JP5855876B2 - Power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、発電システムに関する。 The present invention relates to a power generation system.
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。 Conventionally, in internal combustion engines such as automobile engines, heat exchangers such as boilers and air conditioning equipment, electric engines such as generators and motors, and various energy utilization devices such as light emitting devices such as lighting, for example, as exhaust heat, light, etc. A lot of thermal energy is released and lost.
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おり、このような方法として、焦電素子を用いた熱電変換発電が、知られている。 In recent years, from the viewpoint of energy saving, it is required to recover the released thermal energy and reuse it as an energy source. As such a method, thermoelectric conversion power generation using a pyroelectric element is known. Yes.
具体的には、例えば、複数の焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、それら焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、加熱源および冷却源、および/または、焦電素子を移動させる移動手段とを備える発電装置を用い、加熱源および冷却源により焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させることによって、焦電素子から直流電力または交流電力を取り出す方法が、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Specifically, for example, a heating source that increases the temperature of each of the plurality of pyroelectric elements, a cooling source that decreases the temperature of each of the pyroelectric elements, a heating source and a cooling source, and / or a pyroelectric element A method of taking out DC power or AC power from a pyroelectric element by periodically raising and lowering the temperature of the pyroelectric element by a heating source and a cooling source using a power generation device including a moving unit that moves the element, It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
一方、このような発電方法としては、より一層優れた効率で発電することが要求されている。 On the other hand, such a power generation method is required to generate power with even better efficiency.
本発明の目的は、より優れた効率で発電することのできる発電システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power generation system capable of generating power with higher efficiency.
上記目的を達成するため、本発明の発電システムは、温度が経時的に上下する熱源と、電気分極可能なマトリクス、および、前記マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなり、前記熱源の温度変化により電気分極する第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デバイスとを備えることを特徴としている。 To achieve the above object, the power generation system of the present invention comprises a heat source whose temperature rises and falls over time, an electrically polarizable matrix, and a dispersed material having a specific heat capacity lower than the specific heat capacity of the matrix, It is characterized by comprising a first device that is electrically polarized by a temperature change of a heat source, and a second device for taking out electric power from the first device.
また、本発明の発電システムでは、前記分散材料が、200〜500℃において、還元状態にあることが好適である。 In the power generation system of the present invention, it is preferable that the dispersion material is in a reduced state at 200 to 500 ° C.
本発明の発電システムによれば、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第1デバイスを用いるので、第1デバイスとして単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。 According to the power generation system of the present invention, since the first device made of the electrically polarizable matrix and the dispersed material having the specific heat capacity lower than the specific heat capacity of the matrix is used, the device that can be simply electrically polarized is used as the first device. Compared with the case of using, it is possible to generate power with superior efficiency.
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。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a power generation system of the present invention.
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とを備えている。
In FIG. 1, a
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。
The
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。 An internal combustion engine is a device that outputs power, for example, for a vehicle. For example, a single cylinder type or a multi-cylinder type is adopted, and a multi-cycle type (for example, a 2-cycle type, a 4-cycle type) is used in each cylinder. System, 6-cycle system, etc.).
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。 In such an internal combustion engine, pistons are repeatedly moved up and down in each cylinder. For example, in a 4-cycle system, an intake process, a compression process, an explosion process, an exhaust process, and the like are sequentially performed, and fuel is discharged. It is burned and power is output.
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る。このとき、排気ガス管は、排気ガスの熱エネルギーを授受し、温度上昇する。 In such an internal combustion engine, in the exhaust process, high-temperature exhaust gas is exhausted through an exhaust gas pipe. At this time, the exhaust gas pipe transfers the thermal energy of the exhaust gas, and the temperature rises.
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、排気ガス管の授受する熱エネルギーが低減され、その結果、排気ガス管の温度が低下する。 On the other hand, in other processes (steps excluding the exhaust process), the amount of exhaust gas in the exhaust gas pipe is reduced, so the heat energy transferred by the exhaust gas pipe is reduced, and as a result, the temperature of the exhaust gas pipe decreases. To do.
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。 As described above, the temperature of the internal combustion engine rises in the exhaust process and falls in the intake process, the compression process, and the explosion process, that is, rises and falls over time.
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。 In particular, since each of the above steps is periodically repeated sequentially according to the piston cycle, the exhaust gas pipe of each cylinder in the internal combustion engine periodically changes in temperature with the repetition cycle of each of the above steps. More specifically, the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated.
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。 When the light emitting device is turned on (light emission), for example, the temperature rises due to thermal energy of light such as infrared rays and visible light, and when the light is turned off, the temperature drops. Therefore, the temperature of the light emitting device increases and decreases over time by turning on (emitting) and turning off over time.
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。 In particular, for example, when the light-emitting device is a light-emitting device (blinking (flashing) type light-emitting device) in which lighting is turned on and off intermittently over time, the light-emitting device is turned on (light-emitting). Due to the thermal energy of the light, a temperature change periodically, more specifically, a high temperature state and a low temperature state are periodically repeated.
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。
Moreover, as the
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。 More specifically, for example, two heat sources, a low-temperature heat source (such as a coolant) and a high-temperature heat source (eg, a heating material) having a higher temperature than the low-temperature heat source, are prepared as the heat source. A mode in which a low-temperature heat source and a high-temperature heat source are alternately switched is used.
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。 Thereby, the temperature as a heat source can be raised or lowered with time, and in particular, the temperature can be periodically changed by periodically switching the low-temperature heat source and the high-temperature heat source.
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。
Although it does not restrict | limit especially as the
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。
As these
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。
The
また、熱源2として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
The
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。
The
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、および/または、温度変化や温度勾配などにより電荷に偏りが発生し電位差が生まれる現象、例えばゼーベック効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。 The electric polarization referred to here is a phenomenon in which a potential difference occurs due to dielectric polarization due to displacement of positive and negative ions due to crystal distortion, such as a piezo effect and / or a phenomenon in which a dielectric constant changes due to a temperature change and a potential difference occurs, such as pyroelectricity. It is defined as a phenomenon in which an electromotive force is generated in a material such as an effect and / or a phenomenon in which an electric charge is biased due to a temperature change, a temperature gradient, or the like, for example, a Seebeck effect.
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、ゼーベック効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
More specifically, examples of the
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。 The piezo effect is an effect (phenomenon) in which when a stress or strain is applied, it is electrically polarized according to the magnitude of the stress or strain.
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、例えば、薄膜型、バルク型などの、公知のピエゾ素子(圧電素子)を用いることができる。
The
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、体積膨張が抑制された状態において、熱源2に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するように、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。
When a piezo element is used as the
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、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。
In such a case, the piezo element is heated or cooled by the temperature change of the
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、熱電変換素子から電力が取り出される。
At this time, since the volume expansion of the piezo element is suppressed by the fixing member, the piezo element is pressed by the fixing member and is electrically polarized by the piezo effect (piezoelectric effect) or phase transformation near the Curie point. . Thereby, although mentioned later in detail, electric power is taken out from the thermoelectric conversion element via the
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。 In addition, such a piezo element is normally maintained in a heated state or a cooled state, and when its temperature becomes constant (that is, a constant volume), the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated, Again, it is electrically polarized.
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。
Therefore, as described above, when the temperature of the
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。
As a result, electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow, etc.) that fluctuates periodically by the
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。 The pyroelectric effect is, for example, an effect (phenomenon) in which the insulator is electrically polarized in accordance with a change in temperature when the insulator (dielectric) is heated and cooled, and includes the first effect and the second effect. It is out.
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。 The first effect is an effect in which, when the insulator is heated and cooled, it spontaneously polarizes due to the temperature change and generates a charge on the surface of the insulator.
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。 In addition, the second effect is an effect that pressure deformation occurs in the crystal structure due to temperature changes during heating and cooling of the insulator, and piezoelectric polarization occurs due to stress or strain applied to the crystal structure (piezo effect, piezoelectric effect). ).
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、詳しくは後述するが、公知の焦電素子材料をマトリクス材料として得られる複合素子(以下、焦電系複合素子)を用いることができる。 As a device that is electrically polarized by such a pyroelectric effect, a composite element (hereinafter referred to as a pyroelectric composite element) obtained using a known pyroelectric element material as a matrix material can be used, as will be described in detail later.
第1デバイス3として焦電系複合素子(後述)が用いられる場合には、焦電系複合素子(後述)は、例えば、熱源2に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するように、配置される。
When a pyroelectric composite element (described later) is used as the
このような場合において、焦電系複合素子(後述)は、熱源2の経時的な温度変化により、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、焦電系複合素子(後述)から電力が取り出される。
In such a case, the pyroelectric composite element (described later) is heated or cooled by the temperature change of the
また、このような焦電系複合素子(後述)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。 Further, such a pyroelectric composite element (described later) is usually maintained in a heated state or a cooled state, and when its temperature becomes constant, the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated, Again, it is electrically polarized.
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、焦電系複合素子(後述)が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電系複合素子(後述)の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
Therefore, as described above, when the temperature of the
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。
As a result, electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow, etc.) that fluctuates periodically by the
ゼーベック効果は、例えば、金属または半導体の両端に温度差を生じさせると、その温度差に応じて、金属または半導体に起電力が生じる効果(現象)である。 The Seebeck effect is, for example, an effect (phenomenon) in which an electromotive force is generated in a metal or semiconductor according to the temperature difference when a temperature difference is generated between both ends of the metal or semiconductor.
このようなゼーベック効果により電気分極するデバイスとしては、詳しくは後述するが、公知の熱電変換素子材料をマトリクス材料として得られる複合素子(以下、熱電変換系複合素子)を用いることができる。 As a device that electrically polarizes due to the Seebeck effect, a composite element obtained by using a known thermoelectric conversion element material as a matrix material (hereinafter referred to as a thermoelectric conversion composite element) can be used as will be described in detail later.
第1デバイス3として熱電変換系複合素子(後述)が用いられる場合には、熱電変換系複合素子(後述)は、例えば、その一方側端部が、熱源2に対して、近接、または、後述する電極を介して接触するとともに、他方側端部が熱源2から離間するように配置される。
When a thermoelectric conversion composite element (described later) is used as the
このような場合において、熱電変換系複合素子(後述)は、その一方側端部のみが、熱源2の経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その熱電変換系複合素子(後述)の両端(一方側端部および他方側端部の間)に、温度差が生じる。このとき、ゼーベック効果により、熱電変換系複合素子(後述)に起電力が生じる。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、熱電変換系複合素子(後述)から電力が取り出される。
In such a case, only one end portion of the thermoelectric conversion system composite element (described later) is heated or cooled by the temperature change of the
また、このような熱電変換系複合素子(後述)は、その両端における温度差が大きい場合には、起電力が高くなり、高電力を取り出すことができ、一方、温度差が小さい場合には、起電力が小さくなり、取り出される電力が低下する。 In addition, when such a thermoelectric conversion composite element (described later) has a large temperature difference at both ends, the electromotive force becomes high and high power can be taken out. The electromotive force is reduced and the extracted power is reduced.
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、熱電変換系複合素子(後述)の一方側端部の温度が、周期的に繰り返し上下するため、それに応じて、起電力の大きさの度合いが、周期的に上下する。
Therefore, as described above, when the temperature of the
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。
As a result, electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow, etc.) that fluctuates periodically by the
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。
These
図2は、図1に示す第1デバイスの一実施形態を示す概略構成図である。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the first device shown in FIG.
上記の第1デバイス3は、図2に示すように、例えば、積層配置して用いることもできる。
As shown in FIG. 2, the
このような場合には、複数の第1デバイス3(好ましくは、焦電系複合素子(後述))の間に、後述する第2デバイス4(例えば、電極、導線など)を介在させ、これにより、各第1デバイス3を、電気分極時において電気的に直列となるように接続する。
In such a case, a second device 4 (for example, an electrode, a conductive wire, etc.) described later is interposed between the plurality of first devices 3 (preferably pyroelectric composite elements (described later)), thereby The
そして、このようにして得られる第1デバイス3の積層体を、図1に示すように、熱源2に接触または近接するように配置し、積層される各第1デバイス3を、同時に加熱または冷却する。
And the laminated body of the
これにより、複数の第1デバイス3を同時に電気分極させ、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第1デバイス3を単独で(単層として)用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
As a result, a plurality of
図3は、図1に示す第1デバイスの他の実施形態を示す概略構成図である。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the first device shown in FIG.
上記の第1デバイス3は、図3に示すように、例えば、同一面状に整列配置して用いることもできる。
As shown in FIG. 3, the
このような場合には、複数の第1デバイス3の間を、後述する第2デバイス4(例えば、電極、導線など)により、電気分極時において電気的に直列となるように接続する。
In such a case, the plurality of
そして、このようにして整列配置された複数の第1デバイス3を、図1に示すように、熱源2に接触または近接するように配置し、整列配置される各第1デバイス3を、同時に加熱または冷却する。
Then, as shown in FIG. 1, the plurality of
これにより、複数の第1デバイス3を同時に電気分極させ、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第1デバイス3を単独で用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
Thereby, the several
なお、このとき、例えば、第1デバイス3が焦電系複合素子(後述)である場合や、p型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)、または、n型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)のみを使用する場合などには、各第1デバイス3は、熱源2に接触または近接する一方側が、いずれも正極または負極となり、熱源2から離間する他方側が、いずれも負極または正極となるように電気分極する(図3(a)参照)。
At this time, for example, when the
そのため、このような場合には、第1デバイス3の熱源2に接触または近接する側と、他の第1デバイス3の熱源2から離間する側とが、電気的に接続される。
Therefore, in such a case, the side that is in contact with or close to the
一方、例えば、第1デバイス3として、p型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)、および、n型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)を用い、それらを交互に配置する場合などには、p型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)と、n型半導体からなる熱電変換系複合素子(後述)とが逆方向に電気分極するため、各第1デバイス3の熱源2に接触または近接する一方側において、正極および負極が交互に整列配置される。
On the other hand, for example, as the
そのため、このような場合には、第1デバイス3の熱源2に接触または近接する側と、他の第1デバイス3の熱源2に接触または近接する側とが電気的に接続され、また、第1デバイス3の熱源2から離間する側と、他の第1デバイス3の熱源2から離間する側とが、電気的に接続される(図3(b)参照)。
Therefore, in such a case, the side that is in contact with or close to the
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。
In FIG. 1, the
このような第2デバイス4は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第1デバイス3を挟んで対向配置される2つの電極(例えば、銅電極、銀電極など)、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第1デバイス3に電気的に接続されている。
More specifically, the
そして、図1に示す発電システム1では、その第2デバイス4が、昇圧器5、交流/直流変換器(AC−DCコンバーター)6およびバッテリー7に、順次、電気的に接続されている。
In the
このような発電システム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、その温度変化に応じて、上記した第1デバイス3を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第2デバイス4を介することにより、電力を、第1デバイス3の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として、取り出す。
In order to generate electric power using such a
このような熱電システム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、500〜1200℃、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、200〜800℃、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。
In such a
また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、10〜400サイクル/秒、好ましくは、30〜100サイクル/秒である。 Moreover, the repetition period of these high temperature states and low temperature states is, for example, 10 to 400 cycles / second, preferably 30 to 100 cycles / second.
そして、このようにして発電システム1により取り出された電力を、第2デバイス4に接続される昇圧器5において、周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)の状態で昇圧する。昇圧器5としては、交流電圧を、例えば、コイル、コンデンサなどを用いた簡易な構成により、優れた効率で昇圧できる昇圧器が、用いられる。
Then, the electric power extracted by the
次いで、昇圧器5において昇圧された電力を、交流/直流変換器6において直流電圧に変換した後、バッテリー7に蓄電する。
Next, the electric power boosted by the
このような発電システム1によれば、温度が経時的に上下する熱源2を用いるため、変動する電圧(例えば、交流電圧)を取り出すことができ、その結果、一定電圧(直流電圧)として取り出し、DC−DCコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
According to such a
また、熱源2が、周期的に温度変化する熱源であれば、電力を、周期的に変動する波形として取り出すことができ、その結果、より優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
In addition, if the
図4は、本発明の発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an embodiment in which the power generation system of the present invention is mounted on a vehicle.
図4において、自動車10は、内燃機関11、触媒搭載部12、エキゾーストパイプ13、マフラー14および排出パイプ15を備えている。
In FIG. 4, the
内燃機関11は、エンジン16、および、エキゾーストマニホールド17を備えている。
The
エンジン16は、4気筒型4サイクル方式のエンジンであって、各気筒に、エキゾーストマニホールド17の分岐管18(後述)の上流側端部が接続されている。
The
エキゾーストマニホールド17は、エンジン16の各気筒から排出される排気ガスを収束するために設けられる排気多岐管であって、エンジン16の各気筒に接続される複数(4つ)の分岐管18(これらを区別する必要がある場合には、図4の上側から順に、分岐管18a、分岐管18b、分岐管18cおよび分岐管18dと称する。)と、それら分岐管18の下流側において、各分岐管18を1つに統合する集気管19とを備えている。
The
このようなエキゾーストマニホールド17では、分岐部18の上流側端部が、それぞれ、エンジン16の各気筒に接続されるとともに、分岐管18の下流側端部と集気管19の上流側端部とが接続されている。また、集気管19の下流側端部は、触媒搭載部12の上流側端部に接続されている。
In such an
触媒搭載部12は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる触媒を備えており、内燃機関11から排出される排気ガスに含まれる炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)などの有害成分を浄化するために、内燃機関11(エキゾーストマニホールド17)の下流側端部に接続されている。
The
エキゾーストパイプ13は、触媒搭載部12において浄化された排気ガスをマフラー14に案内するために設けられており、上流側端部が触媒搭載部12に接続されるとともに、下流側端部がマフラー14に接続されている。
The
マフラー14は、エンジン16(とりわけ、爆発工程)において生じる騒音を、静音化すために設けられており、その上流側端部がエキゾーストパイプ13の下流側端部に接続されている。また、マフラー14の下流側端部は、排出パイプ15の上流側端部に接続されている。
The
排出パイプ15は、エンジン16から排出され、エキゾーストマニホールド17、触媒搭載部12、エキゾーストパイプ13およびマフラー14を順次通過し、浄化および静音化された排気ガスを、外気に放出するために設けられており、その上流側端部がマフラー14の下流側端部に接続されるとともに、その下流側端部が、外気に開放されている。
The
そして、この自動車10は、図4において点線で示すように、発電システム1を搭載している。
The
図5は、図4に示す発電システムの要部拡大図である。 FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the power generation system shown in FIG.
図5において、発電システム1は、上記したように、熱源2、第1デバイス3および第2デバイス4を備えている。
In FIG. 5, the
この発電システム1では、熱源2として、内燃機関11におけるエキゾーストマニホールド17の分岐管18が用いられており、その分岐管18の周囲に、第1デバイス3が配置されている。
In this
第1デバイス3は、電気分極可能なマトリクス、および、そのマトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる複合素子であって、マトリクス中に、分散材料が分散されることにより、形成される。
The
このような複合素子は、例えば、マトリクスを形成するためのマトリクス材料の粉末と、分散材料の粉末とを混合し、分散材料をマトリクス材料中に分散させることにより、それらの混合物として得ることができる。 Such a composite element can be obtained as a mixture of, for example, a powder of a matrix material for forming a matrix and a powder of a dispersion material, and dispersing the dispersion material in the matrix material. .
マトリクス材料としては、例えば、公知の焦電素子材料(例えば、BaTiO3、CaTiO3、(CaBi)TiO3、BaNd2Ti5O14、BaSm2Ti4O12、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)など)、公知の熱電変換素子材料(例えば、Bi−Te系熱電変換素子(例えば、Bi2Te3、Bi2Te3/Sb2Te3など))、PbTe、AgSbTe2/GeTe、NaCo2O4、CaCoO3、SrTiO3/SrTiO3:Nb、SiGe、β−FeSi2、Ba8Si46、Mg2Si、MnSi1.73、ZnSb、Zn4Sb3、CeFe3CoSb12、LaFe3CoSb12、SrTiO3/SrTiO3:Nb/SrTiO3、Siナノワイヤー・アレイ、NaCo2O4、(Ce1−xLax)Ni2、(Ce1−xLax)In3、CeInCu2、NaV2O5、V2O5など)、公知のピエゾ素子材料(例えば、水晶(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、ロッシェル塩(酒石酸カリウム−ナトリウム)(KNaC4H4O6)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、リチウムテトラボレート(Li2B4O7)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)、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)が挙げられる。
Examples of the matrix material include known pyroelectric element materials (for example, BaTiO 3 , CaTiO 3 , (CaBi) TiO 3 , BaNd 2 Ti 5 O 14 , BaSm 2 Ti 4 O 12 , lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 )), known thermoelectric conversion element materials (for example, Bi—Te based thermoelectric conversion elements (for example, Bi 2 Te 3 , Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 )), PbTe , AgSbTe 2 / GeTe, NaCo 2 O 4 , CaCoO 3 , SrTiO 3 / SrTiO 3 : Nb, SiGe, β-FeSi 2 , Ba 8 Si 46 , Mg 2 Si, MnSi 1.73 , ZnSb, Zn 4 Sb 3 , CeFe 3 CoSb 12, LaFe 3 CoSb 12,
これらマトリクス材料は、単独使用または2種類以上併用することができる。 These matrix materials can be used alone or in combination of two or more.
なお、マトリックス材料として、焦電素子材料を用いれば、焦電効果により電気分極する複合素子(焦電系複合素子)が得られ、また、熱電変換素子材料を用いれば、ゼーベック効果により電気分極する複合素子(熱電変換系複合素子)が得られ、さらに、ピエゾ素子材料を用いれば、ピエゾ効果により電気分極する複合素子(ピエゾ系複合素子)が得られる。 If a pyroelectric element material is used as the matrix material, a composite element that is electrically polarized by the pyroelectric effect (pyroelectric composite element) can be obtained. If a thermoelectric conversion element material is used, the matrix material is electrically polarized by the Seebeck effect. A composite element (thermoelectric conversion system composite element) is obtained, and if a piezo element material is used, a composite element (piezo system composite element) that is electrically polarized by the piezoelectric effect is obtained.
これらマトリックス材料の平均粒子径(測定法:走査型電子顕微鏡)は、例えば、0.1〜100μm、好ましくは、0.5〜10μmである。 The average particle diameter (measurement method: scanning electron microscope) of these matrix materials is, for example, 0.1 to 100 μm, preferably 0.5 to 10 μm.
これは、マトリックス材料の粒径が上記範囲未満になると、結晶粒界の分率が高まるために誘電率の温度依存性が大きくなり、利用できる温度域が狭まるためであり、また、逆にマトリックス材料の粒径が上記範囲を超過すると、マトリックス材料の破壊源寸法が大きくなるために材料の強度が低下するためである。 This is because, when the particle size of the matrix material is less than the above range, the crystal grain boundary fraction increases, so the temperature dependence of the dielectric constant increases, and the usable temperature range narrows. This is because when the particle size of the material exceeds the above range, the strength of the material is lowered because the fracture source size of the matrix material is increased.
また、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量は、例えば、0.01〜10J/g・K、好ましくは、0.1〜5J/g・Kである。 The specific heat capacity of the matrix material and the matrix formed from the matrix material is, for example, 0.01 to 10 J / g · K, and preferably 0.1 to 5 J / g · K.
これは、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量が低すぎると、熱源からの熱で直ちに材料全体の温度が上昇してしまい、材料と電極などとの界面での熱応力が著しく高くなり、電極が剥離する可能性があり、一方、熱容量が高すぎると、外部からの熱変化に対して材料内部の温度変化が鈍くなるために、本発明で目的とする温度変化を利用した発電が困難になるからである。 This is because if the specific heat capacity of the matrix material and the matrix formed from the matrix material is too low, the temperature of the entire material immediately rises due to the heat from the heat source, and the heat at the interface between the material and the electrode, etc. There is a possibility that the stress is remarkably increased and the electrode may be peeled. On the other hand, if the heat capacity is too high, the temperature change inside the material becomes dull with respect to the heat change from the outside. This is because it becomes difficult to generate electricity using the power.
分散材料としては、マトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量より低い比熱容量を有していれば、特に制限されないが、例えば、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)などの貴金属単体、例えば、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)などの遷移金属単体、および、それらの酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ジケトン金属錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。 The dispersion material is not particularly limited as long as it has a specific heat capacity lower than that of the matrix material and the matrix formed from the matrix material. For example, Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (Palladium), Ag (silver), Os (osmium), Ir (iridium), noble metals such as Pt (platinum), such as Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Examples include transition metal simple substances such as Ni (nickel), Cu (copper), and Zn (zinc), and oxides, carbonates, nitrates, sulfates, diketone metal complexes, and hydride complexes thereof.
これら分散材料は、単独使用または2種類以上併用することができる。 These dispersion materials can be used alone or in combination of two or more.
分散材料として、好ましくは、200〜1000℃、より好ましくは、200〜500℃において還元状態にある分散材料が挙げられる。そのような分散材料として、具体的には、例えば、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Pt(白金)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)などの、例えば、酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ジケトン金属錯体、ヒドリド錯体などが挙げられる。 As a dispersion material, Preferably, the dispersion material which exists in a reduced state in 200-1000 degreeC, More preferably, in 200-500 degreeC is mentioned. Specific examples of such a dispersion material include Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), Pt (platinum), Cr (chromium), Ni (nickel), and Cu (copper). Examples thereof include oxides, carbonates, nitrates, sulfates, diketone metal complexes, and hydride complexes.
このような分散材料を用いれば、マトリックスの焼結時(後述)にこれら分散材料が還元により分解されるため、微細な分散相を構成することができる。 When such a dispersed material is used, since these dispersed materials are decomposed by reduction during the sintering of the matrix (described later), a fine dispersed phase can be formed.
これら分散材料の平均粒子径(測定法:走査型電子顕微鏡)は、例えば、0.002〜10nm、好ましくは、0.01〜3nmである。 The average particle diameter (measurement method: scanning electron microscope) of these dispersed materials is, for example, 0.002 to 10 nm, preferably 0.01 to 3 nm.
これは、分散相が小さくなりすぎると、マトリックスの焼結(後述)を阻害してしまい、分散相が大きくなりすぎると、マトリックスと分離しやすくなり、複合化による電気伝導性、熱伝導性、機械的特性の効果が減少するためである。 If the dispersed phase becomes too small, it will inhibit the sintering of the matrix (described later). If the dispersed phase becomes too large, it becomes easy to separate from the matrix, and the electrical conductivity, thermal conductivity, This is because the effect of mechanical properties is reduced.
また、分散材料の比熱容量は、複合素子内の温度を外部から与えられた熱源に連動して変化させる観点から、上記したマトリクス材料、および、そのマトリクス材料から形成されるマトリクスの比熱容量より低く、具体的には、例えば、0.01〜10J/g・K、好ましくは、0.1〜5J/g・Kである。 Further, the specific heat capacity of the dispersion material is lower than the specific heat capacity of the matrix material and the matrix formed from the matrix material from the viewpoint of changing the temperature in the composite element in conjunction with a heat source given from the outside. Specifically, for example, it is 0.01 to 10 J / g · K, preferably 0.1 to 5 J / g · K.
マトリクス材料と分散材料との混合割合は、マトリクス材料100質量部に対して、分散材料が、例えば、0.01〜50質量部、好ましくは、0.1〜40質量部である。 The mixing ratio of the matrix material and the dispersion material is, for example, 0.01 to 50 parts by mass, preferably 0.1 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the matrix material.
そして、この方法では、マトリクス材料と分散材料とを、例えば、乾式混合、湿式混合などの公知の混合方法により混合し、必要により、金型などを用いて成形(例えば、プレス成形)することにより、マトリクス中に分散材料が分散された複合素子を得ることができる。 In this method, the matrix material and the dispersion material are mixed by a known mixing method such as dry mixing or wet mixing, and, if necessary, formed by using a mold or the like (for example, press molding). A composite element in which a dispersion material is dispersed in a matrix can be obtained.
また、この方法では、必要により、複合素子を焼結することができる。 In this method, the composite element can be sintered as necessary.
焼結条件としては、例えば、不活性ガス雰囲気下において、加熱温度が、例えば、500〜1800℃、好ましくは、800〜1500℃であり、加熱時間が、例えば、0.1〜24時間、好ましくは、0.5〜4時間である。なお、これらの条件は、複合素子の密度が最も向上するように、試料の体積や形状によって、適宜最適化される。 As the sintering conditions, for example, in an inert gas atmosphere, the heating temperature is, for example, 500 to 1800 ° C., preferably 800 to 1500 ° C., and the heating time is, for example, 0.1 to 24 hours, preferably Is 0.5 to 4 hours. These conditions are appropriately optimized depending on the volume and shape of the sample so that the density of the composite element is most improved.
そして、このような第1デバイス3、詳しくは、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第1デバイス3を用いれば、第1デバイス3として単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。
And if such a
また、第1デバイス3が、焦電系複合素子および/またはピエゾ系複合素子(絶縁体(誘電体))である場合には、その比誘電率は、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。
When the
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。
In such a
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。
The first device 3 (insulator (dielectric)) is electrically polarized by the temperature change of the
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。 For example, it is expected that a material that exhibits polarization by orientation polarization (for example, a liquid crystal material) can improve power generation efficiency by changing its molecular structure.
第1デバイス3が、熱電変換系複合素子である場合には、その性能は、例えば、下記式(1)により示される。
When the
ZT=S2σT/κ (1)
(式中、Zは、性能指数を示し、Tは、絶対温度を示し、Sは、ゼーベック係数を示し、σは、電気伝導率を示し、κは、熱伝導率を示す。)
このような第1デバイス3(熱電変換系複合素子)において、そのZT値(無次元性能指数)は、例えば、0.3以上である。
ZT = S 2 σT / κ (1)
(In the formula, Z represents a figure of merit, T represents an absolute temperature, S represents a Seebeck coefficient, σ represents electrical conductivity, and κ represents thermal conductivity.)
In such a first device 3 (thermoelectric conversion composite element), the ZT value (dimensionless figure of merit) is, for example, 0.3 or more.
ZT値(無次元性能指数)が上記下限未満である場合には、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。 When the ZT value (dimensionless figure of merit) is less than the above lower limit, the energy conversion efficiency is low, and the voltage of the obtained power may be low.
また、通常、熱電変換系複合素子は、材料内部の温度差で発電するため、熱伝導率が低いほど、エネルギー変換効率が高くなるが、この発電システム1では、第1デバイス3(熱電変換系複合素子)両端の温度差が必要なく、そのため、第1デバイス3(熱電変換系複合素子)の熱伝導率は、特に制限されない。
In general, since the thermoelectric conversion composite element generates power with a temperature difference inside the material, the lower the thermal conductivity, the higher the energy conversion efficiency. In this
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2つの電極、および、それら電極に接続される導線を備えている。なお、第1デバイス3の一方側面に配置される電極および導線は、第1デバイス3と分岐管18(熱源2)との間に介在するように配置されており、第1デバイス3の他方側面に配置される電極および導線は、分岐管18(熱源2)に接触することなく、露出されている。
The
また、発電システム1は、図4に示すように、昇圧器5、交流/直流変換器6およびバッテリー7に、順次、電気的に接続されている。
Further, as shown in FIG. 4, the
そして、このような自動車10では、エンジン16の駆動により、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施される。
In such an
より具体的には、例えば、分岐管18aに接続される気筒、および、分岐管18cに接続される気筒の2つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、分岐管18aおよび分岐管18cの内部を排気工程において通過する。
More specifically, for example, in two cylinders, that is, a cylinder connected to the
このとき、分岐管18aおよび分岐管18cの温度は、排気工程において上昇し、その他の工程(吸気工程、圧縮工程、爆発工程)において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
At this time, the temperature of the
一方、それら2つの気筒とはタイミングを異にして、分岐管18bに接続される気筒、および、分岐管18dに接続される気筒の2つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、分岐管18aおよび分岐管18cとは異なるタイミングにおいて、高温の排気ガスが、分岐管18bおよび分岐管18dの内部を排気工程において通過する。
On the other hand, in the two cylinders, the cylinder connected to the
このとき、分岐管18bおよび分岐管18dの温度は、排気工程において上昇し、その他の工程(吸気工程、圧縮工程、爆発工程)において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
At this time, the temperature of the
この周期的な温度変化は、分岐管18aおよび分岐管18cの周期的な温度変化とは、周期が同じである一方、位相が異なる。
This periodic temperature change has the same period but a different phase from the periodic temperature changes of the
そして、この発電システム1では、各分岐管18(熱源2)に、第1デバイス3が配置されている。
And in this electric
そのため、各分岐管18(熱源2)の経時的な温度変化により、第1デバイス3を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第1デバイス3を、その素子(例えば、ピエゾ系複合素子、焦電系複合素子、熱電変換系複合素子など)に応じた効果(例えば、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果など)により、電気分極させることができる。
Therefore, the
そのため、この発電システム1では、第2デバイス4を介して、各第1デバイス3から電力を周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として、取り出すことができる。
Therefore, in this
また、この発電システム1では、分岐管18aおよび分岐管18cの温度と、分岐管18bおよび分岐管18dの温度とが、同じ周期、かつ、異なる位相で周期的に変化するため、電力を、周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として、連続的に取り出すことができる。
Further, in this
そして、排気ガスは、各分岐管18を通過した後、集気管19に供給され、集気された後、触媒搭載部12に供給され、その触媒搭載部12に備えられる触媒により浄化される。その後、排気ガスは、エキゾーストパイプ13に供給され、マフラー14において静音化された後、排出パイプ15を介して、外気に排出される。
Then, after passing through each
このとき、各分岐管18内を通過する排気ガスは、集気管19において集気されるので、集気管19、触媒搭載部12、エキゾーストパイプ13、マフラー14および排出パイプ15を順次通過する排気ガスは、その温度が、平滑化されている。
At this time, since the exhaust gas passing through each
そのため、温度が平滑化されたこのような排気ガスを通過させる集気管19、触媒搭載部12、エキゾーストパイプ13、マフラー14および排出パイプ15の温度は、通常、経時的に上下することなく、ほぼ一定である。
Therefore, the temperature of the
そのため、集気管19、触媒搭載部12、エキゾーストパイプ13、マフラー14または排出パイプ15を熱源2として用い、その周囲に、上記した第1デバイス3を、第2デバイス4を介して配置する場合には、第1デバイス3から取り出される電力は、その電圧が小さく、また、一定(直流電圧)である。
Therefore, when the
そのため、このような方法では、得られる電力を、簡易な構成で効率良く昇圧することができず、蓄電効率に劣るという不具合がある。 Therefore, in such a method, there is a problem that the obtained electric power cannot be boosted efficiently with a simple configuration and the power storage efficiency is poor.
一方、上記したように、内燃機関11(分岐管18)を熱源2として採用する発電システム1では、その熱源2の経時的な温度変化により、第1デバイス3を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第1デバイス3を、そのデバイス(例えば、ピエゾ系複合素子、焦電系複合素子、熱電変換系複合素子など)に応じた効果(例えば、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果など)により、周期的に電気分極させることができる。
On the other hand, as described above, in the
そのため、この発電システム1では、第2デバイス4を介して、各第1デバイス3から電力を周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として、取り出すことができる。
Therefore, in this
その後、この方法では、例えば、図4において点線で示すように、上記により得られた電力を、第2デバイス4に接続される昇圧器5において、周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)の状態で昇圧し、次いで、昇圧された電力を、交流/直流変換器6において直流電圧に変換した後、バッテリー7に蓄電する。バッテリー7に蓄電された電力は、自動車10や、自動車10に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。
Thereafter, in this method, for example, as indicated by a dotted line in FIG. 4, the electric power obtained as described above is periodically changed in the
そして、このような発電システム1によれば、温度が経時的に上下する熱源2を用いるため、変動する電圧(例えば、交流電圧)を取り出すことができ、その結果、一定電圧(直流電圧)として取り出し、DC−DCコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
And according to such a
とりわけ、このような発電システム1によれば、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる第1デバイス3を用いるので、第1デバイス3として単に電気分極可能なデバイスを用いる場合に比べて、優れた効率で発電することができる。
In particular, according to such a
なお、詳しくは図示しないが、第1デバイス3は、その素子の種類や、必要および用途に応じて、図2に示すように、積層配置して用いることができ、さらには、図3に示すように、同一面状に整列配置して用いることもできる。
Although not shown in detail, the
第1デバイス3を、積層配置および/または同一面状に整列配置して用いれば、複数の第1デバイス3を同時に電気分極させるとともに、それらを電気的に直列接続することができ、その結果、第1デバイス3を単独で用いる場合に比べ、大きな電力を取り出すことができる。
If the
なお、上記した説明では、分岐管18の周囲(外側壁)に、第1デバイス3を配置したが、温度変化を平均化することなく第1デバイス3に伝達させるため、分岐管18の内部(例えば、内側壁)に第1デバイス3を配置することが好ましい。
In the above description, the
以下において、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例1
酸化アルミニウム(Al2O3、平均粒子径(走査型電子顕微鏡による測定)0.5μm)の粉末50gと、酸化白金(PtO2、平均粒子径(走査型電子顕微鏡による測定)2nm)の粉末12gとを秤量し、それらを、ボールミルを用いて混合した。
Example 1
50 g of powder of aluminum oxide (Al 2 O 3 , average particle diameter (measured with a scanning electron microscope) 0.5 μm) and 12 g of powder of platinum oxide (PtO 2 , average particle diameter (measured with a scanning electron microscope) 2 nm) Were weighed and mixed using a ball mill.
次いで、得られた混合粉末を、25mm×25mm×1.2mmの金型に入れ、30MPaで圧力成形した後、1400℃で2時間焼結し、複合素子を得た。 Next, the obtained mixed powder was put into a 25 mm × 25 mm × 1.2 mm mold, pressure-molded at 30 MPa, and then sintered at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a composite element.
次いで、得られた複合素子の表面および裏面に、銀ペーストを20mm×20mm×0.1mmの大きさとなるように塗布し、銀電極を形成した。 Next, a silver paste was applied on the front and back surfaces of the obtained composite element so as to have a size of 20 mm × 20 mm × 0.1 mm, thereby forming a silver electrode.
次いで、得られた複合素子および銀電極を、常圧焼結炉によって400℃で2時間熱処理し、サンプルを得た。 Next, the obtained composite element and silver electrode were heat-treated at 400 ° C. for 2 hours in an atmospheric sintering furnace to obtain a sample.
その後、20mm×20mmのアルミテープを用いて、2つの導線(リード線)の一方側を各銀電極上に貼着させるとともに、他方側をデジタルマルチメータに接続した。 Then, while using 20 mm x 20 mm aluminum tape, one side of two conducting wires (lead wires) was stuck on each silver electrode, and the other side was connected to a digital multimeter.
熱源としてヒートガンを用い、その噴射口を複合素子に向けるとともに、噴射口が複合素子から5cm離間するように、ヒートガンおよび複合素子を、それぞれ配置した。 A heat gun was used as a heat source, the spray port was directed to the composite element, and the heat gun and the composite element were arranged so that the spray port was separated from the composite element by 5 cm.
ヒートガンから熱風を噴き出し、経時的にヒートガンのON/OFFを切り替えることにより、ヒートガンおよび熱風の温度を経時的に上下させ、この温度変化により、複合素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧(電力)を取り出した。 By blowing hot air from the heat gun and switching the heat gun on and off over time, the temperature of the heat gun and hot air is raised and lowered over time, and this temperature change raises and lowers the temperature of the composite element over time and electrically polarizes it. The generated voltage (electric power) was taken out through the electrode and the conductive wire.
なお、複合素子の温度を赤外線放射温度計により測定し、その温度が、270℃〜380℃となるように、熱風温度を調整した。 The temperature of the composite element was measured with an infrared radiation thermometer, and the hot air temperature was adjusted so that the temperature was 270 ° C. to 380 ° C.
そして、複合素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図6に示す。 And the voltage change of the electric power taken out from the composite element was observed with the voltmeter. The relationship between the generated voltage and the temperature change is shown in FIG.
実施例2
酸化アルミニウム(Al2O3、平均粒子径(走査型電子顕微鏡による測定)0.5μm)の粉末40gと、と、酸化銅(CuO、平均粒子径(走査型電子顕微鏡による測定)1.5nm)の粉末7.8gとを混合した以外は、実施例1と同様にして、複合素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧(電力)を取り出した。
Example 2
40 g of powder of aluminum oxide (Al 2 O 3 , average particle diameter (measured by scanning electron microscope) 0.5 μm), and copper oxide (CuO, average particle diameter (measured by scanning electron microscope) 1.5 nm) Except for mixing 7.8 g of the powder, the temperature of the composite element was raised and lowered over time and electrically polarized in the same manner as in Example 1, and the generated voltage (electric power) was taken out through the electrode and the conductive wire. .
そして、複合素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図7に示す。 And the voltage change of the electric power taken out from the composite element was observed with the voltmeter. The relationship between the generated voltage and the temperature change is shown in FIG.
比較例1
酸化白金の粉末を混合しなかった以外は、実施例1と同様にして、素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧(電力)を取り出した。
Comparative Example 1
Except that the platinum oxide powder was not mixed, the temperature of the device was increased and decreased over time and the electric polarization was performed in the same manner as in Example 1, and the generated voltage (electric power) was taken out through the electrode and the conductive wire.
そして、素子から取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。発電電圧と温度変化との関係を、図8に示す。
(考察)
実施例1の複合素子による発電電圧の変位(ΔV)は、約1.3Vであり(図6参照)、また、実施例2の複合素子による発電電圧の変位(ΔV)は、約2.0Vである(図7参照)。
And the voltage change of the electric power taken out from the element was observed with the voltmeter. The relationship between the generated voltage and the temperature change is shown in FIG.
(Discussion)
The displacement (ΔV) of the generated voltage by the composite element of Example 1 is about 1.3 V (see FIG. 6), and the displacement (ΔV) of the generated voltage by the composite element of Example 2 is about 2.0 V. (See FIG. 7).
これらに対して、比較例1の素子による発電電圧の変位(ΔV)は、各実施例における変位(ΔV)よりも低い約1.0Vである(図8参照)。 On the other hand, the displacement (ΔV) of the generated voltage by the element of Comparative Example 1 is about 1.0 V, which is lower than the displacement (ΔV) in each example (see FIG. 8).
これにより、電気分極可能なマトリクス、および、マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなる複合素子を用いれば、単に電気分極可能な素子を用いる場合に比べて、優れた効率で発電できることが確認された。 As a result, the use of a composite element made of an electrically polarizable matrix and a dispersion material having a specific heat capacity lower than the specific heat capacity of the matrix produces electric power with superior efficiency compared to the case of using only an electrically polarizable element. It was confirmed that it was possible.
1 発電システム
2 熱源
3 第1デバイス
4 第2デバイス
5 昇圧器
6 交流/直流変換器
7 バッテリー
DESCRIPTION OF
Claims (2)
電気分極可能なマトリクス、および、前記マトリクスの比熱容量よりも低い比熱容量を有する分散材料からなり、前記熱源の温度変化により電気分極する第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
を備え、
前記熱源は、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施され、排気工程において温度上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において温度下降する内燃機関の排気ガス管である
ことを特徴とする、発電システム。 A heat source whose temperature rises and falls over time;
An electrically polarizable matrix, and a first device made of a dispersion material having a specific heat capacity lower than the specific heat capacity of the matrix and electrically polarized by a temperature change of the heat source;
A second device for extracting power from the first device ;
The heat source is an exhaust gas pipe of an internal combustion engine in which an intake process, a compression process, an explosion process, and an exhaust process are sequentially performed, the temperature rises in the exhaust process, and the temperature decreases in the intake process, the compression process, and the explosion process. > A power generation system characterized by that.
The power generation system according to claim 1, wherein the dispersion material is in a reduced state at 200 to 500C.
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