JP5696231B2

JP5696231B2 - 蓄電システム及び蓄電方法

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Publication number: JP5696231B2
Application number: JP2013549637A
Authority: JP
Inventors: 難波　茂昭; 茂昭難波; 加藤　陽一; 陽一加藤; 康人田原; 宮川　純一; 純一宮川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: WO2013145002A1; JPWO2013145002A1

Description

本発明は、蓄電システム及び蓄電方法に関し、特に、大気中に発生する電位勾配を利用して静電エネルギーを蓄積する蓄電システム及び方法に関する。

大気中には、晴天時、１ｍあたり約５００Ｖ〜１０００Ｖ程度の電位勾配が存在する。また、雷雨などの場合には、通念的には雷雲の成長に伴い、雷撃時放電のエネルギーが空間に蓄積されると考えられるが、その雷撃時の推定エネルギーについては、電圧で１億ボルト、電流で３万アンペア程度の概略数値が報告されおり、対地と雷雲下面の電荷の存在する部分の距離を５０００ｍとすれば、２万ボルト／メートルもの電界強度を有することになる。

ここで、雷雲発生時の電界強度を利用する技術として、例えば特許文献１には、雷雲発生に伴う大気中の電界に応じてコンデンサに電荷を蓄積し、コンデンサの中点電位を求めて、雷雲の位置、電荷量を測定する技術が記載されている。

特開平１１−３０４９５０号公報

昨今、エネルギー安全保障の確保及び地球環境負荷低減の観点から、再生可能エネルギーの利用拡大が急務となった。それらの中には、太陽光、太陽熱、風力、地熱、海洋潮汐、海洋海流、海洋波力等、多々様々な非枯渇性のエネルギー源があり、各々の特長を生かして、世界中で開発が進められている。

ここで前述のように、大気中には高い電位勾配が存在し、特に雷雲発生前後は電界強度の変化によって高いエネルギーが大気空間に蓄積されると考えられるが、上記特許文献１のように従来までは、そのエネルギーは雷雲の観測等に用いられるにとどまっていた。

本発明では、大気中の電位勾配を利用して静電エネルギーを蓄積する蓄電システム及び蓄電方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、設置位置と接地点との電位差に伴い電荷を帯電する帯電極板と、前記帯電極板と電気的に接続し、前記帯電極板に帯電された電荷を移動させて当該電荷を蓄積するコンデンサと、前記帯電極板と前記コンデンサとの間に設けるスイッチであって、前記帯電極板と前記コンデンサとの間の電気的な接続を遮断可能に設けるスイッチと、前記帯電極板の電圧、または、前記帯電極板に帯電される電荷の量を求める極板電圧算出部と、前記極板電圧算出部により求められた前記帯電極板の電圧、または、前記帯電極板の電荷量に応じて前記スイッチを開閉制御し、前記帯電極板に帯電された電荷を前記コンデンサへ移動させる制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、大気中に存在する電位勾配を利用して電荷を蓄積し、蓄積した電荷を静電エネルギーとしてコンデンサや蓄電池へ蓄積することができる。

大気電界蓄電システムの例である。雷雲近接時にコンデンサに電荷が蓄積されることを説明する概念図である。大気中の上昇気流による電荷の分離を仮想等価回路表現したものである。大気電界蓄電システム１００の制御部１１０の動作の例を示すフロー図である。本発明の第２の実施例を示す図である。本発明の第３の実施例を示す図である。誘電エラストマー型ＥＡＰ若しくはＥＰＡＭを、屋外極板１３０に使用したときの基本機能を示す図である。本発明の第４の実施例を示す図である。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

前述のように大気中の電位勾配は、特に雷雲の発生時に大きくなる。ここで、雷雲の形成は自然現象であり、通常人工的には制御できないが、地域ごとに年間を通じて、或いは季節ごとの頻度や、一日の中でも時間帯によって、どこにいても確率論的にほぼ間違いなく来襲がある。雷雲は大気の上昇気流現象に伴うもので、その近接に引き続く雷撃を被ることで、感電による人畜被害、家屋の火災、装置破壊、等ダメージが大きいものと考えられている。

雷雲は、発生時間、継続時間を確定的には予測できなくとも、気象学の発展により、事前にほぼ概略の予測は可能である。また、地域ごとの年間頻度や、季節ごとの頻度の経年的な傾向の把握はなされているのが一般的である。従って、一局地点での発電・蓄電量の評価は、通期・概略の域を出ないが、ほぼ間違いなく、一定量の寄与が期待できるものでもある。従って、大気中にあるエネルギーを送変電系統との直接的な接続ではなく、一度ためてから、その後ほど良くＰＣＳにて制御しながら、需要側に給電することも可能である。

図２は、雷雲近接時にコンデンサに電荷が蓄積されることを説明する概念図である。図２は、近接雷雲２０１の下面側がマイナス電荷２０２に帯電し、上面がプラス電荷２０３に帯電したケースである。ここではコンデンサ２０４の帯電の説明に際し、比較のため通常建物等の最高位置に設けられる避雷針２０５と比較して説明する。

避雷針２０５は、金属突針で、金属導体が地中に通じており、大気空間中の落雷の電路を構成しやすくされている。ここで、上空雷雲２０１の下面はマイナス電荷の帯電としているので、雷雲２０１の底部のマイナス電荷２０２に誘起され、地面にはプラス電荷がたまり、接地されている避雷針２０５もプラス帯電を示す。

一方、コンデンサ２０４は、大地側極板が、やはり金属導体を介して地中アースされているものである。このコンデンサ２０４の大地側極板（接地側極板）は、大地に誘導されてきたプラス電荷により、帯電状態を決定されるので、上空側極板が、反接地側電荷即ちマイナス電荷で帯電する。このように、雷雲２０１の接近によってコンデンサ２０４に電荷が蓄積される。ここで、コンデンサ２０４の上側極に蓄積される電荷は、空気中から供給されるか、または、コンデンサ２０４の下側極からコンデンサの端子間に挟まれた絶縁体を介して供給される。このように、コンデンサを大気中に設け、一方の極を接地させることで、大気中に存在する電界に応じた電荷を蓄積することができる。

尚、本実施例では雷雲の下面側にマイナス電荷が帯電した例を用いて説明するが、雷雲の下面側がプラスに帯電する場合もあり、その場合にはコンデンサにたまる電荷も反転し、それに応じた電荷を蓄積することで本発明を適用できる。

図３は、大気中の上昇気流による電荷の分離（プラスとマイナス）とそれらの原因であると考えられる地球起電力を可変起電力と見て仮想等価回路表現したものである。本発明は、上記の現象のように大気空間内の電界強度上昇によってコンデンサに蓄積される静電エネルギーを、自然エネルギーの一種として別途準備したバッテリーなどに貯蔵するものである。内容の一例は図３に示すように、各所に活用されてきている大容量キャパシタ装置を短期間の電源の一種と見立てて、それに入り切り可能な電路構成をすることの可能な装備と蓄電池を組み合わせたものである。

図３に示すように、雷雲が発生すると仮想的に雷雲はコンデンサ３０１とみなすことができ、雷雲上部には正電荷、雷雲下部には負電荷が蓄積される。また雷雲下部の空気領域を絶縁抵抗３０２とみなし、ここまでを人工的ではないものであることで、破線表現としている。一方、屋外（静電遮蔽されていない）極板１３０には大気中の電位勾配に応じて電荷が蓄積され、電気的にスイッチを介して結ばれる大容量のコンデンサ１４０に電荷を移動させる。また、それらの蓄電された電気エネルギーをＰＣＳ（Power Conditioning System）１５０によって蓄電池１７０に移動させるが、意図は総合エネルギー量の大きな蓄電池にてためることで、コンデンサ側の次段の働きを可能とするものである。

ここで、大容量コンデンサ１４０は、リチウムイオンキャパシタを想定しており、充電時の入力電圧の許容電圧範囲を想定し、その上下限に入れるような電圧制御をＰＣＳ１５０および、抵抗分圧回路１６０にて実施させる構成である。すなわち、この電圧制御の操作端としては、ＰＣＳ１５０自身の内部電力素子群、抵抗分圧回路１６０による分圧降圧制御、または、屋外極板１３０の電極部の大地面からの高さ、電界方向との角度（向き）、屋外極板１３０の内側に挟む誘電体の挿入程度など各種あるが、ＤＣ電圧の好ましい制御が可能なものであれば良く、特に順序付けをしない。

次に、抵抗分圧回路１６０での電圧制御について説明する。コンデンサの容量、電荷、および、極板間の電圧には式（１）のような関係がある。また、コンデンサに充電される充電電流は式（２）のように電荷の時間微分で表される。
Ｑ＝Ｃ＊Ｖ …（１）
（Ｑ：電荷、Ｃ：コンデンサの容量、Ｖ：電極間の電圧）
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ …（２）
（充電電流Ｉ：電荷の時間微分）

よって、充電電流値を制御可能であるコンデンサの充電特性は、式（３）のように、その容量値を比例定数とし、両極の端子電圧の時間変化率に比例する。従って、この電圧の時間変化率を意図的に調整することで充電電流を決める制御動作を行うことができる。
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ＝Ｃ＊ｄＶ／ｄｔ …（３）

すなわち、直流回路におけるコンデンサ端子電圧Ｖが、ある値（Ｖ０）から、異なる値（Ｖ１）に変化（変動）するとき、経過時間（Δｔ）として、ｄＶ／ｄｔ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Δｔと充電電流値は計算できる。よって、大気中の電界自体が自然に気象変化することで、電圧の時間変化ｄＶ／ｄｔが生ずることで、充電電流は発生する。この時、大容量コンデンサ１４０の許容印加電圧の範囲を事前に承知しておけば、分圧回路全体で大容量コンデンサ１４０にかかる電圧制御を行うことで、充電電流値を制御可能になる。

他の大容量コンデンサ１４０の許容印加電圧の制御に関しては、例えば、屋外極板１３０の非接地側端子の電界中の位置を変化させることで対応することも可能である。また、大気中の電界変化が電圧発生の起因であることから、大地の電荷極性が正負逆転することもあり、この場合には、充電回路側の極性切替や、ＰＣＳなどの制御機構にて極性反転の操作制御との組み合わせを可能とする。

図１は、大気電界を利用した大気電界蓄電システムの構成を詳細に示した例である。大気電界蓄電システム１００は、接地された接地側極板と接地側極板と対極に設けられる非接地側極板とからなり、大気中の電位によって電荷を蓄電する屋外極板１３０と、接地点と屋外極板１３０の接地側極板との間に流れる電流を検出する電流検出器１２０と、遮蔽された屋内に設けられ、屋外極板１３０の非接地側極板と接続されるコンデンサ１４０と、コンデンサ１４０に蓄積された電荷を蓄電する蓄電池１７０と、コンデンサ１４０の電荷を蓄電池１７０へ送る際の電流、電圧を調整するＰＣＳ（Power Conditioning System）１５０と、コンデンサ１４０と接地点の間の回路に設けられコンデンサ１４０にかかる電圧を制御する抵抗分圧回路１６０と、回路の一部を開閉する複数のスイッチ１８１，１８２，１８３，１８４，１８５と、大気電界蓄電システム１００の蓄電制御を行う制御部１１０と、からなる。尚、屋外極板１３０について、接地側極板と非接地側極板との間には誘電体が挟まれており、また、図１には、１つのコンデンサ１４０しか示していないが、実際には複数のコンデンサが並列、または直列に接続されたものを仮想的に１つのコンデンサ１４０とみなして図示している。

また、制御部１１０は、ＰＣＳ１５０の電力変換を制御するＰＣＳ制御部１１２と、スイッチ１８１〜１８５を開閉制御するスイッチ制御部と、電流検出器１２０が検出した電流を時間積分して屋外極板１３０に蓄積される電荷量を求める極板電圧算出部１１４と、コンデンサ１４０の両端にかかる電圧を測定するコンデンサ電圧測定部１１５と、極板電圧算出部１１４およびコンデンサ電圧測定部１１５から情報を受信し、抵抗分圧回路１６０の可変抵抗を変更してコンデンサ１４０へかかる電圧を制御するコンデンサ電圧制御部１１１と、を有する。また、コンデンサ電圧制御部１１１は、抵抗分圧回路１６０の制御の他、ＰＣＳ制御部１１２、スイッチ制御部１１３へも制御命令を出力する。

次に、本実施例による大気電界蓄電システム１００の動作について説明する。前述のように大気中には電位勾配が存在し、例えば雷雲発生前後は電界強度の変化によって高いエネルギーが大気空間に蓄積されている。このとき、屋外極板１３０には、大気中の電界分布に応じた電荷が蓄積される。

屋外極板１３０に電荷が蓄積される際、電流検出器１２０には接地面と屋外極板１３０間を移動する電荷を電流として検出する。制御部１１０内の極板電圧算出部１１４は電流検出器１２０が検出した電流値を取り込み、電流値を積分することで、現在屋外極板に蓄積される電荷の量を算出する。ここで制御部１１０には、屋外極板１３０によって構成するコンデンサの容量が予め記憶されており、極板電圧算出部１１４は、該コンデンサ容量と電荷量から屋外極板１３０の極板間電圧を求める。尚、電流検出器の代わりに屋外極板１３０から直接、極板間電圧を測定するように構成してもよい。

コンデンサ電圧制御部１１１は、極板電圧算出部１１４が算出した電圧と、コンデンサ電圧測定部１１５が測定したコンデンサ１４０の端子間にかかる電圧とに基づいて、スイッチ制御部１１３へスイッチ１８１，１８５の開閉制御指令を出力する。具体的には、屋外極板１３０に電流が流れることを検出後、電流が流れなくなったことを検出すると、スイッチ１８１，１８５に対して閉制御を行う。このような場合には、大気中の電位勾配の変化がある程度おさまり、屋外極板１３０にはその電位勾配に応じた電荷がたまって定常状態になっていると考えられる。そして、上記のスイッチ制御により、コンデンサ１４０と屋外極板と同電位になるように電流が流れ、屋外極板１３０にたまった電荷をコンデンサ１４０へ移すことができる。尚、スイッチ１８２，１８３，１８４は通常時は開状態となっている。

また、上記のように定常状態になる前にスイッチ１８１，１８５を閉制御して逐次屋外極板１３０にたまった電荷をコンデンサ１４０へ移すように構成してもよい。このとき、コンデンサ１４０の端子間電圧が、屋外極板１３０の極板間電圧よりも高くなる場合には、スイッチ１８１を開制御することで、電荷の逆流を防ぐことができる。また、大気中に電界強度計を設けて大気中の電界強度の変化を観測してスイッチ１８１，１８５を閉制御してもよい。

このように、スイッチ１８１，１８５の開閉制御によって、コンデンサの端子間電圧を変化させて充電電流を発生変化させることで、コンデンサ１４０へ電荷をためることができる。また、コンデンサ１４０にある程度の電荷が蓄積したら、スイッチ１８１，１８５を開制御することで、コンデンサ１４０に蓄積された電荷を保存することができる。また、図示しないが、屋外極板１３０の接地側極板と大地との間にスイッチを設ければ屋外極板１３０に蓄積される電荷を保存することができる。

次に、抵抗分圧回路１６０による分圧制御について説明する。コンデンサには、許容電圧があるため、その許容電圧の範囲内に収まるように、コンデンサにかかる電圧を制御する必要がある。本実施例ではコンデンサ１４０への電荷移動の際に、コンデンサ電圧制御部１１１は、極板電圧算出部１１４によって算出された屋外極板１３０の極板間電圧と、コンデンサ電圧測定部１１５によって測定されたコンデンサ１４０の端子間電圧とから、コンデンサ１４０にかかる電圧が許容電圧の範囲内に収まるように抵抗分圧回路１６０の抵抗値を変化させる。これによって、屋外極板１３０の電圧からかかる電圧を、コンデンサ１４０にかかる電圧と抵抗分圧回路１６０にかかる電圧とに分圧することで、過渡状態においてコンデンサ１４０にかかる電圧を許容電圧内に収めることができる。

上記のように、スイッチを制御することで大気の場の有するエネルギーをコンデンサ１４０へ蓄積することができる。ここで、コンデンサ１４０への充電エネルギー総量は、大気の場の有する局所電界系のエネルギーを、電気的操作のみで蓄電系の電気量に変換したとも考えることができ、その相当量を（１／２）＊ＣＶ²と表現すれば、理論的に同等量を空間熱量として放散「消費」することとなる。実際上は対地や構成電気回路上の抵抗成分のある場所で発熱現象が起きることとなるので、抵抗分圧回路１６０の抵抗分の値とその空間的配置を適切に選べば、熱回収に応用することができる。例えば、抵抗分圧回路１６０に水タンク中の抵抗発熱を適用すれば、湯、蒸気等への加熱のための熱源、また更には、路面凍結防止熱源とか、ヒートポンプ方式の適用で空調へも応用できる。これらは燃焼を伴わないので、環境影響負荷も軽いといえる。

次に、コンデンサ１４０に蓄積された電荷を蓄電池１７０へ移す動作について説明する。コンデンサ電圧制御部１１１は、コンデンサ１４０に既定値以上の電荷が蓄積されるとスイッチ１８１，１８５を開制御し、スイッチ１８２，１８３を閉制御してコンデンサ１４０と蓄電池１７０を接続する。ここで蓄電池１７０は、コンデンサ１４０に比べて充放電電流に対する応答性が遅く、直接接続することは好ましくない。そこで、蓄電池１７０の充電電流に合わせてコンデンサ１４０からの電流をＰＣＳ１５０によって電力変換することで、この差を埋めることができる。このときＰＣＳ１５０の内部では、コンデンサ１４０から放電される直流電流を蓄電池１７０への充電電流へとＤＣ−ＤＣ変換を行う。

ここで、気象という大気現象の中では、アース側電荷がプラスかマイナスかを確定化できないので、コンデンサ１４０の電荷符号を検出して、回路接続を切り替えるものとしている。これは、蓄電システムが、一般的にハードウェアとして極性指定されていることへの対応である。また更に、このＰＣＳ１４０の中では、電圧の調整機構を司るものとしている。主たる制御の目的は、蓄電システムにおける入力電圧を規定の範囲内に収めるものであり、構成上別の制御装置としての自動電圧制御装置（ＡＶＲ）を用いることでも問題はないが、制御機能を実現する上での盤構成の制約を与えることを本願は目的としない。

このように、コンデンサ１４０で蓄電された電力エネルギー総量を蓄電池１７０へ移すことで、より多くのエネルギーを蓄積できる蓄電システムを提供できる。また、スイッチ１８３ではなく、スイッチ１８４によって蓄電池１７０とコンデンサ１４０を接続することで、回路内に抵抗分圧回路を有するため、過渡状態における蓄電池１７０、コンデンサ１４０にかかる電圧を調整することができる。尚、短期間出力の出入りのみで運用上の問題が無ければ蓄電池１７０を略すことは可能である。

図４は、大気電界蓄電システム１００の制御部１１０の動作の例を示すフロー図である。制御部１１０は電流検出器１２０によって、屋外極板１３０に流れる電流を検出する（Ｓ４０１）。次に、電流が流れなくなると定常状態になったか判断し（Ｓ４０２）、定常状態になった場合には、スイッチ１８１，１８５を閉制御して（Ｓ４０３）、コンデンサ１４０と屋外極板１３０を接続する。このとき、抵抗分圧回路１６０を制御してコンデンサ１４０にかかる電圧を調整する（Ｓ４０４）。

コンデンサ１４０と屋外極板１３０が等電位になり、これ以上電荷移動がなくなると、コンデンサに既定値以上の電荷がたまっているか判断する（Ｓ４０５）。コンデンサ１４０に既定値以上の電荷がたまっていない場合には、スイッチ１８１，１８５を開制御して（Ｓ４０６）、屋外極板１３０に新たに電荷が蓄積された後、再度スイッチ１８１，１８５を閉制御する（Ｓ４０３）。

コンデンサ１４０に既定値以上の電荷がたまっている場合には、スイッチ１８１，１８５を開制御するとともに、スイッチ１８２，１８３を閉制御して、蓄電池１７０とコンデンサ１４０を接続する。そして、ＰＣＳ１５０を制御してコンデンサ１４０から蓄電池１７０への充電を行い（Ｓ４０８）、充電が終わるとスイッチ１８２，１８３を開制御して蓄電池１７０とコンデンサ１４０の接続を切り離す。

以上のように本実施例では、例えば雷雲の接近過程とか、成長過程または離反過程における雷雲成長・衰退の途中過程において大気中に蓄えられるエネルギーを蓄積することができる。すなわち、ある地点に現れてくる雷雲の対地静電エネルギーの充満過程の所要時間は、上昇気流の大きさに関係し、雷撃発生時の瞬間的な放電現象に較べれば緩慢であると考えられるので、このプロセスを利用する。具体的には、大気中の電界強度の変化に基づいて、コンデンサ極端子電圧の時間変化を与えることでコンデンサに蓄電を行う。また、コンデンサとしては、リチウムイオンキャパシタなどの、入力電圧の受け入れ幅の広いものを用い、更に大きな電圧印加への対応として、分圧化抵抗と組み合わせた形態として、実質的には入力電圧幅の拡大したものを用いる。

また、本実施例では、調整対象のパラメータとして、大気の電界強度が零を継続している場合を除き、まず、大気の電界強度変化を検出して、その変化を利用していた。しかし、大気の電界強度が零ではなく、ある値を保持して継続している場合には、何もしなければ両極の端子電圧の時間変化率が零であって電流は流れないので、回路電圧の抵抗分圧回路１６０を操作して、強制的に端子電圧の時間変化率を零ではなくすことで、結果的にコンデンサ端子電圧を調整することもできる。

また、本実施例の蓄電池１７０に蓄えられた電気は、ＰＣＳを介して配電系統への供給が可能であり、系統安定化、自己電力需要、電気自動車（ＥＶ）などに利用可能である。また雷撃機会の減少への寄与、再生可能エネルギーの蓄電の源泉を多種類化できるということで、山野／砂漠／島嶼地区、都市地区、農村地区等問わず、設置が可能であり、独立電源の性質や、多重化への寄与を鑑みれば、防災や減災への貢献も可能である。また、付随して得ることのできる熱についても、融雪、温水、空調など熱需要・熱交換需要に供すことが可能で、高温・高圧・環境影響物質の排出などの危険因子を抑制したエネルギー供給システムの実現に貢献する。

また、本実施例では地上に設置されることを想定して説明したが、例えば、海上に大気電界蓄電システム１００や、屋外極板１３０を設置することもできる。この場合、海中に接地点を設けることで、接地が可能となる。この方式によれば、例えば船舶上もしくは海洋上に複数の大気電界蓄電システム１００を設けて、大規模な発電システムを実現することができる。

さらには、今後導入が進むと予想されるＥＶ車両の充電ステーションへの活用も可能である。設備が普及すれば、ＥＶの残存充電量と近辺充電可能ステーション充電量の情報処理マッチングも可能であり、充電ステーション自体の無人化と既存配電系統からの充電処理の不要な、新たな独立充電ステーションとすることが可能である。

なお、ここで、蓄電量については、例えば数十乃至数百ｋｗｈ程度を目標としている。これは雷撃時のエネルギーレベル・継続時間の過去の知見と民生利用上の１世帯１ヶ月使用電力量目安より、同レベルに仮に置いたものであり、また、設備の設けられる場所としての制約で、空間の電界変化状況が、他の人や団体などの活動状況への直接影響があるような場所でなければ問題ないが、少なくとも電界として相互の影響排除が可能な場所が望ましい。これは、従来では、再生可能エネルギー／自然エネルギーの分野として、人間の五感で「感覚的」検知可能なものであったのが、本発明では、通常五感では検知できない「電界」であるゆえである。

図５は、本発明の第２の実施例を示す図である。図１に示す実施例１との違いは、屋外極板１３０の非接地側極板に極板稼働部５００を設ける点である。

実施例１では、調整対象のパラメータとして、大気の電界強度変化を利用したが、大気の電界強度が零ではなく、ある値を保持して継続している場合には、何もしなければ両極の端子電圧の時間変化率が零であって電流は流れない。

そこで、本実施例では、大気中の電界強度変化がある値を保持して継続している場合には、制御部１１０によって極板稼働部５００を制御し、屋外極板１３０の非接地側極板を、その時の空間位置から強制的に移動／回転させて異なる電界強度位置に持っていく。これによって、対地電位を、電界強度の距離を大小させることとか、電荷蓄積の有効断面積調整で、変化を与えてコンデンサ１４０と接続させることで、コンデンサ１４０の端子間電圧の変化を作ることにより、充電電流を発生させることができる。即ち、ある時間をかけて移動／調整させれば、移動／調整後の点で定まる電位への「時間変化率」を与えることに相当する。

図６は、本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例では、屋外極板１３０の非接地側極板の一部に、ＥＡＰ（電場応答性ポリマー）６００を配設する。本実施例では、ＥＡＰのうち誘電エラストマー型ＥＡＰ若しくはＥＰＡＭを用いて、電界下で電界方向に縮み、垂直方向に伸びる機械的性質を利用して、大気電界蓄電システム１００のスイッチ入切りに応用する。また逆に、誘電エラストマー型ＥＡＰ若しくはＥＰＡＭに圧力を与えて伸縮させることで、電圧を発生させ、この電圧を発電・充電のスイッチ機構の制御電源に用いることもできる。

図７は、誘電エラストマー型ＥＡＰ若しくはＥＰＡＭを、屋外極板１３０に使用したときの基本機能を示す図である。図７（ａ）の上下の対照は、電場の強弱で誘電エラストマー６００の伸縮に差があり、電場に垂直方向の長さ、また平行方向の長さに形状差として現れることを示すものである。すなわち、誘電エラストマー６００の伸縮先に大気電界蓄電システム１００の稼働スイッチを設ければ、大気中の強い電界が生じているときに、大気電界蓄電システム１００を稼働させることができる。

また、図７（ｂ）では、誘電エラストマー６００の伸縮方向の先に、絶縁材６０１を介して固定側絶縁材６０２に備えられた第２の誘電エラストマー６０３を設ける。これによって、ＥＡＰが、自身が外力を受けて発電する性質を利用して、第１の誘電エラストマー６００の垂直方向の「押し」の力で、第２の誘電エラストマー６０３を圧する。絶縁体を介して加圧された第２の誘電エラストマーには、加圧に伴う伸縮により電圧が発生する。そしてその電力で、全体の発電・充電のスイッチ機構の制御電源とすることができる。これは、制御電源の自動発生を意図するものである。

また、誘電エラストマー６００の形状変化を光学的に検出し、自然印加された電界強度との相関性から間接的に電圧を推定し得るので、これを用いて電路スイッチを入り切りするなどの方式を採ることもできる。

図８は、本発明の第４の実施例を示す図である。本発明は、大気中に強い電界が生じる場合、特に雷雲発生時等によるエネルギーを利用するものであるから、この大気空間に配置した極板は避雷能力のあるものが望ましい形態である。そこで、本実施例では避雷機能を実現する蓄電システムについて説明する。

誘電装置８０１は、いわゆる避雷針であり、鋭い角度構成を持つ金属の棒状突起で、金属導体の地中への電気的接続を図っているものが一般的である。これを従来避雷針と呼んでいるが、機能的には正しくは誘雷（針）と呼ばれるべきもので、側らにある主要機器設備への雷撃を避け、針自身への雷撃を誘導するものである。上空雷雲の下面をマイナス電荷の帯電としているので、地上避雷針はプラス帯電を示す。

一方、容量性避雷装置８００は、過去１０年程度前から実用に供され始めてきているもので、ものはコンデンサであり、大地側極板が、やはり金属導体を介して地中アースされているものである。コンデンサの大地側極板（接地側極板）は、大地に誘導されてきたプラス電荷により、帯電状態を決定されるので、上空側極板が、反接地側電荷即ちマイナス電荷で帯電する。この後者の避雷設備は、雷雲下面のマイナス電荷とは反発する関係にあるので、落雷要件としての電路構成を採らず、雷雲から地面に向かって前駆放電（ステップトリーダー）現象が起きても、大地から雷雲に向かう帰還雷撃現象を生じない。この帰還雷撃を防止する電荷配置を可能としたことで、定性的な意味で、落雷保護傘下領域への落雷を防ぐことができる。厳密には過大な電圧の発生で絶縁破壊される程になれば雷撃を受けるが、極板間の絶縁破壊の後には、雷撃電流が装置のアース電路を経て地中に逃されるので、旧来からの避雷針と同等の「保護機能」による後備構成を採ることとなる。

本実施例では、上記容量性避雷装置８００の落雷保護傘下領域に本発明による大気電界蓄電システムを組み合わせる。具体的には、屋外極板１３０の蓄積電荷と仮想の雷雲下面の蓄積電荷より、電気力線ベクトルを空間演算し、雷雲下面の同符号電荷との反発力線路の各々の支配的に囲む空間境界を導出する。そして、屋外極板１３０の蓄積電荷の作る支配空間内に、避雷装置８００があれば、そこを落雷領域ではないと判定し、雷雲側支配下にあれば、雷撃を受ける可能性が高いと判断し、大気電界蓄電システム１００の発電機能停止他の措置を採るものとする。

また、上記構成にさらに誘電装置８０１を組み合わせることもできる。大気電界強度が微弱であるときには、誘雷装置８０１を容量性避雷装置８００より高上空に掲げ、上空の成長中雷雲との間での異極性電荷の引き合いをし易くする。容量性避雷装置８００の極板間電圧が安定運用範囲より上に上昇すれば、誘雷装置８０１を容量性避雷装置８００より下部側の安全空域内に納め、雷雲サイドからは電気的に異種引き合いの電荷がないように見せるマスキング操作をし、雷撃を避けるものとする。

このように本実施例では、大気中に蓄積させるエネルギーを蓄積しつつも、避雷機能を実現することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００大気電界蓄電システム
１１０制御部
１１１コンデンサ電圧制御部
１１２ＰＣＳ制御部
１１３スイッチ制御部
１１４極板電圧算出部
１１５コンデンサ電圧測定部
１２０電流検出器
１３０屋外極板
１４０コンデンサ
１５０ＰＣＳ
１６０抵抗分圧回路
１７０蓄電池
１８１〜１８５スイッチ

Claims

大気中の電位勾配によって発生する設置位置と接地点との電位差に伴い電荷を帯電する帯電極板と、
前記帯電極板と電気的に接続し、前記帯電極板に帯電された電荷を移動させて当該電荷を蓄積するコンデンサと、
前記帯電極板と前記コンデンサとの間に設けるスイッチであって、前記帯電極板と前記コンデンサとの間の電気的な接続を遮断可能に設けるスイッチと、
前記帯電極板の電圧、または、前記帯電極板に帯電される電荷の量を求める極板電圧算出部と、
前記極板電圧算出部により求められた前記帯電極板の電圧、または、前記帯電極板の電荷量に応じて前記スイッチを開閉制御し、前記帯電極板に帯電された電荷を前記コンデンサへ移動させる制御部と、を有する蓄電システム。
請求項１においてさらに、
前記コンデンサと第２のスイッチを介して電気的に接続する蓄電池を有し、
前記制御部は、前記第２のスイッチを開閉制御して前記コンデンサに蓄電された電荷を前記蓄電池へ充電することを特徴とする蓄電システム。
請求項２において、
前記制御部は、前記コンデンサに蓄積された電荷の容量が所定値より小さい場合には、前記スイッチを閉制御し、かつ、前記第２のスイッチを開制御して、前記帯電極板から前記コンデンサへ電荷を移動させ、
前記コンデンサに蓄積された電荷の容量が前記所定値より大きい場合には、前記スイッチを開制御し、かつ、前記第２のスイッチを閉制御して、前記コンデンサから前記蓄電池への充電を行うことを特徴とする蓄電システム。
請求項２においてさらに、
前記コンデンサから流れる電流を変換して前記蓄電池へ送る電力変換器と、前記電力変換器へ制御指令を出力するＰＣＳ制御部と、を有し、
前記ＰＣＳ制御部は、前記蓄電池の充電特性に基づいて前記蓄電池へ送る電流量を制御することを特徴とする蓄電システム。
請求項１においてさらに、
前記帯電極板と対向して設けるとともに、接地点と電気的に接続される接地極板と、
前記接地極板と接続し、前記接地点と前記接地極板との間に流れる電流を検出する電流検出器と、を有し、
極板電圧算出部は、前記電流検出部が検出した電流量を用いて前記帯電極板の電圧、または、前記帯電極板に帯電される電荷の量を求めることを特徴とする蓄電システム。
請求項１において、
前記コンデンサは、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする蓄電システム。
請求項１においてさらに、
前記コンデンサと前記帯電極板の間に可変抵抗を有する抵抗分圧部と、
前記コンデンサの耐圧特性に基づいて前記可変抵抗の抵抗値を設定し、前記コンデンサにかかる電圧を制御する分圧制御部と、を有することを特徴とする蓄電システム。
請求項７においてさらに、
前記抵抗分圧部で発生する熱を回収する熱回収回路を有することを特徴とする蓄電システム。
請求項１においてさらに、
前記制御部を稼働させる稼働手段を有し、
前記稼動手段には、加わる電場強度の変化によって収縮または膨張する第一の電場応答部材と、前記第一の電場応答部材と交差して、かつ、隣接して設けられ、加圧されることによって電力を発生する第二の電場応答部材と、が含まれ、
前記稼働手段は、前記第一の電場応答部材の伸縮または膨張によって前記第二の電場応答部材を加圧し、当該加圧によって前記第二の電場応答部材に発生する電力を用いて前記制御部の稼働を制御することを特徴とする蓄電システム。
請求項１においてさらに、
大気中に設けられるコンデンサであって、雷雲の接近によって電荷を誘起し落雷を抑制する避雷コンデンサを有し、
前記帯電極板は、前記避雷コンデンサの避雷範囲に設けることを特徴とする蓄電システム。
大気中の電位勾配によって発生する設置位置と接地点との電位差に伴い極板に電荷を帯電し、
前記極板の電圧、または、前記極板の電荷量を算出し、
前記極板の電圧、または、前記極板の電荷量に応じて、前記帯電極板と前記コンデンサとの間に設けるスイッチを開閉制御し、前記帯電極板に帯電された電荷を前記コンデンサへ移動させる蓄電方法。
請求項１１において、
前記コンデンサと第２のスイッチを介して蓄電池を接続し、
前記第２のスイッチを制御して前記コンデンサに蓄電された電荷を前記蓄電池へ充電する蓄電方法。