JPH077976A - 発電ユニットとこれを用いた発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 太陽光エネルギを電気に変換する発電システ
ムで一時的に太陽光を受光できなくなっても継続的に発
電を行う。 【構成】 熱流の方向が逆転しても発電が可能な、動的
構成要素を持たない熱電変換モジュール１と、蓄熱器２
とを、直接接合して発電ユニットを構成する。これによ
り、熱電変換モジュール１の受光面に直接または間接的
に太陽光が当たらなくなっても、蓄熱器２から継続的に
熱が熱電変換モジュール１に供給され、発電が行われ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は太陽光を用いた発電シス
テムに係り、特に、一時的に太陽光を受光できなくなっ
ても継続的な発電を行うのに好適な発電システムとその
運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光と太陽熱を発電に用いるものとし
て、「太陽エネルギ−」 (Vol.14, No6, pp41〜47)に記
載された光・熱ハイブリット発電システムがある。これ
は、発電部が太陽電池，熱電素子，放熱板の積層構造を
備え、反射鏡やレンズなどにより集光した太陽光を、太
陽電池と熱電素子を併用して電気に変換し、変換効率を
高めている。また、特開平１−１９０２７４号公報記載
の従来技術では、集光した太陽光による熱を蓄熱し、こ
の熱を発電に用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】惑星の周囲を周回する
人工衛星では、例えば惑星が太陽と人工衛星の間に位置
した時に人工衛星に太陽の光が当たらなくなる「食」と
いう現象が起こる。このため、太陽電池による発電のみ
を採用する従来技術では、食の間は機器を停止させる
か、あるいは、バッテリによるバックアップを行う必要
がある。しかし、人工衛星は、食に対応するためにバッ
テリ容量を増加させることは、衛星重量の増加や機器搭
載量の制限，機器使用時間の制限といった問題が起こ
り、根本的な解決とはならない。また、人工衛星に搭載
される太陽電池の発電容量は、搭載機器で消費される最
大電力より大きくなるよう設計されているが、発電容量
の余剰分は電気に変換されることなく、廃熱となってし
まい、エネルギー的に無駄になるという問題がある。

【０００４】地上に設置された太陽電池も、人工衛星と
同様に、受光部分が何かの影に入ると発電が止まるた
め、負荷に安定した電力を供給することができず、バッ
テリや商用電源によるバックアップが必要になる。

【０００５】特開平１−１９０２７４号公報に記載の発
電システムにおいては、発電手段として、動的構成要素
を持たない熱電素子の他に、動的構成要素を持つ熱機関
で発電している。このため、前記の課題は解決されてい
るが、振動の発生や耐久性、信頼性といった点で問題が
ある。

【０００６】本発明の目的は、発電システムの受光面に
一時的に光が入らなくなったときにも継続的に発電を可
能にし信頼性，耐久性が高く、安定的に電力を供給可能
な発電ユニットとこれを用いた発電システム並びにその
運転方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、システムの
発電ユニットを、熱流の方向が逆転しても発電が可能
な、動的構成要素を持たない熱電変換手段から成る熱電
変換モジュールと蓄熱器とを直接接合した構成とするこ
とで、達成される（第１発明）。

【０００８】上記目的は、システムの発電ユニットを、
熱流の方向が逆転しても発電が可能な、動的構成要素を
持たない熱電変換手段から成る板状の熱電変換モジュー
ルのうち少なくとも一基の、片面の少なくとも一部分に
光電変換手段を接合し、もう片面に蓄熱器を接合した構
成とすることでも、達成される（第２発明）。

【０００９】上記目的は、システムの発電ユニットを、
熱流の方向が逆転しても発電が可能な、動的構成要素を
持たない熱電変換手段により構成される熱電変換モジュ
ールと高い熱容量を持つ基板とを直接接合した構成とす
ることでも、達成される（第３発明）。

【００１０】上記目的は、上記第１発明または第２発明
を用いたシステムの発電ユニットにおいて、動的構成要
素を持たない熱電変換手段を、内部の温度勾配により起
電力を生じる熱電素子とすることでも、達成される（第
４発明）。

【００１１】上記目的は、上記第４発明を用いたシステ
ムの発電ユニットにおいて、前記熱電素子を蓄熱器内の
蓄熱材に接触させることでも、達成される（第５発
明）。

【００１２】上記目的は、上記第１発明，第２発明を用
いたシステムの発電ユニットにおいて、前記蓄熱器に負
荷より生じた廃熱が、熱伝達手段を介して伝達されるよ
うにすることでも、達成される（第６発明）。

【００１３】上記目的は、上記第１，第２，第３発明の
うちの少なくとも一つを用いたシステムの発電ユニット
において、発電ユニットを受光面側からみたとき正多角
形となるようにし、正多角形の各辺に当たる部分から熱
電変換手段あるいは光電変換手段からの電気入出力端子
を出してシステムを構成することで、達成される（第７
発明）。

【００１４】上記目的は、第７発明を用いる発電ユニッ
トにおいて、負荷の必要とする電圧，電流に合わせて複
数個電気的に直列または並列に接続することで、達成さ
れる（第８発明）。

【００１５】上記目的は、上記第１，第２，第３発明の
うち少なくとも一つを用いた発電システムにおいて、シ
ステムの運転中に熱流の方向が逆転する熱電変換モジュ
ールと、これに接続されるバッテリまたは負荷の間に、
電流の流れる方向を一定に保つ手段を設けることで、達
成される（第９発明）。

【００１６】上記目的は、上記第１，第２，第３発明の
うち少なくとも一つを用いた発電システムにおいて、少
なくとも熱電変換モジュールとこれに接続されるバッテ
リまたは負荷の間に電圧の制御手段を設けることでも、
達成される（第１０発明）。

【００１７】上記目的は、上記第１，第２，第３発明の
うち少なくとも一つを用いた発電システムにおいて、前
記熱電変換モジュールの電気出力をそれぞれ開閉する手
段と、蓄熱器の蓄熱量を検知する手段及び受光面への太
陽光照射の有無を検知する手段とを設け、蓄熱器の蓄熱
量が受光面に光の入射の有無により異なるしきい値より
高いか低いかによって、熱電変換モジュールと負荷また
はバッテリとの間の電気的な接続を開閉することで、達
成される（第１１発明）。

【００１８】上記目的は、上記第２発明を用い、光電変
換手段として太陽電池を使用した発電システムにおい
て、その総発電能力及び太陽電池に接合されている熱電
変換モジュールの発電能力、もしくは太陽電池の発電能
力をリアルタイムに検知する手段、及びこれらに接続さ
れる負荷またはバッテリ−における消費電力、蓄熱器の
蓄熱量をリアルタイムに検知する手段を設け、その情報
を演算手段を用いて処理し、負荷またはバッテリの消費
電力に応じて、前記熱電変換モジュールのうち少なくと
も太陽電池に接合されている熱電変換モジュールの運転
モードを、発電モードか太陽電池を冷却するモードかに
切り替える制御手段を設けることで、達成される（第１
２発明）。

【００１９】

【作用】第１発明では、太陽光の受光時に、熱電変換モ
ジュールが受光面側の温度とその裏面側の温度との温度
差で発電すると同時に、蓄熱器に蓄熱をする。熱電変換
モジュールと蓄熱器は直接接合されているので、循環熱
媒体を用いる場合に比べて熱損失は小さい。非受光のと
きには、熱電変換モジュールは蓄熱器に接合された面と
放熱面との温度差あるいは、熱電変換モジュールの両端
に接合された蓄熱器間の温度差により発電を行う。従っ
て、受光面に一時的に光が当たらなくなったときも発電
が可能となる。また、本発明はその発電部に熱電素子や
熱電子発電装置を使用するなど動的構成要素を持たない
部品を使用するため、発電中に振動が発生することはな
く、信頼性も高い。

【００２０】第２発明では、太陽光が受光面に入射して
いる間は、太陽電池のような光電変換手段による発電
と、熱電変換モジュールが光電変換手段に接合された面
と蓄熱器に接合された面との温度差により発電する。非
受光のときは、光電変換手段の発電量はゼロとなるが、
第１発明と同じく、受光面であったところから放熱し、
前記の熱電変換モジュールが、蓄熱器に接合された面と
放熱面（受光面であった面）との温度差により発電す
る。本発明も、第１発明と同様に、動的構成要素を含ま
ないため、発電中に振動が発生することはなく、信頼性
も高い。

【００２１】第３発明では、大きな熱容量を持つ構造材
上に熱電変換モジュールを接合することにより構造材に
顕熱型蓄熱器としての機能をもたせることができる。従
って強度が高く、シンプルな発電部を構成できる。

【００２２】第４発明では、熱電素子の熱電変換効率の
温度特性が原料の種類や組成で変化させられるので、こ
れを適当に選択することにより、同一の構造で、様々な
使用温度領域で発電できる。また、熱電素子の発電量は
温度差にのみ依存し形状にほとんど依存しないため、複
雑な形状，構造のシステムを構築することも可能とな
る。

【００２３】第５発明では、発電の原理や動作は第４発
明と同様であるものの、熱電素子から直接蓄熱材に熱が
伝えられるため、熱損失が小さくなる。

【００２４】第６発明では、現在は廃熱として外界に捨
てられている、負荷から発生する熱を蓄熱器に伝達し、
蓄えることで再度発電に利用することができる。また、
蓄熱器に潜熱型の蓄熱材を使用すれば、負荷の温度が高
くなれば負荷から蓄熱器へ、負荷の温度が下がれば蓄熱
器から負荷へ熱が流れるので、負荷の温度環境を安定化
できる。

【００２５】第７発明では、入出力の端子が多方向に存
在するので、発電システムのレイアウトの自由度を上げ
ることができる。また、形状を正多角形とすることで発
電ユニットが辺を共有できるようになるので、複数の発
電ユニットを電気的、機械的に接続しやすくなる。

【００２６】第８発明では、単一の発電ユニットを複数
個電気的に直列あるいは並列に接続することで、取り出
す電流や電圧を負荷に適した形に変えることができる。
また、故障などが起こった場合はその部分の単位発電ユ
ニットを外して容易に交換することができる。

【００２７】第９発明では、第１，第２，第３発明と負
荷またはバッテリからなる発電システムにおいて、受光
面への入射光の有無にかかわらず熱電変換モジュールか
ら負荷への電流の向きが変化しなくなるため、受光から
非受光への変化時に熱電変換モジュールからの電流の方
向が変化して、システムに接続されている負荷またはバ
ッテリ−に悪影響を与えることを防止できる。

【００２８】第１０発明では、第１，第２，第３発明を
用いたシステムの発電電圧が不安定である場合にも、電
圧制御装置により電圧を一定に保てるので、接続されて
いる負荷やバッテリ−に最適な電圧で電力を供給し続け
ることが可能となる。

【００２９】第１１発明によれば、第１，第２，第３発
明を用いたシステムの受光面に光が当たっている間に蓄
熱器に蓄えられる熱の量が不十分で、非受光時の発電量
が十分に得られないといったことを防止できる。また、
蓄熱器の蓄熱媒体が気体や液体である場合は、蓄熱媒体
の沸点や凝固点、分解温度等よりも高い温度で開閉器を
開とし、熱電変換モジュールの発電を停止して熱の外界
への放出を抑えることで、蓄熱媒体の液化や固化、分離
等による蓄熱能力の低下や、体積変化による機器の破損
等を防止できる。

【００３０】太陽電池は、一般に温度が上がると発電効
率が低下する。また、太陽電池は非常に薄い膜を積層し
た構造をとっているため、荷電粒子や宇宙塵等との衝突
により容易に破損し発電能力が低下する。

【００３１】そこで、第１２発明では、太陽電池の発電
容量が十分に大きい場合は、太陽電池に接合された熱電
変換モジュールに、太陽電池側の面が吸熱側となる向き
に太陽電池やバッテリーから電流を流して太陽電池を冷
却し、太陽電池の発電効率を高めることが出来る。この
とき、前記熱電変換モジュールの蓄熱器に接合された面
は放熱面となるので、蓄熱器に蓄積される熱量は大きく
なり、非受光の時の発電量を大きくできる。そして、太
陽電池の発電能力が低下し、十分な発電量が確保できな
くなった場合には、前記熱電変換モジュールを発電モー
ドに切り替えて使用することで発電量の低下を最小限に
抑えることが出来る。さらに、本構成とすれば、負荷の
消費電力が総発電能力より小さい場合、太陽電池を最大
の発電効率が得られるところで運転し、余剰電力を熱電
変換モジュールに流して、ペルチェ効果により蓄熱器へ
熱を流すことができる。即ち発電力の余剰分を熱の形で
保存し受光面に光が当たらなくなったときに発電に利用
できる。これにより、これまで無駄になっていたエネル
ギ−を有効に利用できる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の第１実施例に係る発電ユニッ
トの構成図である。本実施例では、水和塩を蓄熱材とす
る公知の潜熱型蓄熱器２を用い、公知の電気絶縁性接着
剤により、潜熱型蓄熱器２の受光面側に熱電変換モジュ
ール１を接合して、発電ユニットを構成する。尚、特に
図示はしないが、受光面となる部分には表面に細かい凹
凸をつけるなどして、太陽光が反射により逃げるのを防
ぐことが望ましい。本システムの受光面に太陽光が入射
すると、熱電変換モジュール１の片面が加熱され、潜熱
型蓄熱器２に接合された面との間に温度差を生じ、熱電
変換モジュール１が発電する。受光面に与えられた熱
は、熱伝導により熱電変換モジュール１を介して潜熱型
蓄熱器２に伝えられ蓄えられる。食の状態になる等して
受光面に太陽光が入射しなくなったときは、受光面は放
熱面となり、熱電変換モジュール１は潜熱型蓄熱器２に
接合された面の温度と外界に面した放熱面との間の温度
差により発電する。このため受光面に太陽光が入射しな
くなっても潜熱型蓄熱器２の温度が放熱面温度と等しく
なるまで、継続的に発電できる。

【００３３】図２は、第２実施例に係る発電ユニットの
構成図である。本実施例では熱電変換モジュール１が潜
熱型蓄熱器２の非受光面側に接合されており、太陽光は
潜熱型蓄熱器２へ入射し蓄熱される。そして熱電変換モ
ジュール１は、潜熱型蓄熱器２に接合された面と放熱面
の温度差で発電する。この構成とすれば、受光時非受光
時を問わず熱電変換モジュールの高温端と低温端の温度
差がほぼ一定に保たれるので、安定した電圧が得られ
る。

【００３４】図３は、第３実施例に係る発電ユニットの
構成図である。本実施例では熱電変換モジュール１が、
高融点の蓄熱材を含む潜熱型蓄熱器２ａと、低融点の蓄
熱材を含む潜熱型蓄熱器２ｂにはさまれた構成となって
いる。高融点の蓄熱材を含む蓄熱器を受光面側に向ける
ことにより、太陽光の受光非受光にかかわらず熱電変換
モジュール１の蓄熱器２ａに接合された側が高温端、蓄
熱器２ｂに接合された側が低温端となり、常に一定の極
性で発電する。また高温端と低温端の温度が一定に保た
れるので、安定した電圧が得られる。

【００３５】図４は、第４実施例に係る発電ユニットの
構成図である。本実施例では、二基の熱電変換モジュー
ル１の間に潜熱型蓄熱器２を接合している。一基の熱電
変換モジュール１を受光面側に配置し、残り一基の熱電
変換モジュール１は潜熱型蓄熱器２を介して受光面側の
熱電変換モジュール１の裏面に配置して、潜熱型蓄熱器
２と放熱面の温度差で発電させる。これにより、受光面
の単位面積当りの発電容量が増加するので、発電ユニッ
トのコンパクト化を図ることが出来る。

【００３６】図５（ａ）は、第５実施例に係る発電ユニ
ットの構成図である。本実施例では、潜熱型の蓄熱器２
が、柔軟性のある潜熱型の蓄熱材２９をカーボンファイ
バのような強度が高く柔軟で、伝熱性の高い材料で作ら
れたケーシング３０に納めた構造をとっており、熱電変
換モジュール１は、熱電素子１ａの小片と、ひだ付きの
電極２７を接合して構成している。また、潜熱型蓄熱器
２と熱電変換モジュール１との接合も、柔軟性のあり、
望ましくは熱伝導性の高い接着剤（図示しない）を使っ
てなされている。本実施例によれば、発電ユニットの柔
軟性が高いため、図５（ｂ）のように構造材２８の曲面
部分にも発電ユニットを高い密着性を保ちながら取り付
けることが可能である。

【００３７】図６は、熱電素子を用いた熱電変換モジュ
ールと蓄熱器の接合方法の一例を示したものである。熱
電素子１ａと潜熱型蓄熱器２は共に多数の凹凸を持つ端
面を有しており、端面同士は電気絶縁性で、好ましくは
熱良導性の接着剤５で、互いに接合されている。このよ
うな接合により、伝熱面積が増すと同時に接合強度も高
くなる。

【００３８】図７は、図４の変形例（第６実施例）に係
る発電ユニットの構成図である。本実施例では、蓄熱器
として蓄熱材に炭化珪素を使用した顕熱型蓄熱器３を用
いている。炭化珪素は、軽量で比熱が高く、化学的，機
械的に安定であるので、軽量，高性能で、耐久性の高い
システムを構築できる。また、図８に示したように、熱
電素子１ａを顕熱型蓄熱材３ａに直接接合し、より機械
強度が高く、効率よく熱伝達可能な構成とすることもで
きる。

【００３９】図９は、図４の変形例（第７実施例）に係
る発電ユニットの構成図である。本実施例では、熱電変
換モジュールを熱電素子で構成する。そして、受光面側
の熱電変換モジュール１ｂに中高温で熱電変換効率の高
い珪化鉄熱電素子を用い、放熱面側の熱電変換モジュー
ル１ｃには低温で熱電変換効率の高い、ビスマス−テル
ル系の熱電素子を用いることにより、受光時に、より高
い発電容量を確保できる。

【００４０】図１０は、本発明の第８実施例に係る発電
ユニットの構成図である。先の第１実施例では受光面に
熱電変換モジュール１の片面が露出していたが、本実施
例では受光面に太陽電池を設け、その裏面に熱電変換モ
ジュール１を接合することにより、太陽光の高エネルギ
成分を効率よく発電に利用でき、単位面積当りの発電量
を向上することができる。また、本実施例においても図
４のように、もう一基の熱電変換モジュール１を放熱面
側に接合することで、さらに発電効率を上げることがで
きる。尚、図２に示す第２実施例と同様の構成とする場
合は、蓄熱器２の周囲（熱電変換モジュール１との接合
部を除く）を断熱することが望ましい。

【００４１】図１１は、本発明の第９実施例に係る発電
ユニットの構成図である。本実施例では、強度が高くて
熱容量が高く、望ましくは熱伝導度の高い基板４、例え
ばジュラルミンの板の上に、熱電変換モジュール１を電
気的に絶縁して接合した構成としている。本実施例は上
記の実施例に比べて蓄熱能力では劣るものの、構造材に
蓄熱能力をもたせることで、構造が単純で強度の高い発
電ユニットを構築できる。

【００４２】図１２は、本発明の第１０実施例に係る発
電ユニットの構成図である。本実施例では、太陽熱に加
え、負荷からの廃熱も蓄熱器に蓄え、発電に利用する。
負荷７から放出された熱は、一旦ヒートシンク２１に集
められ、そこからヒートパイプ２２のような熱伝達手段
により、潜熱型蓄熱器２に運ばれ、蓄えられる。発電の
原理及び動作は第１実施例と同様であるが、通常は放熱
フィンなどを使って捨てられる廃熱を再度発電に利用可
能なため、実質的には熱電変換効率が向上する。

【００４３】図１３は、第１１実施例に係る発電ユニッ
トの構成図である。本実施例は、複数個の発電ユニット
を電気的に接続して規模の異なる発電システムを構築す
る際の、単位発電ユニットの一例である。受光面側から
みたとき正方形となるようにした発電ユニット（図１の
第１実施例と同様の発電ユニット）に、逆流防止用のダ
イオ−ド（図示しない）を組み込んだ直列接続端子２３
と、ヒューズ（図示しない）を組み込んだ並列接続端子
２４を取り付けたものを、基本発電ユニットとしてい
る。尚、ヒューズの容量は、この基本発電ユニットの発
電容量より小さいものを使用する。

【００４４】この基本発電ユニットを複数個組み合わせ
た発電ユニットの例を図１４（ａ）に示す。図１４
（ｂ）は、このときの各基本発電ユニットの、電気的な
接続の状態を表したものである（破線で囲まれた部分が
基本発電ユニットに対応する）。本構成では、負荷の必
要とする電圧，電流を、直列あるいは並列に接続する基
本発電ユニット２５の数を変えることで容易に得ること
ができる。また、万一、基本発電ユニット２５の１つが
故障あるいは劣化して短絡した場合は、短絡したユニッ
トとこのユニットに並列に接続されているユニットとの
間にヒューズの容量以上の電流が流れるため、短絡した
ユニットは電気的に切り離され、発電能力の低下は最小
限に抑えられる。さらに、各基本発電ユニットは、それ
ぞれ自由に切り離し、また接続することが可能なので、
故障したユニットの交換や発電能力の増減を容易に行う
ことができる。

【００４５】図１５は、図４に示す第４実施例を用いた
発電システムの実施例である。本実施例では、太陽光の
受光時と非受光時で高温側と低温側が逆転するため、電
流の方向が反転する受光面側の熱電変換モジュール１と
負荷７との間に整流装置９を設け、さらに負荷に一定の
電圧を供給するため、ＤＣ−ＤＣコンバータのような電
圧制御装置１０を熱電変換モジュール１と負荷との間に
設けている。この構成により、受光面への太陽光受光の
有無、蓄熱量の変動等による負荷に対する電圧変動を抑
制することができる。

【００４６】図１６は、図１５に示す実施例の変形例で
あり、負荷７にさらに安定に電力を供給するため、バッ
テリ８を組み合わせ、フローティングチャージが行える
ようにしている。図１６のような構成にすることによ
り、発電容量が大きい太陽光の受光時は、負荷とバッテ
リ−に電力が供給され、非受光時に発電電力が負荷７の
必要とする電力以下となったときは主にバッテリ８から
負荷７に電力が供給される。

【００４７】図１７は、図１０に示したような発電ユニ
ットを用いたシステムの実施例である。図１６と異なる
のは、発電ユニットの構成と電圧制御装置１０が太陽電
池１２と負荷７の間に設けられている点だけであり、図
１０に示す実施例と同様に受光面への太陽光受光の有
無、蓄熱量の変動等による負荷に対する電圧変動を抑制
することができる。

【００４８】図１８は、図４に示した発電ユニットを用
いたシステムにおいて、蓄熱器の蓄熱量をコントロール
することにより継続的に発電を行う実施例のシステム構
成図である。蓄熱器には潜熱型蓄熱器２を用い、潜熱型
蓄熱器２内に取り付けた蓄熱量センサ１３により蓄熱量
を検知し、受光面に取り付けた光センサ１４により太陽
光の入射の有無を検知する。これらの情報は演算装置１
９に送られ、蓄熱量と受光面への太陽光の入射の有無に
より異なるしきい値との大小比較が行われる。そして、
その結果によって演算装置１９から開閉器１６ａ及び開
閉器１６ｂへ開または閉の制御信号が送られる。

【００４９】図１９は、図１８に示した実施例の動作の
一例を模式的に表したものである。太陽光を受光し始め
た当初は蓄熱量が不足しているため、開閉器１６ｂを開
として放熱面への熱放出を抑制し、開閉器１６ａは閉と
して受光面側の熱電変換モジュール１のみで発電をしな
がら潜熱型蓄熱器２へ蓄熱する。従って、蓄熱量は急激
に増加する。蓄熱量がしきい値Ｂを越えたところで開閉
器１６ｂを閉とし、二基の熱電変換モジュール１で発電
を行う。このとき蓄熱量の増加の割合は小さくなるが、
総発電容量は増大する。システムがバックアップ用のバ
ッテリを持つ場合には、ここで充電ができる。もし開閉
器１６ｂを閉としたことにより蓄熱量が減少に転じたと
きは、蓄熱量がしきい値Ｂ以下になったところで開閉器
１６ｂを開とすればよい。太陽光を受光しなくなると蓄
熱量は次第に減少する。潜熱型蓄熱器２の容量やしきい
値Ｂの値などは非受光の間も安定して発電可能なように
設定されるべきであるが、万一蓄熱量が不足してしきい
値Ａに達したときは開閉器１６ａ及び開閉器１６ｂを閉
とし、蓄熱量の減少を抑制して潜熱型蓄熱器２にトラブ
ルが生じることを防ぐ。

【００５０】図２０は、図１８に示された実施例の変形
例を示したものであり、発電ユニットの構成と受光の有
無の検知方法が異なっている。本実施例では発電システ
ムが、図９に示すような構成に図４と同様に熱電変換モ
ジュール１を潜熱型蓄熱器２に接合したものとなってお
り、また、受光の有無は太陽電池が発電しているか否か
を電圧計１５ａでモニタすることで検知している。

【００５１】本実施例の動作の一例を模式的に表したの
が図２１である。上記実施例と異なり、本実施例では太
陽光を受光すると太陽電池１２及びこれに接合された熱
電変換モジュール１により発電が行われる。このとき開
閉器１６ａには閉の制御信号、開閉器１６ｂには開の制
御信号が与えられている。蓄熱量が増加し、しきい値Ｂ
を越えると開閉器１６ｂに閉の制御信号が与えられ、太
陽電池１２及び全熱電変換モジュール１により発電が行
われる。このとき太陽電池１２はかなりの高温となって
おり、温度上昇に起因する発電効率の低下により太陽電
池１２の発電量は小さくなるが、放熱面側の熱電変換モ
ジュール１が発電を開始することで、この発電量低下を
補うことが可能である。非受光の場合の動作は上記実施
例と同様であるが、太陽電池１２による発電が全く行わ
れなくなる。このため、非受光になった瞬間の総発電容
量は減少するが、ゼロにはならないので、バックアップ
用のバッテリの容量は、発電部を太陽電池のみで構成す
るより小さくてすむ。

【００５２】図２２は、図１８に示した実施例で用いた
発電ユニットを用いたシステムにおいて、太陽電池に接
合されている熱電変換モジュールの運転モードを変化さ
せる実施例の構成図である。本実施例では、潜熱型蓄熱
器２内の蓄熱量が蓄熱量センサ１３により、太陽電池１
２、熱電変換モジュール１の出力電圧が電圧計１５ａ、
電圧計１５ｂ、電圧計１５ｃにより、負荷７の使用電力
が電力計２０により、それぞれモニターされており、演
算装置１９に送られている。演算装置１９は、これらの
データから、太陽電池１２に接合された熱電変換モジュ
ール１を発電に用いるか、太陽電池１２の冷却に用いる
かを判断し、入出力切り替えスイッチ１７及び可変抵抗
１８に制御信号を送る。入出力切り替えスイッチ１７は
制御信号により、太陽電池に接合された熱電変換モジュ
ール１をバッテリ−７に接続するか電圧制御装置１０に
接続し、可変抵抗１８は太陽電池１２に接合された熱電
変換モジュール１に送る電力量を制御する。

【００５３】

【発明の効果】第１発明の発電ユニットを用いること
で、例えば人工衛星に直接または間接的に太陽光が一時
的に当たらなくなっても継続的に発電が可能となり、搭
載する補助電源用のバッテリをなくすか小さくすること
ができる。

【００５４】これに加えて、第２発明によれば、前記の
効果に加え、受光時にさらに効率よく発電ができ、第３
発明によれば、コンパクトで強度の高い発電ユニットを
構築できる。第４発明によれば、発電ユニットの運転温
度、必要発電能力等に応じて熱電素子の材質や量を選択
することで、容易に最適な設計をすることが出来る。ま
た、素子の形状が自由に変えられることから、曲面部分
にも接合が容易に出来る。第５発明によれば、熱電素子
から蓄熱器に熱が伝えられるときの熱損失が小さくな
る。第６発明によれば、負荷からの廃熱を再び発電に利
用できるので、実質的な熱電変換効率が向上する。第
７，第８発明によれば、規模の異なる発電システムの発
電ユニットを同一の設計で行えるため開発、製造のコス
トを低減できる。また、発電ユニットの交換が容易とな
るため、発電システムの信頼性や耐久性も向上する。

【００５５】第６の発明のシステムを採用することで、
受光時と非受光時で負荷に流れ込む電流の向きが変化し
なくなる。第７発明のシステムを採用することで、発電
システムの発電電圧の変動に影響されずに、負荷やバッ
テリに安定した電圧を供給できる。第８発明のシステム
及び運転方法とすれば、非受光時に蓄熱量の不足が原因
で発電容量が足りなくなることが防げる。また、蓄熱器
が過冷却されることによる蓄熱材の劣化も防止できる。
第９発明のシステムとすれば、これまで廃熱となってい
た熱も発電に利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図３】本発明の第３実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図４】本発明の第４実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図５】本発明の第５実施例に係る発電ユニットの構成
図（ａ）とこの発電ユニットを曲面にも取り付け状態を
示す図（ｂ）である。

【図６】熱電素子を用いた熱電変換モジュールと蓄熱器
の接合方法の一例を表した図である。

【図７】本発明の第６実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図８】熱電素子を顕熱型蓄熱材に直接接合した例を表
す図である。

【図９】本発明の第７実施例に係る発電ユニットの構成
図である。

【図１０】本発明の第８実施例に係る発電ユニットの構
成図である。

【図１１】本発明の第９実施例に係る発電ユニットの構
成図である。

【図１２】本発明の第１０実施例に係る発電ユニットの
構成図である。

【図１３】本発明の第１１実施例に係る発電ユニットの
構成図である。

【図１４】基本ユニットを組み合わせて作った発電ユニ
ットの例を表す図（ａ）発電ユニットの電気的な接続状
態を表す図（ｂ）である。

【図１５】整流装置及び電圧制御装置を用いたシステム
例の構成図である。

【図１６】図１５に示す実施例の変形例の構成図であ
る。

【図１７】整流装置及び電圧制御装置を用いたシステム
例の構成図である。

【図１８】蓄熱器の蓄熱量をコントロールすることによ
り継続的に発電を行う実施例の構成図である。

【図１９】図１８に示す実施例の動作の一例を表す模式
図である。

【図２０】図１８に示す実施例の変形例の構成図であ
る。

【図２１】図２０に示す実施例の動作の一例を表す模式
図である。

【図２２】太陽電池に接合されている熱電変換モジュー
ルの運転モードを変化させる実施例の構成図である。

【符号の説明】

１…熱電変換モジュール、１ａ…熱電素子、１ｂ…中高
温用熱電素子、１ｃ…低温用熱電素子、２…潜熱型蓄熱
器、２ａ…高融点蓄熱材、２ｂ…低融点蓄熱材、３…顕
熱型蓄熱器、３ａ…顕熱型蓄熱材、４…高熱容量基板、
５…電気絶縁性接着剤、６…電極、７…負荷、８…バッ
テリー、９…整流装置、１０…電圧制御装置、１１…逆
流防止用整流装置、１２…太陽電池、１３…蓄熱量セン
サ、１４…光センサ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…電圧
計、１６ａ、１６ｂ…開閉器、１７…入出力切り替えス
イッチ、１８…可変抵抗、１９…演算装置、２０…電力
計、２１…ヒートシンク、２２…ヒートパイプ、２３…
直列接続端子（ダイオ−ド付き）、２４…並列接続端子
（ヒューズ付き）、２５…基本発電ユニット、２６…受
熱板兼電極、２７…ひだつき電極、２８…構造材、２９
…潜熱型蓄熱材、３０…ケーシング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩野 修 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 堀江 龍郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 芦田 章 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱流の方向が逆転しても発電が可能な動
   的構成要素を持たない熱電変換手段により構成される熱
   電変換モジュールと、蓄熱器とを、直接接合して構成し
   たことを特徴とする発電ユニット。
2. 【請求項２】 熱流の方向が逆転しても発電が可能な動
   的構成要素を持たない熱電変換手段により構成される板
   状の熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールのう
   ち少なくとも一基の片面の少なくとも一部分に接合した
   光電変換手段と、前記熱電変換モジュールの他方の片面
   に接合した蓄熱器とで構成したことを特徴とする発電ユ
   ニット。
3. 【請求項３】 熱流の方向が逆転しても発電が可能な動
   的構成要素を持たない熱電変換手段により構成される熱
   電変換モジュールと、高い熱容量を持つ基板とを備える
   発電ユニットにおいて、前記基板上に、前記熱電変換モ
   ジュールが直接接合されていることを特徴とする発電ユ
   ニット。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかにおい
   て、前記熱電変換手段が、内部の温度勾配により起電力
   を生じる熱電素子であることを特徴とする発電ユニッ
   ト。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記熱電素子が蓄熱
   器内の蓄熱材に接触していることを特徴とする発電ユニ
   ット。
6. 【請求項６】 請求項１または請求項２において、前記
   蓄熱器に負荷より生じた廃熱が熱伝達手段を介して伝達
   される構成としたことを特徴とする発電ユニット。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項３のいずれかにおい
   て、発電ユニットを受光面側からみたときに正多角形と
   なるようにし、正多角形の辺に当たる部分から熱電変換
   手段あるいは光電変換手段からの電気入出力端子を取り
   出した構成としたことを特徴とする発電ユニット。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の発電ユニットを、負荷
   の必要とする電圧，電流に合わせて複数個電気的に直列
   または並列に接続して構成したことを特徴とする発電ユ
   ニット。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の発電ユニットのうち少なくとも一つを用いたシステム
   において、システムの運転中に熱流の方向が逆転する熱
   電変換モジュールとこれに接続されるバッテリまたは負
   荷の間に、電流の流れる方向を一定に保つ手段を設けた
   ことを特徴とする発電システム。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記
    載の発電ユニットのうち少なくとも一つを用いたシステ
    ムにおいて、少なくとも熱電変換モジュールとこれに接
    続されるバッテリまたは負荷の間に電圧の制御手段を設
    けたことを特徴とする発電システム。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記
    載の発電ユニットのうち少なくとも一つを用いたシステ
    ムにおいて、前記熱電変換モジュールの電気出力をそれ
    ぞれ開閉する手段と、蓄熱器の蓄熱量を検知する手段及
    び受光面への太陽光照射の有無を検知する手段を設け、
    蓄熱器の蓄熱量と受光面に光の入射の有無により異なる
    しきい値との大小を比較し、その結果によって熱電変換
    モジュールと負荷またはバッテリとの間の電気的な接続
    を開閉する構成としたことを特徴とする発電システム。
12. 【請求項１２】 請求項２の発電ユニットを用い、光電
    変換手段として太陽電池を使用した発電システムにおい
    て、総発電容量及び太陽電池に接合されている熱電変換
    モジュールの発電容量、もしくは太陽電池の発電容量を
    検知する手段、及びこれらに接続される負荷またはバッ
    テリにおける消費電力、蓄熱器の蓄熱量を検知する手段
    を設け、その情報を演算手段を用いて処理し、負荷また
    はバッテリの消費電力に応じて、前記熱電変換モジュー
    ルのうち、太陽電池に接合されている熱電変換モジュー
    ルの運転モードを、発電モードか太陽電池を冷却するモ
    ードかに切り替える制御手段を設けたことを特徴とする
    発電システム。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記
    載の発電ユニットのうち少なくとも一つを用いたシステ
    ムにおいて、前記熱電変換モジュールの電気出力をそれ
    ぞれ開閉する手段と、蓄熱器の蓄熱量を検知する手段及
    び受光面への太陽光照射の有無を検知する手段を設け、
    蓄熱器の蓄熱量と受光面に光の入射の有無により異なる
    しきい値との大小を比較し、その結果によって熱電変換
    モジュールと負荷またはバッテリとの間の電気的な接続
    を開閉することを特徴とする発電システムの運転方法。