JP5664219B2

JP5664219B2 - 発電装置

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Publication number: JP5664219B2
Application number: JP2010287845A
Authority: JP
Inventors: 豊朗舟生; 山下　慎太郎; 慎太郎山下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012136053A

Description

本発明は、例えば月面上で利用される、発電装置に関するものである。

現在、宇宙用の発電システムは、太陽電池パドルを用いたシステムが主流である。

太陽電池パドルは、文字通りパドル上に取り付けた太陽電池パネルを太陽方向に正対させることで、最も効率的に太陽光エネルギーを電力に変換する光電変換システムである。この太陽電池パドルを、電力の途中補給が困難な人工衛星や宇宙ステーション等の宇宙機に搭載することで、軌道上での発電により電力を供給することが可能となる。

現在、太陽電池セルの発電効率の高いものは35.8%であり、この発電効率の良いセルを使用した太陽電池パドルは、実装率(実際にパネルにセルを設置できる面積率)を80%としても、太陽光強度を約1300W/m²（遠日点）とした場合、約373W/m²となる。

これは、現在軌道上で稼動している衛星が使用している太陽電池パドルの、2倍近い数値である(軌道上では200W/m²程度)。

通常、軌道上では太陽電池パドルを太陽と正対させるため、パドルに駆動機構を設け、太陽電池パドルを太陽方向に向けるように駆動する。また、スピン衛星のように衛星周辺に太陽電池パネルを張り、どの方向から太陽光が入射しても電力が発生するような構成もある。パドル駆動機構がある場合は、太陽電池パネルの重量は適正となるが、太陽電池パネルの他にパドル駆動機構が必要となる。スピン衛星の場合、太陽電池パネルは本来必要な発生電力より数倍多くの面積が必要となり、重量的に重くなっていた。

このような技術を用いて、月面に発電システムを構築するには、相当な質量の資材を地球から月面上に運び、月面で組立てる必要があった。

また、人工衛星の発電に、深宇宙に飛翔する探査衛星用の原子力電池を利用することも考えられるが、原子力を利用することから月面での有人作業を伴う場合には、多くの安全装置や放射線の防護対策などが必要となり、かつ地上での打上げ作業にも同等の対策が必要になる。つまり、射場設備、ロケットの安全性、宇宙機クルー及び月面作業クルー等の安全対策等の観点から、個別の効率を上げるために数多くの課題を生じる。

一方、人工衛星用に熱電変換素子をパネルに組み付けて、発電を行うシステムが知られている。このような例として、例えば特許文献１〜３が開示されている。特許文献１及び２は、主に熱電変換素子を如何にしてパネル上に組み付け、効率を上げるかが主目的であり、発電システムとして着目したものではない。

また、特許文献３は、人工衛星の放熱面上に熱電変換素子を貼り付け、高熱側に衛星の負荷部品を用いて、電気を回生する技術を開示している。しかし、特許文献３は、熱電変換素子のモジュール面積だけの放熱を行うことになっており、もし同サイズの面積で放熱可能であれば、モジュール内側の高熱側の衛星熱源の熱量がそもそも大きくないことを示すものである。逆に熱電変換モジュールの内側の熱量が大きければ、熱電変換素子はヒートポンプであり、いずれ外面に熱が伝達してしまい、内外の温度差は生じないものとなる。つまり、特許文献３の発明だけでは実効的には効力を発しない。また、特許文献３では熱電変換モジュールの特性である温度差と電圧の相関性について触れておらず、依然アイデアの域を出ていない。

さらに、熱電変換素子に関する構成を示したものとして特許文献４乃至７があるが、これらは何れも、宇宙用に供されることを示したものではない。

一方、地上での熱電変換を利用した発電システムとして、海洋発電システムが知られている。海面下1000m程度の深海には10℃の温度で安定した海水があり、海洋上の水温が常に25℃であることから、この温度差を利用して発電を行うシステムが研究されている。しかし、熱電素子を使用するものは、発電効率から実用的ではないとされている。その理由は、地上での熱電変換は、海洋深層水や温泉などの流体を熱源として採取し、地表近くの流体との温度差を利用して発電するため、必然的に最低温度は0℃以下になれず、温度差が限定される。また、地熱のような高温の熱源を得るためには、システムを設置できる地域が限定されるなどの制約が多い。さらに、これらの温度差を利用するならば、アンモニアを利用したタービン型の発電機を利用した方がはるかに効率的であるとされている。

そのため、熱電変換素子による発電は、効率の悪さから設備設置費用との経済性がつりあわず、従前では使用されることがなかった。

また、海洋温度差発電と同様に冷却側のシステムが必要な構成の発電システムとして特許文献８などがあげられるが、同様に温度差が限定されるため、発電効率が悪いという欠点がある。

特開平７−２８３４４３傾斜構造素子を用いた超高効率エネルギー変換装置特開平２００６−１０８４８０自己発電型パネル特許番号第２９７３９９６号宇宙機の電力回収構造特開昭６３−１２８６８１熱電変換装置特開２００３−２５８３２３熱電素子特開２００４−２８１６６６熱電変換デバイス特開平４−３０５８６熱電装置特開２００１−５３３２２発電装置及び情報処理機器

月面では、月自転周期に対応して、約14.8日の昼と夜が発生する。日照中は大気がないため、太陽光輻射を受け、月面は最高110℃(383Ｋ)まで温度が上昇する。また、夜間は宇宙空間へ熱放射が行われるため、最低-170℃(103Ｋ)まで温度が低下する。

そのため、月面で作業を実施しようとすると、夜間に月面での作業を行う、もしくは月面に設置され移動させることができない各種機器は、低温による不具合を保温しておく必要が生じ、保温ヒータによる電力の消費が不可避になる。

このような月面において、太陽電池パドルを用いて発電システムを組む場合、以下のような状況と、それに伴う課題がある。

月面の太陽光強度は大気がほとんどないため、軌道上と同様と考える。しかし、月面は軌道上と違う環境として、レゴリスと呼ばれる推積層が表面を覆っている。レゴリスはいわゆる月の砂といわれるもので、非常に細かい粒子であり、有人探査の際、宇宙服の継ぎ目に侵入したものであり、駆動系に対して障害になる可能性のある物質である。

月面上で太陽電池パドルを使用する場合、太陽電池パドルを組み立てる際や周辺で月面作業者（有人である場合）や、月面作業車(有人、無人含む)などがレゴリスを巻き上げることがある。レゴリスは非常に粒子が細かいため、太陽電池パドルの表面に付着し、発生電力の低下や、太陽電池パドルを可動する駆動部に入り込み、駆動部の不具合による発生電力低下の原因にもなり得る。これらを解消するために、駆動部を持たない固定式の太陽電池パドルも考慮されているが、太陽電池パドルを構成する太陽電池パネルの大型化もしくは数量増を招くことになる。

また、太陽電池パドルは、一番電力が必要になる夜間には発電できないため、日照中に夜間に使用する分の電力もバッテリに蓄電し、夜間に電力を供給する必要がある。そのため、太陽電池パドルは日照中に使用する電力量を賄うに必要な面積に加えて、夜間の消費電力分を蓄電するために必要な電力を発生させるための面積を必要とする。これは宇宙機器が地上から資材を輸送する前提を考慮すると、輸送する質量が大きくなるという問題を招く。

本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、月面上での発生電力の低下を抑制するとともに、夜間の所要バッテリ消費電力を補うことを目的とする。

本発明による発電装置は、熱電変換素子を間に挟む外面パネル及び内面パネルからなり、互いに交差して配置された複数枚の発電パネルと、上記発電パネルの内面パネルに熱的に接続された熱伝導部と、上記熱伝導部の一部に熱的に接続された熱交換部と、上記熱電変換素子に接続された電力制御装置とを備えたものである。
また、上記熱電変換素子は、上記外面パネルと内面パネルの温度差に応じて発電する。
また、上記熱交換部は、月面の地中に埋設されて利用される。
また、上記電力制御装置は、上記熱電変換素子の電極の極性を切替えるスイッチを有する。

本発明によれば、月面での日照部分と日陰部分の温度差を電気エネルギーに変換して発電する発電装置を構成し、冷却側に月面への放熱部を配置することにより、日照中に太陽電池と同じ面積で大きな電力を発生させることができる。また、太陽電池パドルが発電できなかった日陰中にも発電することができる。

本発明に係る実施の形態１の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態１の構成を示す鳥瞰図である。本発明に係る実施の形態１の構成を示す部分断面図である。本発明に係る実施の形態１の回路構成を示す図である。本発明に係る実施の形態１における発電パネルの温度遷移図である。本発明に係る実施の形態１における発電パネルの発生電力遷移図である。本発明に係る実施の形態１における発電パネルの発生電圧遷移図である。本発明に係る実施の形態２の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態２の構成を示す鳥瞰図である。本発明に係る実施の形態２の温度遷移図である。本発明に係る実施の形態２の発生電力遷移図である。本発明に係る実施の形態２の発生電圧遷移図である。本発明に係る実施の形態２の総合発生電力遷移を示す図である。本発明に係る実施の形態３の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態３の構成を示す鳥瞰図である。

実施の形態１．
図１乃至図４は、本発明に係る実施の形態１による発電装置の構成を示す。図１は実施の形態１による発電装置の断面図であり、図２は実施の形態１による発電装置の鳥瞰図である。図１及び図２に示す発電装置は、月面の赤道上に設置することを想定した第１の実施例の月面発電装置を構成している。図３は、実施の形態１による発電装置の発電パネルの構成を示す断面図であり、図４は実施の形態１の回路構成図である。また、図５は実施の形態１における発電パネルの温度遷移図であり、図６は実施の形態１における発電パネルの発生電力遷移図であり、図７は実施の形態１における発電パネルの発生電圧遷移図である。

図において、実施の形態１の発電装置は、複数枚の発電パネル８と、地下熱伝導部５と、熱交換部６と、電力制御装置７と、ケーブル１０から構成される。図１及び図２の例では、８枚の発電パネル８（8a〜8h）が、所定の角度（例えば２２.５度）をなして互いに交差して配置されるとともに、発電パネル８（8a〜8h）の端部同士が近接して設置されている。隣接した発電パネル８（8a〜8h）の端部間は断熱されている。８枚の発電パネル８（8a〜8h）は、太陽の移動に合せて順次太陽と正対するように、月面上に線対称形状に配置されている。最端部に位置する発電パネル８（8a、8h）の端部は、縁部９に接続されている。

発電パネル８は、図３に示すようにそれぞれる外面パネル１（1a〜1h）と、内面側に接合された熱電変換素子２(2a〜2h)と、熱電変換素子２を外面パネル１と挟み込むように接合された内面パネル３(3a〜3h)とから構成される。熱電変換素子２は、外面パネル１（1a〜1h）と内面パネル３(3a〜3h)の温度差に応じて発電する熱電対を構成する。外面パネル１及び内面パネル３は、熱伝導率の良い素材（例えばアルミニウムや銅等の合金）により組成され、表面を熱吸収し易いように加工し、黒色塗装してある。特に、外部パネル１の太陽正対面は熱吸収の良い材質または表面処理がなされている。また、外面パネル１（1a〜1h）は太陽輻射熱吸収面を構成し、太陽輻射熱吸収面の裏面に熱電変換素子２(2a〜2h)の高温側が設置されることとなる。また、熱電変換素子２の低温側に内面パネル３(3a〜3h)が設置されることとなる。

図２に示すように、内面パネル３(3a〜3h)には地上熱伝導部４が接合されている。地上熱伝導部４は、帯状の熱良導性の板から構成され、各内面パネル３(3a〜3h)の内面に沿って配置される。地上熱伝導部４の端部は縁部９を介して地下熱伝導部５に接合されている。地下熱伝導部５は熱良導性の棒状部材から構成されている。地下熱伝導部５の下部には地下熱と熱交換を行うための熱交換部６が設けられている。これによって、地上熱伝導部４及び地下熱伝導部５を介して、発電パネル８と熱交換部６の間で熱交換が行われる。熱交換部６は、放熱フィンを構成する三角形状の板からなり、地下熱伝導部５の軸線に対して放熱フィンが垂直に突き出すように、地下熱伝導部５に放射状に取り付けられている。熱交換部６は、地下熱伝導部５を介して伝導される熱を放射する放射面および／または月面下に放熱をする放熱杭を構成する。熱電変換素子２は、ケーブル10により発生した電力を制御及び蓄電する電力制御装置７に接続されている。電力制御装置７は、図示しないケーブルを介し図示しない外部の負荷に接続される。

次に、図２、４について、電力制御装置７の基本的な動作を説明する。
熱電変換素子２(2a〜2h)にケーブル10が接続され、電力制御装置７と熱電変換素子２(2a〜2h)との間の電気的な接続がなされている。図２において、各熱電変換素子２ａ〜２ｈとケーブル10間の接続は図示していないが、熱電変換素子２ａ〜２ｈ毎にそれぞれ対応するケーブル10が接続され、電力制御装置７に接続されている。熱電変換素子２(2a〜2h)の一方の電極は正極もしくは負極を構成し、他方の電極は一方の電極とは逆の極性を構成する。

熱電変換素子２の一方の電極から入力された導線７ｊ上に電圧計７ａが接続されており、電圧計７ａには、スイッチ切替器７ｂが接続されている。また、熱電変換素子２から入力された導線７ｊは、スイッチ７ｃに接続され、スイッチの接続状態を切り替えることにより、電流経路を切り替えるようになっている。スイッチ７ｃは、四つの端子Ｓ１〜Ｓ４から構成され、第１接続状態では、Ｓ１とＳ２が接続されるとともにＳ３とＳ４が接続される。また、スイッチ７ｃの第２接続状態では、Ｓ２とＳ３が接続されるとともにＳ１とＳ４が接続される。導線７ｊはスイッチ７ｃの端子Ｓ２に接続されている。また、熱電変換素子２の他方の電極に入力される導線７ｋはスイッチ７ｃの端子Ｓ４に接続されている。

スイッチ切替器７ｂは、電圧計７ａが検出した電圧の正負により、スイッチ７ｃを切り替えるように接続されている。また、スイッチ７ｃの端子Ｓ３は配線７ｇに接続されており、配線７ｇの下流側は電力を消費する図示しない負荷に接続されている。配線７ｇにおけるこの負荷とスイッチ７ｃの間には、充放電制御部７ｅが接続されており、充放電制御部７ｅはバッテリ７ｄに接続されている。バッテリ７ｄは、この負荷が消費する電力が発生電力より小さい場合に余剰電力を蓄積する。充放電制御部７ｅは、このバッテリ７ｄの充放電の制御を行う。スイッチ７ｃの下流側には、ＤＣ／ＤＣ変換器７ｆが設けられており、下流に対して一定の電圧で電力を供給するようになっている。ＤＣ／ＤＣ変換器７ｆはスイッチ７ｃの端子Ｓ１に接続される。

次に、実施の形態１に係る発電装置の動作について説明する。
月の環境条件は、大気がほとんどないので、太陽輻射による熱入力と日陰部分の輻射による放熱が著しいため、日照部分が最高120℃(393K)で、日陰部分が最低−157℃(116K)になる。つまり、赤道上で平面の部分であれば、日の出直後が最低の−157℃(116K)となり、月の正午が最高の120℃(393K)になる。

また、月の表面のレゴリスは熱伝導効率が悪く、月面から１ｍ程の地中で-30℃(243K)でほぼ一定に保たれている。

まず、発電パネル８aに太陽光が入射する日照時の場合について説明する。
発電パネル８aに太陽光が入射すると、その太陽輻射により外面パネル１の温度が上昇する。温度上昇は外面パネル１の表面状態と材質の熱容量により定まる。例えば、実施例の外面パネル１を構成する材質をアルミニウムと仮定すると、135℃(408K)まで温度が上昇する。

一方、内面パネル３は環境条件的に-170℃(103K)に置かれるが、月面下1m以下に設置された熱交換部６の環境温度-30℃(243K)より熱を受け、地下熱伝導部５及び地上熱伝導部４を介して時間経過とともに-30℃(243K)になる。

太陽光が外面パネル１に入射して最も温度が上昇し、外面パネル１の温度が135℃(408K)に上昇した時点でも、内面パネル３の初期温度は-30℃(243K)であり、外面パネル１が135℃(408K)になった時点での温度差は165℃(165K)である。

この温度差により熱電変換素子２から電力が発生する。発生した電力は、ケーブル10により電力制御装置７に送られ、電力制御装置７から所定の負荷もしくは余剰電力をバッテリ７ｄに充電する。

ここで、熱電変換素子２の機能はヒートポンプであり、長時間使用すると熱電変換素子２を介して熱量が内面パネル３に移動することになる。内面パネル３の温度が上昇すると、温度差がなくなり、起電力が低下してしまう。そこで、実施の形態１の発電装置においては、この外面パネル１から熱電変換素子２を介して移動する熱量を、地上熱伝導部４及び地下熱伝導部５を介して熱交換部６に伝導し、熱交換部６から-30℃(243K)の月面下に放熱する。これにより、内面パネル３は安定した温度環境を維持することができるようになる。

逆に、外面パネル１に太陽が入射しない場合は、これと逆の事象が発生する。ここでは、発電パネル８aに太陽光が入射しない日陰時の場合について説明する。
上述のように内面パネル３は、月面下の温度環境より-30℃(243K)の安定した温度環境を保持することとなる。一方、外部に曝露されている外面パネル１は、月面は-170℃(103K)及び環境は宇宙空間の-270.25℃(2.75K)となっている。そのため、外面パネル１ａは、その表面及び材質の熱特性から最大-182℃(91K)まで低下する。つまり、内面パネル３と外面パネル１の温度差は極性が反転するが152℃(152K)となる。

日照時が（外面パネル１の温度）＞（内面パネル３の温度）に対して、日陰時は(外面パネル１の温度)＜（内面パネル３の温度）と、温度差の極性が逆転する。そのため、発電素子２が発生する電力も、日照時と日陰時で電圧の極性が逆転する。そこで、電力制御装置７は、熱電変換素子２で起電した電力の電圧の極性を電圧計７ａにより検知し、スイッチ切替器７ｂを制御し、スイッチ７ｃにより電力制御装置７の下流に接続された図示しない負荷に対して、極性(HOT,RETURN)が変わらないように電力を供給している。スイッチ７ｃのHOT側の下流には負荷への出力から分岐してバッテリ７ｄに対して充放電を制御する充放電制御部７ｅが設けられている。これにより、負荷が消費する電力が、発電パネル８aが供給できる電力より下回ったときは充電し、上回ったときは放電するように制御される。

この月面上に設けられた発電装置は、熱電変換効率が良いとされる市販の熱電変換モジュールを用いて発電した場合、以下の発電能力を示す。熱電変換モジュールは、50mm×50mm×4.2mmで、温度差250℃で24Wの発電能力がある。これを1平方メートルあたりの発電量に換算すると、モジュールの実装率を80%とした場合、7680W/m²となる。

熱電変換効率は、温度差の二乗に比例することから、日照時の温度差165℃の場合、3348W/m²となる。

日陰時には、この逆の減少が発生する。内面パネルが-30℃となり、外面パネルが-182℃(91K)となり、152℃(152K)の温度差となり、電圧の極性は反対になるが、同様に2848W/m²の電力を発生する。

上述の説明はピーク時の発生電力を述べているが、月の自転により発電パネル８に順次太陽光が照射されていくため、太陽光入射強度が入射角度により変化し、外面パネル１の温度変化となる。そのため、外面パネル１の温度遷移により、発電パネル８ａ〜８ｈの発生電力も遷移していく。

図５（ａ）は発電パネル８ａ〜８ｈと月面の温度遷移を示し、図５（ｂ）は発電パネル８ａ〜８ｈのパネル内外の温度差を示す。図６（ａ）は各発電パネル８ａ〜８ｈの発生電力の推移を示し、図６（ｂ）は各発電パネル８ａ〜８ｈの発生電圧を合計した発電装置全体の発生電力の推移を示す。図７は発電パネル８ａ〜８ｈの発生電圧を示す。図中の横軸の数値は、新月から新月までの月齢を示しており、7.2月齢から22.7月齢が昼、それ以外が夜となっている。さらに、図７の発電パネル８ａ〜８ｈの電圧については、数値が実際の負荷に必要となる電圧（０Ｖ〜６０Ｖ）に近づけるために、上記モジュールを直列に１０個接続した状態で表示している。

図５に示す通り、日陰時には発電パネル８ａ〜８ｈの温度がマイナスとなり、日照時に遷移すると温度が急上昇する。また、この温度変化に応じて、図７に示す通り日陰から日照に掛けて発電パネル８ａ〜８ｈの極性が反転する。しかし、図６（ａ）（ｂ）に示す通り、日陰から日照に掛けて何れかの発電パネル８ａ〜８ｈが電力を発生しており、日陰時の発生電力の方が日照時の発生電力よりも高めになっている。また、日陰から日照に遷移した直後、または日照から日陰に遷移する直前に、発生電力が低下して極小となる。

図８（ａ）（ｂ）は、このような温度の遷移がなされるときの電力制御装置７の内部の動作を示す。また、図９は発電パネル８ａの外部パネル１ａの温度、外部パネル１ａと内部パネル３ａの温度差、熱電変換素子２ａの発生電力及び電圧の遷移を示す。
なお、図４の回路図から判る通り、発電パネル８ａ〜８ｈにそれぞれ対応して図８のような回路が構成されるが、説明を明瞭にするために、図８では発電パネル８ａ単体での動作を図示するものとする。

図９のグラフから判るように、温度差と発生電力及び電圧には相関がある。上記のように発生電力は、温度差の二乗に比例し、電圧は（温度差）×（ゼーベック係数）にて導かれる。

特に電圧については、温度差により変化が著しいため、図８（ａ）（ｂ）に示すように電力制御装置７の内部にDC/DC変換器７ｆを設置し、負荷及びバッテリに供給する電力を一定の電圧に変換している。

また、温度差と熱電変換素子２の電圧の極性には相関があり、外部パネル１と内部パネル３の温度差が逆転した時点で電圧も逆転するため、図８（ａ）（ｂ）のように電力制御装置７内部の電圧計７ａにおいて電圧を測定し、その符号によってスイッチ７ｃを切替えるよう、スイッチ切替器７ｂが設けられている。図８（ａ）では、スイッチ７ｃが接点端子Ｓ１とＳ２間と、接点端子Ｓ３とＳ４間をそれぞれ接続している（第１接続状態）。一方、図８（ｂ）では、スイッチ７ｃが接点端子Ｓ１とＳ４間と、接点端子Ｓ３とＳ２間をそれぞれ接続している（第２接続状態）。このように電力制御装置７は、電圧計７ａで計測した電圧極性の反転に応じて、熱電変換素子２の電極とスイッチ７ｃの接続を切替えることにより、熱電変換素子２の電圧極性の逆転に合わせて接続される負荷の極性を切替えることができる。

このように電力制御装置７を設けることで、発生電力を安定して負荷へ供給することができる。

以上説明した通り、実施の形態１による発電装置は、太陽輻射熱吸収面と、太陽輻射熱吸収面の裏面を高温側として設置された熱電変換素子と、熱電変換素子の低温側に設置された熱伝導部と、熱伝導部を介して熱を放射する放射面および／または月面下に放熱をする放熱杭から構成されることを特徴とする。
この構成によって、月面での日照部分と日陰部分の温度差を電気エネルギーに変換して発電する発電装置を構成し、冷却側に月面への放熱部を配置することにより、日照中に太陽電池と同じ面積で大きな電力を発生させることができる。また、太陽電池パドルが発電できなかった日陰中にも発電することができる。
また、これによって、月面の昼夜の温度差と、地中の安定した温度を活用することで、安定した発電を実現するとともに、地球から輸送する資源を最小とする発電装置を提供することができる。

なお、発電パネル８は、図１に示すように８枚に限ることはなく、日照時に何れかの発電パネルが日照を受けるように、互いに交差して配置された複数枚の発電パネルから構成されれば良い。また、複数枚の発電パネルが線対称形状や、正多面体を構成するように配置されても良い。また、月面上を半球状に覆うように、半球ドーム型に３６０度全周に配置されても良い。

実施の形態２．
図１０乃至図１２は、本発明に係る実施の形態２による発電装置を示す。図１０は実施の形態２による発電装置の発電パネルの構成を示す断面図であり、図１１は実施の形態２による発電装置の断面図であり、図１２は実施の形態２による発電装置の鳥瞰図である。また、図１３は実施の形態２における発電パネルの総合発生電力遷移を示す図である。実施の形態２の発電装置も、月面の赤道上に設置することを想定した第２の実施例の月面発電装置を構成する。

図１０に示すように外面パネル１１の内側に熱電変換素子１２を接合し、かつその熱電変換素子１２に内面パネル１３を接合して、発電パネルを構成している。内面パネル１３は、外面パネル１１と同様な素材から形成されている。この外面パネル１１、熱電変換素子１２、内面パネル１３は、発電パネル１８（18a,18b,18c）を構成する。外面パネル１１は、例えば熱伝導効率の良い素材（例えばアルミニウムや銅等の合金）により組成され、表面を熱吸収し易いように加工し、黒色塗装してある。また、外面パネル１１は、内面パネル１３より巾を大きくしてある。これは月軌道が地球軌道面に対して、約5度傾いているため、内面パネル１３に太陽光が入射しないようにすると同時に熱入力を大きくするためである。外面パネル１１と内面パネル１３の間に挟みこみ接合された熱電変換素子１２から、図示しないケーブルを介して、電力が出力される。

発電パネル１８は、図１１及び図１２に示すように配置される。発電パネル18aと発電パネル18bは、９０度より大きく１８０度よりも小さい角度（鈍角）を成して配置され、発電パネル18bと発電パネル18cは、９０度前後の角度を成して配置される。発電パネル１８（18a,18b,18c）における内面パネル１３側には、その端縁部において地上熱伝導部１４が接合されている。地上熱伝導部１４は、内面パネル１３の熱を地下熱伝導部１５に伝導する熱伝導板が、内面パネル１３の縁部に立設している。地上熱伝導部１４は、月面に設置する部分で地中に埋設される地下熱伝導部１５に接合されている。地下熱伝導部１５は、1m以上の長さを有した熱良導性の棒状部材から構成され、1mを超えた部分に熱交換板１６を接合している。熱交換板１６は、放熱フィンを構成する三角形状の板からなり、放熱フィンが地下熱伝導部１５の軸線に対し垂直かつ放射状に突き出るように、地下熱伝導部１５に取り付けられている。電力制御装置１７は、ケーブル２０を介して発電パネル１８に接続されている。

地上熱伝導部１４は、発電パネル１８（18a,18b,18c）間の熱交換を実施するように熱伝導率の高い部材（カーボンナノチューブ等）もしくはヒートパイプなどを組み込み、発電パネル１８、熱交換板１６との間の熱交換を実施する。

熱交換板１６は、月面下1mへ熱を効率よく逃がすため表面積を大きく取るものである。また、日陰中は月面下1mの安定した熱を内面パネルまで移動させることができる。

断熱材１９は、発電パネル18a,18b,18cの外面パネル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ間の熱移動と、月面と発電パネル１８ａ、１８ｃとの熱移動を、抑制するために設けられている。

次に、実施の形態２に係る発電装置の動作について説明する。実施の形態２による発電装置は、実施の形態１による発電装置と同様の作用を有する。

一方、実施の形態１の発電装置においては、最大発電力と最小発電力の差異が最小5kWから最大29.5kWと開いている。月面上では夜間にヒータ電力の負荷が大きくなることが予想され、夜間に最大発電力が大きくなることは効果的である。しかし、余りに大きな発生電力差は、余剰電力の蓄積のため、バッテリの大型化を招き、本来の課題の解決に反することになる。そこで、この実施の形態２の発電装置では、パネル角度を調整することで、昼夜の発生電力差を少なくしている。

図１３は、実施の形態２による発電装置の発生電力パターンを示す。最大11.5kW、最小3.6kWで最大発生電力差が約3倍に抑えられている。また、昼夜の平均も日照中平均5.3kW、日陰中平均9.1kWと１．７倍程度に抑えられている。
このように最大発生電力差を抑えることで、バッテリ７ｄのバッテリサイズの大型化を抑制することができる。

なお、実施の形態２は、３枚の同サイズのパネル構成の例について説明したが、これはサイズやパネルの傾きを限定するものではなく、必要な負荷の消費電力の遷移パターンに合せて、単数もしくは複数のパネルを角度や駆動機構を組合せて実行しても良い。

実施の形態３．
図１４及び図１５は、この発明に係る実施の形態３による発電装置の構成を示す図である。実施の形態３による発電装置は、極域に設置された第３の実施例を示している。

南北の極域では、真横から太陽光が入射するため、図１４及び図１５に示すように、発電パネルを多角形状またはリング様に組み合わせるか、或いは対となる発電パネルを相対して配置させ、発電パネルの法線が月面に対し水平に配置されるように配置したものを使用する。なお、実施の形態３では説明を容易にするために周辺に障害物がないことを想定している。

外面パネル２１ａ〜ｈの内面に熱電変換素子２２ａ〜ｈ、その内面に内面パネル２３ａ〜ｈが接合されている。外面パネル２１ａ〜ｈは、図示しない断熱材により断熱されており、内面パネル２３ａ〜ｈは互いに熱的に接合されている。また、外面パネル２１ａ〜ｈの高さは、熱電変換素子２２ａ〜ｈ、内面パネル２３ａ〜ｈの高さよりも縦方向に長い。これは月面の軌道傾斜角５．１４５４度により、太陽光が円筒内部に入射しないように、パネル高さに差を設けたからである。図１４において、図左側より太陽光が入射してきたときの入射線を破線で示している。

内面パネル２３ａ〜ｈは、地上熱伝導部であるブーム２４により、円筒部中心にある支柱２５に接合されている。支柱２５は、地上熱伝導部と地下熱伝導部を一体的な構造としたものであり、月面に立設している。支柱２５は月面下１ｍ以上にその先端を埋設し、１ｍ以下の部分に熱交換部２６を有している。熱交換部２６は複数の放熱フィンから構成されている。また、支柱２５は、内部に熱伝導部を有しており、地下の熱を内面パネル２３に伝えている。月面表面と外面パネル２１ａ〜ｈの間の隙間は、月面からの太陽反射光が内部パネルに入射しないように、断熱材２９により遮蔽されている。

また、熱変換素子２２ａ〜ｈは図示しない電力制御装置に接続されている。電力制御装置の構成は、実施の形態１の電力制御装置７に準じている。

また、円筒上部には内面パネル２３ａ〜ｈと接触しない放熱面３１があり、支柱２５と熱スイッチ３２を介してつながっている。

熱スイッチ３２は、図示しないスイッチ制御回路が接続され、スイッチ制御回路は内面パネルに設置された同じく図示しない熱センサに接続されている。

次に、実施の形態３に係る発電装置の動作について説明する。
実施の形態１、２においては、日照中は外面パネル２１ａ〜ｄから地中に熱移動し、日陰中は地中から内面パネル２３ａ〜ｈへ熱移動することで熱交換が行われていた。しかし、実施の形態３では、実施の形態１、２の発電装置とは異なり、常に半分の面が太陽光の入射を受けることとなる。そのため、内面パネル２３ａ〜ｈの熱交換において、内面パネル２３ａ〜ｈを-30℃に安定させることに終始している。

そのため、太陽光の入射する外面パネル２１ａ〜ｄからの熱を地中に逃がし、同時に日陰面となる外面パネル２１ｅ〜ｈ側については地中からの熱を内面パネル２３ｅ〜ｈに伝えるという、相反する作用をもつことになる。これは明らかに矛盾しているため、実施の形態３において、支柱２５は、外面パネル２１ａ〜ｄの熱を移動させるためではなく、内面パネル２３ａ〜ｈの温度を安定化させるための媒体として作用する。

したがって、外面パネル２１ａ〜ｄに入射した太陽光熱量は、接合された内面パネル２３ａ〜ｈやブーム２４及び支柱２５を介して日陰面側の外面パネル２１ｅ〜ｈから放射される。また、これらの入射熱量が蓄積された場合を考慮して、放熱面３１より、熱スイッチ３２を介して放熱を実施する。熱スイッチ３２は、内面パネル２３ａ〜ｈの温度をモニタしているスイッチ制御回路が規定値以上の温度になったときに支柱２５と放熱面３１を熱的に接続し、放熱量の増加を図るものである。また、内面パネル２３ａ〜ｈの温度が規定値以下に下がってしまった場合は、反対に放熱面３１と支柱２５の熱的接続を解除（切断）し、放熱量を制限する。これにより内面パネル２３ａ〜ｈの温度をほぼ一定に保つことにより、安定した電力供給が図れるものである。

上記実施の形態で説明した発電装置は、この発明の構成例を説明するためのものであって、電気回路や熱伝導部等は各実施の形態で説明した範囲に限られるものではない。

さらにまた、上記実施の形態の発電装置を、太陽電池パドルや燃料電池と併用しても良い。例えば、燃料電池で夜間の電力を供給し、日照中に燃料電池で消費された燃料を水から酸素と水素に分解して、夜間の電力供給に備えても良い。また、燃料電池の電気分解には発生電力と同等以上の電力が必要となるので、太陽電池パドルを設けて日中に発電し電気分解に必要な電力を供給しても良い。

１外面パネル、２熱電変換素子、３内面パネル、４地上熱伝導部、５地下熱伝導部、６熱交換部、７電力制御装置、７ａ電圧計、７ｂスイッチ切替器、７ｃスイッチ、７ｄバッテリ、７ｅ充放電制御部、８発電パネル、９縁部、１０ケーブル、１１外面パネル、１２熱電変換素子、１３内面パネル、１４地上熱伝導部、１７電力制御装置、１８発電パネル、１９断熱材、２０ケーブル、２１外面パネル、２２熱電変換素子、２３内面パネル、２４ブーム、２５支柱、２６熱交換部、３１放熱面、３２熱スイッチ。

Claims

熱電変換素子を間に挟む外面パネル及び内面パネルからなり、互いに交差して月面上に配置された複数枚の発電パネルと、
上記発電パネルの内面パネルに熱的に接続された熱伝導部と、
上記熱伝導部の一部に熱的に接続され、月面の地中に埋設された熱交換部と、
上記熱電変換素子に接続された電力制御装置と、
を備え、
上記発電パネルはリング状に配置されるか、または相対して配置され、
更に、上記それぞれの発電パネルの内面パネルと上記熱伝導部との間を接続する接続部材と、
上記熱伝導部の他端部側に配置された放熱板と、
上記熱伝導部と上記放熱板の間を、熱的に接続もしくは切断する熱スイッチと、
を備えたことを特徴とする電力制御装置。
上記発電パネルは、線対称形状に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
上記発電パネルの内面パネルは、内面パネルの熱を上記熱伝導部に伝導する熱伝導板が当該パネルの端縁に立設されたことを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
上記熱電変換素子は、上記外面パネルと内面パネルの温度差に応じて発電することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力制御装置。
上記電力制御装置は、上記熱電変換素子の電極の極性を切替えるスイッチを有したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力制御装置。
上記電力制御装置は、上記熱電変換素子の発生電圧の極性反転に応じて、上記熱電変換素子に接続される負荷の極性を切替えるスイッチを有したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力制御装置。
上記電力制御装置は、上記熱電変換素子に接続され、上記熱電変換素子からの供給電圧の大きさを調整する電圧変換器を有したことを特徴とする請求項６に記載の電力制御装置。
上記電力制御装置は、上記熱電変換素子とバッテリとの間の充放電を制御する充放電制御部を有したことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の電力制御装置。