JP2018137866A

JP2018137866A - Power generation system

Info

Publication number: JP2018137866A
Application number: JP2017029899A
Authority: JP
Inventors: 暁山中; Akira Yamanaka; 允護金; Yoonho Kim; 村山　一郎; Ichiro Murayama; 一郎村山; 周永金; Shuei Kin; 敬典加藤; Takanori Kato; 珠暎金; Ju Yeong Kim; 中山　忠親; Tadachika Nakayama; 忠親中山; 雅敏武田; Masatoshi Takeda; 山田　昇; Noboru Yamada
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-30

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation system capable of suppressing energy loss.SOLUTION: A power generation system 1 includes a heat source 2 the temperature of which increases and decreases with time, multiple first devices 3 the temperature of which increases and decreases with time by temperature change of the heat source 2, and electric polarization takes place, a conductor 22 interconnecting the multiple first devices 3, a switch 23 for opening and closing the conductor 22, a second device 4 for taking out power from the first device 3, and a control unit 10 for controlling the opening and closing of the switch 23. The control unit 10 opens and closes the switch 23, and adjusts total capacity C of the multiple first devices 3 according to the total load Q of the multiple first devices 3, so that total voltage V during electric polarization of the multiple first devices 3 becomes a desired value, by changing over series connection and/or parallel connection of the multiple first devices 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。 The present invention relates to a power generation system, and more particularly to a power generation system mounted on a vehicle such as an automobile.

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。 Conventionally, in internal combustion engines such as automobile engines, heat exchangers such as boilers and air conditioning equipment, electric engines such as generators and motors, and various energy utilization devices such as light emitting devices such as lighting, for example, as exhaust heat, light, etc. A lot of thermal energy is released and lost.

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複数の第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の第２デバイス（導線および電極など）とを備え、第１デバイスから取り出された電力をバッテリーなどに回収する発電システムが提案されており、さらに、そのような場合、複数の第１デバイス（誘電体など）をグループ分けし、各グループを電気的に接続することも、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。 In recent years, from the viewpoint of energy saving, it has been required to recover the released thermal energy and reuse it as an energy source. As such a system, specifically, for example, a heat source whose temperature rises and falls over time, and a plurality of first that is electrically polarized by a piezo effect, a pyroelectric effect, a Seebeck effect, or the like according to a temperature change of the heat source. A power generation system is proposed that includes a device (such as a dielectric) and a second device (such as a conductor and an electrode) for extracting power from the first device, and collects the power extracted from the first device in a battery or the like. In such a case, it has also been proposed to group a plurality of first devices (such as dielectrics) and electrically connect each group (for example, see Patent Document 1).

特開２０１５−０７０７６２号公報JP, 2015-070762, A

一方、上記した発電システムでは、第１デバイスから電力を取り出し、バッテリーなどに回収するときに、バッテリーの性能に応じて電圧変換（昇圧または降圧）されるため、その変換に伴って、エネルギー損失を生じる場合がある。 On the other hand, in the above power generation system, when power is extracted from the first device and collected in a battery or the like, voltage conversion (step-up or step-down) is performed according to the performance of the battery. May occur.

本発明は、エネルギー損失を抑制できる発電システムである。 The present invention is a power generation system capable of suppressing energy loss.

本発明［１］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、電気分極する複数の第１デバイスと、複数の前記第１デバイス間を接続する導線、および、前記導線を開閉するスイッチを備え、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、前記スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖが所望の値となるよう、複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の前記第１デバイスの総静電容量Ｃを調整する、発電システムを含んでいる。 In the present invention [1], a heat source whose temperature rises and falls with time, a plurality of first devices whose temperatures change with time due to a temperature change of the heat source, and are electrically polarized, and a plurality of the first devices are connected. A conducting wire, a switch for opening and closing the conducting wire, a second device for taking out power from the first device, and a control means for controlling opening and closing of the switch,
The control means opens and closes the switch and switches a series connection and / or a parallel connection of the plurality of first devices, whereby the total voltage V at the time of electric polarization of the plurality of first devices becomes a desired value. Thus, a power generation system is included that adjusts the total capacitance C of the plurality of first devices according to the total charge Q during the electric polarization of the plurality of first devices.

このような発電システムでは、第１デバイスから取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。 In such a power generation system, the voltage of electrical energy extracted from the first device is adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

そのため、このような発電システムによれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。 Therefore, according to such a power generation system, the energy loss accompanying voltage conversion can be suppressed.

本発明［２］は、さらに、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記制御手段は、複数の前記第１デバイスに印加される総電圧Ｖが所望の値となるよう、前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替える発電システムを、含んでいる。 The present invention [2] further includes voltage applying means for applying a voltage to the first device, and the control means is configured so that the total voltage V applied to the plurality of first devices becomes a desired value. A power generation system that opens and closes the switch and switches between a series connection and / or a parallel connection of the plurality of first devices.

このような発電システムでは、第１デバイスに印加される電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。 In such a power generation system, the voltage applied to the first device is adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

本発明の発電システムでは、制御手段がスイッチを開閉させ、複数の第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイスの総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。 In the power generation system of the present invention, the control means opens and closes the switch, and switches the series connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices, according to the total charge Q during the electric polarization of the plurality of first devices, By adjusting the total capacitance C of the plurality of first devices, the total voltage V during the electric polarization of the plurality of first devices can be adjusted to a desired value.

つまり、本発明の発電システムでは、第１デバイスから取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。 That is, in the power generation system of the present invention, the voltage of the electrical energy extracted from the first device is adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

また、本発明の発電システムでは、上記したように、第１デバイスの総電圧Ｖを所望の値に調整することができるので、第１デバイスから発生する起電力（Ｖ）を絶縁破壊電圧（Ｖ）未満に制御でき、第１デバイスの破壊を抑制できる。 In the power generation system of the present invention, as described above, the total voltage V of the first device can be adjusted to a desired value, so that the electromotive force (V) generated from the first device is reduced to the dielectric breakdown voltage (V ) Can be controlled to less than 1), and destruction of the first device can be suppressed.

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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a power generation system of the present invention. 図２は、第１デバイスおよび第２デバイスを示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing the first device and the second device. 図３は、複数の第１デバイスを接続する回路を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a circuit for connecting a plurality of first devices. 図４は、図３に示す回路において、９つの第１デバイスが直列接続される状態の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a state where nine first devices are connected in series in the circuit shown in FIG. 図５は、図３に示す回路において、３つの第１デバイスが直列接続されてなる第１デバイス群が、３つ並列接続される状態の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a state in which three first device groups in which three first devices are connected in series in the circuit shown in FIG. 3 are connected in parallel. 図６は、図３に示す回路において、３つの第１デバイスが直列接続されてなる第１デバイス群が、２つ並列接続され、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続される状態の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which two first device groups in which three first devices are connected in series in the circuit shown in FIG. 3 are connected in parallel and further connected in series with three single first devices. FIG. 図７は、図３に示す回路において、破損した第１デバイスを回避するように、その他の第１デバイスが接続される状態の模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a state where other first devices are connected so as to avoid the damaged first device in the circuit shown in FIG.

１．発電システム
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。 1. In FIG. 1, a power generation system 1 includes a heat source 2 whose temperature rises and falls over time, a first device 3 whose temperature is raised and lowered over time due to a temperature change of the heat source 2, and electric polarization, A second device 4 for taking out electric power; a voltage applying device 9 as a voltage applying means for applying a voltage to the first device 3; and a control unit 10 for operating and stopping the voltage applying device 9. Yes.

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。 The heat source 2 is not particularly limited as long as it is a heat source whose temperature rises and falls over time, specifically, a heat source whose temperature changes periodically over time. For example, various energy utilization devices such as an internal combustion engine and a light emitting device Is mentioned.

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。 An internal combustion engine is a device that outputs power, for example, for a vehicle. For example, a single cylinder type or a multi-cylinder type is adopted, and a multi-cycle type (for example, a 2-cycle type, a 4-cycle type) is used in each cylinder. System, 6-cycle system, etc.) are employed.

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。 In such an internal combustion engine, pistons are repeatedly moved up and down in each cylinder. For example, in a 4-cycle system, an intake process, a compression process, an explosion process, an exhaust process, and the like are sequentially performed, and fuel is discharged. It is burned and power is output.

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。 In such an internal combustion engine, in the exhaust process, high-temperature exhaust gas is exhausted through an exhaust gas pipe, heat energy is transmitted using the exhaust gas as a heat medium, and the internal temperature of the exhaust gas pipe rises.

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。 On the other hand, in the other steps (steps excluding the exhaust step), the amount of exhaust gas in the exhaust gas pipe is reduced, so that the internal temperature of the exhaust gas pipe decreases compared to the exhaust process.

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。 As described above, the temperature of the internal combustion engine rises in the exhaust process and falls in the intake process, the compression process, and the explosion process, that is, rises and falls over time.

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。 In particular, since each of the above steps is periodically and sequentially repeated according to the piston cycle, the inside of the exhaust gas pipe of each cylinder in the internal combustion engine is periodically cycled with the repetition cycle of each of the above steps. A temperature change, more specifically, a high temperature state and a low temperature state are periodically repeated.

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。 When the light emitting device is turned on (emission light), for example, light such as infrared rays and visible light is used as a heat medium, and the temperature rises due to the heat energy. Therefore, the temperature of the light emitting device increases and decreases over time by turning on (emitting) and turning off over time.

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。 In particular, for example, when the light-emitting device is a light-emitting device (blinking (flashing) type light-emitting device) in which lighting is turned on and off intermittently over time, the light-emitting device is turned on (light-emitting). Due to the thermal energy of the light, a temperature change periodically, more specifically, a high temperature state and a low temperature state are periodically repeated.

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。 Moreover, as the heat source 2, for example, a plurality of heat sources can be provided, and a temperature change can be caused by switching between the plurality of heat sources.

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。 More specifically, for example, two heat sources, a low-temperature heat source (such as a coolant) and a high-temperature heat source (eg, a heating material) having a higher temperature than the low-temperature heat source, are prepared as the heat source. A mode in which a low-temperature heat source and a high-temperature heat source are alternately switched is used.

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。 Thereby, the temperature as a heat source can be raised or lowered with time, and in particular, the temperature can be periodically changed by periodically switching the low-temperature heat source and the high-temperature heat source.

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。 Although it does not restrict | limit especially as the heat source 2 provided with the several heat source which can be switched, For example, the high temperature air provided with the low temperature air supply system for combustion, the thermal storage heat exchanger, the high temperature gas exhaust system, and the supply / exhaust switching valve Combustion furnace (for example, a high-temperature gas generator described in Republished No. 96-5474), for example, a seawater exchange device (hydrogen storage alloy actuator-type seawater exchange device) using a high-temperature heat source, a low-temperature heat source, and a hydrogen storage alloy Is mentioned.

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。 As these heat sources 2, the said heat source can be used individually or in combination with 2 or more types.

また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。 The heat source 2 is preferably an internal combustion engine.

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。 The first device 3 is a device that is electrically polarized in accordance with a temperature change of the heat source 2.

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。 The electric polarization referred to here is a phenomenon in which a potential difference occurs due to dielectric polarization due to displacement of positive and negative ions due to crystal distortion, such as a piezo effect and / or a phenomenon in which a dielectric constant changes due to a temperature change and a potential difference occurs, It is defined as a phenomenon in which an electromotive force is generated in a material, such as an effect.

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。 More specifically, examples of the first device 3 include a device that is electrically polarized by a piezo effect, a device that is electrically polarized by a pyroelectric effect, and the like.

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。 The piezo effect is an effect (phenomenon) in which when a stress or strain is applied, it is electrically polarized according to the magnitude of the stress or strain.

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。 The first device 3 that is electrically polarized by the piezo effect is not particularly limited, and a known piezo element (piezoelectric element) can be used.

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。 When a piezo element is used as the first device 3, the piezo element is, for example, a heat medium whose periphery is fixed by a fixing member and is in contact with the heat source 2 or transmits heat of the heat source 2 (described above). (Exhaust gas, light, etc.).

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。 The fixing member is not particularly limited, and for example, a second device 4 (for example, an electrode) described later can be used.

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。 In such a case, the piezo element is heated or cooled (possibly via a heat medium (exhaust gas, light, etc.) as described above) due to a change in temperature of the heat source 2 with time, thereby expanding. Or shrink.

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。 At this time, since the volume expansion of the piezo element is suppressed by the fixing member, the piezo element is pressed by the fixing member and is electrically polarized by the piezo effect (piezoelectric effect) or phase transformation near the Curie point. . Thereby, as will be described in detail later, power is extracted from the piezo element via the second device 4.

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。 In addition, such a piezo element is normally maintained in a heated state or a cooled state, and when its temperature becomes constant (that is, a constant volume), the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated, Again, it is electrically polarized.

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。 Therefore, as described above, when the temperature of the heat source 2 periodically changes and the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated, the piezo element is periodically heated and cooled. Electrical polarization and its neutralization are repeated periodically.

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。 As a result, electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow, etc.) that varies periodically by the second device 4 described later.

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。 The pyroelectric effect is, for example, an effect (phenomenon) in which the insulator is electrically polarized in accordance with a change in temperature when the insulator (dielectric) is heated and cooled, and includes the first effect and the second effect. It is out.

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。 The first effect is an effect in which, when the insulator is heated and cooled, it spontaneously polarizes due to the temperature change and generates a charge on the surface of the insulator.

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。 In addition, the second effect is an effect that pressure deformation occurs in the crystal structure due to temperature changes during heating and cooling of the insulator, and piezoelectric polarization occurs due to stress or strain applied to the crystal structure (piezo effect, piezoelectric effect). ).

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。 The device that is electrically polarized by such a pyroelectric effect is not particularly limited, and a known pyroelectric element can be used.

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。 When a pyroelectric element is used as the first device 3, the pyroelectric element is in contact with the heat source 2 or in contact with a heat medium (exhaust gas, light, or the like described above) that transmits the heat of the heat source 2 ( To be exposed).

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。 In such a case, the pyroelectric element is heated or cooled (possibly via a heat medium (exhaust gas, light, etc.) described above) due to a change in temperature of the heat source 2 with time, and the pyroelectric effect (first The electric polarization is caused by the first effect and the second effect. Thereby, although mentioned later in detail, electric power is taken out from the pyroelectric element via the second device 4.

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。 Also, such pyroelectric elements are usually maintained in a heated state or a cooled state, and when the temperature becomes constant, the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated again to be electrically polarized again. .

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。 Therefore, when the temperature of the heat source 2 is periodically changed as described above and the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated, the pyroelectric element is periodically heated and cooled. The electrical polarization of the element and its neutralization are repeated periodically.

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。 These first devices 3 can be used alone or in combination of two or more.

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。 Specifically, as described above, the first device 3 is a known pyroelectric element (for example, BaTiO ₃ , CaTiO ₃ , (CaBi) TiO ₃ , BaNd ₂ Ti ₅ O ₁₄ , BaSm ₂ Ti _4. O ₁₂ , lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti) O ₃ ), etc., known piezo elements (eg, quartz (SiO ₂ ), zinc oxide (ZnO), Rochelle salt (potassium sodium tartrate) _{_{_{(KNaC 4 H 4 O 6)}}} , lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr, Ti ) O 3), lithium niobate (LiNbO _3), lithium tantalate (LiTaO _3), lithium tetraborate _(Li 2 B ₄ O ₇ ), Langasite (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ), Aluminum Nitride (AlN), Tourmaline, Poly Vinylidene fluoride (PVDF), etc.), Ca ₃ (VO ₄ ) ₂ , Ca ₃ (VO ₄ ) ₂ / Ni, LiNbO ₃ , LiNbO ₃ / Ni, LiTaO ₃ , LiTaO ₃ / Ni, Li (Nb _0.4 Ta _0.6 ) O ₃ , Li (Nb _0.4 Ta _0.6 ) O ₃ / Ni, Ca ₃ {(Nb, Ta) O ₄ } ₂ , Ca ₃ {(Nb, Ta) O ₄ } ₂ / Ni Etc. can be used.

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、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３／Ｎｉ、（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、Ｓｒ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６／Ｎｉなどの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ１_／３Ｔａ２_／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３などのリラクサーペロブスカイト型結晶構造の誘電体などを用いることもできる。 Further, as the first device 3, LaNbO ₃ , LiNbO ₃ , KNbO ₃ , MgNbO ₃ , CaNbO ₃ , (K _1/2 Na _1/2 ) NbO ₃ , (K _1/2 Na _1/2 ) NbO ₃ / Ni, (Bi _1/2 K _1/4 Na _1/4 ) NbO ₃ , (Sr _1/100 (K _1/2 Na _1/2 ) _99/100 ) NbO ₃ , (Ba _1/100 (K _1/2 Na _1/2 ) _99/100 ) NbO ₃ , (Li _1/10 (K _1/2 Na _1/2 ) _9/10 ) NbO ₃ , Sr ₂ NaNb ₅ O ₁₅ , Sr _19/10 Ca _{1 _{_{_{/ 10 NaNb 5 O 15, Sr}}}} 19/10 Ca 1/10 NaNb 5 O 15 / Ni, Ba 2 NaNbO 15, Ba 2 Nb 2 O 6, Ba 2 NaNbO 15 / Ni, Ba 2 Nb 2 O / Ni dielectric or the like, for _{_{_{_{example, Pb (Mg 1/3 Nb 2/3)}}}} O 3, Pb (Zn 1/3 Nb 2/3) O 3, Pb (Mg1 / 3 Ta2 / 3) O 3, Pb (Yb _1/2 Nb _1/2 ) O ₃ , Pb (Yb _1/2 Ta _1/2 ) O ₃ , Pb (In _1/2 Nb _1/2 ) O ₃ , Pb (Sc _1/2 Nb _{1 / 2} ) A dielectric having a relaxor perovskite crystal structure such as O ₃ , Pb (Sc _1/2 Ta _1/2 ) O ₃ , or PbTiO ₃ can also be used.

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。 The Curie point of the first device 3 is, for example, −77 ° C. or higher, preferably −10 ° C. or higher, for example, 1300 ° C. or lower, preferably 900 ° C. or lower.

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。 The relative dielectric constant of the first device 3 (insulator (dielectric)) is, for example, 1 or more, preferably 100 or more, more preferably 2000 or more.

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。 In such a power generation system 1, the higher the relative dielectric constant of the first device 3 (insulator (dielectric)), the higher the energy conversion efficiency and the higher voltage can be taken out. If the relative dielectric constant is less than the above lower limit, the energy conversion efficiency is low, and the voltage of the obtained power may be low.

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。 The first device 3 (insulator (dielectric)) is electrically polarized by the temperature change of the heat source 2, and the electrical polarization may be any of electronic polarization, ionic polarization, and orientation polarization.

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。 For example, it is expected that a material that exhibits polarization by orientation polarization (for example, a liquid crystal material) can improve power generation efficiency by changing its molecular structure.

このような第１デバイス３は、互いに間隔を隔てて複数（図１では９つ）整列配置されるとともに、図２に示すように、第２デバイス４の電極により、固定されている。 A plurality of such first devices 3 (nine in FIG. 1) are aligned and spaced apart from each other, and are fixed by the electrodes of the second device 4 as shown in FIG.

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ており、例えば、図２に示すように、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される電極（例えば、銅電極、銀電極など）を備えている。 The second device 4 is provided to extract electric power from the first device 3. For example, as illustrated in FIG. 2, electrodes (for example, copper electrodes, Silver electrode).

また、第２デバイス４は、図３に示すように、電極に接続される複数の導線２２と、その導線を開閉する複数のスイッチ２３とを備えている。これにより、第２デバイス４は、第１デバイス３に電気的に接続され、また、複数の第１デバイス３を電気的に接続可能としている。 As shown in FIG. 3, the second device 4 includes a plurality of conductive wires 22 connected to the electrodes and a plurality of switches 23 that open and close the conductive wires. Thereby, the 2nd device 4 is electrically connected to the 1st device 3, and enables a plurality of 1st devices 3 to be electrically connected.

導線２２は、図３に示すように、格子状に設けられ、その導線２２の交点に第１デバイス３が介在されている。 As shown in FIG. 3, the conductive wires 22 are provided in a lattice shape, and the first device 3 is interposed at the intersection of the conductive wires 22.

スイッチ２３は、導線２２を開閉する機構であり、隣接する第１デバイス３の間の導線２２に設けられている。また、スイッチ２３は、導線２２同士の交点間にも設けられている。 The switch 23 is a mechanism that opens and closes the conducting wire 22, and is provided on the conducting wire 22 between the adjacent first devices 3. The switch 23 is also provided between the intersections of the conductive wires 22.

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、図２に示されるように、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。なお、図示しないが、電圧印加装置９の電極と、第２デバイス４の電極とは、共用されていてもよい。 The voltage application device 9 is provided directly or close to the first device 3 in order to apply a voltage to the first device 3. Specifically, the voltage application device 9 includes, for example, two electrodes (for example, a copper electrode, a silver electrode, and the like) that are arranged to face each other with the first device 3 interposed therebetween, separately from the second device 4 described above. A voltage application power source V and conductive wires connected thereto are provided, and as shown in FIG. 2, the first device 3 and the second device 4 are disposed between the electrodes. Although not shown, the electrode of the voltage application device 9 and the electrode of the second device 4 may be shared.

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：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。 The control unit 10 is a unit (for example, ECU: Electronic Control Unit) that performs electrical control in the power generation system 1, and is configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

制御ユニット１０は、温度センサ８および電圧印加装置９に電気的に接続されており、詳しくは後述するが、上記した温度センサ８によって第１デバイス３の昇温が検知されたときに、電圧印加装置９を作動させる（破線参照）。 The control unit 10 is electrically connected to the temperature sensor 8 and the voltage application device 9. As will be described in detail later, when the temperature rise of the first device 3 is detected by the temperature sensor 8, voltage application is performed. The device 9 is activated (see broken line).

また、制御ユニット１０は、図示しないが、各スイッチ２３にも電気的に接続されており、詳しくは後述するように、スイッチ２３を操作可能とし、第２デバイス４としての導線（回路）を開閉可能としている。これにより、制御ユニット１０は、各第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を、任意に切り替え可能としている。 Further, although not shown, the control unit 10 is also electrically connected to each switch 23. As will be described in detail later, the switch 23 can be operated to open and close a lead (circuit) as the second device 4. It is possible. Thereby, the control unit 10 can arbitrarily switch the serial connection and / or the parallel connection of each first device 3.

また、発電システム１では、第２デバイス４が、バッテリー７に電気的に接続されている。 In the power generation system 1, the second device 4 is electrically connected to the battery 7.

２．発電方法
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。 2. Power Generation Method To generate power with the power generation system 1, for example, first, the temperature of the heat source 2 is changed over time, specifically, periodically, and the first device 3 is heated and heated by the heat source 2. / Or cool.

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。 And according to such a temperature change, the above-mentioned 1st device 3 is electrically polarized periodically. Thereafter, the electric power is taken out as a waveform (for example, alternating current, pulsating current, etc.) that periodically fluctuates according to the periodic electric polarization of the first device 3 through the second device 4.

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。 In such a power generation system 1, the temperature of the heat source 2 is, for example, 200 to 1200 ° C., preferably 700 to 900 ° C. in the high temperature state, and the temperature in the low temperature state is lower than the temperature in the high temperature state. More specifically, for example, 100 to 800 ° C., preferably 200 to 500 ° C., and the temperature difference between the high temperature state and the low temperature state is, for example, 10 to 600 ° C., preferably 20 to 500 ° C. is there.

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。 Moreover, the repetition period of these high temperature states and low temperature states is, for example, 10 to 400 cycles / second, preferably 30 to 100 cycles / second.

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、好ましくは、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（図２の細実線参照）。 The first device 3 described above is preferably electrically polarized periodically in accordance with such a temperature change. Thereafter, the electric power is taken out as a waveform (for example, alternating current, pulsating current, etc.) that periodically fluctuates according to the periodic electric polarization of the first device 3 through the second device 4 (details in FIG. 2). (See solid line).

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、必要により、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。 In such a power generation system 1, a voltage is applied to the first device 3 according to the temperature state of the first device 3 as necessary in order to generate power more efficiently.

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、温度センサ８によって、第１デバイス３の温度を連続的に測定し、第１デバイス３が昇温状態であるか、降温状態であるかを検知する。より具体的には、例えば、温度センサ８によって検知される第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）以上上昇したときに、昇温状態であると検知され、また、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、降温状態であると検知される。 That is, in this power generation system 1, along with the heating and / or cooling by the heat source 2 described above, the temperature of the first device 3 is continuously measured by the temperature sensor 8, and the first device 3 is in a temperature rising state. Detect if the temperature is falling. More specifically, for example, when the temperature of the first device 3 detected by the temperature sensor 8 has increased by a predetermined value (for example, 0.2 ° C./s) or more, the temperature rise state In addition, when the temperature of the first device 3 drops by a predetermined value (for example, 0.2 ° C./s) or the like, it is detected that the temperature is lowered.

そして、この発電システム１では、第１デバイス３が昇温状態であると検知されたときには、制御ユニット１０によって電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に所定の電圧を印加する（図２の１点鎖線参照）。 In the power generation system 1, when it is detected that the first device 3 is in the temperature rising state, the control unit 10 operates the voltage application device 9 to apply a predetermined voltage to the first device 3 (FIG. 2). 1)

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。 As the applied voltage, the strength of the electric field is, for example, 0.2 kV / mm or more, preferably 0.4 kV / mm or more, for example, 5 kV / mm or less, preferably 4 kV / mm or less.

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。 If the applied voltage (electric field) is in the above range, the amount of energy extracted from the first device 3 and the amount of energy consumed by the voltage application device 9 can be balanced, and power can be generated with excellent efficiency. it can.

また、電圧を印加する時間は、特に制限されず、第１デバイス３の温度や電圧などに応じて、適宜設定される。電圧を印加する時間として、具体的には、例えば、０秒を超過し、例えば、１秒以下、好ましくは、０．５秒以下である。 The time for applying the voltage is not particularly limited, and is appropriately set according to the temperature and voltage of the first device 3. Specifically, the time for applying the voltage is, for example, exceeding 0 seconds, for example, 1 second or less, and preferably 0.5 seconds or less.

そして、上記の時間が経過した後、制御ユニット１０によって電圧印加装置９を停止させ、第１デバイス３に対する電圧の印加を停止する。 And after said time passes, the voltage application apparatus 9 is stopped by the control unit 10, and the application of the voltage with respect to the 1st device 3 is stopped.

なお、第１デバイス３が昇温状態に至ってから、降温状態に至るまでの間（具体的には、昇温状態中）、電圧を印加し続けることもできる。 Note that it is also possible to continue to apply a voltage during the period from when the first device 3 reaches the temperature rise state until it reaches the temperature drop state (specifically, during the temperature rise state).

また、この発電システム１では、第１デバイス３が降温状態であると検知されたときには、電圧の印加を停止した状態で維持し、その後、第１デバイス３が、再度、昇温状態であると検知されたときに、第１デバイス３に電圧を印加する。 Moreover, in this electric power generation system 1, when it detects that the 1st device 3 is a temperature fall state, it will maintain in the state which stopped the application of a voltage, and the 1st device 3 will be in a temperature rising state again after that. When detected, a voltage is applied to the first device 3.

このように第１デバイス３に電圧を印加することにより、第１デバイス３の発電効率の向上を図ることができる。 Thus, by applying a voltage to the first device 3, the power generation efficiency of the first device 3 can be improved.

なお、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、電場の強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、電場の強さが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、制御ユニット１０によって切り替えられる。 It should be noted that the time required from when the voltage applying device 9 is activated until the voltage is applied (that is, the intensity of the electric field reaches the predetermined value), and after the voltage applying device 9 is stopped, the electric field The time required until the strength reaches 0 kV / mm can be regarded as substantially 0 second. That is, in the power generation system 1, the time during which the voltage less than the predetermined value is applied is substantially 0 second, and the voltage is applied when the voltage of the predetermined value is applied (ON). The state where the voltage is not applied (OFF) is switched by the control unit 10.

このような発電システム１によれば、電圧印加装置９を作動または停止させる、つまり、ＯＮ／ＯＦＦ操作するという比較的簡易な方法によって、電圧を印加しない場合に比べ、第１デバイス３から効率的にエネルギー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。 According to such a power generation system 1, the first device 3 is more efficient than a case where no voltage is applied by a relatively simple method of operating or stopping the voltage application device 9, that is, an ON / OFF operation. Thus, energy can be extracted and power generation efficiency can be improved.

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、バッテリー７に蓄電する。 In such a power generation system 1, the extracted power is stored in the battery 7.

３．第１デバイスの接続制御
このような発電システム１では、通常、第１デバイス３から電力を取り出し、バッテリー７に回収するときに、バッテリー７の性能に応じて、昇圧器や降圧器などの電圧変換器により電圧変換（昇圧または降圧）する必要があり、このとき、電圧変換に伴って、エネルギー損失を生じる場合がある。 3. Connection control of the first device In such a power generation system 1, normally, when electric power is taken out from the first device 3 and collected in the battery 7, voltage conversion of a booster, a buck, etc. is performed according to the performance of the battery 7. It is necessary to perform voltage conversion (step-up or step-down) by a voltage generator, and at this time, energy loss may occur along with the voltage conversion.

そこで、この発電システムでは、第１デバイス３が電気分極して電荷Ｑを生じた後、その電荷Ｑを回収するタイミングで、以下の方法でスイッチ２３を切り替え、第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整する。これにより、第１デバイス３から取り出される電力の電圧を調整する。 Therefore, in this power generation system, after the first device 3 is electrically polarized to generate the charge Q, the switch 23 is switched by the following method at the timing of collecting the charge Q, and the total capacitance of the first device 3 is changed. Adjust C. Thereby, the voltage of the electric power taken out from the first device 3 is adjusted.

より具体的には、この方法では、まず、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑを、予め測定し、マッピングデータを作成する。 More specifically, in this method, first, the total charge Q at the time of electric polarization of the plurality of first devices 3 is measured in advance to create mapping data.

すなわち、第１デバイス３は、上記したように、温度変化に応じて電気分極するが、その電気分極により生じる電荷Ｑは、温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）に応じて異なる。そこで、この方法では、第１デバイス３の温度変化における温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）と、その温度条件下における第１デバイス３に生じる電荷Ｑとの相関を予め測定し、マッピングデータとして、制御ユニット１０に入力する。 That is, as described above, the first device 3 is electrically polarized in accordance with a temperature change, and the charge Q generated by the electrical polarization is determined depending on temperature conditions (for example, maximum heating temperature, temperature change amount, temperature change rate, etc.). Depends on. Therefore, in this method, the correlation between the temperature condition (for example, the maximum heating temperature, the temperature change amount, the temperature change rate, etc.) in the temperature change of the first device 3 and the charge Q generated in the first device 3 under the temperature condition. Are measured in advance and input to the control unit 10 as mapping data.

次いで、この方法では、第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖの目標値を、所望の値に設定する。そのような値としては、例えば、第１デバイス３から生じた電力をバッテリー７に蓄積する場合には、バッテリー７の最大許容電圧値などが挙げられる。 Next, in this method, the target value of the total voltage V during the electric polarization of the first device 3 is set to a desired value. As such a value, for example, when the electric power generated from the first device 3 is stored in the battery 7, the maximum allowable voltage value of the battery 7 and the like can be mentioned.

次いで、この方法では、電気分極時における第１デバイス３の電荷Ｑと、所望の電圧Ｖとから、下記式に従って、第１デバイス３の所望の静電容量Ｃを算出する。 Next, in this method, the desired capacitance C of the first device 3 is calculated from the charge Q of the first device 3 and the desired voltage V during electrical polarization according to the following formula.

電荷Ｑ＝静電容量Ｃ × 電圧Ｖ
つまり、第１デバイス３の電荷Ｑを、所望の電圧Ｖに調整するため、第１デバイス３が有するべき静電容量Ｃを算出する。 Charge Q = Capacitance C × Voltage V
That is, in order to adjust the charge Q of the first device 3 to the desired voltage V, the capacitance C that the first device 3 should have is calculated.

そして、この方法では、制御ユニット１０によりスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替える。これにより、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整する。 In this method, the control unit 10 opens and closes the switch 23 to switch the serial connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices 3. Thereby, the total capacitance C of the plurality of first devices 3 is adjusted.

具体的には、直列接続される誘電体の総静電容量は、［各誘電体の静電容量の積］／［各誘電体の静電容量の和］である。また、並列接続される誘電体の総静電容量は、［各誘電体の静電容量の和］である。 Specifically, the total capacitance of the dielectrics connected in series is [product of capacitance of each dielectric] / [sum of capacitance of each dielectric]. The total capacitance of the dielectrics connected in parallel is [the sum of the capacitances of the dielectrics].

このことから、例えば、各第１デバイス３の有する静電容量がＡ（単位：ファラデー）の場合、図４に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、９つの第１デバイス３を直列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。 From this, for example, when the capacitance of each first device 3 is A (unit: Faraday), as shown by the thick line in FIG. 4, the switch 23 is opened and closed, and the nine first devices 3 are connected in series. In this case, the total capacitance is as follows.

図４の総静電容量Ｃ＝Ａ^９／９Ａ＝Ａ^８／９
また、例えば、図５に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、３つ並列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。 The total capacitance of the FIG. ^{^{4 C = A 9 / 9A =}} A 8/9
Further, for example, as shown by a thick line in FIG. 5, the total capacitance when the switch 23 is opened and closed, the three first devices 3 are connected in series, and the three groups of the first devices 3 are connected in parallel is Is as follows.

図５の総静電容量Ｃ＝（Ａ^３／３Ａ）×３＝Ａ^２
さらに、例えば、図６に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、２つ並列接続し、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続した場合の総静電容量は、以下の通りである。 Total capacitance C = (A ³ / 3A) × 3 = A ^{2 in FIG.}
Further, for example, as shown by a thick line in FIG. 6, the switch 23 is opened and closed, the three first devices 3 are connected in series, the first device 3 group is connected in parallel, and a single first device 3 is connected. The total capacitance when connected in series with three devices is as follows.

図６の総静電容量Ｃ＝［（Ａ^３／３Ａ）×２］×Ａ^３／［（Ａ^３／３Ａ）×２］＋３Ａ
以上のように、スイッチ２３を開閉させ、第１デバイス３の接続方法を切り替えることによって、総静電容量Ｃを調整することができる。なお、図４〜６は、スイッチ２３の開閉動作の一例であって、図示しないが、その他、種々の接続方法に切り替えることができる。 Total capacitance C in FIG. 6 = [(A ³ / 3A) × 2] × A ³ / [(A ³ / 3A) × 2] + 3A
As described above, the total capacitance C can be adjusted by opening and closing the switch 23 and switching the connection method of the first device 3. 4 to 6 are examples of the opening / closing operation of the switch 23, and although not shown, other switching methods can be used.

このように、第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整することにより、第１デバイス３が電荷Ｑを生じるときの電圧Ｖを、所望の値に調整することができる。 In this way, by adjusting the total capacitance C of the first device 3, the voltage V when the first device 3 generates the charge Q can be adjusted to a desired value.

そして、この発電システム１では、取り出された電力を、バッテリー７に蓄電する（図１参照）。 And in this electric power generation system 1, the taken-out electric power is stored in the battery 7 (refer FIG. 1).

このような発電システムでは、制御ユニット１０がスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。 In such a power generation system, the control unit 10 opens and closes the switch 23 to switch the series connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices 3, so that the total charge Q during the electric polarization of the plurality of first devices 3 is achieved. Accordingly, the total capacitance C of the plurality of first devices 3 is adjusted, whereby the total voltage V during the electric polarization of the plurality of first devices 3 can be adjusted to a desired value.

つまり、上記の発電システム１では、第１デバイス３から取り出された電気エネルギーの電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。 That is, in the power generation system 1 described above, the voltage of the electric energy extracted from the first device 3 is adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

そのため、このような発電システム１によれば、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。 Therefore, according to such a power generation system 1, energy loss accompanying voltage conversion can be suppressed.

また、このような発電システム１では、上記したように、第１デバイス３の総電圧Ｖを所望の値に調整することができるので、第１デバイス３から発生する起電力（Ｖ）を絶縁破壊電圧（Ｖ）未満に制御でき、第１デバイス３の破壊を抑制できる。 Moreover, in such a power generation system 1, since the total voltage V of the first device 3 can be adjusted to a desired value as described above, the electromotive force (V) generated from the first device 3 is dielectrically broken down. It can be controlled to be less than the voltage (V), and the destruction of the first device 3 can be suppressed.

なお、第１デバイス３の総数、総静電容量Ｃおよび総電荷Ｑによっては、所望の電圧Ｖ丁度に調整できない場合がある。この場合には、電圧変換に伴うエネルギー損失が最も少なくなるような、所望の電圧Ｖの近似値に調整する。このような発電システム１でも、電圧変換に伴うエネルギー損失を抑制することができる。 Depending on the total number of first devices 3, the total capacitance C, and the total charge Q, it may not be possible to adjust to the desired voltage V. In this case, the approximate value of the desired voltage V is adjusted so that the energy loss accompanying voltage conversion is minimized. Even such a power generation system 1 can suppress energy loss accompanying voltage conversion.

４．破損抑制
このような発電システム１では、その使用に伴って、図７に黒塗で示すように、例えば、１つの第１デバイス３（紙面右下の第１デバイス３）が損傷する場合がある。 4). In the power generation system 1 as described above, as shown in black in FIG. 7, for example, one first device 3 (first device 3 at the lower right on the paper surface) may be damaged as a result of its use. .

このような場合、従来の発電システム１では、電気的に接続される複数の第１デバイス３のうち、少数（１つなど）の第１デバイス３が破損するだけで、発電システム１全体として発電不能になる場合や、また、その他の第１デバイス１に対する負荷が増加して、さらなる損傷を惹起する場合がある。 In such a case, in the conventional power generation system 1, only a small number (such as one) of the first devices 3 among the plurality of electrically connected first devices 3 is damaged, and the power generation system 1 as a whole generates power. In some cases, it becomes impossible or the load on the other first device 1 increases to cause further damage.

これに対し、本発明の発電システム１では、以下のようにして、発電効率を維持し、また、システム全体の損傷を抑制できる。 On the other hand, in the power generation system 1 of the present invention, power generation efficiency can be maintained and damage to the entire system can be suppressed as follows.

具体的には、例えば、第１デバイス３が直列接続されているとき（図４参照）に、１つの第１デバイス３（紙面右下の第１デバイス３）が損傷した場合は、スイッチ２３を切り替えることにより、図７に破線で示すように、破損した第１デバイス３に接続されていた導線を電気的に切断し、図７に太線で示すように、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続する。 Specifically, for example, when the first device 3 is connected in series (see FIG. 4), if one first device 3 (the first device 3 on the lower right side of the page) is damaged, the switch 23 is turned on. By switching, the conductive wire connected to the damaged first device 3 is electrically disconnected as shown by a broken line in FIG. 7, and the damaged first device 3 is avoided as shown by a thick line in FIG. Thus, the remaining first device 3 is electrically connected.

これにより、発電システム１全体として発電不能になることや、また、その他の第１デバイス１に対する負荷が増加して、さらなる損傷を惹起することを、抑制することができる。 As a result, it is possible to prevent the power generation system 1 as a whole from being unable to generate power, and the load on the other first devices 1 from increasing to cause further damage.

また、図示しないが、第１デバイス３が並列接続されているとき（図５参照）や、直列接続された第１デバイス３がさらに並列接続されているとき（図６参照）など、種々の接続態様において、スイッチ２３を切り替えることにより、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続することができる。 Although not shown, various connections such as when the first device 3 is connected in parallel (see FIG. 5) or when the first device 3 connected in series is further connected in parallel (see FIG. 6). In the aspect, by switching the switch 23, the remaining first device 3 can be electrically connected so as to avoid the damaged first device 3.

５．印加電圧の制御
このような発電システム１では、電圧印加装置９の電圧と、第１デバイス３に印加すべき電圧とが一致しない場合がある。 5). Control of Applied Voltage In such a power generation system 1, the voltage of the voltage application device 9 and the voltage to be applied to the first device 3 may not match.

具体的には、第１デバイス３に電圧を印加することにより、発電効率を向上させることができるが、要求される印加電圧の大きさは、第１デバイス３の種類や、その温度条件などにより異なる。 Specifically, the power generation efficiency can be improved by applying a voltage to the first device 3, but the magnitude of the required applied voltage depends on the type of the first device 3 and its temperature condition. Different.

これに対して、従来の発電システム１では、電圧印加装置９の出力が一定の場合があり、この場合、出力される電圧が過度に大きい場合や、出力される電圧が過度に小さい場合がある。つまり、従来の発電システム１では、第１デバイス３に適度な電圧を印加できない場合がある。 On the other hand, in the conventional power generation system 1, the output of the voltage application device 9 may be constant. In this case, the output voltage may be excessively large or the output voltage may be excessively small. . That is, in the conventional power generation system 1, an appropriate voltage may not be applied to the first device 3.

そのため、電圧印加装置９に蓄電された電力を第１デバイス３に印加するときに、電圧変換（昇圧または降圧）することが検討されるが、その変換に伴ってエネルギー損失を生じる場合がある。 Therefore, it is considered to perform voltage conversion (step-up or step-down) when applying the electric power stored in the voltage application device 9 to the first device 3, but energy loss may occur with the conversion.

そこで、上記の発電システム１では、以下の方法でスイッチ２３を切り替え第１デバイス３に印加される総電圧Ｖを調整する。 Therefore, in the power generation system 1 described above, the switch 23 is switched by the following method to adjust the total voltage V applied to the first device 3.

この方法では、まず、第１デバイス３が要求する電圧の大きさを予め測定し、マッピングデータを作成する。
すなわち、上記したように、第１デバイス３に電圧を印加し、その発電効率の向上を図る場合、第１デバイス３が要求する印加電圧の大きさは、第１デバイス３の種類や、その温度条件などにより異なる。そこで、この方法では、第１デバイス３の種類や温度条件（例えば、最大加熱温度、温度変化量、温度変化率など）と、その温度条件下において要求される印加電圧Ｖとの相関を予め測定し、マッピングデータとして、制御ユニット１０に入力する。 In this method, first, the magnitude of the voltage required by the first device 3 is measured in advance to create mapping data.
That is, as described above, when a voltage is applied to the first device 3 to improve its power generation efficiency, the magnitude of the applied voltage required by the first device 3 depends on the type of the first device 3 and its temperature. It depends on conditions. Therefore, in this method, the correlation between the type and temperature conditions of the first device 3 (for example, maximum heating temperature, temperature change amount, temperature change rate, etc.) and the applied voltage V required under the temperature conditions is measured in advance. Then, it is input to the control unit 10 as mapping data.

次いで、この方法では、電圧印加装置９により出力される電圧Ｖ（一定）を入力する。 Next, in this method, the voltage V (constant) output by the voltage application device 9 is input.

そして、この方法では、第１デバイス３に印加される電圧が、所望の値となるように、スイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替える。 In this method, the switch 23 is opened and closed so that the voltage applied to the first device 3 becomes a desired value, and the series connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices 3 is switched.

具体的には、例えば、電圧印加装置９による出力が、１２Ｖであった場合、図４に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、９つの第１デバイス３を直列接続すると、各第１デバイス３には、約１．３Ｖ（１２Ｖ／９）の電圧が印加される。 Specifically, for example, when the output from the voltage application device 9 is 12 V, as shown by a thick line in FIG. 4, when the switch 23 is opened and closed and nine first devices 3 are connected in series, each first A voltage of about 1.3 V (12 V / 9) is applied to the device 3.

また、例えば、図５に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、３つ並列接続すると、各第１デバイス３にや、約４Ｖ（１２Ｖ／３）の電圧が印加される。 Further, for example, as shown by a bold line in FIG. 5, when the switch 23 is opened and closed, three first devices 3 are connected in series, and three first devices 3 are connected in parallel, Alternatively, a voltage of about 4 V (12 V / 3) is applied.

また、例えば、図６に太線で示すように、スイッチ２３を開閉させ、３つの第１デバイス３を直列接続し、その第１デバイス３群を、２つ並列接続し、さらに、単独の第１デバイス３つと直列接続すると、紙面下列および中列の各第１デバイス３には、約２．２Ｖの電圧が印加され、また、紙面上列の各第１デバイス３には、約３．３Ｖの電圧が印加される。 Further, for example, as shown by a thick line in FIG. 6, the switch 23 is opened and closed, three first devices 3 are connected in series, two first devices 3 are connected in parallel, and a single first device 3 is connected. When connected in series with three devices, a voltage of about 2.2V is applied to each of the first devices 3 in the lower and middle rows of the paper, and about 3.3V is applied to each of the first devices 3 in the upper row of the paper. A voltage is applied.

このように、第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、電圧印加装置９の出力が一定であっても、所望の電圧Ｖを第１デバイス３に印加することができる。 As described above, by switching the series connection and / or the parallel connection of the first devices, the desired voltage V can be applied to the first device 3 even if the output of the voltage application device 9 is constant.

つまり、このような発電システム１では、第１デバイス３に印加される電圧が、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整されている。 That is, in such a power generation system 1, the voltage applied to the first device 3 is adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

６．作用・効果
上記したように、この発電システム１では、制御ユニット１０がスイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電荷Ｑに応じて、複数の第１デバイス３の総静電容量Ｃを調整し、これにより、複数の第１デバイス３の電気分極時における総電圧Ｖを所望の値に調整することができる。 6). Action / Effect As described above, in the power generation system 1, the control unit 10 opens and closes the switch 23 to switch the series connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices 3. The total capacitance C of the plurality of first devices 3 is adjusted according to the total charge Q at the time of electrical polarization, and thereby the total voltage V at the time of electrical polarization of the plurality of first devices 3 is adjusted to a desired value. can do.

また、上記の発電システム１では、スイッチ２３を切り替えることにより、破損した第１デバイス３に接続されていた導線を切断し、破損した第１デバイス３を回避するように、残った第１デバイス３を電気的に接続することができる。 In the power generation system 1 described above, the remaining first device 3 is disconnected so as to avoid the damaged first device 3 by switching the switch 23 so as to cut the conducting wire connected to the damaged first device 3. Can be electrically connected.

また、上記の発電システム１では、第１デバイス３に印加される電圧が、所望の値となるように、スイッチ２３を開閉させ、複数の第１デバイス３の直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、第１デバイス３に印加される電圧を、電圧変換（昇圧または降圧）を介することなく、所望の値に調整することができる。 Further, in the power generation system 1 described above, the switch 23 is opened and closed so that the voltage applied to the first device 3 becomes a desired value, and the series connection and / or the parallel connection of the plurality of first devices 3 is switched. Thus, the voltage applied to the first device 3 can be adjusted to a desired value without going through voltage conversion (step-up or step-down).

その結果、このような発電システム１は、特に制限されないが、例えば、自動車などに搭載される。このような場合、第１デバイス３は、例えば、自動車のエキゾーストマニホールドにおける分岐管の内部または表面などに配置され、自動車のエンジンおよび排ガスが、熱源２として用いられる。 As a result, such a power generation system 1 is not particularly limited, but is mounted on, for example, an automobile. In such a case, the 1st device 3 is arrange | positioned, for example in the inside or the surface of the branch pipe in the exhaust manifold of a motor vehicle, and the engine and exhaust gas of a motor vehicle are used as the heat source 2. FIG.

そして、エンジンの燃焼サイクルに応じて排ガスの温度が経時的に上下され、第１デバイス３が加熱および／または冷却され、上記の発電システム１により発電される。 Then, the temperature of the exhaust gas is increased or decreased over time according to the combustion cycle of the engine, the first device 3 is heated and / or cooled, and the power generation system 1 generates power.

なお、上記した説明では、発電システム１は、バッテリー７を備えているが、第１デバイス３により生じた電力が蓄積または利用されるデバイスであれば、特に制限されず、バッテリー７に代替して、灯火装置などの電気負荷デバイスなどを備えることもできる。 In the above description, the power generation system 1 includes the battery 7. However, the power generation system 1 is not particularly limited as long as the power generated by the first device 3 is stored or used. An electric load device such as a lighting device can also be provided.

１発電システム
２熱源
３第１デバイス
４第２デバイス
９電圧印加装置
１０制御ユニット
２２導線
２３スイッチ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation system 2 Heat source 3 1st device 4 2nd device 9 Voltage application apparatus 10 Control unit 22 Conductor 23 Switch

Claims

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、電気分極する複数の第１デバイスと、
複数の前記第１デバイス間を接続する導線、および、前記導線を開閉するスイッチを備え、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、
前記スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替えることにより、
複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電圧Ｖが所望の値となるよう、
複数の前記第１デバイスの電気分極時における総電荷Ｑに応じて、
複数の前記第１デバイスの総静電容量Ｃを調整する
ことを特徴とする、発電システム。 A heat source whose temperature rises and falls over time;
A plurality of first devices that are electrically polarized, the temperature of which is increased and decreased over time due to a temperature change of the heat source;
A conductive wire connecting a plurality of the first devices; and a second device for taking out electric power from the first device, comprising a switch for opening and closing the conductive wire;
Control means for controlling opening and closing of the switch,
The control means includes
By opening and closing the switch and switching a series connection and / or a parallel connection of the plurality of first devices,
The total voltage V at the time of electric polarization of the plurality of first devices is a desired value.
Depending on the total charge Q during electrical polarization of the plurality of first devices,
A power generation system comprising adjusting a total capacitance C of a plurality of the first devices.

さらに、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段を備え、
前記制御手段は、
複数の前記第１デバイスに印加される総電圧Ｖが所望の値となるよう、
前記スイッチを開閉させ、複数の前記第１デバイスの直列接続および／または並列接続を切り替える
ことを特徴とする、発電システム。 Furthermore, it comprises a voltage applying means for applying a voltage to the first device,
The control means includes
The total voltage V applied to the plurality of first devices has a desired value.
A power generation system, wherein the switch is opened and closed to switch a series connection and / or a parallel connection of a plurality of the first devices.