELGENを用いることができる。熱電発電ユニット3の各々は、閉塞筐体1aに液密的に保持され、ブイ1内部を防水する。
As the thermoelectric
ブイ1の外郭には複数の熱電発電ユニット3が、それぞれ表裏交互に配置されている。すなわち、複数の熱電発電ユニット3は、表側に高温側伝熱部3aが裏側に低温側伝熱部3bが配向するように、裏側に高温側伝熱部3aが表側に低温側伝熱部3bが配向するように、配置されている。
A plurality of thermoelectric
変形例として、熱電発電ユニット3の外部に露出する低温側伝熱部3bだけの表面に凹凸を形成して、水又は空気との接触面積をできるだけ大きくすることができる。それによって、例えば、蓄熱部2が日射によって空気温度より高温になったときに、空気によって冷却され熱電発電ユニット3を起電させることができる。
As a modification, it is possible to form irregularities on the surface of only the low temperature side
[電子装置等]
各々の熱電発電ユニット3の熱電発電素子3cは配線6(正電極及び負電極の配線)によってワイヤレスセンサー等の電子装置4に接続される。電子装置4は、例えば、センサー機能とアンテナ機能と制御機能を有する。また、電子装置4は配線6によって蓄電デバイス5に接続される。なお、電子装置4及び蓄電デバイス5は、ブイ内部から配線6によって電力が供給されれば、ブイの中になくてもよい。この場合、電子装置4、蓄電デバイス5及び配線6は、完全に防水対策が施されていることが前提となる。電子装置4としては、例えば、密漁監視システムの中でデータ送信装置や水中音響センサー等が挙げられる。
[Electronic devices, etc.]
The thermoelectric
(動作の説明)
例えば、日本各地の一日の最高気温と最低気温の温度差は、平均すると約10℃であることが知られているので、本実施例のブイ1を日本近海上に配置しても、一日の気温差が約10℃であると予想される。
(Explanation of operation)
For example, it is known that the temperature difference between the maximum and minimum daily temperatures in various parts of Japan is about 10 ° C on average, so even if the
日本近海での気温を前提とするが、地球上のどの海域においても、昼間は太陽の日射による蓄熱部2の加熱が生じる一方、夜間は放射冷却による蓄熱部2の冷却が生じ、昼夜の繰り返しが気温変化を生じさせる。
Assuming the temperature in the sea near Japan, in any sea area on the earth, the
よって、本実施例のブイ1においては、海上にて太陽から熱的影響を受け易い蓄熱部2と、一端(高温側伝熱部3a又は低温側伝熱部3b)が外気に熱的に接触し、他端(低温側伝熱部3b又は高温側伝熱部3a)が蓄熱部2に熱的に接触する熱電発電ユニット3とを備え、蓄熱部2の温度を環境の温度変化に従って昇降させるようにし、外部及び蓄熱部2間に自動的に生じた温度差に比例した電圧を熱電発電ユニット3から取り出すことができる。本実施例のブイ1においては、熱電発電ユニット3の高温側伝熱部3aが海水温、低温側伝熱部3bが気温、を受けてもよいし、またその逆の組合せの温度を受けてもよい。
Therefore, in the
ブイ1の形状は球体又は円筒形などで、波や風などの外乱による回転が許容される。ある熱電発電ユニット3の高温側伝熱部3aは蓄熱部2の温度、低温側伝熱部は海水温の温度、を受けており、また他の熱電発電ユニット3は前述の組合せと逆の組合せで温度を受けている。
The shape of the
図3に昼間のブイ1の発電動作を示す。太陽光を含む電磁波エネルギーがブイ1に到達し、ブイ1外郭を透過した電磁波エネルギーが蓄熱部2に吸収される。すると蓄熱部2が昇温し、蓄熱部2の温度が海水温よりも高くなる。
FIG. 3 shows the power generation operation of the
熱電発電ユニット3のうち、高温側伝熱部3aが蓄熱部2の温度、低温側伝熱部3bが海水温、を受けている熱電発電ユニット3が発電する。発電された電力は配線6によって電子装置4に送電される。電子装置4は送電された電力を電子装置4自身で消費する。電子装置4は余剰な電力、又は主たる機能を動作させる必要がない期間に送電された電力、を配線6によって蓄電デバイス5に蓄電する。電子装置4は動作に不足する電力を蓄電デバイス5から給電してもよい。
Of the thermoelectric
蓄熱部2の熱交換面の大部分が太陽に向くようにブイ1が水上に位置できるので、季節を通じた日照角度の変化が生じても、蓄熱部2が日射を効率良く受けることができる。
Since the
図4に夜間のブイ1の発電動作を示す。気温によって、蓄熱部2の温度が下がり、海水温の方が高くなる。図3の昼間の温度状況が反転し、熱電発電ユニット3のうち、高温側伝熱部3aが海水温の温度、低温側伝熱部3bが蓄熱部2の温度、を受けている熱電発電ユニット3が発電する。その他の動作は前述した昼間の発電動作と同じである。このように、夜間の状況で、蓄熱部2の温度が海水温となり、気温の温度の方が高くなる状況でも発電できる。
FIG. 4 shows the power generation operation of the
図5にブイ1が外乱により回転した場合の発電動作を示す。ブイ1が回転しても、ブイ1の外郭に表裏交互に配置された複数の熱電発電ユニット3のうち、いずれかの熱電発電ユニット3が発電可能な温度状況となり、熱電発電を継続する。
FIG. 5 shows a power generation operation when the
ブイ1の外郭形状は球体、多面体、角柱形又は円柱形などで、波や風などの外乱による回転が許容されるが、しかし、ブイ1の形状は必ずしも回転する形状に限定しない。回転しない形状においても、熱電発電ユニット3を表裏交互に配置することで昼夜間の発電が可能であるからである。
The outer shape of the
また、複数の熱電発電ユニット3は、必ずしも、表裏交互で配置しなくてもよい。
Further, the plurality of thermoelectric
(効果の説明)
以上のように、第1の実施例によれば、複数の熱電発電ユニット3を表裏交互に配置することにより、昼夜問わず発電可能という効果が得られる。特に、昼間はブイ1内部の蓄熱部2が太陽光を含む電磁波エネルギーを吸収し、昇温することで効率的に熱電発電可能という効果が得られる。
(Explanation of effect)
As described above, according to the first embodiment, by arranging the plurality of thermoelectric
複数の熱電発電ユニット3を均一でまばら(一様に分布して)に、ブイ1の外郭に配置することで、海面に対し垂直面内でブイ1が回転しても発電可能という効果が得られる。
By arranging a plurality of thermoelectric
そして、本実施例によるブイ1をワイヤレスセンサー等の電子装置の電源として使用した場合には、商用電源から電子装置への電力供給配線や電池の交換作業が不要な独立電源が得られ、これらの電子装置を必要な水上に自由に設置することができる。
When the
また、本実施例のブイ1を、直射日光を受け得る水面上に設置するとともに、蓄熱部2を、日射を受けやすく、しかも夜間には放射冷却されやすいような構造とすることによって、蓄熱部2の最高温度及び最低温度の差をより大きくすれば、発電電力をさらに増大させることができる。
Further, the
(第2の実施例)
図6は、第2の実施例のブイ1を概念的に示す断面図である。本実施例は、第1の実施例の蓄熱部2内部の空洞SP(蓄熱部不在空間)に代えて、ブイ1内部を電子装置4と蓄電デバイス5の周りすべてを充填材料で充填した以外、第1の実施例と同一である。
(Second Example)
FIG. 6 is a cross-sectional view conceptually showing the
図6のように、蓄熱部2はブイ1内部を完全に充填され形成されてもよく、蓄熱部2が全方位的に電磁波エネルギーを吸収し、昇温できればよい。
As shown in FIG. 6, the
本実施例においても、熱電発電するための熱電発電ユニット3が複数個使用され、各熱電発電ユニット3が表裏交互に配置されていることで、蓄熱部2と海水の温度差の向きによらず(反転しても)、あるいは蓄熱部2と気温の温度差の向きによらず(反転しても)、第1の実施例と同様に熱電発電することができる。
Also in this embodiment, a plurality of thermoelectric
1 ブイ
2 蓄熱部
3 熱電発電ユニット
3a 高温側伝熱部
3b 低温側伝熱部
3c 熱電発電素子
4 電子装置
5 蓄電デバイス
6 配線
1
Claims (8)
前記浮体として内周面に蓄熱部を備える閉塞筐体と、
各々が、前記閉塞筐体から外部に露出する第1伝熱部及び前記第1伝熱部の反対側で前記蓄熱部に熱的に接触する第2伝熱部を有し、前記閉塞筐体に液密的に保持され、且つ前記第1伝熱部及び前記第2伝熱部の間の温度差により熱電発電する、複数の熱電発電ユニットと、
前記複数の熱電発電ユニットに接続されて電力が供給される電子装置と、
を有することを特徴とするブイ。 A buoy that includes a floating body
A closed housing having a heat storage portion on the inner peripheral surface as the floating body,
Each has a first heat transfer section exposed to the outside from the closed housing and a second heat transfer section that is in thermal contact with the heat storage section on the opposite side of the first heat transfer section. A plurality of thermoelectric power generation units that are held liquid-tightly and generate thermoelectric power by the temperature difference between the first heat transfer unit and the second heat transfer unit.
An electronic device connected to the plurality of thermoelectric power generation units to supply electric power, and
A buoy characterized by having.
ことを特徴とする請求項1に記載のブイ。 The buoy according to claim 1, wherein the closed housing transmits heat or electromagnetic waves from the outside to the heat storage portion.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のブイ。 The buoy according to claim 1 or 2, wherein each of the plurality of thermoelectric power generation units is provided with a heat insulating portion between the closed housing and the thermoelectric power generation unit.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のブイ。 The buoy according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of thermoelectric power generation units are uniformly distributed and arranged on the heat storage unit.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のブイ。 The buoy according to any one of claims 1 to 4, wherein the buoy is surrounded by the heat storage unit and has a space in which the heat storage unit is absent.
ことを特徴とする請求項5に記載のブイ。 The buoy according to claim 5, wherein the electronic device is arranged in the space where the heat storage unit is absent.
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のブイ。 Claims 1 to 6 of the plurality of thermoelectric power generation units, wherein the first heat transfer section and the second heat transfer section are arranged so as to alternate on the front and back along the heat storage section. The buoy described in any one of the items.
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のブイ。 The buoy according to any one of claims 1 to 7, wherein the closed housing has a spherical shape, a polyhedron, a prismatic shape, or a cylindrical shape.
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