特開 2023-112395 発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023112395

(43)【公開日】2023-08-14

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20230804BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022014157

(22)【出願日】2022-02-01

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 仁

(57)【要約】      （修正有）

【課題】雨天時でも発電できる発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１０は、吸着により発熱する吸着熱発生部１１と、吸着熱発生部１１を保持しかつ吸着熱発生部１１に熱を集め乾燥させる集熱部１２ａ、１２ｂを有する乾燥モジュール１２と、外部に伝熱する第１伝熱部１３ｂ及び第１伝熱部１３ｂの反対側で吸着熱発生部１１に熱的に接触する第２伝熱部１３ａの間の温度差により熱電発電する熱電発電ユニット１３と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸着により発熱する吸着熱発生部と、
前記吸着熱発生部を保持しかつ前記吸着熱発生部に熱を集め乾燥させる集熱部を有する乾燥モジュールと、
外部に伝熱する第１伝熱部及び前記第１伝熱部の反対側で前記吸着熱発生部に熱的に接触する第２伝熱部を有し、前記第１伝熱部及び前記第２伝熱部の間の温度差により熱電発電する熱電発電ユニットと、
を有することを特徴とする発電装置。

【請求項2】

前記吸着熱発生部は前記吸着熱発生部に雨水を透過させる水透過装置を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

前記吸着熱発生部は前記第２伝熱部に熱的に接触するゼオライト粒子を収納している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。

【請求項4】

前記第１伝熱部に熱的に接触するヒートシンクが設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。

【請求項5】

前記吸着熱発生部の上に雨水を集める水誘導装置を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。

【請求項6】

前記乾燥モジュールは前記集熱部として集光ミラーを有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。

【請求項7】

前記乾燥モジュールは前記集熱部として集光レンズを有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主に屋外に設置される環境発電（Energy Harvesting）装置等の発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の発電装置には例えば特許文献１の図７に開示されるものがあり、風・雨・雪等を利用することで、プロペラを回転させて発電させていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－０５４６７６号公報（図７）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の発電装置では、プロペラを回転させる動力として不十分な、例えば霧雨のような状況下では発電できないという問題点があった。

【0005】

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、雨天時でも発電できる発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の発電装置は、吸着により発熱する吸着熱発生部と、前記吸着熱発生部を保持しかつ前記吸着熱発生部に熱を集め乾燥させる集熱部を有する乾燥モジュールと、外部に伝熱する第１伝熱部及び前記第１伝熱部の反対側で前記吸着熱発生部に熱的に接触する第２伝熱部を有し、前記第１伝熱部及び前記第２伝熱部の間の温度差により熱電発電する熱電発電ユニットと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明の発電装置によれば、雨天時でも発電できる発電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施例の発電装置を概念的に示す斜視図である。

【図2】図１の線ｘｘに沿って切断した発電装置を示す断面図である。

【図3】第１の実施例の発電装置の動作を概念的に示す断面図である。

【図4】第１の実施例の発電装置の動作を概念的に示す断面図である。

【図5】第２の実施例の発電装置を概念的に示す断面図である。

【図6】第２の実施例の発電装置の動作を概念的に示す断面図である。

【図7】第２の実施例の発電装置の動作を概念的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ本発明による実施例の発電装置について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0010】

（第１の実施例）
（構成の説明）
図１は第１の実施例の発電装置１０を示す斜視図である。図２は図１の線ｘｘに沿って切断した発電装置１０を示す断面図である。

【0011】

本実施例による発電装置１０は、吸着熱発生部１１と、吸着熱発生部１１を保持する乾燥モジュール１２と、乾燥モジュール１２に取り付けられた熱電発電ユニット１３と、を有する。

【0012】

［吸着熱発生部１１］
吸着熱発生部１１は、雨水等の水を吸着することにより発熱するゼオライト粒子ＺＬＰと、ゼオライト粒子ＺＬＰを挟んで保持、収容して全体に雨水を透過させる水透過装置である上部網ＮＴＵ及び下部網ＮＴＬと、を有する。本実施例は、ゼオライト粒子ＺＬＰが水分と反応して発熱する現象を利用する発電である。

【0013】

ゼオライト粒子ＺＬＰは、主にシリコン（Ｓｉ）とアルミニウム（Ａｌ）と酸素（Ｏ）等からなる、分子レベルの微細な孔を持った結晶性化合物であり、その構造固有の細孔、通常０．２～１．０ｎｍ径の分子径に相当するマイクロ孔径を持った多孔体である。

【0014】

ゼオライト粒子ＺＬＰとしては、天然（沸石）でも、人工的に合成（原料のケイ酸ナトリウムやアルミン酸ナトリウムを水と共に耐圧容器に密閉し加熱する水熱合成や、天然の酸化物を改変する方法や、合成の際に有機物鋳型を使い後で有機物鋳型を消失させる鋳型法）したものでもよい。ゼオライト粒子ＺＬＰの形態には、ペレット、破砕体、粒（球等）、粉、中空糸、タイル等がある。

【0015】

水分子等の吸着に際して生じるエンタルピー変化である吸着熱は、吸着分子１ｍｏｌ当たりの量として表される。吸着熱は、一般に発熱であり、吸着量あるいは表面被覆率（固体表面の吸着点が吸着分子で覆われる割合）につれて変化する。吸着結合の性質によって吸着熱の大きさは異なり、物理吸着では１０ｋＪ／ｍｏｌ程度の発熱であるが、化学吸着では５０～５００ｋＪ／ｍｏｌに達する。ゼオライト粒子ＺＬＰは、吸着水分子での表面被覆率が高く、吸着熱が起こる。

【0016】

［乾燥モジュール１２］
発電装置１０は、吸着熱発生部１１を保持しかつ吸着熱発生部１１に熱を集め乾燥させる集熱部を有する乾燥モジュール１２を備える。

【0017】

乾燥モジュール１２は集光ミラー１２ａと、集光ミラー１２ａに所定位置に固定されている照射ミラー１２ｂを有する。集光ミラー１２ａは骨材（図示せず）により地面等の固定物に固定されている。集光ミラー１２ａの外形は上から見ると、中心の吸着熱発生部１１が露出するように、くり抜かれた円形である。照射ミラー１２ｂは上から見ると円形である。吸着熱発生部１１の上部網ＮＴＵと下部網ＮＴＬは集光ミラー１２ａに固定されている。

【0018】

集光ミラー１２ａはパラボラアンテナの形状をしており、太陽光を照射ミラー１２ｂに向かって反射させて集める。照射ミラー１２ｂは、集められた太陽光をゼオライト粒子ＺＬＰ全体（吸着熱発生部１１）に照射させる集熱構造をしている。パラボラアンテナの形状によって集められた太陽光が照射ミラー１２ｂによって照射されることにより、ゼオライト粒子ＺＬＰは効率的に加熱させられて乾燥する。

【0019】

集光ミラー１２ａはパラボラアンテナ形状の他、球面体、多面体、角柱形又は円柱形等でもよい。照射ミラー１２ｂも吸着熱発生部１１に熱を集める集熱部であれば形状は問わない。

【0020】

［熱電発電ユニット１３］
熱電発電ユニット１３は、乾燥モジュール１２から外部に露出、伝熱する冷却用の第１伝熱部の低温側伝熱部１３ｂ及びその反対側で吸着熱発生部１１に熱的に接触する受熱用の第２伝熱部の高温側伝熱部１３ａを有し、高温側伝熱部１３ａ及び低温側伝熱部１３ｂの間の温度差により熱電発電する。

【0021】

熱電発電ユニット１３は、高温側伝熱部１３ａ及び低温側伝熱部１３ｂに熱的に接触して挟まれる熱電発電素子１３ｃと、その低温側伝熱部１３ｂに熱的に接触するヒートシンク１３ｄとを有する。低温側伝熱部１３ｂの反対側（日陰側）に凹凸を形成したヒートシンク１３ｄにより、熱電発電素子１３ｃの両面（高温側伝熱部１３ａと低温側伝熱部１３ｂ）の温度差が得られなくなることを防止する。

【0022】

例えば、図１に示すように、下部網ＮＴＬの熱電発電素子１３ｃ（高温側伝熱部１３ａ）の部分だけくり抜かれていることで、ゼオライト粒子ＺＬＰと熱電発電素子１３ｃの高温面は直接接している。熱電発電素子１３ｃの低温面はヒートシンク１３ｄに固定されており、ヒートシンク１３ｄは保護網ＮＴＰに固定されている。熱電発電素子１３ｃ及びヒートシンク１３ｄは通気及び排水可能に保護網ＮＴＰにより保持されている。

【0023】

熱電発電素子１３ｃの各々は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る任意のものが使用可能である。熱電発電素子１３ｃの各々は２種類の異なる金属又は半導体を接合して、両端に温度差を生じさせると起電力が生じるゼーベック効果を利用する。熱電発電素子には、大きな電位差を得るためにｐ型半導体、ｎ型半導体を複数組み合わせて使用されるペルチェ素子が好ましい。

【0024】

ヒートシンク１３ｄにより、吸着熱発生部１１が晴天の日射によって高温側伝熱部１３ａが空気温度より高温になったときでも、集光ミラー１２ａの日陰側の空気によって低温側伝熱部１３ｂが冷却されて、熱電発電ユニット１３を起電させることができる。

【0025】

［電子装置等］
各々の熱電発電ユニット１３の熱電発電素子１３ｃは、リード線ＬＷ（正電極及び負電極の配線）によってＩｏＴ（Internet of Things）機器等の所定の電子装置１４に接続される。熱電発電素子１３ｃは電子装置１４の電源回路１４ａに接続され、電源回路１４ａは必要に応じて蓄電回路１４ｂに給電したり、装置回路１４ｃに給電したりする。

【0026】

電子装置１４、リード線ＬＷ及び熱電発電素子１３ｃの各々は、内部が外部から防水処理され、完全に防水対策が施されている。

【0027】

（動作の説明）
図３に雨天時の発電装置１０の発電動作を示す。雨水が集光ミラー１２ａの中心部に向かって吸着熱発生部１１に敷き詰められたゼオライト粒子ＺＬＰに到達し、上部網ＮＴＵを透過し、吸着熱発生部１１に至る。するとゼオライト粒子ＺＬＰが昇温し、温度が上がる。すなわち、直接降る雨（水分）が接触することで、ゼオライト粒子ＺＬＰが発熱する。発熱は熱電発電素子１３ｃの高温面（高温側伝熱部１３ａ）に伝熱する。

【0028】

熱電発電素子１３ｃは、その高温側伝熱部１３ａが発熱温度、低温側伝熱部１３ｂがヒートシンク１３ｄによって雰囲気温度に保持され、高温面と低温面に温度差が生じることで、熱電発電素子１３ｃが発電する。発電された電力はリード線ＬＷによって電子装置１４に送電される。熱電発電素子１３ｃは電子装置１４に接続されて動力源となる。

【0029】

また、きわめて大量のゼオライト粒子ＺＬＰを用いた場合、これに多くの雨を集めて反応を促進させるため、中心部から逸れた雨をゼオライト粒子ＺＬＰに向かわせるように、集光ミラー１２ａの内側面は中心部に向かって傾斜しており、雨は内側面に沿って流れゼオライト粒子ＺＬＰと接触することでさらに発熱反応する。集光ミラー１２ａにより、広範囲に振る雨を一箇所に集める形状で、より多くの水分を集めることができる。

【0030】

発熱反応において、該反応が飽和したとき、余分な水分は下部網ＮＴＬと保護網ＮＴＰをすり抜けて外部に排出される。

【0031】

図４に晴天時の発電装置１０の動作、すなわち、発電装置１０を繰返し発電させるため、晴天時に吸着熱発生部１１のゼオライト粒子ＺＬＰの状態を、発熱反応前の状態に戻す乾燥動作を示す。集光ミラー１２ａと照射ミラー１２ｂは、集められた太陽光をゼオライト粒子ＺＬＰ全体に照射する。これにより集熱されて、ゼオライト粒子ＺＬＰは効率的に加熱させられて乾燥し、発熱反応前の状態に戻る。これにより、繰返し発電することができるようになる。

【0032】

更に、ゼオライト粒子ＺＬＰの乾燥中と後にも、吸着熱発生部１１が日射によって空気温度より高温になったときに、集光ミラー１２ａの日陰側のヒートシンク１３ｄにより低温側伝熱部１３ｂが高温側伝熱部１３ａより冷却され、熱電発電素子１３ｃはその高温面と低温面に温度差が生じ、起電することができる。

【0033】

（効果の説明）
以上のように、第１の実施例によれば、熱電発電ユニット１３が、雨天時に吸着熱起電でき、晴天時に太陽光を含む熱エネルギーで効率的に熱電発電可能という効果が得られる。

【0034】

（第２の実施例）
図５は、第２の実施例の発電装置１０を概念的に示す断面図である。本実施例は、第１の実施例の縦型の乾燥モジュール１２に代えて、横型の乾燥モジュール２２として雨水取入れ口（雨水ホッパーＨＰ）と太陽光取入れ口（集光レンズ２２ａ）とを分けたこと以外、第１の実施例と同一である。

【0035】

吸着熱発生部１１において、ゼオライト粒子ＺＬＰは、それぞれ筐体に固定されている、図５における上部網ＮＴＵ及び下部網ＮＴＬにより上下が、拡散レンズ２２ｃ及び熱電発電ユニット１３の第２伝熱部の高温側伝熱部１３ａにより左右が、筐体自体により前後が、保持されている。熱電発電素子１３ｃの冷却用の第１伝熱部の低温側伝熱部１３ｂにはヒートシンク１３ｄが接触、固定されている。

【0036】

吸着熱発生部１１の上部網ＮＴＵの周りには雨水ホッパー（集水装置）ＨＰが設けられる。雨水ホッパーＨＰは、ヒートシンク１３ｄの上にかかるように拡がる庇となり、ヒートシンク１３ｄの日よけとなる。これにより、吸着熱発生部１１が晴天の日射によって乾燥されると共に空気温度より高温になったときに、雨水ホッパーＨＰの日陰側の空気によってヒートシンク１３ｄが冷却され熱電発電ユニット１３を起電させることができる。

【0037】

拡散レンズ２２ｃは、晴天時等に集められた太陽光をゼオライト粒子ＺＬＰ全体（吸着熱発生部１１）に照射させる凹レンズ形状をしている。これにより、集められたより多くの太陽光が、照射ミラー１２ｂ及び拡散レンズ２２ｃによって側面から照射されることで、ゼオライト粒子ＺＬＰは効率的に加熱させられて乾燥する。

【0038】

図６に雨天時の発電装置１０の発電動作を示す。雨水が雨水ホッパーＨＰにより集められ、上部網ＮＴＵを透過した水分によりゼオライト粒子ＺＬＰが昇温する。すなわち、発電装置１０のゼオライト粒子ＺＬＰが発熱すると、熱電発電素子１３ｃの高温側伝熱部１３ａが高温となる。

【0039】

熱電発電素子１３ｃは、その高温側伝熱部１３ａが発熱温度、低温側伝熱部１３ｂがヒートシンク１３ｄによって雰囲気温度に保持され、高温面と低温面に温度差が生じることで、熱電発電素子１３ｃが発電する。発電された電力はリード線ＬＷによって電子装置１４に送電される。熱電発電素子１３ｃは電子装置１４に接続されて動力源となる。

【0040】

ゼオライト粒子ＺＬＰの発熱反応が飽和したとき、余分な水分は下部網ＮＴＬをすり抜けて外部に排出される。

【0041】

図７に晴天時の発電装置１０の発電動作を示す。発電装置１０を繰返し発電させるため、晴天時に吸着熱発生部１１のゼオライト粒子ＺＬＰの状態を、発熱反応前の状態に戻す乾燥動作を示す。集光レンズ２２ａと照射ミラー２２ｂと拡散レンズ２２ｃは、集められた太陽光をゼオライト粒子ＺＬＰ全体に照射する。これにより集熱されて、ゼオライト粒子ＺＬＰは効率的に加熱させられて乾燥し、発熱反応前の状態に戻る。これにより、繰返し発電することができるようになる。

【0042】

更に、晴天時のゼオライト粒子ＺＬＰの乾燥中と後にも、日射によって吸着熱発生部１１側の高温側伝熱部１３ａが空気温度より高温になり、雨水ホッパーＨＰの日陰にあるヒートシンク１３ｄにより低温側伝熱部１３ｂが冷却されて、熱電発電素子１３ｃはその高温面と低温面に温度差が生じ、起電することができる。

【符号の説明】

【0043】

１０ 発電装置
１１ 吸着熱発生部
１２、２２ 乾燥モジュール
１２ａ 集光ミラー
１２ｂ 照射ミラー
１３ 熱電発電ユニット
１３ａ 高温側伝熱部
１３ｂ 低温側伝熱部
１３ｃ 熱電発電素子
１３ｄ ヒートシンク
１４ 電子装置
２２ａ 集光レンズ
２２ｂ 照射ミラー
２２ｃ 拡散レンズ
ＬＷ リード線
ＮＴＵ 上部網
ＮＴＬ 下部網
ＺＬＰ ゼオライト粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】