JP5977126B2 - 発電装置および発電システム - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
本発明は、発電装置および発電システム、特に、熱エネルギーを吸収して電力を発生する焦電素子を用いて電力を連続的に取り出す発電装置および発電システムに関する。
近年、炭酸ガスの増大による地球温暖化が大きな問題となっており、いわゆる化石燃料を大量に消費して大量の炭酸ガスを発生する製鉄所や発電所を始めとして、各種の製造工場や産業施設におけるエネルギーの有効利用が求められている。これに呼応して、製鉄所や発電所では、製鉄や発電の工程で発生する種々の熱を地域暖房等の熱源として利用したり、溶鉱炉から排出される排ガスの熱を利用して発電するといったことも試みられている。
エネルギーの有効利用のため、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方法として、例えば非特許文献１では、廃熱が発生し、温度差ができる部位にＢｉ２Ｔｅ３からなる熱電素子を配置したサーモエレクトリック・ジェネレータが提案されている。これは、熱電素子の一方面及び他方面に温度差を生じさせて、熱電素子のゼーベック効果により発電するもので、このようにして得られた電力は、通常、昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータなどを介してバッテリー等に蓄電され、必要に応じて適宜使用される。
また、より優れた効率で蓄電するため、温度が経時的に上下する熱源と、この熱源の温度変化によって電気分極するデバイスを用いることにより、効率的に発電する発電システムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
さらに、微小電子機械システムとして、焦電素子を片持ち梁のバイモルフ素子とともに高温の熱源と低温のヒートシンクの間に配置して、熱源とヒートシンクに交互に接触させることにより、焦電素子に温度変化を与えて発電するシステムが提案されている（例えば、非特許文献２を参照）。
" MTZ-Motortechnische Zeitschrift ", Vieweg, 04/2009 Vol.70
S. Hunter, P. Datskos, " MEMS-Based Pyroelectric Thermal Energy Scavenger ", [online], Spark Technology Forum, January 18, 2011, Oak Ridge National Laboratory,[２０１２年９月６日検索]、インターネット<URL:http://www.ornl.gov/adm/partnerships/events/presentations/spark_thermal_energy_scavenger.pdf>
しかしながら、非特許文献１に記載されたサーモエレクトリック・ジェネレータは、一定温度の排ガスを熱源として用いて発電しており、得られる電力は電圧が小さく一定の直流電圧であるため、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った。また、熱源の温度が低いと発電効率が低下するため、例えば、熱源として豊富に存在する２００℃以下の廃熱からは、効率よく電力を得ることが難しかった。
また、特許文献１に記載された発電システムは、経時的に温度が上下する熱源でなければ効率的に発電することができず、一般的な廃熱を熱源として利用するには適さないという不具合があった。
さらにまた、非特許文献２に記載されたシステムは、微小電子機械システムであり、産業廃熱を利用した発電といった大型の発電システムの構築には適さないため、より効率的に廃熱を電気へ変換する方法が求められていた。
本発明の目的は、熱源として利用する廃熱の形態に係らず、効率的に発電することができる発電装置および発電システムを提供することにある。
本発明の発電装置は、焦電素子の温度を周期的に変化させて前記焦電素子から連続的に電力を取り出す発電装置であって、前記焦電素子の近傍に設けられた流路と、潜熱蓄熱材と、過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材の相転移を誘起する手段とを備え、前記潜熱蓄熱材が前記流路を流通するとともに、前記手段は、前記焦電素子の近傍において、前記潜熱蓄熱材の相転移を間欠的に誘起し、前記焦電素子は、前記潜熱蓄熱材の間欠的な相転移により、周期的な温度変化を付与され、連続的に発電することを特徴とする。
本発明の発電システムは、焦電素子の温度を周期的に変化させて前記焦電素子から連続
的に電力を取り出す発電システムであって、前記焦電素子の近傍に、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を流通させるとともに、
（１）前記焦電素子近傍において、過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材の相転移を誘起することにより潜熱を放出させ、
（２）該潜熱の放出により発生した熱量を、前記焦電素子に移送することで前記焦電素子の温度を上昇させ
（３）前記潜熱蓄熱材の相転移の誘起を停止し、潜熱を放出した前記潜熱蓄熱材が分散した前記熱媒体が前記焦電素子近傍から流出し、
（４）過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材が前記焦電素子近傍に流入して、前記焦電素子を冷却して該焦電素子の温度を低下させ、
前記（１）〜（４）の工程を繰り返すことで、焦電素子の温度を周期的に変化させることを特徴とする。
的に電力を取り出す発電システムであって、前記焦電素子の近傍に、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を流通させるとともに、
（１）前記焦電素子近傍において、過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材の相転移を誘起することにより潜熱を放出させ、
（２）該潜熱の放出により発生した熱量を、前記焦電素子に移送することで前記焦電素子の温度を上昇させ
（３）前記潜熱蓄熱材の相転移の誘起を停止し、潜熱を放出した前記潜熱蓄熱材が分散した前記熱媒体が前記焦電素子近傍から流出し、
（４）過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材が前記焦電素子近傍に流入して、前記焦電素子を冷却して該焦電素子の温度を低下させ、
前記（１）〜（４）の工程を繰り返すことで、焦電素子の温度を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明によれば、熱源として利用する廃熱の形態に係らず、焦電素子の温度を周期的に変化させることができ、焦電体の発電特性に合わせた温度変化を付与することが可能となり、効率的な発電することができる発電装置および発電システムを提供できる。
本発明の一実施形態である発電装置Ａについて、図１を用いて説明する。
本実施形態の発電装置Ａは、焦電素子１、焦電素子１の近傍に設けられた流路２、潜熱蓄熱材３、超音波発生装置４、および焦電素子１から電力を取り出す回路（図示せず）により構成されている。
図１において、液体である熱媒体５に分散させた潜熱蓄熱材３は、熱源６において熱量を蓄熱した後、過冷却状態の液体として供給タンク７内に貯蔵されている。
供給タンク７から発電装置Ａに供給された潜熱蓄熱材３は、熱媒体５ともに導入配管８ａを通じて、発電室９に収納されている焦電素子１の近傍に設けられた流路２に導入される。流路２には、過冷却状態にある潜熱蓄熱材３に刺激を与えて相転移を誘起する手段として（以下、相転移誘起手段ともいう）超音波発生装置４が設置されており、焦電素子１の近傍において超音波を発生させることにより潜熱蓄熱材３に刺激（以下、トリガーともいう）を与えて相転移を誘起し、潜熱蓄熱材３の潜熱を放出させる。
このとき、潜熱蓄熱材３の温度変化は、図２に示すような挙動をとる。過冷却状態で一定の温度（Ｔ１、たとえば室温）にあった潜熱蓄熱材３は、超音波発生装置４により発生した超音波により刺激を与えられ、相転移が誘起される。この時、潜熱蓄熱材３の温度は潜熱蓄熱材３の相転移温度（Ｔ２）まで上昇し、相転移が完了するまでその温度を維持しながら潜熱を放出する。そして、潜熱を放出して相転移を完了し固体となった潜熱蓄熱材３の温度は、自然冷却により一定の温度まで低下する。
潜熱蓄熱材３が潜熱を放出することにより発生した熱量は、液体である熱媒体５を介して焦電素子１に移送され、焦電素子１の温度が上昇する。その後、潜熱を放出しＴ２まで温度が上昇した潜熱蓄熱材３及び熱媒体５は、流路２から排出配管８ｂを通じて排出され、過冷却状態、すなわちＴ１の温度にある潜熱蓄熱材３が熱媒体５とともに流路２に導入される。このとき、超音波の発生を停止することにより、導入された過冷却状態の潜熱蓄熱材３は相転移せず潜熱も放出しないため、焦電素子１の温度は低下する。このように、超音波発生装置４により間欠的に超音波を発生させ、流路２を流通する過冷却状態の潜熱蓄熱材３に間欠的な刺激を与えることにより、上述のプロセスが繰り返され、焦電素子１に図３に示すような周期的な温度変化が付与され発電する。
なお、本実施形態においては、流路２に導入される潜熱蓄熱材３が過冷却状態の液体であれば、熱源６は必ずしも必要ではない。たとえば、発電装置Ａとは別の場所にある熱源６により潜熱を蓄熱した潜熱蓄熱材３を、本実施形態の供給タンク７に補充してもよい。また、供給タンク７を取り外し可能な構造とし、供給タンク７自体を交換してもよい。この時、供給タンク７を複数準備し、切り替えバルブなどを用いて流路２に接続する供給タンク７を切り替えることで、供給タンク７の交換の際にも発電装置Ａを停止することなく、継続して発電を行うことができる。さらに、排出配管８ｂに相転移後の潜熱蓄熱材３を回収する回収タンク（図示せず）を設置し、その回収タンクを供給タンク７と同様の構造とすることで、相転移後の潜熱蓄熱材３を回収タンクごと熱源６に移動し、潜熱蓄熱材３に蓄熱させた後、回収タンクを導入配管８ａに接続して供給タンク７として用いることで、相転移後の潜熱蓄熱材３を再利用してもよい。
また、排出配管８ｂと供給タンク７とを、熱源６を経由するように接続して、図４に示すように潜熱蓄熱材３が焦電素子１の近傍と熱源６との間を循環するように循環路を形成し、相転移により固体となり排出配管８ｂから排出された潜熱蓄熱材３を、熱源６において再度融解し蓄熱させることで再利用してもよい。
また、排出配管８ｂと供給タンク７とを、熱源６を経由するように接続して、図４に示すように潜熱蓄熱材３が焦電素子１の近傍と熱源６との間を循環するように循環路を形成し、相転移により固体となり排出配管８ｂから排出された潜熱蓄熱材３を、熱源６において再度融解し蓄熱させることで再利用してもよい。
潜熱蓄熱材３はカプセルなどの密閉容器に封入された状態で熱媒体５に分散されていることが好ましい。潜熱蓄熱材３が相転移後も流動性を有し、発生した熱量を焦電素子１に移送する機能を有している場合、潜熱蓄熱材３を必ずしも熱媒体５に分散する必要はなく、潜熱蓄熱材３を単独で用いてもよいが、通常、潜熱蓄熱材３は潜熱を放出して凝固するため、潜熱蓄熱材３を熱媒体５に分散させて用いることで、潜熱蓄熱材３が潜熱を放出して凝固した後も、熱媒体５の流動性によりに潜熱蓄熱材３を封入した密閉容器を速やかに
焦電素子１の近傍から離脱させることができる。
焦電素子１の近傍から離脱させることができる。
また、潜熱蓄熱材３の最大過冷却度（融点と自発的凝固開始温度との差）は潜熱蓄熱材３の液相中の分子数が大きくなるにつれて小さくなるため、潜熱蓄熱材３を熱媒体５に分散させずにそのまま用いた場合よりも、総量は同じでも、たとえば潜熱蓄熱材３をエマルジョン化させる、カプセルなどの密閉容器に分割して封入するなどして熱媒体５に分散させて用いた方が、潜熱蓄熱材３の過冷却度をより大きくすることができ、より潜熱を有効に利用することができる。特に、密閉容器として、たとえば熱溶媒に不溶な樹脂皮膜、いわゆるマイクロカプセルに潜熱蓄熱材３を封入することで、潜熱蓄熱材３に熱媒体５などが不純物として混入するのを抑制し、潜熱蓄熱材３の過冷却状態を安定に維持することができ好ましい。
潜熱蓄熱材３としては、例えばエリスリトールなどの融点のやや高いものを用いることで、焦電素子１に付与する周期的な温度変化を２００℃以下の範囲、たとえばＴ１として室温（２５℃）、Ｔ２として１００℃に設定することができ、豊富に存在する２００℃以下の廃熱を効率よく利用することができる。
熱媒体５としては、潜熱蓄熱材３が過冷却状態を維持可能な温度において液体であれば特に限定するものではないが、潜熱蓄熱材３が放出した熱量を焦電素子１に移送するという観点から、比熱１．０ｃａｌ／ｇ・℃以下である材料、たとえば水やエチレングリコールなどを用いればよい。比熱が小さい熱媒体５に潜熱蓄熱材３を分散させることにより、過冷却状態から相転移した潜熱蓄熱材３が潜熱として放出した熱量を、焦電素子１により効率的に移送することができるとともに、温度が上昇した焦電素子１の熱量が、新たに流路２に導入された低温の熱媒体５に移動して焦電素子１の温度を速やかに低下させることができ、焦電素子１に、周期的に上下する温度変化を効率的に与えることが可能となる。また、潜熱蓄熱材３の流路２への導入、排出を速やかに行うという点から、熱媒体５は、本実施形態において潜熱蓄熱材３の温度が変化する範囲、すなわち少なくともＴ１およびＴ２を含む温度範囲において、低い粘性を維持していることが好ましい。
発電装置Ａは、焦電素子１を流路２の内部に配置して潜熱蓄熱材３や熱媒体５と直接接触するように構成してもよいが、本実施形態においては、焦電素子１は、焦電素子１と、潜熱蓄熱材３および熱媒体５とを隔てる隔壁である発電室９の流路２に面する壁面に接するように配置されている。隔壁の材質には、例えば金属Ａｕ、ＡｇおよびＣｕなどの熱伝導にすぐれた材質を用いることが好ましく、これにより焦電素子１と潜熱蓄熱材３および熱媒体５との間の熱量の移送をさらに効率良く行うことができる。隔壁の材質の熱伝導率は、たとえば２５Ｗ/ｍ・Ｋ以上、特に１５０Ｗ/ｍ・Ｋ以上、さらには３００Ｗ/ｍ・Ｋ
以上であることが好ましい。流路２の発電室９に面する側の材質についても、同様に熱伝導にすぐれた材質を用いることが好ましい。なお、発電室９の壁面を流路２の構造の一部として用いる、たとえば発電室９の焦電素子１を配置した面の外側に蓋をかぶせるような形で流路２を構成してもよい。
以上であることが好ましい。流路２の発電室９に面する側の材質についても、同様に熱伝導にすぐれた材質を用いることが好ましい。なお、発電室９の壁面を流路２の構造の一部として用いる、たとえば発電室９の焦電素子１を配置した面の外側に蓋をかぶせるような形で流路２を構成してもよい。
焦電素子１を配置した発電室９は、真空もしくは不活性ガスで満たしておくことが好ましい。焦電体の発電機構は、焦電体表面の電荷が中和されている状態から、温度変化による焦電体内部の自発分極の変化と、焦電体表面を中和していた電荷との差分が電位差として現れるというものである。そのため、空気中など帯電粒子が存在する環境では、焦電体の温度が変化した後、時間の経過とともに空気中の帯電粒子が焦電体の表面に付着して、焦電体の表面に現れた電荷が相殺され、電位差が消失する。したがって、焦電体の温度変化の速度が遅いと、取り出し可能な電位差が減少するため、温度変化を速やかに行う必要がある。しかし、集電体の温度変化による自発分極の変化量自体は、温度変化の速度とは関係ないため、焦電素子１を真空中や不活性ガス中に設置して帯電粒子の影響を低減する
ことで、温度変化の速度により取り出し可能な電位差が減少するという不具合を低減することができる。
ことで、温度変化の速度により取り出し可能な電位差が減少するという不具合を低減することができる。
焦電素子１を構成する焦電材料は、焦電性を有する材料であれば特に限定するものではないが、ＰＺＴやＰＭＮ−ＰＴ系などの焦電特性の高い材料を用いることで、より効率的に発電することができ好ましい。また、Ｌｉを含むペロブスカイト型ニオブ酸カリウム・ナトリウム系の材料では、Ｌｉの置換量によって構造相転移温度を制御することができ、斜方晶と正方晶との構造相転移温度を２００℃以下とすることができる。焦電効果による発電量は、構造相転移温度の近傍で大きくなるため、焦電材料と潜熱蓄熱材３との組合せは、焦電材料の構造相転移温度と潜熱蓄熱材の融点とが近接するように選択すればよい。例えば、構造相転移相転移温度を４０℃近傍に調整した組成の材料で焦電素子１を構成し、４０℃近傍に融点を有する潜熱蓄熱材３を用いることにより、焦電材料の構造相転移温度近傍を含む温度範囲における周期的な温度変化を、たとえばＴ１が２５℃の室温、Ｔ２が４０℃という低温で狭い温度範囲において焦電素子１に付与することができ、効率的に発電することが可能となる。
焦電素子１の温度変化の周期は、超音波を発生させる周期と熱媒体５の流速で調整でき、例えば０．０００１Ｈｚ〜０．０１Ｈｚ、好ましくは０．００５Ｈｚ〜０．０１Ｈｚとすることができる。
本発明では、過冷却現象を利用した潜熱蓄熱材３を使用することで、焦電素子１に周期的な温度変化を与え、安定して発電させることを可能とする。また、システムの大型化が容易である点、および潜熱蓄熱材３を併用するため離れた熱源６から熱エネルギーを運搬して利用できる点において、従来困難であった拠点発電所に対応できるシステムである。
以下、本発明の発電装置について、実施例に基づき詳細に説明する。
まず、焦電素子を作製した。焦電材料の原料粉末として、Ｋ、ＮａおよびＬｉのアルカリ炭酸塩もしくはアルカリ炭酸水素塩と、Ｎｂ金属酸化物を用いて、固相法により（Ｋ０．５Ｎａ０．５）０．９６Ｌｉ０．０４ＮｂＯ３粉末を合成した。合成した粉末を、周知のテープ成形法によりテープ状に成形し、焼成することにより、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み２０μｍの薄板状の磁器を作製した。作製した薄板状の磁器の両面にＡｕを蒸着して電極を形成することにより、焦電素子を作製した。
隔壁により独立した２室を有するＣｕ製の容器を準備し、焦電素子をその一方の室の内部に隔壁に接するように設置し、真空状態にして密閉した。容器の他方の室には導入口と排出口を設け、超音波発生装置を設置した。
潜熱蓄熱材としてマイクロカプセルに封入した酢酸ナトリウム３水和塩（融点５８℃、凝固開始温度−２３℃）を用い、熱媒体として水銀を用いて、容器の他方の室を流通させた。超音波の照射周期と熱媒体の流速を調整することにより、焦電素子に２０〜４０℃の範囲で０．０５Ｈｚの周期的な温度変化を与えた。
なお、焦電素子の両面のＡｕ電極には、リード線を接続して容器外に引き出し、テスターを用いて焦電素子に生じた電圧を測定できるようにした。
測定の結果、最大電位差２０Ｖの起電力が得られ、焦電素子が周期的な温度変化によって発電していることが確認できた。
１ ：焦電素子
２ ：流路
３ ：潜熱蓄熱材
４ ：超音波発生装置
５ ：熱媒体
６ ：熱源
７ ：供給タンク
８ａ：導入配管
８ｂ：排出配管
９ ：発電室
２ ：流路
３ ：潜熱蓄熱材
４ ：超音波発生装置
５ ：熱媒体
６ ：熱源
７ ：供給タンク
８ａ：導入配管
８ｂ：排出配管
９ ：発電室
Claims (13)
- 焦電素子の温度を周期的に変化させて前記焦電素子から連続的に電力を取り出す発電装置であって、
前記焦電素子の近傍に設けられた流路と、
潜熱蓄熱材と、
過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材の相転移を誘起する手段と、を備え、
前記潜熱蓄熱材が前記流路を流通するとともに、
前記手段は、前記焦電素子の近傍において、前記潜熱蓄熱材の相転移を間欠的に誘起し、前記焦電素子は、前記潜熱蓄熱材の間欠的な相転移により、周期的な温度変化を付与され、連続的に発電することを特徴とする発電装置。 - 前記潜熱蓄熱材が、密閉容器に封入された状態で熱媒体に分散されており、該熱媒体は前記潜熱蓄熱材と共に前記流路を流通していることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
- 前記熱媒体が、１．０ｃａｌ／ｇ・℃以下の比熱を有することを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
- 前記焦電素子と前記潜熱蓄熱材との間に隔壁を有し、該隔壁の一方の主面が前記焦電素子に接していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
- 前記隔壁が、２５Ｗ/ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項４に記載
の発電装置。 - 前記焦電素子が、真空中または不活性ガス中に設置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の発電装置。
- 前記手段が、超音波であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発電装置。
- 前記焦電素子を構成する焦電材料が、１０〜２００℃の範囲に構造相転移点を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の発電装置。
- 前記焦電材料が、Ｌｉを含むペロブスカイト型ニオブ酸カリウム・ナトリウムを主成分とすることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
- 前記焦電材料が、セラミックスまたは単結晶であり、バルクまたは薄膜として使用されていることを特徴とする請求項８または９に記載の発電装置。
- 焦電素子の温度を周期的に変化させて前記焦電素子から連続的に電力を取り出す発電システムであって、
前記焦電素子の近傍に、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を流通させるとともに、
（１）前記焦電素子近傍において、過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材の相転移を誘起することにより潜熱を放出させ、
（２）該潜熱の放出により発生した熱量を、前記焦電素子に移送することで前記焦電素子の温度を上昇させ
（３）前記潜熱蓄熱材の相転移の誘起を停止し、潜熱を放出した前記潜熱蓄熱材が前記焦電素子近傍から流出し、
（４）過冷却状態にある前記潜熱蓄熱材が前記焦電素子近傍に流入して、前記焦電素子を冷却して該焦電素子の温度を低下させ、
前記（１）〜（４）の工程を繰り返すことで、焦電素子の温度を周期的に変化させることを特徴とする発電システム。 - 前記潜熱蓄熱材が、密閉容器に封入された状態で熱媒体に分散されており、
前記（３）の工程において、前記熱量は、前記熱媒体を介して前記焦電素子に移送されるとともに、
前記（４）の工程において、前記熱媒体を介して前記焦電素子が冷却される
ことを特徴とする請求項１１に記載の発電システム。 - 前記潜熱蓄熱材が分散した前記熱媒体が、前記焦電素子近傍と、前記潜熱蓄熱材を融解させる熱源との間を循環していることを特徴とする請求項１１または１２に記載の発電システム。
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