JP2021141658A - 非常用電源 - Google Patents

Abstract

【課題】受電が困難な場所への設置を可能とする。
【解決手段】
非常用電源１０は、蓄電部３１と、外部から力又は熱を受ける受部材４５と、前記受部材の受けた力又は熱を利用して発電することにより、電力系統から独立して前記蓄電部３１を充電する発電素子４１と、収容体２０と、を含み、前記発電素子４１と前記蓄電部３１が前記収容体２０に収容された状態で地中に埋設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非常用電源に関する。

従来から、災害などの停電時に備えて、非常用電源を設ける場合がある。非常用電源の一例として、電力系統からの受電により蓄電するシステムがある。電力系統からの受電により蓄電する非常用電源に関する文献として、下記の特許文献がある。

特開２０１５−２７１３５号公報

電力系統からの受電により蓄電する場合、山間部やトンネルなど、受電が困難な場所への設置が出来ない、という問題がある。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、受電が困難な場所への設置が可能な非常用電源を提供することを目的とする。

非常用電源は、蓄電部と、外部から力又は熱を受ける受部材と、前記受部材の受けた力又は熱を利用して発電することにより、電力系統から独立して前記蓄電部を充電する発電素子と、収容体と、を含み、前記発電素子と前記蓄電部が前記収容体に収容された状態で地中に埋設されている。

非常用電源は、電力系統から独立しているので、受電が困難な場所への設置が可能である。

非常用電源の断面図 非常用電源の平面図 非常用電源のブロック図 非常用電源の断面図

非常用電源は、蓄電部と、外部から力又は熱を受ける受部材と、前記受部材の受けた力又は熱を利用して発電することにより、電力系統から独立して前記蓄電部を充電する発電素子と、収容体と、を含み、前記発電素子と前記蓄電部が前記収容体に収容された状態で地中に埋設されている。

非常用電源は、発電素子を内蔵し、電力系統から独立しているので、受電が困難な場所への設置が可能である。配線工事の必要がなく、設置が容易である。発電素子及び蓄電部は、収容体に収められた状態で地中に埋設されているため、地上設置に比べて温度変化が小さく熱的に安定する。そのため、発電素子及び蓄電部の経年劣化を抑制することが可能となるため、長期使用が可能であり、非常用電源として好適である。

前記受部材は、上下方向に変位する可動部材であり、前記発電素子は、前記可動部材の上下方向の運動を利用して発電してもよい。この構成では、外部から力を加えて、可動部材を上下運動させることで、発電することが出来る。

前記可動部材を前記収容体から上面が突出する初期位置に付勢する付勢部材を有し、前記可動部材は、前記上面が押されることで、前記付勢部材の付勢力に抗して、下方に変位してもよい。この構成では、外部からの力が取り除かれると、可動部材は初期位置に復帰する。そのため、外部から可動部材に力を加える度に、可動部材は初期位置から下方に変位するので、発電を繰り返すことが出来る。

前記発電素子は、前記可動部材から力を受けて発電する圧電型の発電素子でもよい。圧電素子は、機構部分を有さないため、耐久性に優れる。そのため、長期使用が可能であり、非常用電源として好適である。

前記可動部材は、走行する移動体から力を受けて上下方向に変位してもよい。走行する移動体を利用して発電することが出来る。

前記蓄電部は、前記収容体の底部に位置してもよい。蓄電部を熱的に最も安定する底部に配置することで、蓄電部の劣化を抑制することが出来る。

＜実施形態１＞
１．非常用電源１０の構造説明
図１は、非常用電源１０の断面図である。図１に示す「Ｇ」は地表面を示す。
非常用電源１０は、収容体２０と、蓄電部３１と、コントローラ３５と、発電部４０と、を含む。

収容体２０は、筐体２１と蓋部材２５と、を備える。筐体２１は、樹脂製又は金属製である。筐体２１は、一例として、上面が開口する円筒形状であり、仕切り板２３により内部空間が上下に分かれている。蓋部材２５は、筐体２１の上部に取り付けられ、筐体２１を閉止する。

蓄電部３１は、筐体２１の下部空間２１Ａに位置する。具体的には、筐体２１の底部に位置する。蓄電部３１は、例えば、リチウムイオン二次電池である。蓄電部３１は、他の二次電池でもいいし、キャパシタ等でもよい。

コントローラ３５は、蓄電部３１の上方に位置する。コントローラ３５は、蓄電部３１と共に、筐体２１の下部空間２１Ａに収容されている。

発電部４０は、筐体２１の上部空間２１Ｂに位置しており、仕切り壁２３によって支えられている。発電部４０は、発電素子４１と、複数のばね４３と、可動部材４５と、を備える。

発電素子４１は、仕切り板２３の上面中央に位置する。発電素子４１は、圧電型の発電素子（例えば、ピエゾ素子）である。

可動部材４５は、図１、図２に示すように、平板形状であり、蓋部材２５を貫通している。可動部材４５は、発電素子４１の上方に位置する。

複数のばね４３は、発電素子４１の周囲に位置する。ばね４３は、９０度間隔など、等間隔で配置するとよい。複数のばね４３は、可動部材４５の下面を支持する。複数のばね４３は、可動部材４５を初期位置に向かって付勢する。可動部材４５は、初期位置において、初期位置を超えて収容体２０から飛び出さないように、ストッパ（不図示）により位置決めされる。ばね４３は、本発明の「付勢部材」の一例である。ばね４３に代えて、ゴムなどの弾性体を用いることも出来る。

図１に示すように、初期位置において、可動部材４５の上面３５Ａは、蓋部材２５から突出しており、地表に露出する。可動部材４５の上面３５Ａは、外部から力が加わる作用面である。可動部材４５は、外部から力を受ける受部材である。

非常用電源１０は、蓋部材２５や可動部材４５の一部を除く、装置全体を地中に埋設して使用する。つまり、図１に示すように、発電素子４１及び蓄電部３１は、収容体２０に収容された状態で地中に埋設されて使用される。

２．発電原理の説明
非常用電源１０は、走行する移動体から受ける力を利用して発電する。例えば、非常用電源１０を道路に埋設した場合、非常用電源１０の上方を自動車が走行する間は、自動車から下向きの力が可動部材４５に加わり、可動部材４５は、図１に示す初期位置から下方に変位する。

発電素子４１は、可動部材４５の下方に位置しているので、可動部材４５が下方に変位すると、発電素子４１は、可動部材４５に押されて力が加わり、発電する。

非常用電源１０の上方を自動車が通過すると、下向きに押す力は無くなるため、可動部材４５は、ばね４３の力により、初期位置に復帰する。つまり、図１に示すように、可動部材４５の上面４５Ａが地面（道路）から突出した状態に戻る。

従って、自動車が非常用電源１０の上方を走行するたびに、可動部材４５が初期位置から下方への変位するため、発電素子４１が発電を繰り返す。そのため、その電力で蓄電部３１を充電することが出来る。移動体は、自動車に限らず、道路を走行するバイクや、路面を走行する電車でもよい。

３．非常用電源１０の電気的構成の説明
図３は非常用電源１０の電気的構成を示すブロック図である。
非常用電源１０は、コントローラ３５と、負荷設備５０と、通信設備５５と、を含む。コントローラ３５は、トランス３６と、双方向インバータ３７と、制御部３８を備える。

トランス３６は、発電素子４１から負荷設備５０への電力ラインＬに位置する。蓄電部３１は、双方向インバータ３７を介してトランス３６に接続されている。電力ラインＬには、負荷設備５０に加え、通信設備５５が接続されている。

発電素子４１からトランス３６、双方向インバータ３７を介して蓄電部３１に充電電流を流すことで、発電した電気で、蓄電部３１を充電することが出来る。

また、蓄電部３１から双方向インバータ３７、トランス３６を介して負荷設備５０や通信設備５５に電力を供給することで、充電した電気で、負荷設備５０、通信設備５５を駆動することが出来る。

トランス３６は電圧変換用、双方向インバータ３７はＤＣ−ＡＣ変換用である。双方向インバータ３７は、充電時は、発電素子４１のＡＣ出力をＤＣに変換し、放電時は、蓄電部３１のＤＣ出力をＡＣに変換する。制御部３８は、双方向インバータ３７による充放電の切り換えを制御するために設けられている。また、制御部３８は、負荷設備５０や通信設備５５の制御を行ってもよい。

負荷設備５０は、周囲を照らすＬＥＤ光源５１や、スピーカ５３でもよい。ＬＥＤ光源５１とスピーカ５３は、図１に示すように、収容体２０の内部に配置してもよい。非常用電源１０を道路に埋設した場合、ＬＥＤ光源５１は、災害時の道路照明として使用することが出来る。

通信設備５５は、通信部５６とアンテナ５７でもよい。通信部５６とアンテナ５７は、収容体２０の内部に配置してもよい。通信設備５５は、災害時の防災無線の受信や、装置自身のステータスの送信に利用することが出来る。受信した防災無線は、スピーカ５３により放送することが出来る。

４．効果
非常用電源１０は、発電素子４１を内蔵しており、電力系統から独立しているので、受電が困難な場所への設置が可能である。非常用電源１０を受電が困難な場所に設置することにより、例えば、道路照明や防災無線の提供が可能である。

蓄電部３１及び発電素子４１は、収容体２０に収められた状態で、地中に埋設されている。従って、蓄電部３１及び発電素子４１は、地上設置に比べて温度変化が小さく熱的に安定する。そのため、蓄電部３１及び発電素子４１の経年劣化を抑制することが可能となるため、長期使用が可能であり、非常用電源として好適である。また、地上設置と比較して、倒壊し難く、震災に強いと言うメリットがある。

蓄電部３１にリチウムイオン二次電池を採用することで、蓄電部３１を計量化、長寿命化することが出来る。従って、施工容易化、保守簡略化が図られる。

また、発電素子にＰＶパネル（太陽光パネル）を用いた場合、日が当たらない場所など、日射条件が悪い場所には、設置できない問題がある。また、ＰＶパネルは、地上設置であり、自然環境下に晒されることから、経年劣化の課題がある。非常用電源１０は、可動部材４５の上下方向の運動（変位動作）を利用して発電するため、日射条件に依存せず、発電が可能である。また、発電素子４１を埋設するため、経年劣化の抑制が可能である。

＜実施形態２＞
図４は、非常用電源１００の断面図である。図４に示す「Ｇ」は地表面を示す。
非常用電源１００は、収容体２０と、蓄電部３１と、コントローラ３５と、発電部１４０と、を含む。非常用電源１００は、実施形態１の非常用電源１０に対して、発電原理が異なっている。他の構成は、非常用電源１０と同一である。

発電部１４０は、発電素子１４１と、第１金属板１４３と、第２金属板１４５と、を備える。第１金属板１４３と第２金属板１４５は、収容体２０の上部空間２１Ｂに位置する。第１金属板１４３と第２金属板１４５は、上下に向かい合っている。

第１金属板１４３は、蓋部材２５を貫通しており、上面１４３Ａが、地表に露出している。第１金属板１４３は、地表に露出しており、太陽光による熱を受ける。第１金属板１４３は、太陽光による熱を受ける受部材である。第１金属板１４３は、太陽光による熱を受けることが出来れば、必ずしも地表に露出していなくてもよい。つまり、太陽光による熱で昇温する構成であれば、太陽光が直接あたらないように表面が覆われていてもよい。

第２金属板１４５は、第１金属板１４３の下方に位置している。２つの金属板１４３、１４５は、収容体２０に固定されており、非可動である。

発電素子１４１は、第１金属板１４３と第２金属板１４５の間に位置する。発電素子１４１の上面は第１金属板１４３の下面に接触し、下面は第２金属板１４５の上面に接触する。発電素子１４１の上面は、第１金属板１４３と熱的に結合する第１伝熱部、下面は第２金属板１４５と熱的に結合する第２伝熱部である。

発電素子１４１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電する熱電素子（ゼーベック素子）である。

図４に示すように、第１金属板１４３は地表に露出する一方、第２金属板１４５は埋設された収容体２０の内部に位置する。そのため、太陽光による熱を受ける地表と地中の温度差により、第１金属板１４３の温度と第２金属板１４５の温度に温度差が生じる。この温度差により、発電素子１４１が発電し、その電力で、蓄電部３１を充電する。

非常用電源１００は、非常用電源１０と同様に、以下の効果を有する。
発電素子１４１を内蔵し、電力系統から独立しているので、受電が困難な場所への設置が可能である。蓄電部３１及び発電素子１４１は収容体２０に収められた状態で地中に埋設されている。従って、蓄電部３１及び発電素子１４１は、地上設置に比べて温度変化が小さく熱的に安定する。そのため、蓄電部３１及び発電素子１４１の経年劣化を抑制することが可能となるため、長期使用が可能であり、非常用電源として好適である。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）実施形態１では、走行する移動体から受ける力を利用して、発電する例を説明した。非常用電源は、走行する移動体に限らず、外部から加わる力を利用して、発電することが出来る。例えば、人力により、可動部材４５を外部から上下方向に変位させることで、発電してもよい。また、移動体や人が可動部材４５に対して、外部から力を加えることが出来るようになっていれば、必ずしも、可動部材４５は地表に露出している必要はない。外部は、埋設された非常用電源から見て、その外側と言う意味である。

（２）実施形態１では、発電素子４１は、圧電型の発電素子（ピエゾ素子）であった。発電素子４１は、可動部材４５の上下運動による磁界の変化を利用して発電する電磁誘導型の発電素子（例えば、コイル）でもよい。可動部材４５の上下運動による電界の変化を利用して発電する静電誘導型の発電素子（例えば、エレクトレット）でもよい。

（３）実施形態１では、非常用電源１０の負荷設備５０は、ＬＥＤ光源５１、スピーカ５３であった。負荷設備５０は、携帯通信機器を充電する充電器を含んでいてもよい。電気機器の電源となるＡＣ１００Ｖコンセントや、ＵＳＢ端子を含んでいてもよい。

（４）非常用電源１０は、高速道路に設置してもよい。高速道路は、非常用の連絡設備（非常電話）が長距離に渡って設置されていない事がある。このような場所で、地震等の災害により車両が緊急停止した時に、携帯通信機器の電源が不足していると、外部との連絡が困難になることがある。非常用電源１０を設置することで、電源不足を解消することが出来る。

１０、１００ 非常用電源
２０ 収容体
３１ 蓄電部
４１、１４１ 発電素子
４５ 可動部材（受部材）
１４３ 第１金属板（受部材）

Claims (6)

1. 非常用電源であって、
   蓄電部と、
   外部から力又は熱を受ける受部材と、
   前記受部材の受けた力又は熱を利用して発電することにより、電力系統から独立して前記蓄電部を充電する発電素子と、
   収容体と、を含み、
   前記発電素子と前記蓄電部が前記収容体に収容された状態で地中に埋設されている、非常用電源。
2. 請求項１に記載の非常用電源であって、
   前記受部材は、外部から力を受けて上下方向に変位する可動部材であり、
   前記発電素子は、前記可動部材の上下方向の運動を利用して発電する、非常用電源。
3. 請求項２に記載の非常用電源であって、
   前記可動部材を前記収容体から上面が突出する初期位置に付勢する付勢部材を有し、
   前記可動部材は、前記上面が押されることで、前記付勢部材の付勢力に抗して、下方に変位する、非常用電源。
4. 請求項２又は請求項３に記載の非常用電源であって、
   前記発電素子は、前記可動部材から力を受けて発電する圧電型の発電素子である、非常用電源。
5. 請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の非常用電源であって、
   前記可動部材は、走行する移動体から力を受けて上下方向に変位する、非常用電源。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の非常用電源であって、
   前記蓄電部は、前記収容体の底部に位置する、非常用電源。

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