JP2008301630A - 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】曇天等でも効率よく発電でき、かつ、効率よく発電電力を蓄え電力負荷に電力供給できる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供する。
【解決手段】上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板2と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃8を有する熱伝導パイプ7で熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプ7で導いて冷却し低温となる下部板6と、上部板2と下部板6との間に挟んだペルチェ素子5とを有する発電装置20と、ナトリウム硫黄電池からなる蓄電装置30と、照明灯等からなる電力負荷40と、発電装置20と蓄電装置30、電力負荷40との間に接続され、発電装置20の発電電力を駆動用として電力負荷40に若しくは充電用として蓄電装置30に供給し、又は蓄電装置30の放電電力を駆動用として電力負荷40に供給する切替装置50とを有する。
【選択図】図1
【解決手段】上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板2と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃8を有する熱伝導パイプ7で熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプ7で導いて冷却し低温となる下部板6と、上部板2と下部板6との間に挟んだペルチェ素子5とを有する発電装置20と、ナトリウム硫黄電池からなる蓄電装置30と、照明灯等からなる電力負荷40と、発電装置20と蓄電装置30、電力負荷40との間に接続され、発電装置20の発電電力を駆動用として電力負荷40に若しくは充電用として蓄電装置30に供給し、又は蓄電装置30の放電電力を駆動用として電力負荷40に供給する切替装置50とを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムに関し、更に詳しくは温度差を利用する発電装置と二次電池とを組み合わせ効率のよい発電充電を実現する太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムに関するものである。
近年、エネルギー源として主に利用されているのは化石燃料である。しかし、化石燃料はその燃焼時にNOxやSOxなどの有害物質やCO2を排出し、環境汚染を引起こす原因となっている。
特にCO2は地球温暖化の主原因と考えられ、CO2削減が人類に与えられたテーマであると云っても過言ではない。現に世界中でCO2排出量を減らそうとする動きが見られている。
その一環として化石燃料以外の原料から新エネルギー源を創出しようとする研究がなされ、醗酵技術を応用して植物からエネルギー源を取出そうとする研究が行われている。いわゆるバイオマスからバイオエタノールを得ようとする研究で、ガソリンに混ぜて自動車の燃料として使われている。
しかし、バイオマスの原料は主にトウモロコシ等の穀物であり、人間や家畜に対する食料の供給を減らすことになり、穀物価格の高騰を招き、人間や家畜の生活を圧迫しつつある。
このような状況を踏まえ、食料資源を損なうことなく新エネルギーを得ようとする動きが出てきた。太陽光発電、風力発電、波力発電、地熱発電等が研究され、実用化が進みつつあり、種々の技術が開示されている。
太陽光発電は太陽電池の発電素子の発電効率が低いこと、設置面積が広くなること、曇天には十分な発電量が得られないことなどの懸念がある。近年、クリーンエネルギーとして注目を集めている風力発電は、常時風が吹いていることが必要で、発電に適した場所に限りがあるし、無風状態では発電できず、効率が悪く、発電コストが高くなるという欠点があった。
その他のエネルギー源による発電も化石燃料による発電コストに比べ高くなっているのが現状である。
更に、単に発電装置で発電した電力をそのまま電力負荷に供給するのみならず、発電した電力を蓄電しより効率よく電力負荷に電力供給を行うシステムの実現も要請されているところである。
特許文献1には、太陽光発電システムと蓄電池とを組み合わせた家庭用トータルエネルギーシステムが提案されている。この特許文献1の場合も太陽光発電システムを利用するものであり、上述した場合と同様な問題がある。
特開2006−296173号公報
本発明者らは、このような現状に鑑み、曇天でも無風状態でも効率よく発電でき、かつ、発電電力を効率よく蓄え、電力負荷に対する効率のよい電力供給を行うことが可能なシステムを模索した結果、太陽の放射熱で加温する部分と地下放熱により冷却した部分との間にペルチェ素子を挟み込んだ発電装置と、ナトリウム硫黄電池(NAS電池)のような蓄電装置とを組み合わせることで目的が達せられることを見出し、本発明を完成した。
本発明の太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムは、上面に太陽熱を受光し蓄熱することにより高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電される二次電池からなる蓄電装置と、を有することを最も主要な特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、太陽光発電のように例えば曇天には発電効率が悪くなったり、風力発電のように無風状態では発電できないといった状況が起こりにくく、太陽の放射熱を利用するため曇天でも無風状態でも発電でき、しかも、発電電力を効率よく蓄え、電力負荷に対する効率のよい電力供給を実現し得る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。
請求項2記載の発明によれば、発電装置を、上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する構成とし、またナトリウム硫黄電池を備える構成で請求項1記載の発明と同様な効果を奏する太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。
請求項3記載の発明によれば、請求項2記載の発明と同様な効果を奏するとともに、熱伝導パイプの下部先端にドリル刃を有する構成としているので、地中や水中の底に設置し易い太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。
請求項4記載の発明によれば、太陽光発電のように例えば曇天には発電効率が悪くなったり、風力発電のように無風状態では発電できないといった状況が起こりにくく、太陽の放射熱を利用するため曇天でも無風状態で発電装置により効率よく発電し、ナトリウム硫黄電池に蓄えて、発電電力により又は蓄電電力により電力負荷を駆動できる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供することができる。
本発明は、曇天でも無風状態でも効率よく発電でき、かつ、発電電力を効率よく蓄え電力負荷に対する効率のよい電力供給を行うことができる太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システムを提供するという目的を有するものである。
本発明は、上記目的を、上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、照明灯等からなる電力負荷と、前記発電装置と、ナトリウム硫黄電池、電力負荷との間に接続され、発電装置の発電電力を駆動用として電力負荷設備に若しくは充電用としてナトリウム硫黄電池に供給し、又は、ナトリウム硫黄電池の放電電力を駆動用として電力負荷に供給する切替装置と、を有する構成により実現した。
本発明は、上記目的を、上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、照明灯等からなる電力負荷と、前記発電装置と、ナトリウム硫黄電池、電力負荷との間に接続され、発電装置の発電電力を駆動用として電力負荷設備に若しくは充電用としてナトリウム硫黄電池に供給し、又は、ナトリウム硫黄電池の放電電力を駆動用として電力負荷に供給する切替装置と、を有する構成により実現した。
以下に、図面を参照して、本発明の実施例に係る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム60を詳細に説明する。
本実施例の発電蓄電システム60は、発電装置20により太陽からの放射熱(輻射熱)を利用して曇天でも効率よく発電するとともに、発電電力をナトリウム硫黄電池(NAS電池)等の蓄電装置30に蓄え、電力負荷40に対して発電装置20からの発電電力又は蓄電装置30からの放電電力を供給するようにしたことが特徴である。
すなわち、本実施例に係る太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電充電システム60は、図1に示すように、太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電装置20と、この発電装置20に切替装置50を介して接続した蓄電装置30及び電力負荷40とを有している。
前記発電装置20は、円板状の上部板2と円板状の下部板6との間にペルチェ効果による起電部分として機能するペルチェ素子5を介在させるとともに、下部板6に接合装置10を取り付け、この接合装置10から下方に略円筒状で下部先端部分にドリル刃8を設けた熱伝導パイプ7を突設することにより構成している。また、接合装置10には電源盤9を配置している。
前記上部板2は、図2に示すように、太陽放射熱を吸収し、蓄熱する蓄熱部材3と、断熱部材4とを具備している。前記上部板2の蓄熱部分の面積は大きいほど発電効率は上がるので、蓄熟した熱を周囲に逃さないために蓄熱部分の周囲に又は適宜位置に断熱部材4を設けることが好ましい。
前記断熱部材4は、熱伝導率の小さいセラミックが好ましく用いられるが、断熱性のよいプラスチック類も用いることもできる。前記蓄熱部材3と周囲の断熱部材4とを一体として上部板2として用いることもできる。
前記上部板2の上側に、太陽放射熱を効率よく吸収させるため、出来る限り黒っぽい色の略円板状の被覆材1を取り付けることもできる。
また、上部板2自体の色を黒くすれば被覆材1を省略することもできる。前記蓄熱部材3としては熱伝導率に優れた金属類、セラミック類が挙げられるが、なかでも銅、真鍮、グラファイトが好ましく用いられる。
前記上部板2及び下部板6は、これらの間に挟むペルチェ素子5の補強材としての役割をも果たすので、ある程度の強度が必要となる。そのため金属板が好ましい。厚みは3mm程度で十分である。グラファイトを使用する場合には薄い金属板若しくは箔を併用するとよい。要するに上部板2は蓄熱した熱をペルチェ素子5に伝導できる構成とすればよい。
前記被覆材1は、集熱目的の他にも上部板2の保護と美観のためにも装着する。被覆材1は太陽の放射熱を吸収し、上部板2の蓄熱部材3に効率よく吸熱を伝導するため、黒っぽい色が好ましいが、美観の面から茶色や水色等、その設置場所の雰囲気に合った色を着色したものでもよい。また、被覆材1に花や鳥等の絵柄、模様等を印刷したものでもよい。
前記起電部分として機能するペルチェ素子5は、地表から離れた位置に設置してもよいし、地面に埋め込んでもよい。地面に埋め込む場合は、前記上部板2、被覆材1は地表面に近い方が好ましい。また前記上部板2、被覆材1は道路の舗装に使われているアスファルトで覆えば地表面に凹凸を生じさせないという利点もあって好ましい。この場合は発電装置20を設置した地表面がすべて蓄熱領域となる。
前記ペルチェ素子5を挟む下部板6は、熱伝導性のよい材質のものが好ましい。すなわち、地中若しくは水中に熱伝導パイプ7を通じて熱を放出して下部板6の温度を下げたり、地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプ7を通じて下部板6に伝え、下部板6の温度を下げるためである。従って、熱伝導性のよい金属板やセラミック板若しくは補強したグラファイト板を使用できるが、上部板2と同じ材質のものを使うことが便利である。
前記下部板6には熱伝導パイプ7が連結される。
熱伝導パイプ7は熱伝導性のよい金属製のパイプが好ましく用いられる。金属製パイプとしては真鍮、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス製のものが好ましい。なかでも熱伝導性のよい真鍮や銅製のものが好ましく、サビないということとコスト面でステンレス製のパイプも好都合に用いることができる。
熱伝導パイプ7は熱伝導性のよい金属製のパイプが好ましく用いられる。金属製パイプとしては真鍮、銅、鉄、アルミニウム、ステンレス製のものが好ましい。なかでも熱伝導性のよい真鍮や銅製のものが好ましく、サビないということとコスト面でステンレス製のパイプも好都合に用いることができる。
発電装置20を設置した箇所の周囲の温度の影響を出来る限り受けないようにするため、熱伝導パイプ7の表面は熱を反射するような色に着色することが好ましい。また、熱伝導パイプ7の周囲に断熱材を巻き付けてもよい。熱伝導パイプ7を地中に埋め込む場合には、熱伝導パイプ7の周囲の地下に断熱層を設けるのが好ましい。地中の温度も1m以上の深さでは地表の温度の影響が少なくなるので、断熱材も1m程度の範囲に設ければよい。
前記熱伝導パイプ7の下部先端は、地中や水中の底に埋め込み易くするため、ドリル刃8を設けるのが好ましい。所定の箇所に熱伝導パイプ7を埋め込んだ後、接合装置10を介して下部板6、ペルチェ素子5、上部板2を載せ一体化する。
また設置場所の関係で熱伝導パイプ7は途中折れ曲がっていてもよい。この場合には設置場所が傾斜地でも問題なく設置することができる。
設置場所が水面であれば、冷却効果は空気中より大きいため、発電効果は高くなるので好ましい。この場合には水底に熱伝導パイプ7を打ち込むか、水深が深い場合はペルチェ素子5等の起電部が水面より上に出るようにブイをつけ、更に熱伝導パイプ7の上部の起電部が安定する程度の錘を付加する構成とすることもできる。
前記ペルチェ素子5にはその材質によりいろいろな種類のものがある。本実施例では市販のペルチェ素子5を使用した。ペルチェ素子5により起電された電力は図示しない内部配線材を経て電源盤9に送られ、電源盤9に設けたプラス極9a、マイナス極9bから切替装置50を介して外部接続される照明灯や標識灯等の電力負荷40に供給され、これらを点灯駆動することになる。
本実施例において、ペルチェ素子5は、日本テクモ株式会社製の型式1MH14−127−16のものを使用した。
前記上部板2及び下部板6は、厚さ3mmの銅板を用いた。上部板2の表面は黒色塗料を塗布して黒くした。被覆材1は黒色の塗料を塗布した銅板を広口の皿状のものとし、起電部をすっぽり覆うように被せ、上部板2に載せて固定した。
本実験は、これを4月の室内で行った。室温は約20℃であった。熱伝導パイプ7を12℃の水中に入れ、被覆材1の上から照明灯で加熱した。上部板2の温度は65℃、下部板6の温度が35℃の時、1.75Vの起電力が得られた。
本実験は、これを4月の室内で行った。室温は約20℃であった。熱伝導パイプ7を12℃の水中に入れ、被覆材1の上から照明灯で加熱した。上部板2の温度は65℃、下部板6の温度が35℃の時、1.75Vの起電力が得られた。
また、本実施例において、電力負荷40が電力を消費しない時や余剰に発電した場合には、発電装置20からの出力電力を切替装置50を介してナトリウム硫黄電池等のような蓄電装置30に供給して、蓄電装置30を充電する。
そして、電力負荷40の駆動が必要な場合において、発電装置20からの電力供給が不足する場合には、蓄電装置30に蓄えた電力を切替装置50を介して照明灯や標識灯等の電力負荷40に供給し、電力負荷40を点灯駆動するように構成している。
前記切替装置50としては、詳細は省略するが、例えば発電装置20の出力電圧を検出し出力電圧が低下した場合には、蓄電装置30に蓄えた電力を電力負荷40に自動供給する構成、前記発電装置20の設置箇所周辺の明るさを検知し、昼間等の明るい時間帯には発電装置20の出力電圧を蓄電装置30に自動供給して充電する構成等を備えたものを挙げることができる。
前記蓄電装置30として使用するナトリウム硫黄電池(NAS電池)は、図3に示すように、電力貯蔵用の公知の二次電池であり、プラス極30a側に硫黄31を、マイナス極30b側にナトリウム32を使用し、電解質33としてベータアルミナ(アルミニウム、ナトリウムの酸化物からなる固体)を用い、単セルで1.8ボルト程度の直流電圧を出力するものである。
なお、本実施例において、全体としての大規模化を図るために、発電装置20を複数個設置しそれぞれを接続するとともに、蓄電装置30として数十乃至数百の単セルを列設した図4に示すNAS電池モジュール30Aを配置する構成とすることももちろん可能である。
本実施例の太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム60によれば、太陽熱と地下放熱との温度差を利用して発電する発電装置20と、ナトリウム硫黄電池のような蓄電装置30とを組み合わせたシステム構成としているので、発電装置20の発電電力による電力負荷40の駆動、発電装置20の発電電力による蓄電装置30の充電、蓄電装置30に蓄えた電力による電力負荷40の駆動を効果的に実行し得る発電蓄電システムとして機能させ、単独電源設備として有効に活用することができる。
例えば、電力会社が供給する電源設備のない道路際や山中に設置し道路標識用や夜間照明用の単独電源設備として、また、登山道路の標識灯の電源設備、緊急事態用の電源設備として好適に用いることができる。
また、発電装置20や照明灯等の電力負荷40を海や河川等に設置すれば水路標識用の電源設備としても便利に利用することができる。
更に、本実施例の発電蓄電システム60は、上述した照明関連設備用として使用する他、例えば小形モータ等の動力設備を駆動するシステムとしても適用可能である。
本発明は、上述した場合の他、例えば電力会社が供給する交流電源設備と組み合わせ、かつ、交直変換手段を付加することによって、無停電電源設備として機能させるという応用も可能である。
1 被覆材
2 上部板
3 上部板
3 蓄熱部材
4 断熱部材
5 ペルチェ素子
6 下部板
7 熱伝導パイプ
8 ドリル刃
9 電源盤
9a プラス極
9b マイナス極
10 接合装置
20 発電装置
30 蓄電装置
30A NAS電池モジュール
30a プラス極
30b マイナス極
31 硫黄
32 ナトリウム
33 電解質
40 電力負荷
50 切替装置
60 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電充電システム
2 上部板
3 上部板
3 蓄熱部材
4 断熱部材
5 ペルチェ素子
6 下部板
7 熱伝導パイプ
8 ドリル刃
9 電源盤
9a プラス極
9b マイナス極
10 接合装置
20 発電装置
30 蓄電装置
30A NAS電池モジュール
30a プラス極
30b マイナス極
31 硫黄
32 ナトリウム
33 電解質
40 電力負荷
50 切替装置
60 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電充電システム
Claims (4)
- 上面に太陽熱を受光し蓄熱することにより高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電される二次電池からなる蓄電装置と、
を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。 - 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。 - 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
前記発電装置と接続され発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。 - 上面に太陽熱を受光し蓄熱する部分と、それを取囲むように断熱材部分を配した高温となる上部板と、地中若しくは水中に下部先端にドリル刃を有する熱伝導パイプで熱を放出するか、又は地中若しくは水中の低温を前記熱伝導パイプで導いて冷却し低温となる下部板と、上部板と下部板との間に挟んだペルチェ素子とを有する発電装置と、
発電装置の発電電力により充電されるナトリウム硫黄電池と、
照明灯等からなる電力負荷と、
前記発電装置と、ナトリウム硫黄電池、負荷設備との間に接続され、発電装置の発電電力を駆動用として電力負荷に若しくは充電用としてナトリウム硫黄電池に供給し、又はナトリウム硫黄電池の放電電力を駆動用として電力負荷に供給する切替装置と、
を有することを特徴とする太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム。
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JP2007145862A JP2008301630A (ja) | 2007-05-31 | 2007-05-31 | 太陽熱と地下放熱との温度差を利用した発電蓄電システム |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010226787A (ja) * | 2009-03-19 | 2010-10-07 | Toshiba Plant Systems & Services Corp | 道路用熱電発電ユニットおよびシステム |
JP2012136053A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-19 | Mitsubishi Electric Corp | 発電装置 |
CN110137619A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-08-16 | 华为技术有限公司 | 储能设备温度控制方法和装置 |
WO2023145579A1 (ja) * | 2022-01-25 | 2023-08-03 | 国立大学法人 筑波大学 | 舗装構造物 |
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2007
- 2007-05-31 JP JP2007145862A patent/JP2008301630A/ja active Pending
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