WO2024105954A1 - 熱電発電装置 - Google Patents

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WO2024105954A1
WO2024105954A1 PCT/JP2023/030151 JP2023030151W WO2024105954A1 WO 2024105954 A1 WO2024105954 A1 WO 2024105954A1 JP 2023030151 W JP2023030151 W JP 2023030151W WO 2024105954 A1 WO2024105954 A1 WO 2024105954A1
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WO
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heat
storage body
heat storage
temperature
conversion unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/030151
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English (en)
French (fr)
Inventor
忠司 中沼
Original Assignee
陽力熱電株式会社
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Publication date
Application filed by 陽力熱電株式会社 filed Critical 陽力熱電株式会社
Priority to JP2023564112A priority Critical patent/JP7570739B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/75—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with conical reflective surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric power generation device that generates electricity by converting thermal energy taken in from the outside into electrical energy using a thermoelectric conversion unit.
  • Patent Document 1 describes a thermoelectric power generation device that includes a heat conductor that is in contact with the environment and can exchange heat with the environment in response to changes in temperature of the environment, a heat storage body, a thermoelectric conversion unit arranged between the heat conductor and the heat storage body, a heat flow regulating unit that is arranged between a pair of the heat conductor and the thermoelectric conversion unit or between a pair of the thermoelectric conversion unit and the heat storage body and controls the heat transfer between the pair, and a coating layer that has a certain degree of thermal insulation and covers the heat storage body, and that utilizes the temperature difference that occurs between the heat conductor and the heat storage body to extract electrical energy from the thermoelectric conversion unit.
  • thermoelectric generator If this thermoelectric generator is placed, for example, outdoors where the temperature changes periodically between day and night, the temperature of the heat conductor will change with the daily temperature changes, and the temperature of the heat storage body will also change accordingly. At this time, the heat flow adjustment unit operates to create a certain degree of delay between the temperature change of the heat conductor and the temperature change of the heat storage body.
  • phase difference is created between the temperature change cycle of the heat conductor and the temperature change cycle of the heat storage body, and this phase difference maintains the temperature difference required for power generation between the heat conductor and the heat storage body throughout the day, generating power twice a day, when the temperature of the heat conductor rises and when the temperature of the heat conductor falls.
  • thermoelectric generator when used as a power source for electronic devices such as wireless sensors and remote monitors, an independent power source is obtained, eliminating the need for power lines from a commercial power source to the electronic devices or the need to replace batteries, allowing these electronic devices to be installed freely wherever they are needed.
  • thermoelectric power generation device heat stored in the heat storage body when the temperature rises during the day is released from the heat storage body when the temperature falls during the same day, and power is generated according to the temperature difference with the heat conductor that occurs during this time. Therefore, although it can supply the relatively small amount of power required to operate low-power electronic devices, it cannot supply larger amounts of power, such as the daily power consumption of an average household.
  • thermoelectric power generation device depending on the installation location of the thermoelectric power generation device or the type of heat source, the heat conductor may be heated to a high temperature exceeding the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit.
  • the thermoelectric conversion unit receives heat directly from the heat conductor via the heat flow adjustment unit, causing the thermoelectric conversion unit to be heated above its guaranteed operating temperature, resulting in the problem that the thermoelectric conversion unit becomes inoperable or breaks down.
  • the objective of the present invention is therefore to provide a thermoelectric power generation device that can supply greater power more stably.
  • thermoelectric power generation device includes a heat collector that takes in heat from a heat source, a first heat storage body in thermal contact with the heat collector, a thermoelectric conversion unit having one end and the other end, a temperature adjustment unit that is disposed between the first heat storage body and the one end of the thermoelectric conversion unit and adjusts the temperature of the one end of the thermoelectric conversion unit, a second heat storage body in thermal contact with the other end of the thermoelectric conversion unit, a heat dissipation section in thermal contact with the second heat storage body, a heat insulating layer that covers the first heat storage body, at least a portion of the temperature adjustment unit, the thermoelectric conversion unit, and the second heat storage body, a first temperature sensor that measures the temperature of the first heat storage body, and a second temperature sensor that measures the temperature of the second heat storage body, and the temperature adjustment unit adjusts the temperature based on the measured values received from the first and second temperature sensors.
  • the temperature adjustment unit includes a third heat storage body that is in thermal contact with the one end of the thermoelectric conversion unit and is covered with the insulating layer, a heat flow switch that is disposed between the first and third heat storage bodies and is covered with the insulating layer, and that can be changed between an ON position in which the switch is in contact with the first and third heat storage bodies to transfer heat between the first and third heat storage bodies and an OFF position in which the switch is separated from one of the first and third heat storage bodies to stop the heat transfer, a third temperature sensor that measures the temperature of the third heat storage body, and a control unit that is operatively connected to the heat flow switch and controls the heat flow switch based on the measured values received from the first and second temperature sensors and the measured values received from the third temperature sensor.
  • the heat collecting section has a heat shielding mechanism for blocking heat exchange with the heat source.
  • the heat collecting unit is in thermal contact with the first heat storage body and has a light receiving unit that receives sunlight and a light collecting unit that collects the sunlight on the light receiving unit, and more preferably, the heat collecting unit further has a light blocking mechanism for blocking the sunlight from entering the light receiving unit, or the light receiving unit and the light collecting unit.
  • the first heat storage body can be removed from the thermoelectric power generation device and reassembled into the thermoelectric power generation device, and the thermoelectric power generation device further includes an external heating device having another heat collector and for heating the removed first heat storage body.
  • a heat exchanger includes a first heat storage body, a thermoelectric conversion unit having one end and the other end, a temperature adjustment unit disposed between the first heat storage body and the one end of the thermoelectric conversion unit and adjusting the temperature of the one end of the thermoelectric conversion unit, a second heat storage body in thermal contact with the other end of the thermoelectric conversion unit, an insulating layer covering the first heat storage body, at least a portion of the temperature adjustment unit, the thermoelectric conversion unit and the second heat storage body, a first temperature sensor that measures the temperature of the first heat storage body, and a second temperature sensor that measures the temperature of the second heat storage body.
  • thermoelectric power generation device is characterized in that the temperature adjustment unit includes a device main body that adjusts the temperature based on the measured values received from the first and second temperature sensors, the first and second heat storage bodies can be removed from the device main body and reassembled into the device main body, and further includes an external heating device that is in thermal contact with the removed first heat storage body and has a heat collection part that takes in heat from a heat source and heats the first heat storage body, and an external cooling device that has a heat dissipation part that is in thermal contact with the removed second heat storage body and cools the second heat storage body.
  • heat from the heat source taken in through the heat collection section is stored in the first heat storage body, while heat is released from the second heat storage body through the heat dissipation section, so that the first heat storage body is kept at a temperature higher than the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit, and the first heat storage body constantly stores more thermal energy than is necessary for one day's power generation.
  • the temperature of the thermoelectric conversion unit is kept below and close to the guaranteed operating temperature by controlling the temperature adjustment unit, and the second heat storage body is used as a low-temperature heat storage body, maintaining the temperature difference required for power generation between one end of the thermoelectric conversion unit on the high-temperature side that contacts the temperature adjustment unit and the other end of the thermoelectric conversion unit on the low-temperature side that contacts the second heat storage body.
  • thermoelectric conversion unit the necessary temperature difference is maintained between one end on the high temperature side and the other end on the low temperature side of the thermoelectric conversion unit, and electrical energy is extracted from the thermoelectric conversion unit.
  • thermoelectric power generation device For example, assuming that there is zero heat loss during operation of the thermoelectric power generation device, if the rated temperature of the hot side of the thermoelectric power generation unit is 200°C and power generation is performed between 180°C and 200°C, the first heat storage body is heated from 200°C to, for example, 500°C, and thermal energy is stored in the first heat storage body.
  • the temperature adjustment unit also controls the high-temperature side of the thermoelectric conversion unit to be maintained at 180°C to 200°C (when the temperature falls below 180°C, heat is supplied to the high-temperature side of the thermoelectric conversion unit, but when the temperature rises above 200°C, heat supply to the high-temperature side of the thermoelectric conversion unit is controlled to stop).
  • the product of the temperature difference between 200°C and 500°C (300°C) and the specific heat capacity of the first heat storage body is the thermal energy stored in the thermoelectric power generation device, and by heating the first heat storage body to 200°C or higher, thermal energy for the required number of days is stored and stable power generation is performed.
  • thermoelectric power generation according to the present invention can be likened to hydroelectric power generation, in which a river is blocked by a dam to form a reservoir upstream of the dam, and a fixed amount of water (e.g., several months' worth of river flow) is stored at all times while an amount of water equivalent to the average daily river flow is released from the dam, maintaining a certain degree of water level difference between the reservoir water level and the water level downstream of the dam, and generating electricity by utilizing the potential energy of the water according to this water level difference.
  • a river is blocked by a dam to form a reservoir upstream of the dam
  • a fixed amount of water e.g., several months' worth of river flow
  • the first heat storage body as a high-temperature heat storage body and the second heat storage body as a low-temperature heat storage body
  • a sufficient temperature gradient suitable for power generation can be generated between the high-temperature end and the low-temperature end of the thermoelectric conversion unit, thereby obtaining an amount of power generation sufficient to cover the electricity used in homes and offices.
  • the first heat storage body can store the amount of heat required for power generation for several days, stable power generation is always possible even if there are several consecutive days in which heat storage is insufficient.
  • thermoelectric conversion unit Even if the first heat storage body is heated to a temperature above the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit, the presence of a temperature control unit between the first heat storage body and the thermoelectric conversion unit prevents the thermoelectric conversion unit from being heated to a temperature above its guaranteed operating temperature, thereby ensuring stable operation of the thermoelectric conversion unit.
  • thermoelectric power generation device of the present invention is installed outdoors or on the roof of a house or building as a power source for the home or office, and heat is stored in the first heat storage body mainly using solar radiation energy, it will be possible to store multiple days' worth of sunlight, which is considered to be a renewable energy source with an unstable supply and which fluctuates greatly depending on the time of day, sunshine, seasons, etc., as thermal energy and convert it into electrical energy according to daily demand for a stable supply.
  • the first heat storage body can be removed from the thermoelectric power generation device and re-installed in the thermoelectric power generation device, and an external heating device having a separate heat collection section for heating the removed first heat storage body can also be provided.
  • the heat source of this external heating device can be, for example, thermal energy produced by burning biofuels or fossil fuels.
  • thermoelectric power generation device the heat collection unit and heat dissipation unit are omitted from the above-mentioned thermoelectric power generation device to provide the device main body, and the first and second heat storage bodies can be removed from the device main body and reassembled into the device main body.
  • an external heating device is provided that has a heat collection unit that is in thermal contact with the removed first heat storage body and takes in heat from a heat source, and that heats the first heat storage body
  • an external cooling device is provided that has a heat dissipation unit that is in thermal contact with the removed second heat storage body and that cools the second heat storage body, thereby making it possible to make the power generation unit of the thermoelectric power generation device compact.
  • this device body can be mounted on a moving machine or automobile to provide electrical energy as a power source.
  • the extracted electrical energy can be temporarily stored in a battery, as in the case of solar power generation, and then provided as AC power by a power conditioning system (PCS), making it possible to supply more power than the output of the thermoelectric conversion unit for a short period of time.
  • PCS power conditioning system
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example of a thermal flow switch.
  • FIG. 1 is a diagram showing a specific example of a thermal flow switch.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric power generation device according to another embodiment of the present invention.
  • 5 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a modified example of the thermoelectric power generation device shown in FIG. 4.
  • FIG. 11 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric power generation device according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric generating device according to an embodiment of the present invention.
  • a thermoelectric power generation device 1 of the present invention includes a heat collection section 2 that takes in heat from a heat source Q, and a first heat storage body (high-temperature heat storage body) 3 that is in thermal contact with the heat collection section 2.
  • Heat sources Q that can be used include, for example, sunlight (solar radiation energy), industrial furnaces, geothermal energy, exhaust gas from internal combustion engines, nuclear reactors, and heat storage bodies that store the thermal energy of these.
  • the heat collection section 2 preferably has a configuration that allows for more efficient intake of heat (heat absorption) from the heat source Q. Moreover, the heat collecting section 2 preferably has a heat shielding mechanism for blocking heat exchange with the heat source Q. When there is a risk that the first heat storage body 3 will be heated to a predetermined temperature or higher, or when maintenance of the thermoelectric power generating device is being performed, the heat shielding mechanism operates to prevent damage to the thermoelectric power generating device and ensure the safety of workers.
  • the first heat storage body 3 is preferably a metal block, or a rock, or a concrete block, or a container filled with latent heat storage material, or a liquid such as water (including gel-like materials), and in this embodiment is made of an aluminum block or a concrete block.
  • the thermoelectric power generation device 1 of the present invention further includes a thermoelectric conversion unit 4 having one end 4a and the other end 4b, a temperature adjustment unit 5 disposed between the first heat storage body 3 and the one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4 to adjust the temperature of the one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4, a second heat storage body (low-temperature heat storage body) 6 in thermal contact with the other end 4b of the thermoelectric conversion unit 4, a heat dissipation section 7 in thermal contact with the second heat storage body 6, a heat insulating layer 8 covering the first heat storage body 3, at least a part of the temperature adjustment unit 5, the thermoelectric conversion unit 4 and the second heat storage body 6, a first temperature sensor 12 for measuring the temperature of the first heat storage body 3, and a second temperature sensor 13 for measuring the temperature of the second heat storage body 6.
  • a thermoelectric conversion unit 4 having one end 4a and the other end 4b
  • a temperature adjustment unit 5 disposed between the first heat storage body 3 and the one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4 to
  • thermoelectric conversion method used by the thermoelectric conversion unit 4 is not limited, and any method can be used, such as the Seebeck effect, the anomalous Nernst effect, thermionic conversion (TIC), the spin Seebeck effect, or binary power generation, which is not a direct power generation from heat to electricity.
  • any method can be used, such as the Seebeck effect, the anomalous Nernst effect, thermionic conversion (TIC), the spin Seebeck effect, or binary power generation, which is not a direct power generation from heat to electricity.
  • the second heat storage body 6 has a similar configuration to the first heat storage body 3.
  • the temperature adjustment unit 5 includes a third heat storage body 9 that is in thermal contact with one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4 and is covered with a heat insulating layer 8; a heat flow switch 10 that is disposed between the first and third heat storage bodies 3, 9 and is covered with a heat insulating layer 8 and can be changed between an ON position in which the switch is in contact with the first and third heat storage bodies 3, 9 to transfer heat between the first and third heat storage bodies 3, 9 and an OFF position in which the switch is separated from one of the first and third heat storage bodies 3, 9 to stop the heat transfer; a third temperature sensor 11 that measures the temperature of the third heat storage body 9; and a control unit 14 that is operatively connected to the heat flow switch 10 and controls the heat flow switch 10 based on the measured values received from the first and second temperature sensors 12, 13 and the measured values received from the third temperature sensor 11.
  • the third heat storage body 9 also has a similar configuration to the first heat storage body 3.
  • the heat flow switch 10 is composed of a linear actuator 10a and a movable heat conductive block 10b connected to the tip of the operating rod of the linear actuator 10a, for example, as shown in Figures 2A and B.
  • the operating rod of the linear actuator 10a When the heat flow switch 10 is in the OFF state, as shown in FIG. 2A, the operating rod of the linear actuator 10a is in a retracted position and the movable heat conduction block 10b is separated from the first and third heat storage bodies 3 and 9. However, when the heat flow switch 10 is in the ON state, as shown in FIG. 2B, the operating rod of the linear actuator 10a protrudes and the movable heat conduction block 10b comes into contact with the first and third heat storage bodies 3 and 9, thereby transferring heat between the first heat storage body 3 and the third heat storage body 9 according to the temperature difference between them.
  • the heat flow switch 10 is composed of a rotary actuator 10c and a movable heat conductive block 10d that is rotationally driven by the rotary actuator 10c, as shown in Figures 3A and B.
  • the movable heat conduction block 10d When the heat flow switch 10 is in the OFF state, as shown in FIG. 3A, the movable heat conduction block 10d is separated from the first and third heat storage bodies 3, 9. However, when the heat flow switch 10 is in the ON state, as shown in FIG. 3B, the movable heat conduction block 10d is rotated by the rotary actuator 10c and comes into contact with the first and third heat storage bodies 3, 9, so that heat is transferred between the first heat storage body 3 and the third heat storage body 9 according to the temperature difference between them.
  • the heat flow switch 10 is operated using a portion of the power output by the thermoelectric power generation device 1, or by storing that power in a storage battery and then using a portion of the power output by the storage battery.
  • thermoelectric conversion unit 5 even if the first heat storage body 3 is heated to a temperature above the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4, by appropriately switching the heat flow switch 10 ON/OFF, the temperature of the third heat storage body 9 (and therefore one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4) is always maintained below the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4 and higher than the second heat storage body 6 (and therefore the other end 4b of the thermoelectric conversion unit 4), and heat is transferred from the third heat storage body 9 to the thermoelectric conversion unit 4, generating electricity. In this way, the thermoelectric conversion unit 4 is prevented from being heated to a temperature exceeding its guaranteed operating temperature when heat is transferred from the first heat storage body 3 to the thermoelectric conversion unit 4, thereby ensuring stable operation of the thermoelectric conversion unit 4.
  • the heat dissipation section 7 has a configuration that can be cooled, for example, by water from a river or lake, or tap water, or by a suitable air-cooling means, or by heat of vaporization (heat of evaporation), or by radiation cooling, or an appropriate combination of these configurations, and constantly maintains the second heat storage body 6 at a lower temperature than the third heat storage body 9.
  • thermoelectric power generation device 1 of the present invention heat from the heat source Q taken in through the heat collection section 2 is stored in the first heat storage body 3, while heat is released from the second heat storage body 6 through the heat dissipation section 7, so that the first heat storage body 3 is kept at a temperature higher than the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4, and the first heat storage body 3 constantly stores more thermal energy than is necessary for power generation in one day.
  • the heat flow switch 10 of the temperature adjustment unit 5 is turned ON/OFF, and the temperature of the third heat storage body 9 of the temperature adjustment unit 5 (and thus one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4) is maintained below the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4 (hereinafter referred to as the “maximum set temperature H") and above a temperature (hereinafter referred to as the “minimum set temperature L”) at which a temperature difference is generated between the second heat storage body 6 (and thus the other end 4b of the thermoelectric conversion unit 4) at which a certain thermoelectric conversion efficiency is maintained.
  • the maximum set temperature H the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4
  • minimum set temperature L a temperature at which a temperature difference is generated between the second heat storage body 6 (and thus the other end 4b of the thermoelectric conversion unit 4) at which a certain thermoelectric conversion efficiency is maintained.
  • the heat flow switch 10 when the heat flow switch 10 is in the OFF state and the temperature of the third heat storage body 9 falls below the minimum set temperature L, the heat flow switch 10 switches to the ON state, the thermal energy of the first heat storage body 3 is supplied to the third heat storage body 9, and the temperature of the heat storage body 9 rises. Then, when the heat flow switch 10 is in the ON state and the temperature of the third heat storage body 9 rises above the maximum set temperature H, the heat flow switch 10 switches to the OFF state, and the temperature of the third heat storage body 9 drops. In this manner, the control of the heat flow switch 10 is repeated.
  • the temperature of the third heat storage body 9 will fluctuate between 270°C and 300°C.
  • the first heat storage body 3 is supplied with thermal energy from the heat source Q and heated to a high temperature of 300°C or higher, but if it is already at 500°C, the product of that temperature difference (200°C) and the specific heat capacity of the first heat storage body 3 becomes the thermal energy that is stored and can be supplied.
  • first heat storage body 3 rises above the maximum operating temperature (a temperature that may impede stable operation of first heat storage body 3, for example 800°C)
  • the heat shielding mechanism will limit any further temperature rise.
  • thermoelectric conversion unit that obtains thermal energy from a high-temperature heat source Q, for example, much higher than 100°C, and directly converts the thermal energy into electrical energy. Then, a day's worth of electricity is generated according to the temperature difference that is constantly generated between the high-temperature end 4a and the low-temperature end 4b of the thermoelectric conversion unit 4.
  • thermoelectric conversion unit 4 by keeping the heat flow switch 10 in an OFF state for a certain period of time, it is possible to stop the supply of thermal energy to the thermoelectric conversion unit 4 during that period and to stop the power generation operation. In this way, when the amount of generated power exceeds the amount of consumed power and the storage battery becomes full, or when necessary for maintenance or the like, the thermoelectric generating device can be stopped.
  • the output power is first stored in a storage battery according to the load or application, and then provided as AC power by a power conditioning system (PCS), just like in solar power generation.
  • PCS power conditioning system
  • thermoelectric power generation according to the present invention can be likened to hydroelectric power generation, in which a river is blocked by a dam to form a reservoir upstream of the dam, and a fixed amount of water (e.g., several months' worth of river flow) is constantly stored while an amount of water equivalent to the average daily river flow is released from the dam, maintaining a certain degree of water level difference between the reservoir water level and the water level downstream of the dam.
  • This water level difference is regarded as head, and the potential energy of water is used to generate electricity.
  • the first heat storage body 3 forms the high-temperature side heat storage body
  • the second heat storage body 6 forms the low-temperature side heat storage body, thereby creating a sufficient temperature gradient suitable for power generation between the high-temperature side end 4a and the low-temperature side end 4b of the thermoelectric conversion unit 4, and obtaining sufficient power generation to cover the electricity used in homes, offices, etc.
  • the first heat storage body 3 can store the amount of heat required for power generation for several days, stable power generation is always possible even if there are several consecutive days in which heat storage is insufficient.
  • thermoelectric conversion unit 4 Even if the first heat storage body 3 is heated to a temperature above the guaranteed operating temperature of the thermoelectric conversion unit 4, the temperature control unit 5 is interposed between the first heat storage body 3 and the thermoelectric conversion unit 4, thereby preventing the thermoelectric conversion unit 4 from being heated to a temperature that exceeds the guaranteed operating temperature, thereby ensuring stable operation of the thermoelectric conversion unit 4.
  • FIG. 4 is a vertical sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric generating device according to another embodiment of the present invention.
  • the embodiment of Fig. 4 is a more specific embodiment of the configuration of the heat collecting section 2 in the embodiment of Fig. 1. Therefore, in Fig. 4, the same components as those in Fig. 1 are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted below.
  • sunlight solar radiation energy
  • the heat collection section 2' is in thermal contact with the first heat storage body 3 and has a light receiving section 15 that receives sunlight and a light collecting section 16 that collects the sunlight onto the light receiving section 15.
  • the light receiving unit 15 preferably has a configuration that can efficiently absorb the received sunlight and convert it into heat. Therefore, in order to ensure that the surface area of the light receiving unit 15 is as large as possible, it is preferable that the surface of the light receiving unit 15 has irregularities or is rough, and that it has a dark color such as black. Furthermore, it is preferable that the light receiving unit 15 has a structure and shape that can block rain, snow, dust, etc., and is not destroyed by collisions with flying objects caused by strong winds.
  • the light-collecting unit 16 has a known suitable configuration that can efficiently receive solar radiation and reflect or concentrate it toward the light-receiving unit 15.
  • the heat collecting unit 2' further includes a light blocking mechanism for blocking the incidence of sunlight on the light receiving unit 15, or on the light receiving unit 15 and the light collecting unit 16.
  • thermoelectric power generation device 1' of the present invention is installed outdoors or on the roof of a house as a power source for general household use and heat is stored in the first heat storage body 3 using solar radiation energy, it will be possible to store multiple days' worth of sunlight, which is considered to be a renewable energy source with an unstable supply and which fluctuates greatly depending on the time of day, sunshine, seasons, etc., as thermal energy and convert it into electrical energy according to daily demand for a stable supply.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing the schematic configuration of a modified example of the thermoelectric power generation device shown in FIG. 4.
  • the same components as those shown in FIG. 1 and FIG. 4 are given the same numbers. Note that in FIG. 5, the first and second temperature sensors 12, 13, and the third temperature sensor 11 and control unit 14 of the temperature adjustment unit 5 are not shown.
  • the first heat storage body 3 of the thermoelectric power generation device 1" can be removed from the thermoelectric power generation device 1" and reassembled into the thermoelectric power generation device 1".
  • thermoelectric power generation device 1 ′′ further comprises an external heating device 17 for heating the removed first heat storage body 3 .
  • the external heating device 17 has an insulated container 18 that houses the first heat storage body 3, and another heat collection section 2 that is provided in the insulated container 18, absorbs heat from a heat source (e.g., thermal energy from the combustion of biofuel or fossil fuel) Q, and is in thermal contact with the first heat storage body 3.
  • a heat source e.g., thermal energy from the combustion of biofuel or fossil fuel
  • the first heat storage body 3 when sufficient heat storage cannot be achieved at the installation location of the thermoelectric power generation device 1" due to the season or weather, the first heat storage body 3 is removed from the thermoelectric power generation device 1" and moved to an external heating device 17, and is contained in an insulated container 18 of the heating device 17 and brought into contact with the heat collection section 2, thereby heating the first heat storage body 3. After the heat storage in the first heat storage body 3 is completed, the first heat storage body 3 is again incorporated into the thermoelectric power generation device 1 ′′ to generate power.
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view showing the schematic configuration of a thermoelectric power generation device according to yet another embodiment of the present invention.
  • the same components as those shown in FIG. 1 are given the same numbers. Note that in FIG. 6, the first and second temperature sensors 12, 13, and the third temperature sensor 11 and control unit 14 of the adjustment unit 5 are not shown.
  • the thermoelectric power generation device 1''' includes a first heat storage body 3, a thermoelectric conversion unit 4 having one end 4a and the other end 4b, a temperature adjustment unit 5 disposed between the first heat storage body 3 and the one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4 to adjust the temperature of the one end 4a of the thermoelectric conversion unit 4, a second heat storage body 6 in thermal contact with the other end 4b of the thermoelectric conversion unit 4, a heat insulating layer 8 covering the first heat storage body 3, at least a part of the temperature adjustment unit 5, the thermoelectric conversion unit 4 and the second heat storage body 6, a first temperature sensor (not shown) that measures the temperature of the first heat storage body 3, and a second temperature sensor (not shown) that measures the temperature of the second heat storage body 6, and includes a device body 19 in which the temperature adjustment unit 5 adjusts the temperature based on the measured values received from the first and second temperature sensors.
  • the temperature adjustment unit 5 has the same configuration as that of the embodiment shown in FIG.
  • thermoelectric power generation device 1''' further includes an external heating device 20 for heating the removed first heat storage body 3, and an external cooling device 22 for cooling the removed second heat storage body 6.
  • the external heating device 20 has an insulated container 21 that houses the first heat storage body 3, and a heat collection section 2 that is provided in the insulated container 21, absorbs heat from a heat source Q, and is in thermal contact with the first heat storage body 3.
  • the external cooling device 22 has a heat insulating container 23 that houses the second heat storage body 6 , and a heat dissipation part 7 that is provided in the heat insulating container 23 and in thermal contact with the second heat storage body 6 .
  • the first heat storage body 3 is removed from the device main body 19 and moved to an external heating device 20, placed in an insulated container 21 of the heating device 20, and brought into contact with the heat collection section 2, thereby heating the first heat storage body 3.
  • the second heat storage body 6 is removed from the device main body 19 and moved to an external cooling device 22, placed in an insulated container 23 of the cooling device 22, and cooled by contacting the heat dissipation section 7.
  • thermoelectric power generating device 1''' can be made compact and can be mounted on moving machinery or automobiles.
  • Thermoelectric power generation device 2 Heat collection section 3 First heat storage body (high-temperature heat storage body) 4 Thermoelectric conversion unit 4a One end 4b Other end 5 Temperature adjustment unit 6 Second heat storage body (low-temperature heat storage body) Reference Signs List 7 Heat dissipation section 8 Thermal insulation layer 9 Third heat storage body 10 Heat flow switch 10a Linear actuator 10b Movable heat-conducting block 10c Rotary actuator 10d Movable heat-conducting block 11 Third temperature sensor 12 First temperature sensor 13 Second temperature sensor 14 Control section 15 Light receiving section 16 Light collecting section 17 External heating device 18 Thermal insulation container 19 Device body 20 External cooling device 21 Thermal insulation container 22 Cooling device 23 Thermal insulation container Q Heat source

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Abstract

熱源Ｑから熱を取り込む集熱部２と、集熱部に熱的に接触した第１の蓄熱体３と、熱電変換ユニット４と、第１の蓄熱体及び熱電変換ユニットの一端部４ａ間に配置されて熱電変換ユニットの一端部の温度を調節する温度調節ユニット５と、熱電変換ユニットの他端部４ｂに熱的に接触した第２の蓄熱体６と、第２の蓄熱体に熱的に接触した放熱部７と、第１の蓄熱体、温度調節ユニットの少なくとも一部、熱電変換ユニット及び第２の蓄熱体を被覆する断熱層８と、第１の蓄熱体の温度を測定する第１の温度センサ１２と、第２の蓄熱体の温度を測定する第２の温度センサ１３を備える。

Description

熱電発電装置
　本発明は、外部から取り込んだ熱エネルギーを、熱電変換ユニットを用いて電気エネルギーに変換することで発電を行う熱電発電装置に関するものである。
　例えば、特許文献１には、環境に接触し、環境の温度変化に応じて環境と熱交換し得る導熱体と、蓄熱体と、導熱体および蓄熱体間に配置された熱電変換ユニットと、導熱体と熱電変換ユニットとの対、または熱電変換ユニットと蓄熱体との対間に配置されて、当該対間の熱移動を制御する熱流調節ユニットと、一定の熱絶縁性を有し、蓄熱体を被覆する被覆層と、を備え、導熱体および蓄熱体間に生じる温度差を利用して、熱電変換ユニットから電気エネルギーを取り出す熱電発電装置が記載されている。
　この熱電発電装置を、例えば、昼夜で周期的に温度変化する屋外大気中に配置すると、導熱体は１日の気温の変化に伴って温度変化し、蓄熱体もそれに追従して温度変化するが、このとき、熱流調節ユニットが、導熱体の温度変化と蓄熱体の温度変化の間に一定程度の遅延を生じさせるように動作する。
　こうして、導熱体の温度変化サイクルと蓄熱体の温度変化サイクルの間に位相差が生じ、この位相差によって、１日を通じて導熱体および蓄熱体間に発電のための温度差が維持され、１日に２回、導熱体の温度が上昇するときと導熱体の温度が下降するときに、発電が行われる。
　そして、この熱電発電装置をワイヤレスセンサーやリモートモニター等の電子機器の電源として使用した場合には、商用電源から電子機器への電力供給線や電池の交換作業が不要な独立電源が得られ、これらの電子機器を必要な場所に自由に設置できる。
　しかし、この熱電発電装置によれば、１日のうちの気温の上昇時に蓄熱体に蓄えられた熱が当該１日のうちの気温の下降時に蓄熱体から放出され、その間に生じた導熱体との温度差に応じて発電が行われるので、低消費電力の電子機器の作動に必要な比較的小さな電力を供給することができるが、一般家庭での１日の消費電力等、より大きな電力を供給することはできなかった。
　さらには、この熱電発電装置によれば、熱電発電装置の設置場所、あるいは熱源の種類によっては、導熱体が熱電変換ユニットの動作保証温度を超える高温まで加熱されることもあり、かかる場合、熱電変換ユニットが導熱体から熱流調節ユニットを介して直接的に熱供給を受けるので、熱電変換ユニットがその動作保証温度以上に加熱され、熱電変換ユニットが動作不能になる、あるいは故障するという問題があった。
国際公開第２０１３／０９９９４３号パンフレット
　したがって、本発明の課題は、より大きな電力をより安定的に供給することができる熱電発電装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明によれば、熱源から熱を取り込む集熱部と、前記集熱部に熱的に接触した第１の蓄熱体と、一端部および他端部を有する熱電変換ユニットと、前記第１の蓄熱体および前記熱電変換ユニットの前記一端部間に配置されて前記熱電変換ユニットの前記一端部の温度の調節を行う温度調節ユニットと、前記熱電変換ユニットの前記他端部に熱的に接触した第２の蓄熱体と、前記第２の蓄熱体に熱的に接触した放熱部と、前記第１の蓄熱体、前記温度調節ユニットの少なくとも一部、前記熱電変換ユニットおよび前記第２の蓄熱体を被覆する断熱層と、前記第１の蓄熱体の温度を測定する第１の温度センサと、前記第２の蓄熱体の温度を測定する第２の温度センサと、を備え、前記温度調節ユニットは、前記第１および前記第２の温度センサから受信した測定値に基づいて前記温度の調節を行うものであることを特徴とする熱電発電装置が提供される。
　本発明の好ましい実施例によれば、前記温度調節ユニットは、前記熱電変換ユニットの前記一端部に熱的に接触するとともに、前記断熱層によって被覆された第３の蓄熱体と、前記第１および前記第３の蓄熱体間に配置されるとともに、前記断熱層によって被覆され、前記第１および前記第３の蓄熱体に接触して前記第１および前記第３の蓄熱体間で熱移動させるＯＮ位置と、前記第１および前記第３の蓄熱体のうちの一方から離間して前記熱移動を停止させるＯＦＦ位置との間で変化し得る熱流スイッチと、前記第３の蓄熱体の温度を測定する第３の温度センサと、前記熱流スイッチに作動的に接続されるとともに、前記第１および前記第２の温度センサから受信した前記測定値、および前記第３の温度センサから受信した測定値に基づいて前記熱流スイッチを制御する制御部と、を有している。
　本発明の別の好ましい実施例によれば、前記集熱部が、前記熱源との熱交換を遮断するための熱遮蔽機構を有している。
　本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記集熱部が、前記第１の蓄熱体に熱的に接触するとともに、太陽光を受ける受光部と、前記太陽光を前記受光部に集光する集光部と、を有しており、より好ましくは、前記集熱部が、さらに、前記受光部、または前記受光部および前記集光部への前記太陽光の入射を遮るための遮光機構を有している。
　本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記第１の蓄熱体が前記熱電発電装置から取り外して、再び前記熱電発電装置に組み込み可能になっており、前記熱電発電装置は、さらに、別の前記集熱部を有し、取り外された前記第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置を備えている。
　上記課題を解決するため、また、本発明によれば、第１の蓄熱体と、一端部および他端部を有する熱電変換ユニットと、前記第１の蓄熱体および前記熱電変換ユニットの前記一端部間に配置されて前記熱電変換ユニットの前記一端部の温度の調節を行う温度調節ユニットと、前記熱電変換ユニットの前記他端部に熱的に接触した第２の蓄熱体と、前記第１の蓄熱体、前記温度調節ユニットの少なくとも一部、前記熱電変換ユニットおよび前記第２の蓄熱体を被覆する断熱層と、前記第１の蓄熱体の温度を測定する第１の温度センサと、前記第２の蓄熱体の温度を測定する第２の温度センサと、を有し、前記温度調節ユニットが、前記第１および前記第２の温度センサから受信した測定値に基づいて前記温度の調節を行うようにした装置本体を備え、前記第１および前記第２の蓄熱体がそれぞれ前記装置本体から取り外して、再び前記装置本体に組み込み可能になっており、さらに、取り外された前記第１の蓄熱体に熱的に接触し、熱源から熱を取り込む集熱部を有し、前記第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置と、取り外された前記第２の蓄熱体に熱的に接触する放熱部を有し、前記第２の蓄熱体を冷却する外部の冷却装置と、を備えたものであることを特徴とする熱電発電装置が提供される。
　本発明によれば、集熱部から取り込まれた熱源の熱が第１の蓄熱体に蓄えられる一方、第２の蓄熱体からは放熱部を通じて熱が放出されて、第１の蓄熱体が熱電変換ユニットの動作保証温度よりも高温に保たれるとともに、第１の蓄熱体には常時１日の発電に必要な量以上の熱エネルギーが蓄えられる。
　同時に、温度調節ユニットの制御によって、熱電変換ユニットの温度が動作保証温度以下で、かつ動作保証温度の近傍に保たれ、第２の蓄熱体を低温蓄熱体として、温度調節ユニットに接する熱電変換ユニットの高温側の一端部と、第２の蓄熱体に接する熱電変換ユニットの低温側の他端部との間に発電に必要な温度差が維持される。
　そして、日々、第１の蓄熱体から温度調節ユニットと熱電変換ユニットを通じて第２の蓄熱体に熱が移動せしめられ、熱電変換ユニットの高温側の一端部および低温側の他端部間に必要な温度差が維持され、熱電変換ユニットから電気エネルギーが取り出される。
　例えば、熱電発電装置の運転時の熱損失がゼロと仮定して、熱電発電ユニットの高温側の定格温度が２００℃であり、１８０℃から２００℃で発電が行われる場合、第１の蓄熱体は２００℃から例えば５００℃まで加熱されて、第１の蓄熱体に熱エネルギーが蓄えられる。
　また、温度調節ユニットによって、熱電変換ユニットの高温側が１８０℃～２００℃に維持されるように制御がなされる（１８０℃以下になると、熱電変換ユニットの高温側に熱が供給されるが、２００℃以上になると、熱電変換ユニットの高温側への熱供給が停止するように制御される）。
　この場合、２００℃と５００℃の温度差３００℃と第１の蓄熱体の比熱容量との積が、熱電発電装置に蓄えられた熱エネルギーであり、第１の蓄熱体が２００℃以上に加熱されることで、必要な日数分の熱エネルギーが蓄えられて安定的に発電が行われる。
　つまり、本発明による熱電発電は、河川をダムによって堰き止めてダムの上流側にダム湖を形成し、常時一定量（例えば、数か月分の河川流量）を貯水する一方、ダムからは１日の平均河川流量に相当する水量を放流することで、ダム湖水面とダム下流側の水面の間に一定程度の水位差を維持し、この水位差に応じた水の位置エネルギーを利用して発電を行う水力発電に例えることができる。
　こうして、本発明によれば、第１の蓄熱体を高温蓄熱体とし、第２の蓄熱体を低温蓄熱体として、熱電変換ユニットの高温側端部および低温側端部間に発電に適した十分な温度勾配を生じさせることができるので、家庭やオフィスで使用される電力を十分に賄えるだけの発電量が得られる。
　また、第１の蓄熱体に複数日分の発電に必要な熱量を蓄えることができるので、蓄熱が十分に行えない日が数日続いたとしても、常に安定した発電が可能となる。
　また、第１の蓄熱体が熱電変換ユニットの動作保証温度以上に加熱される場合であっても、第１の蓄熱体および熱電変換ユニット間に温度調節ユニットが介在することで、熱電変換ユニットがその動作保証温度を超える温度まで加熱されることが防止され、それによって、熱電変換ユニットの安定した動作が保証される。
　そして、例えば、本発明の熱電発電装置を家庭やオフィス用の電源として屋外、または家屋やビルの屋根に設置し、第１の蓄熱体への蓄熱を主として日射エネルギーを利用して行うようにした場合には、昼夜、晴雨、季節等の影響を受けて大きく変動し、供給が不安定な再生可能エネルギーとされる太陽光を、熱エネルギーとして複数日分蓄えておき、日々の需要に応じて、電気エネルギーに変換して安定的に供給することが可能となる。
　また、熱源が太陽光であって、地域によって冬季に日射量が不足するような場合は、第１の蓄熱体を熱電発電装置から取り外して、再び熱電発電装置に組み込み可能にしておき、さらに、別の集熱部を有し、取り外した第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置を備えることもできる。
　この外部の加熱装置の熱源としては、例えば、バイオ燃料や化石燃料の燃焼による熱エネルギーを使用することができる。
　また、本発明によれば、上記の熱電発電装置から集熱部と放熱部を省略して装置本体とし、第１および第２の蓄熱体を装置本体から取り外して、再び装置本体に組み込み可能にしておき、この装置本体に加えて、さらに、取り外した第１の蓄熱体に熱的に接触し、熱源から熱を取り込む集熱部を有し、第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置と、取り外した第２の蓄熱体に熱的に接触する放熱部を有し、第２の蓄熱体を冷却する外部の冷却装置と、を備えたことによって、熱電発電装置の発電部をコンパクト化することができる。
　こうして、この装置本体を移動する機械装置や自動車に搭載して、動力源となる電気エネルギーを提供することができる。
　なお、取り出した電気エネルギーを、太陽光発電の場合と同様に、一旦蓄電池に蓄え、電力調整装置（Power Conditioning System、ＰＣＳ）によって交流電力として提供することも可能であり、それによって、短い時間は熱電変換ユニットの出力よりも大きな電力を供給できる。
本発明の１実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。 熱流スイッチの具体例を示す図である。 熱流スイッチの具体例を示す図である。 本発明の別の実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。 図４に示した熱電発電装置の変形例の概略構成を示す縦断面図である。 本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。
　以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
　図１は、本発明の１実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。
　図１に示すように、本発明の熱電発電装置１は、熱源Ｑから熱を取り込む集熱部２と、集熱部２に熱的に接触した第１の蓄熱体（高温蓄熱体）３を備えている。
　熱源Ｑとしては、例えば、太陽光（日射エネルギー）、工業炉、地熱、内燃機関の排ガス、原子炉、およびそれらの熱エネルギーが蓄えられた蓄熱体等が利用できる。
　集熱部２は、熱源Ｑからの熱の取込み（熱の吸収）がより高い効率で行えるような構成を有していることが好ましい。
　また、集熱部２は、好ましくは、熱源Ｑとの熱交換を遮断するための熱遮蔽機構を有している。そして、第１の蓄熱体３が所定温度以上に加熱されるおそれがある場合や、熱電発電装置のメンテナンスを行う場合等に、熱遮蔽機構が動作することによって、熱電発電装置の破壊が防止され、また作業者の安全が保証される。
　第１の蓄熱体３は、好ましくは、金属ブロック、または岩石、またはコンクリートブロック、または潜熱蓄熱材、または水等の液体（ゲル状のものを含む）で満たされた容器からなっており、この実施例では、アルミニウム塊またはコンクリート塊からなっている。
　本発明の熱電発電装置１は、さらに、一端部４ａおよび他端部４ｂを有する熱電変換ユニット４と、第１の蓄熱体３および熱電変換ユニット４の一端部４ａ間に配置されて熱電変換ユニット４の一端部４ａの温度を調節する温度調節ユニット５と、熱電変換ユニット４の他端部４ｂに熱的に接触した第２の蓄熱体（低温蓄熱体）６と、第２の蓄熱体６に熱的に接触した放熱部７と、第１の蓄熱体３、温度調節ユニット５の少なくとも一部、熱電変換ユニット４および第２の蓄熱体６を被覆する断熱層８と、第１の蓄熱体３の温度を測定する第１の温度センサ１２と、第２の蓄熱体６の温度を測定する第２の温度センサ１３と、を備えている。
　熱電変換ユニット４による熱電変換の方式は限定されず、ゼーベック効果によるもの、異常ネルンスト効果によるもの、熱電子発電（Thermionic Conversion、ＴＩＣ）によるもの、スピン・ゼーベック効果によるもの等の他、熱から電気への直接発電ではないがバイナリー発電など、任意の方式のものが使用可能である。
　第２の蓄熱体６は第１の蓄熱体３と同様の構成を有している。
　温度調節ユニット５は、この実施例では、熱電変換ユニット４の一端部４ａに熱的に接触するとともに、断熱層８によって被覆された第３の蓄熱体９と、第１および第３の蓄熱体３、９間に配置されるとともに、断熱層８によって被覆され、第１および第３の蓄熱体３、９に接触して第１および第３の蓄熱体３、９間で熱移動させるＯＮ位置と、第１および第３の蓄熱体３、９のうちの一方から離間して熱移動を停止させるＯＦＦ位置との間で変化し得る熱流スイッチ１０と、第３の蓄熱体９の温度を測定する第３の温度センサ１１と、熱流スイッチ１０に作動的に接続されるとともに、第１および第２の温度センサ１２、１３から受信した測定値、および第３の温度センサ１１から受信した測定値に基づいて熱流スイッチ１０を制御する制御部１４と、を有している。
　第３の蓄熱体９もまた第１の蓄熱体３と同様の構成を有している。
　熱流スイッチ１０は、例えば、図２ＡおよびＢに示すように、リニアアクチュエータ１０ａと、リニアアクチュエータ１０ａの操作ロッドの先端に連結された可動導熱ブロック１０ｂとから構成される。
　そして、熱流スイッチ１０がＯＦＦ状態のときは、図２Ａに示すように、リニアアクチュエータ１０ａの操作ロッドは引っ込んだ位置にあって、可動導熱ブロック１０ｂは第１および第３の蓄熱体３、９から離間しているが、熱流スイッチ１０がＯＮ状態になると、図２Ｂに示すように、リニアアクチュエータ１０ａの操作ロッドが突き出し、可動導熱ブロック１０ｂが第１および第３の蓄熱体３、９に接触し、それによって、第１の蓄熱体３および第３の蓄熱体９間において両者の温度差に応じて熱が移動する。
　別の実施例によれば、熱流スイッチ１０は、図３ＡおよびＢに示すように、回転型アクチュエータ１０ｃと、回転型アクチュエータ１０ｃによって回転駆動される可動導熱ブロック１０ｄとから構成される。
　そして、熱流スイッチ１０がＯＦＦ状態のときは、図３Ａに示すように、可動導熱ブロック１０ｄは、第１および第３の蓄熱体３、９から離間しているが、熱流スイッチ１０がＯＮ状態になると、図３Ｂに示すように、可動導熱ブロック１０ｄが回転型アクチュエータ１０ｃによって回転せしめられて第１および第３の蓄熱体３、９に接触し、それによって、第１の蓄熱体３および第３の蓄熱体９間において両者の温度差に応じて熱が移動する。
　熱流スイッチ１０の作動は、熱電発電装置１が出力する電力の一部を用いて、あるいは、その電力を蓄電池に蓄えた後に、蓄電池の出力する電力の一部を用いてなされる。
　温度調節ユニット５のこの構成によれば、第１の蓄熱体３が熱電変換ユニット４の動作保証温度以上まで加熱された場合でも、熱流スイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦの適当な切り替えにより、第３の蓄熱体９（よって、熱電変換ユニット４の一端部４ａ）の温度は常に熱電変換ユニット４の動作保証温度以下であって、第２の蓄熱体６（よって、熱電変換ユニット４の他端部４ｂ）より高温となるように維持され、第３の蓄熱体９から熱電変換ユニット４に熱が移動し、発電が行われる。
　こうして、第１の蓄熱体３から熱電変換ユニット４への熱移動の際に熱電変換ユニット４がその動作保証温度を超える温度まで加熱されることが防止され、それによって、熱電変換ユニット４の安定した動作が保証される。
　放熱部７は、例えば、河川や湖沼の水、または水道水によって冷却され得る構成、または適当な空冷手段によって冷却され得る構成、または気化熱（蒸発熱）によって冷却され得る構成、または放射冷却によって冷却され得る構成、またはそれらの構成の適当な組み合わせを有しており、第２の蓄熱体６を、常時、第３の蓄熱体９よりも低い温度に維持する。
　本発明の熱電発電装置１によれば、集熱部２から取り込まれた熱源Ｑの熱が第１の蓄熱体３に蓄えられる一方、第２の蓄熱体６からは放熱部７を通じて熱が放出されて、第１の蓄熱体３が熱電変換ユニット４の動作保証温度よりも高温に保たれるとともに、第１の蓄熱体３には常時１日の発電に必要な量以上の熱エネルギーが蓄えられる。
　同時に、温度調節ユニット５の熱流スイッチ１０がＯＮ／ＯＦＦされて、温度調節ユニット５の第３の蓄熱体９（よって、熱電変換ユニット４の一端部４ａ）の温度が、熱電変換ユニット４の動作保証温度（以下、「最高設定温度Ｈ」とする）以下で、かつ、第２の蓄熱体６（よって、熱電変換ユニット４の他端部４ｂ）との間に一定の熱電変換効率が保たれる温度差が生じる温度（以下、「最低設定温度Ｌ」とする）以上となるように維持される。
　すなわち、熱流スイッチ１０がＯＦＦ状態で第３の蓄熱体９の温度が最低設定温度Ｌより低下した時、熱流スイッチ１０がＯＮ状態に切り替わり、第１の蓄熱体３の熱エネルギーが第３の蓄熱体９に供給され、蓄熱体９の温度が上昇する。そして、熱流スイッチ１０がＯＮ状態で第３の蓄熱体９の温度が最高設定温度Ｈより上昇した時、熱流スイッチ１０がＯＦＦ状態に切り替わり、第３の蓄熱体９の温度は低下して行く。このように熱流スイッチ１０の制御が繰り返される。
　こうして、例えば、熱電変換ユニット４の低温側端部が常温（１００℃以下）で、熱電変換ユニット４の高温側端部が動作保証温度３００℃の場合、最高設定温度Ｈを３００℃とし、最低設定温度Ｌを２７０℃とすると、第３の蓄熱体９の温度は２７０℃から３００℃の間を上下することになる。第１の蓄熱体３は、熱源Ｑから熱エネルギーを供給されて３００℃以上の高温に加熱されるが、仮に５００℃になっている場合は、その温度差（２００℃）と第１の蓄熱体３の比熱容量の積が、蓄えられており供給可能な熱エネルギーとなる。
　この場合、熱源Ｑからの熱エネルギーの供給が順調で、第１の蓄熱体３の温度が運用最高温度（第１の蓄熱体３の安定な運用に支障をきたす恐れがある温度、例えば８００℃）を超えて上昇した場合は、熱遮蔽機構によって、それ以上の温度上昇が制限される。
　こうして、例えば１００℃を遥かに超えるような高温の熱源Ｑから熱エネルギーを得て、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換ユニットにより発電する方法が提供される。そして、熱電変換ユニット４の高温側端部４ａおよび低温側端部４ｂ間に常時発生する温度差に応じて一日分の発電がなされる。
　なお、熱流スイッチ１０を一定時間ＯＦＦ状態にすることで、その間、熱電変換ユニット４への熱エネルギーの供給を停止し、発電動作を止めることが可能である。
　こうして、発電電力量が消費電力量を上回って蓄電池が満杯になったときや、保守等で必要なときは、熱電発電装置を停止することができる。
　また、実施に当たっては、負荷あるいは用途に合わせて、出力される電力を一旦蓄電池に蓄え、電力調整装置（ＰＣＳ）により交流電力として提供されることは、太陽光発電においてなされているのと同様である。
　つまり、本発明による熱電発電は、河川をダムによって堰き止めてダムの上流側にダム湖を形成し、常時一定量（例えば、数か月分の河川流量）を貯水する一方、ダムからは１日の平均河川流量に相当する水量を放流することで、ダム湖水面とダム下流側の水面の間に一定程度の水位差を維持し、この水位差を落差とし、水の位置エネルギーを利用して発電を行う水力発電に例えることができる。
　こうして、本発明によれば、第１の蓄熱体３が高温側蓄熱体を形成する一方、第２の蓄熱体６は低温側蓄熱体を形成することによって、熱電変換ユニット４の高温側端部４ａおよび低温側端部４ｂ間に発電に適した十分な温度勾配を生じさせることができ、家庭やオフィス等で使用される電力等を賄うのに十分な発電量が得られる。
　また、第１の蓄熱体３に複数日分の発電に必要な熱量を蓄えることができるので、蓄熱が十分に行えない日が数日続いたとしても、常に安定した発電が可能となる。
　また、第１の蓄熱体３が熱電変換ユニット４の動作保証温度以上に加熱される場合であっても、第１の蓄熱体３および熱電変換ユニット４間に温度調節ユニット５が介在することで、熱電変換ユニット４がその動作保証温度を超える温度まで加熱されることが防止され、それによって、熱電変換ユニット４の安定した動作が保証される。
　図４は、本発明の別の実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。
　図４の実施例は、図１の実施例において、集熱部２の構成をより具体化したものである。よって、図４中、図１の構成要素と同じものについては同一の参照番号を付して、以下では、それらの詳細な説明は省略する。
　図４の実施例では、熱電発電装置１’の熱源Ｑとして太陽光（日射エネルギー）が用いられ、集熱部２’は、第１の蓄熱体３に熱的に接触するとともに、太陽光を受ける受光部１５と、太陽光を受光部１５に集光する集光部１６を有している。
　受光部１５は、受けた太陽光を効率的に吸収して熱に変換し得る構成を有していることが好ましい。そのため、できるだけ大きな受光部１５の表面積を確保すべく、受光部１５の表面が凹凸を有し、または粗面となり、また黒色等の濃い色を有していることが好ましく、さらには、受光部１５は、降雨、降雪および砂塵等を遮り、強風による飛来物等の衝突によって破壊されない構造、形状を有していることが好ましい。
　集光部１６は、日射を効率的に受け、受光部１５に向けて反射させまたは集束させ得る公知の適当な構成を有している。
　別の実施例によれば、集熱部２’が、さらに、受光部１５、または受光部１５および集光部１６への太陽光の入射を遮るための遮光機構を有している。
　そして、例えば、本発明の熱電発電装置１’を一般家庭用の電源として屋外または家屋の屋根に設置し、第１の蓄熱体３への蓄熱を日射エネルギーによって行うようにした場合は、昼夜、晴雨、季節等の影響を受けて大きく変動し、供給が不安定な再生可能エネルギーとされる太陽光を、熱エネルギーとして複数日分蓄えておき、日々の需要に応じて、電気エネルギーに変換して安定的に供給することが可能となる。
　図５は、図４に示した熱電発電装置の変形例の概略構成を示す縦断面図である。図５中、図１および図４に示したものと同じ構成要素には同一番号を付してある。なお、図５において、第１および第２の温度センサ１２、１３と、温度調節ユニット５の第３の温度センサ１１および制御部１４の描画は省略してある。
　図５に示すように、この実施例では、熱電発電装置１”の第１の蓄熱体３が、熱電発電装置１”から取り外して、再び熱電発電装置１”に組み込み可能になっている。
　さらに、熱電発電装置１”は、さらに、取り外された第１の蓄熱体３を加熱する外部の加熱装置１７を備えている。
　外部の加熱装置１７は、第１の蓄熱体３を収容する断熱容器１８と、断熱容器１８に設けられて、熱源（例えば、バイオ燃料や化石燃料の燃焼による熱エネルギー）Ｑから熱を取り込み、第１の蓄熱体３と熱的に接触する別の集熱部２とを有している。
　この実施例によれば、熱電発電装置１”の設置場所では季節や天候により十分な蓄熱が行えない場合に、第１の蓄熱体３を熱電発電装置１”から取り外して外部の加熱装置１７まで移動させ、加熱装置１７の断熱容器１８に収容し、集熱部２に接触させることで、第１の蓄熱体３を加熱する。
　そして、第１の蓄熱体３への蓄熱が完了した後、第１の蓄熱体３を再び熱電発電装置１”に組み込んで発電を行う。
　図６は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の概略構成を示す縦断面図である。図６中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付してある。なお、図６において、第１および第２の温度センサ１２、１３と、調節ユニット５の第３の温度センサ１１および制御部１４の描画は省略してある。
　図６を参照して、この実施例では、熱電発電装置１'''は、第１の蓄熱体３と、一端部４ａおよび他端部４ｂを有する熱電変換ユニット４と、第１の蓄熱体３および熱電変換ユニット４の一端部４ａ間に配置されて熱電変換ユニット４の一端部４ａの温度の調節を行う温度調節ユニット５と、熱電変換ユニット４の他端部４ｂに熱的に接触した第２の蓄熱体６と、第１の蓄熱体３、温度調節ユニット５の少なくとも一部、熱電変換ユニット４および第２の蓄熱体６を被覆する断熱層８と、第１の蓄熱体３の温度を測定する第１の温度センサ（図示されない）と、第２の蓄熱体６の温度を測定する第２の温度センサ（図示されない）と、を有し、温度調節ユニット５が、第１および第２の温度センサから受信した測定値に基づいて温度の調節を行うようにした装置本体１９を備えている。
　この場合、第１および第２の蓄熱体３、６がそれぞれ装置本体１９から取り外して、再び装置本体１９に組み込み可能になっている。
　なお、温度調節ユニット５は、図１の実施例と同様の構成を有している。
　熱電発電装置１'''は、さらに、取り外された第１の蓄熱体３を加熱する外部の加熱装置２０と、取り外された第２の蓄熱体６を冷却する外部の冷却装置２２とを備えている。
　外部の加熱装置２０は、第１の蓄熱体３を収容する断熱容器２１と、断熱容器２１に設けられて、熱源Ｑから熱を取り込み、第１の蓄熱体３と熱的に接触する集熱部２とを有している。
　外部の冷却装置２２は、第２の蓄熱体６を収容する断熱容器２３と、断熱容器２３に設けられ、第２の蓄熱体６と熱的に接触する放熱部７とを有している。
　この実施例によれば、第１の蓄熱体３を装置本体１９から取り外して外部の加熱装置２０まで移動させ、加熱装置２０の断熱容器２１に収容し、集熱部２に接触させることで、第１の蓄熱体３を加熱する。
　一方、第２の蓄熱体６を装置本体１９から取り外して外部の冷却装置２２まで移動させ、冷却装置２２の断熱容器２３に収容し、放熱部７に接触させることで第２の蓄熱体６を冷却する。
　そして、加熱した第１の蓄熱体３および冷却した第２の蓄熱体６をそれぞれ装置本体１９に組み込み、発電を行う。
　この実施例によれば、熱電発電装置１’’’の発電部（装置本体１９）をコンパクト化し、移動する機械装置や自動車に搭載することが可能になる。
　この場合、第１および第２の蓄熱体３、６をそれぞれ複数備え、予備の第１および第２の蓄熱体３、６をそれぞれ常時加熱および冷却しておき、交換しながら使用すれば、発電を継続的に行うことができる。
　以上、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明したが、本発明の構成は上述の実施例に限定されず、当業者が本願の請求の範囲に記載した構成の範囲内で種々の変形例を案出し得ることは言うまでもない。
１、１’、１”、１'''　熱電発電装置
２、２’　集熱部
３　第１の蓄熱体（高温蓄熱体）
４　熱電変換ユニット
４ａ　一端部
４ｂ　他端部
５　温度調節ユニット
６　第２の蓄熱体（低温蓄熱体）
７　放熱部
８　断熱層
９　第３の蓄熱体
１０　熱流スイッチ
１０ａ　リニアアクチュエータ
１０ｂ　可動導熱ブロック
１０ｃ　回転型アクチュエータ
１０ｄ　可動導熱ブロック
１１　第３の温度センサ
１２　第１の温度センサ
１３　第２の温度センサ
１４　制御部
１５　受光部
１６　集光部
１７　外部の加熱装置
１８　断熱容器
１９　装置本体
２０　外部の冷却装置
２１　断熱容器
２２　冷却装置
２３　断熱容器
Ｑ　熱源

Claims (7)

  1. 　熱源から熱を取り込む集熱部と、
    　前記集熱部に熱的に接触した第１の蓄熱体と、
    　一端部および他端部を有する熱電変換ユニットと、
    　前記第１の蓄熱体および前記熱電変換ユニットの前記一端部間に配置されて前記熱電変換ユニットの前記一端部の温度の調節を行う温度調節ユニットと、
    　前記熱電変換ユニットの前記他端部に熱的に接触した第２の蓄熱体と、
    　前記第２の蓄熱体に熱的に接触した放熱部と、
    　前記第１の蓄熱体、前記温度調節ユニットの少なくとも一部、前記熱電変換ユニットおよび前記第２の蓄熱体を被覆する断熱層と、
    　前記第１の蓄熱体の温度を測定する第１の温度センサと、
    　前記第２の蓄熱体の温度を測定する第２の温度センサと、を備え、
    　前記温度調節ユニットは、前記第１および前記第２の温度センサから受信した測定値に基づいて前記温度の調節を行うものであることを特徴とする熱電発電装置。
  2. 　前記温度調節ユニットは、
    　前記熱電変換ユニットの前記一端部に熱的に接触するとともに、前記断熱層によって被覆された第３の蓄熱体と、
    　前記第１および前記第３の蓄熱体間に配置されるとともに、前記断熱層によって被覆され、前記第１および前記第３の蓄熱体に接触して前記第１および前記第３の蓄熱体間で熱移動させるＯＮ位置と、前記第１および前記第３の蓄熱体のうちの一方から離間して前記熱移動を停止させるＯＦＦ位置との間で変化し得る熱流スイッチと、
    　前記第３の蓄熱体の温度を測定する第３の温度センサと、
    　前記熱流スイッチに作動的に接続されるとともに、前記第１および前記第２の温度センサから受信した前記測定値、および前記第３の温度センサから受信した測定値に基づいて前記熱流スイッチを制御する制御部と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
  3. 　前記集熱部が、前記熱源との熱交換を遮断するための熱遮蔽機構を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
  4. 　前記集熱部が、
    　前記第１の蓄熱体に熱的に接触するとともに、太陽光を受ける受光部と、
    　前記太陽光を前記受光部に集光する集光部と、を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
  5. 　前記集熱部が、さらに、前記受光部、または前記受光部および前記集光部への前記太陽光の入射を遮るための遮光機構を有していることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
  6. 　前記第１の蓄熱体が前記熱電発電装置から取り外して、再び前記熱電発電装置に組み込み可能になっており、さらに、
    　別の前記集熱部を有し、取り外された前記第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
  7. 　第１の蓄熱体と、
    　一端部および他端部を有する熱電変換ユニットと、
    　前記第１の蓄熱体および前記熱電変換ユニットの前記一端部間に配置されて前記熱電変換ユニットの前記一端部の温度の調節を行う温度調節ユニットと、
    　前記熱電変換ユニットの前記他端部に熱的に接触した第２の蓄熱体と、
    　前記第１の蓄熱体、前記温度調節ユニットの少なくとも一部、前記熱電変換ユニットおよび前記第２の蓄熱体を被覆する断熱層と、
    　前記第１の蓄熱体の温度を測定する第１の温度センサと、
    　前記第２の蓄熱体の温度を測定する第２の温度センサと、を有し、
    　前記温度調節ユニットが、前記第１および前記第２の温度センサから受信した測定値に基づいて前記温度の調節を行うようにした装置本体を備え、
    　前記第１および前記第２の蓄熱体がそれぞれ前記装置本体から取り外して、再び前記装置本体に組み込み可能になっており、さらに、
    　取り外された前記第１の蓄熱体に熱的に接触し、熱源から熱を取り込む集熱部を有し、前記第１の蓄熱体を加熱する外部の加熱装置と、
    　取り外された前記第２の蓄熱体に熱的に接触する放熱部を有し、前記第２の蓄熱体を冷却する外部の冷却装置と、を備えたものであることを特徴とする熱電発電装置。
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JPH09213984A (ja) * 1996-02-07 1997-08-15 Canon Inc 太陽光エネルギー変換装置、建築物、及び光電変換素子の温度制御方法
WO2013099943A1 (ja) * 2011-12-26 2013-07-04 Nakanuma Tadashi 熱電発電装置

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