JP6210858B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される発電システムに関する。

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。

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いる。そのようなシステムとして、具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、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する第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されている。また、その発電システムを自動車などに積載すること、さらには、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）を自動車の排ガスが供給される排気管内に配置することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２５０６７５号公報

上記した発電システムにおいては、より効率的に発電するために、例えば、第１デバイスの温度条件に応じて、第１デバイスに電圧を印加することが検討されている。具体的には、例えば、第１デバイスが昇温状態となったタイミングで第１デバイスに電圧を印加し、また、第１デバイスが降温状態となったタイミングで電圧の印加を停止することによって、発電効率の向上を図ることが検討されている。

一方、発電システムとしては、発電効率のさらなる向上が要求されている。

そこで、本発明の目的は、より効率よく発電することができる発電システムを提供することにある。

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、前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、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、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、前記第１デバイスの温度変化の周期を予測する予測手段と、前記予測手段の予測に基づいて前記電圧印加手段を作動および停止させるための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記予測手段によって予測される前記第１デバイスの温度変化の周期において、昇温の開始が予測される時間から、前記周期の−１５％以上０％未満のタイミングで前記電圧印加手段を作動させ、降温の開始が予測される時間から、前記周期の−１５％以上０％未満のタイミングで前記電圧印加手段を停止させることを特徴としている。

本発明の発電システムでは、第１デバイスの温度変化の周期において、昇温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加手段を作動させ、降温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加手段を停止させる。

すなわち、本発明の発電システムでは、昇温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加手段を作動させる。また、降温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加手段を停止させる。

このようなタイミングで電圧印加手段を作動および停止させることにより、第１デバイスから効率よく電力を取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

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。 図２は、図１の制御ユニットにおいて実行される制御処理を示すフロー図である。 図３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。 図４は、図３に示す発電システムの要部拡大図である。 図５は、参考実施例における電圧印加のタイミングと回収電力との関係を示すグラフである。

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。

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の温度変化により温度が経時的に上下され、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、第１デバイス３に電圧を印加する電圧印加手段としての電圧印加装置９と、その電圧印加装置９を作動および停止させるための制御ユニット１０とを備えている。

熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源、具体的には、経時により周期的に温度変化する熱源であれば、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。

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。

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。

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、その排気ガスを熱媒体として熱エネルギーが伝達され、排気ガス管の内部温度が上昇する。

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、排気ガス管の内部温度は、排気工程に比べて、下降する。

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。

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の内部は、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。

発光装置は、点灯（発光）時には、例えば、赤外線、可視光などの光を熱媒体として、そ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。

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。

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、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。

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などが挙げられる。

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。

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、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。

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、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）され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。

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、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。

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、ピエゾ素子から電力が取り出される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。

第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。

このような場合において、焦電素子は、熱源２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）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、焦電素子から電力が取り出される。

また、このような焦電素子は、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。

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、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電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。

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。

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。

このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ_３、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２Ｔｉ_４Ｏ_１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、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）、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＴａＯ_３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３／Ｎｉ、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２／Ｎｉなどを用いることができる。

また、第１デバイス３としては、さらに、ＬａＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＭｇＮｂＯ_３、ＣａＮｂＯ_３、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３、（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／４Ｎａ_１／４）ＮｂＯ_３、（Ｓｒ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｂａ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｌｉ_１／１０（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_９／１０）ＮｂＯ_３などの誘電体を用いることもできる。

第１デバイス３のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。

また、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））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。

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。

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。

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。

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。

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。

電圧印加装置９は、第１デバイス３に電圧を印加するため、第１デバイス３に直接または近接して設けられる。具体的には、電圧印加装置９は、例えば、上記した第２デバイス４とは別途、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）、電圧印加電源Ｖ、およびそれらに接続される導線などを備えており、電極間に第１デバイス３および第２デバイス４を介在させるように、配置されている。

制御ユニット１０は、発電システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、メモリ２３と、中央処理装置（ＣＰＵ）２１とを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

メモリ２３は、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えており、ＲＯＭに各種プログラムや固定データが格納されるとともに、ＲＡＭに一時的な入力データが格納される。

そして、メモリ２３のＲＯＭには、第１デバイス３の温度を予測する予測手段としての温度予測プログラムＰが格納されている。

温度予測プログラムＰは、熱源２の稼働状態や、第１デバイス３の温度の推移（履歴）などから、第１デバイス３の温度、および、温度変化の周期を予測するプログラムであり、予め測定されたデータに基づいて作成されている。

また、中央処理装置（ＣＰＵ）２１は、図示しないが、例えば、熱源２の出力計や、第１デバイス３の温度を測定する温度計（熱電対など）など、種々の検知装置に電気的に接続されており、各種データが入力可能とされている。これにより、メモリ２３のＲＡＭには、上記した熱源２の稼働状態や、第１デバイス３の温度の推移（履歴）などの、温度予測プログラムＰを処理するための一時的な数値が入力および格納される。

中央処理装置（ＣＰＵ）２１は、メモリ２３の温度予測プログラムＰに基づいて温度を予測演算し、その予測温度に基づいて電圧印加装置９を作動および停止させるための制御手段であって、破線で示すように、メモリ２３に電気的に接続されるとともに、電圧印加装置９に電気的に接続されている。

このような中央処理装置（ＣＰＵ）２１では、詳しくは後述するが、温度予測プログラムＰに従い、上記した検知装置（熱源２の出力計、第１デバイス３の温度計など）により検知される情報に基づいて、第１デバイス３の温度を予測可能としている。

また、中央処理装置（ＣＰＵ）２１は、温度予測プログラムＰにより予測される第１デバイス３の温度状態に基づいて、電圧印加装置９を作動および停止可能としている。

また、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。

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、具体的には、周期的に温度変化させ、その熱源２により、第１デバイス３を、加熱および／または冷却する。

そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、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。

このような発電システム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、２００〜１２００℃、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、１００〜８００℃、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。

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。

また、このような発電システム１では、より効率的に発電するため、第１デバイス３の温度状態に応じて、第１デバイス３に電圧を印加する。

すなわち、この発電システム１では、上記した熱源２による加熱および／または冷却とともに、上記した温度予測プログラムＰにより、第１デバイス３の温度を予測し、その温度予測プログラムＰにより予測される第１デバイス３の温度に基づいて、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９を作動および停止させる。

図２は、図１の制御ユニット１０において実行される制御処理を示すフロー図である。図２に示す制御処理（温度予測プログラムＰ）は、メモリ２３のＲＯＭに記憶されており、その制御処理が中央処理装置（ＣＰＵ）２１により実行される。

この制御処理は、熱源２の稼働開始をトリガーとしてスタートされる。

処理がスタートされると、例えば、熱源２の稼働状態や、第１デバイス３の温度の推移（履歴）などの各種情報が、図示しない検知装置により連続的に検知され、電気信号としてメモリ２３に入力される（Ｓ１）。

次いで、この処理では、上記により検知および入力された熱源２の稼働状態や、それ以前の第１デバイス３の温度の推移（履歴）などから、以後の第１デバイス３の温度変化が、温度予測プログラムＰに従って予測される。これにより、第１デバイス３の温度変化の周期（１サイクルの加熱および冷却に所要する時間）が予測される（Ｓ２）。

なお、第１デバイス３の温度変化および周期を予測する演算方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。

第１デバイス３の温度変化の周期（１サイクルの加熱および冷却に所要する時間）は、例えば、０．０１秒以上、好ましくは、０．０２秒以上であり、例えば、４０秒以下、好ましくは、２０秒以下である。

そして、この発電システム１では、温度予測プログラムＰに従って、第１デバイス３が昇温するか否かが予測される（Ｓ３）。なお、この発電システム１では、例えば、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上上昇するときに、昇温状態であると判断される。

第１デバイス３が昇温すると予測される場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、温度予測プログラムＰに従って、昇温の開始時間が予測される。

そして、昇温の開始が予測される時間から、第１デバイス３の温度変化の周期の−１５％以上、０％未満のタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって電圧印加装置９が作動され、第１デバイス３に所定の電圧が印加される（Ｓ４）。

すなわち、この方法では、第１デバイス３の昇温の開始が予測される時間よりも、所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９が作動される。

印加電圧としては、電場の強さが、例えば、０．２ｋＶ／ｍｍ以上、好ましくは、０．４ｋＶ／ｍｍ以上であり、例えば、５ｋＶ／ｍｍ以下、好ましくは、４ｋＶ／ｍｍ以下である。

印加電圧（電場）が上記範囲であれば、第１デバイス３から取り出されるエネルギー量と、電圧印加装置９により消費されるエネルギー量とのバランスをとることができ、優れた効率で発電することができる。

一方、第１デバイス３の昇温が予測されない場合（Ｓ３：ＮＯ）には、続いて、温度予測プログラムＰに従って、第１デバイス３が降温するか否かが予測される（Ｓ５）。なお、この発電システム１では、例えば、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上下降したときに、降温状態であると判断される。

第１デバイス３が降温すると予測される場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、温度予測プログラムＰに従って、降温の開始時間が予測される。

そして、降温の開始が予測される時間から、第１デバイス３の温度変化の周期の−１５％以上、０％未満のタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって電圧印加装置９が停止され、第１デバイス３に対する電圧の印加が停止される（Ｓ６）。

すなわち、この方法では、第１デバイス３の降温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９が停止される。

なお、第１デバイス３の降温が予測されない場合（Ｓ５：ＮＯ）、すなわち、第１デバイス３が昇温もせず、降温もしない定温状態であると予測される場合には、第１デバイス３の昇温または降温が予測されるまで、引き続き、第１デバイス３の温度変化が予測される（Ｓ２）。

なお、例えば、熱源２として内燃機関を用いる場合、発電システム１では、第１デバイス３は、内燃機関により加熱および／または冷却されるため、実質的に定温状態になることなく、昇温状態および降温状態が繰り返される。

また、電圧印加装置９を作動させてから上記電圧が印加される（すなわち、電場の大きさが上記の所定値に達する）までの所要時間、および、電圧印加装置９を停止させてから、電場の大きさが０ｋＶ／ｍｍに達するまでの所要時間は、実質的に０秒とみなすことができる。すなわち、このような発電システム１では、上記所定値に満たない電圧が印加されている時間は、実質的に０秒であって、上記所定値の電圧が印加されている状態（ＯＮ）と、電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ）とが、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって切り替えられている。

そして、このような発電システム１では、上記の処理を繰り返すことにより、第１デバイス３から効率よく電力を取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

つまり、上記の発電システム１では、第１デバイス３の温度変化の周期において、昇温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加装置９を作動させ、降温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加装置９を停止させる。

すなわち、本発明の発電システムでは、昇温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９を作動させる。また、降温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９を停止させる。

このようなタイミングで電圧印加装置９を作動および停止させることにより、第１デバイス３から効率よく電力を取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、発電効率の向上を図る方法としては、上記したように電圧印加装置９を単に作動および停止させるだけでなく、例えば、その印加電圧の大きさを第１デバイス３の温度状態に応じて変化させることも検討される。しかし、このような方法では、印加電圧を徐々に増減させるという煩雑な操作を必要とするため、手間がかかるという不具合がある。

一方、上記の発電システム１では、電圧印加装置９を作動または停止させるという比較的簡易な方法によって、発電効率の向上を図ることができる。

そして、このような発電システム１では、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。

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。

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）として取り出す場合に比べて、簡易な構成により、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。

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、簡易な構成により、より優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。

図３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、図４は、図３に示す発電システムの要部拡大図である。

図３において、自動車２５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。

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。

エンジン１６は、多気筒（４気筒型）多サイクル（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。

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３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。

また、各分岐管１８は、その流れ方向途中において、箱型空間２０を、それぞれ１つ備えている。箱型空間２０は、分岐管１８に連通するように介装される略直方体状の空間であって、その内側において、複数の第１デバイス３と、第２デバイス４（図示せず）とを備えている（図４参照）。

なお、図４においては、複数の第１デバイス３を簡略化し、１つの箱型空間２０に対して、１つの第１デバイス３を示しており、また、第２デバイス４の記載を省略している。

このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐管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。

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（ＮＯ_ｘ）、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。

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。

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。

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。

そして、この自動車２５は、上記した発電システム１を搭載している。

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、第２デバイス４、電圧印加装置９および制御ユニット１０を備えている。

この発電システム１では、熱源２として、内燃機関１１のエンジン１６が用いられており、また、拡大図および図４が参照されるように、各分岐管１８の箱型空間２０内には、第１デバイス３が配置されている。

第１デバイス３は、シート状に形成されており、箱型空間２０内において、互いに間隔を隔てて複数整列配置されるとともに、図示しない第２デバイス４（および必要により設けられる固定部材（図示せず））により、固定されている。

これにより、第１デバイス３の表面および裏面の両面、さらには、周側面は、図示しない第２デバイス４を介して、箱型空間２０内の外気に露出され、排気ガスに接触（曝露）可能とされている。

第２デバイス４は、図示しないが、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。

電圧印加装置９は、複数（１つの第１デバイス３に対して２つ）の電極２２を備えており、各電極２２は、各第１デバイス３の外側において互いに対向し、第１デバイス３を間に介在させるように配置されている。また、これら各電極２２は、分岐導線などによって、並列的に接続されている。これら電極２２に電圧印加電源Ｖから電圧を印加することにより、電極２２間、すなわち、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

なお、図３では、各箱型空間２０内において、１つの第１デバイス３と、その第１デバイス３を挟んで対向配置される一対の電極２２とを模式的に示している。

制御ユニット１０は、箱型空間２０の外部において、破線で示すように、分岐導線などによって、電圧印加装置９に電気的に接続されている。また、図示しないが、制御ユニット１０は、分岐導線などによって、各箱型空間２０に設けられる温度センサ（図示せず）のそれぞれに並列的に接続される。

また、発電システム１は、図３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。

そして、このような自動車２５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、その温度が経時的に上下される。

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。

このとき、エンジン１６の熱が、排気ガス（熱媒体）を介して伝達され、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの内部温度は、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。

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。

このとき、エンジン１６の熱が、排気ガス（熱媒体）を介して伝達され、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの内部温度は、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。

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。

そして、この発電システム１では、上記したように、各分岐管１８の内部（箱型空間２０内）に、シート状の第１デバイス３が配置されている。

そのため、エンジン１６（熱源２）から排出される排気ガスが、分岐管１８内に導入され、箱型空間２０内に充填されると、その箱型空間２０内において、第１デバイス３の表面および裏面の両面（さらには、周側面）が、（第２デバイス４を介して）排気ガス（熱媒体）に接触（曝露）され、加熱および／または冷却される。

すなわち、第１デバイス３の表面および裏面の両面が、エンジン１６（熱源２）、および、そのエンジン１６の熱を伝達する熱媒体の経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。

そして、これにより、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、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、電気分極させることができる。

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。

また、この発電システム１では、上記したように、第１デバイス３の温度が、制御ユニット１０のメモリ２３に格納される温度予測プログラムＰによって予測される（図１および図２参照）。

そして、第１デバイス３の昇温の開始が予測される場合、その昇温開始の予測時間から、所定時間早いタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって電圧印加装置９が作動され、第１デバイス３に所定の電圧が印加される。

また、第１デバイス３の降温の開始が予測される場合、その降温開始の予測時間から、所定時間早いタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって電圧印加装置９が停止され、第１デバイス３に対する電圧の印加が停止される。

なお、熱源２として内燃機関１１のエンジン１６を用いる場合、発電システム１では、第１デバイス３は、内燃機関により加熱および／または冷却されるため、実質的に定温状態になることなく、昇温状態および降温状態が繰り返される。

そして、上記の発電システム１では、第１デバイス３の温度変化の周期において、昇温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加装置９を作動させ、降温の開始が予測される時間から、周期の−１５％以上０％未満のタイミングで電圧印加装置９を停止させる。

すなわち、本発明の発電システムでは、昇温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９を作動させる。また、降温の開始が予測される時間よりも所定時間早いタイミング（温度変化１周期の時間に対して−１５％以上０％未満）で、電圧印加装置９を停止させる。

このようなタイミングで電圧印加装置９を作動および停止させることにより、第１デバイス３から効率よく電力を取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

その後、この方法では、例えば、図３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２５や、自動車２５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。

なお、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。

次に、本発明を参考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。

参考実施例１
バルク型のピエゾ素子（表面および裏面に、銀電極（第２デバイス）が形成された第１デバイス、構造：ＰＺＴ、キュリー点（Ｔｃ）２９５℃、比誘電率：２１３０、製番：Ｃ−６、富士セラミックス製）を、縦８ｍｍ×横１３ｍｍ×厚み０．５ｍｍサイズのシート状にカットした。

次いで、そのピエゾ素子と並列に、１００ｋΩの抵抗素子を配置した。なお、抵抗素子は、継続的に電圧をモニタリングしており、その値から素子の発電電力を計算するために設けた。

熱源としてヒートガンを用い、噴射口がピエゾ素子から３ｃｍ離間するように、ヒートガンおよびピエゾ素子を、それぞれ配置した。

次いで、各サンプルの温度を検知できるよう、熱電対（温度センサ）を配置するとともに、電圧を印加できるようにサンプルを電圧印加装置（型番：ＭＯＤＥＬ６７７Ｂ、トレックジャパン社製）の電極で挟み込んだ。そして、電圧印加電源および制御ユニットを、電気的に接続した。

なお、制御ユニット（ＣＰＵ）においては、熱電対により測定されるサンプルの温度が、０．２℃／ｓ以上上昇するときに昇温状態であり、０．２℃／ｓ以上降下するときに降温状態であるものと設定した。

ヒートガンから熱風を噴き出し、定期的にヒートガンとピエゾ素子との間を金属板により遮蔽することにより、ピエゾ素子の温度を経時的に上下させた。なお、加熱と放冷とは、加熱／放冷＝１秒／１秒の合計２秒周期で切り替えた。

また、ピエゾ素子の温度（平均値）を熱電対により測定し、ピエゾ素子が昇温するタイミング、具体的には、放冷から加熱に切り替わるタイミングの０．２秒前（昇温開始から１．８秒後（２秒周期を１００％とした場合の９０％））から、ピエゾ素子に電圧（電場強さ：０．２５ｋＶ／ｍｍ）を印加した。また、ピエゾ素子が降温するタイミング、具体的には、加熱から放冷に切り替わるタイミングの０．２秒前（降温開始から１．８秒後（２秒周期を１００％とした場合の９０％）））に、電圧の印加を停止した。

これにより、ピエゾ素子を電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。

また、電圧印加および停止のタイミングを、０．１秒刻みで変更し、上記と動揺に電力を取り出した。

電圧印加のタイミングと回収電力との関係を示すグラフを、図５に示す。なお、回収電力とは、ピエゾ素子により発電された電力から、電圧印加に使用した電力を差し引いた値を示す。

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
９ 電圧印加装置
１０ 制御ユニット

Claims (1)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、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、
   前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記第１デバイスの温度変化の周期を予測する予測手段と、
   前記予測手段の予測に基づいて前記電圧印加手段を作動および停止させるための制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記予測手段によって予測される前記第１デバイスの温度変化の周期において、
   昇温の開始が予測される時間から、前記周期の−１５％以上０％未満のタイミングで前記電圧印加手段を作動させ、
   降温の開始が予測される時間から、前記周期の−１５％以上０％未満のタイミングで前記電圧印加手段を停止させる
   ことを特徴とする、発電システム。

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