JP3229968U - バッテリーを電源とし、ヒーターを熱源としてゼーベック半導体で発電させ、その電気を充電コントローラーに接続し、バッテリーを充電し、バッテリーが充電、放電して連続的に使用できる熱電発電システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】電源を移動することが可能で、昇圧器を使いヒーターを熱源として発電する独立型（移動式）の熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱電発電装置はバッテリーＡを電源とし、インバーターＢに接続して、直流を交流に変換し、昇圧器Ｃへ接続し、昇圧器により、インバーターからの出力電圧より高い電圧にしてヒーターＤへ接続し、ヒーターの電気抵抗をより高くして、ヒーター熱を上昇させて熱源とし、ヒーターの外側にゼーベック半導体Ｅとペルチエ半導体Ｊをモジュール構成で取り付け、発電効率を良くする。バッテリーは充電コントローラーＦで自動的に充電され、連続的に充電出来る。【選択図】図１

Description

バッテリーを電源とし、ヒーターを熱源としてゼーベック半導体が発電する電気を充電コントローラーが受けてバッテリーを充電する熱電発電システムで熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電させるものである。

熱電発電における電源と熱源を何にするかについて、バッテリーを使用するとバッテリーの容量内でしか使用出来ず、停止すると再度充電することが必要であつた。
また熱源をどうするか、バッテリーの充電をどうするかの問題が多くあった。

熱電発電システムにおける電源及び熱源を何にするか、またバッテリーへの充電をどうするか大きな課題であった。
半導体を使用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電させるとき、電源と熱源をどうするかが問題であった。既に電源は商電から取り、チャージャーに接続しバッテリーを充電することで、また熱源はガス熱、排熱、温泉熱等を熱源とすることが考えられていたが、いずれも問題があった。

本考案においてはバッテリーを電源とし、インバーターに接続して交流に変換し、昇圧器へ接続し、昇圧器によりインバーターから出力された電圧をより高い電圧にしてヒーターへ接続し、ヒーターの電気抵抗をより高くしてヒーターの熱を上昇させ、ヒーターを熱源として使用することである。ゼーベック半導体の温度差を得る為、バッテリーに接続したペルチエ半導体を組み合わせ、ペルチエ半導体の冷却側をゼーベック半導体に合わせ、又熱側はファン等で放熱してゼーベック半導体の温度差を高くして発電量をより多くするシステムとしている。
又ゼーベック半導体から発電した電気をバッテリーへ充電する為、充電コントローラーで自動的に電圧調整してバッテリーを充電することでバッテリーは充電、放電を繰り返して作動する熱電発電システムとした。

本考案で電源にバッテリーを選んだことで、電源を移動することが可能となり、更にヒーターを熱源としてゼーベック半導体で発電することで、独立型（移動式）の発電システムを提供出来る。

本考案のシステム図である。 本考案の主要部を示す図である。

本考案の実施形態はバッテリーＡを電源とし、インバーターＢに接続して直流を交流に変換し、昇圧器Ｃへ接続し、昇圧器ＣよりインバーターＢから出力された電圧より高い電圧にしてヒーターＤに接続し、ヒーターＤの電気抵抗をより高くしてヒーターＤの熱を上昇させヒーターＤを熱源としゼーベック半導体Ｅをモジュール構成してヒーターＤに取り付け、更にゼーベック半導体Ｅの温度差を付ける為ペルチエ半導体Ｊの冷却側とゼーベック半導体Ｅと組み合わせ、ペルチエ半導体Ｊの熱側はフイン、フアン等で放熱し、温度差を大きくして、発電効率をよくした事である。
ゼーベック半導体Ｅから発電する電気を充電コントローラーＦが受け、充電コントローラーＦが自動的に電圧調整し、バッテり−に接続して、バッテリーの容量に対応して充電．放電を繰り返し、連続してバッテリーＡを充電するシステムとなっている。
その為バッテリーが容量不足になり停止することなく発電するシステムである。

ヒーターＤには寿命の問題がある為、ヒーターＤの電気容量を少なく出来ない理由があり、電気容量の少ないヒーターＤに高い電圧をかけて高熱にすると電気抵抗が高くなり、急激にヒーターＤが熱で破損する。ヒーターＤの内部はニクロム線で作られていて、熱伝導を良くしている。

しかし、本実施形態はそのヒーターＤの電気容量をヒーターＤが熱で破損しない範囲の最も少ない数値にして高い電圧を加え、ヒーターＤの電圧抵抗を高くして急速にヒーターＤで熱を作くる事が特徴である。
ヒーターＤの熱が急速に高くなることで、電源となるバッテリーＡの消耗が少なく充電機能が良くなる結果が得られた。即ち、バッテリーＡは短時間の放電で済み、充電時間が長く取れることで、バッテリーＡの消耗が少なくなり、連続した充電、放電を繰り返し使用できる様になった。この原理は熱計算に於ける法則で設定したものである。
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次にゼーベック半導体ＥはヒーターＤの外側にモジュール構成してゼーベック半導体Ｅの数量によりヒーターＤの熱を受けて発電する為、発電量はゼーベック半導体Ｅの数量で自由に設定できる。

ゼーベック半導体Ｅは内部が各種の金属を利用して設計されており、発電効率の研究がなされている。しかし、業界、学界とも高い温度（２００〜８００℃）で使用できるゼーベック半導体Ｅを求めていて、実用化に至っていないのが現状である。

ゼーベック半導体Ｅの内部は金属等をＰ型、Ｎ型に分離して設計し、温度差を付けることで発電効率も良くなることが知られている。内部の製作には金属を半田加工する部分があり、高熱になると劣化の原因となる。それに拘らずより高温で発電を期待して開発されているが、本実施形態では逆にゼーベック半導体Ｅをより低温で使用し、実用化出来る様にした。

又本実施形態ではバッテリーＡとヒーターＤを連続して長時間使用出来るシステムにしたことである。ヒーターＤはニクロム線等の金属で作られている為、融点以上の利用は不可能であるが、それ以下で高温にも耐えられれば問題なく、その為、本実施形態では温度調整器Ｈによる温度管理が可能な為、ゼーベック半導体Ｅが受ける温度も６０〜８０℃の範囲で設定して充分な発電が可能となった。しかも本実施形態でバッテり−Ｄへの充電もゼーベック半導体Ｅの出力を充電コントローラーＦが受けてバッテリーＡを充電する為、バッテリーＡは放電より充電時間が長い為、バッテリーＡの蓄電量は変化せず、循環的な発電が可能なシステムにしたことが特徴である。

図１のシステム図の様にバッテリーＡはインバーターＢで直流から交流に変換して昇圧器Ｃに接続し、昇圧器Ｃでより高い電圧にして、ヒーターＤに接続する。
ヒーターＤは高い電圧の為、電気抵抗がより高くなり、急速に熱くなる。ゼーベック半導体Ｅをモジュール構成して取り付け、そのゼーベック半導体の数量により発電容量は自由に設定することが可能である。

本実施形態における発電は２系統からなり、一つはインバーターＢから、もう一つは発電デバイスＧから取ることが可能である。

本考案はゼーベック半導体で熱エネルギーを電気エネルギーに変換して電気を取り出し、発電させるシステムである。また独立型（移動式）発電機は容易に運搬が可能で、小容量から大容量に至る発電が可能なシステムの為、産業上の利用には画期的なものとなり、社会的な貢献が期待される。
具体的には電気のない地域、場所、また一般家庭、業務用、非常災害用を問わず、その利用範囲は非常に広く、太陽光発電が一日平均３．５時間しか発電しないのに比べ、この発電システムは一日２４時間発電する。充電もバッテリーへ循環して行いますので、（１）外部からの商用電力は不要で、（２）ＣＯ２は一切出ず（３）独立型（移動型）のためインフラ設備（送電線）も不要の上（４）静かで（５）振動がなく（６）クリーンで公害がなく、地球環境に優しく、地球温暖化防止にも期待できる画期的な熱電発電システムになっている。産業分野では農業部門（水耕栽培、ビニールハウス等）、漁業部門（漁船の燃料の変わり等）工業部門（工場設備等）運輸部門（電気自動車、飛行船等）また最近のＩＴ産業、ＩＯＴ事業、テレワーク等）の電源としても利用可能である。

Ａ バッテリー
Ｂ インバーター
Ｃ 昇圧器
Ｄ ヒーター
Ｅ ゼーベック半導体
Ｆ 充電コントローラー
Ｇ 発電デバイス
Ｈ 温度調整器
Ｉ フイン、フアン等
Ｊ ペルチエ半導体

Claims (1)

1. バッテリーを電源とし、直流のバッテリーをインバーターに接続して、交流に変換して昇圧器に接続し、昇圧器でインバーターから出力した電圧をより高い電圧にしてヒーターへ接続し、ヒーターの電気抵抗をより高くして急速にヒーターを熱くしてヒーターを熱源として使用する。ゼーベック半導体はその熱を受けて発電する。
   ゼーベック半導体から発電する電気に温度差を付けて、より多くの電気を取る為、ゼーベック半導体にペルチエ半導体を組み合わせ温度差を作り、ペルチエ半導体は一方が冷たくなり、他方は熱くなる為、ペルチエ半導体の冷たくなる側をゼーベック半導体と合わせて温度差を高くして発電させる。そしてペルチエ半導体の熱側は不安定な為、フアン等で放熱する。
   ゼーベック半導体より発電する電気をバッテリーへ充電する為、充電コントローラーに接続して充電コントローラーがバッテリーの容量に対応して自動的に電圧調整して充電するシステムの為、バッテリーが容量不足になり停止することなく連続して充電するシステムとしたことが特徴である。しかも、ゼーベック半導体をモジュール構成して作成し、発電容量も半導体の数量で決めてバッテリーを充電することが可能である。
   その結果バッテリーは充電．放電を繰り返して発電する様になり電気の使用に対応して充電コントローラーが対応する発電システムとなっている。

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