JP7597341B1 - 太陽熱を用いた発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度差不要の熱電変換素子を用いて太陽熱発電システムを構築する。
【解決手段】集熱管を備える発電システムであって、前記集熱管は熱電変換素子を含み、前記熱電変換素子は平板状をしており、前記熱電変換素子は前記集熱管内部に収納されている発電システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を用いた発電システムに関する。

太陽熱を用いたエネルギー利用は太陽熱で水を加熱して得る温水の利用、または太陽熱で水を加熱して発生させる蒸気でタービンを回して発電していた。例えば、特許文献１を参照されたい。

また、太陽光を用いた発電は太陽光パネル発電が主流である。太陽熱を用いて発電する場合は太陽熱を用いて水を沸騰させてタービンを回すボイラー方式や熱電変換素子(ペルチェ素子)を使って直接電気に変える方法が普及している。例えば、特許文献３を参照されたい。

一方で、特許文献２や特許文献４で示すような温度差不要の熱電変換素子が発明されており、様々な発電用途に適用できる可能性がある。

国際公開２０１２／０４２６３９号公報 特許７０１１３６１号公報 特開２００７－１６６７２１号公報 国際公開２０２３／０３８１０３号公報

本発明の一態様によれば、太陽などからの熱を利用し温度差が不要の熱電変換素子を用いて太陽熱発電システムを構築することを目的とする。

本発明の一態様によれば、集熱管を備える発電システムであって、前記集熱管は、温度差不要の熱電変換素子を含み、前記熱電変換素子は屈曲可能な平板状をしており、前記熱電変換素子は巻いたり、折りたたんだりすることにより前記集熱管内部に収納されていることを特徴とする発電システムを提供する。

本発明の一態様によれば、太陽熱が届きにくい曇天や太陽熱が届かない夜間でも集熱管内部に蓄熱した昼間の予熱を用いて発電を継続することができる。

本発明の他の目的、特徴および利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施例による熱発電システムの一例を示す。 図２は、本発明の一実施例による熱発電システムで使用する集熱管の一例を示し、（ａ）集熱菅の断面図と、（ｂ）導線が接続された熱電変換素子を示す。 図３は、本発明の一実施例による熱発電システムで使用する集熱管の別の一例を示し、（ａ）集熱菅の断面図と、（ｂ）導線が接続された熱電変換素子を示す。 図４は、複数の熱発電システムを配置し、これらを直列（ａ）または並列（ｂ）に接続した構成の一例を示す。 図５は、本発明の一実施例で使用する熱電変換素子の一例を示す。 図６は、本発明の一実施例で使用する熱電変換素子の補助シートの一例を示し、（ａ）補助シートを広げた図、（ｂ）補助シートを使用した図の一例を示す。

図１は、本発明の一実施例による熱発電システムの一例を示す。本実施例では、太陽熱に基づいて発電をするシステムについて説明する。

本実施例の熱発電システム１０００は、集熱管１００を備える。本実施例の熱発電システム１０００は、付加的に、集熱器２００を備えてもよい。

集熱管１００は、太陽熱を集熱管１００の内部に集めて蓄える機能を有する。

集熱器２００は、例えば、反射板であり、上面板２１０、下面板２２０、側面板２３０から構成される。少なくとも側面板２３０が、熱発電システム１０００内に設置された集熱管１００に太陽熱を集熱することが可能な形状に構成されている。具体的には、側面板２３０には、鏡や金属板などの太陽熱を反射する材料で構成され、太陽熱を反射して集熱管１００に入射されるような方向に配置されている。なお、本実施例の側面板２３０は、複数の平面板から構成されているが、１枚の曲面の板から構成されてもよい。

本実施例の熱発電システム１０００は、更に、蓋３１０と、太陽熱を効率よく受ける位置に集熱管１００を配置するため上部固定具３３０と下部固定具３２０を備えてもよい。蓋３１０は、集熱管１００の上部開口部分の栓として機能する。上部固定具３３０は、上面板２１０の一部に取り付けられ且つ下部固定具３２０は、下面板２２０の一部に取り付けられ、集熱管１００を固定している。また、集熱管１００の蓋３１０に貫通孔を設けて、または、単に蓋３１０を取り外して、熱発電システム１０００の内部の溶液１４０が気化して外部に蒸発できるように構成されてもよい。

なお、本実施例の熱発電システム１０００において、図４（ａ）に示すように、複数の熱発電システム１０００を配置し、これらを直列に接続することにより、所望の高電圧を得るように構成されてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、複数の熱発電システム１０００を並列に接続することにより、所望の高電流を得るように構成されてもよい。

図２は、本発明の一実施例による熱発電システムで使用する集熱管の一例を示す。

図２（ａ）に示すように、本実施例の集熱管１００は、外管１１１と、内管１１２と、熱電変換素子１２０と、溶液１４０とを備える。

外管１１１は、ガラスなどで構成され、太陽熱を内管１１２へ透過する構造を有している。
内管１１２は、ガラスなどで構成され、銀メッキ加工処理などが施されており、内管１１２内部からの熱放射を反射させ熱を内部に保つ構造を有している。
外管１１１と内管１１２とを組み合わせることにより、太陽熱を集熱管１００の内部に蓄熱できる構造をなしている。具体的には、円筒形の外管１１１と内管１１２を有する二重管構造を構成とし、外管１１１と内管１１２との間を真空とする構成にする。真空断熱効果により集熱管１００の内部に取り込まれた太陽熱を外部に逃がしにくい構造となっている。

熱電変換素子１２０は、例えば、温度差不要の熱電変換素子である。温度差不要の熱電変換素子を用いることで太陽熱から直接電気を回収することができる。熱電変換素子１２０は、屈曲可能な平板の形状を有しており、巻いたり、折りたたんだりすることにより集熱管１００内に収納される。

溶液１４０は、オプションの構成であるが、集熱管１００の内管１１２に充填される。溶液１４０を充填することにより、空気など気体が充填されている状態と比較し、蓄熱効果を一層高め且つ溶液の持つ沸点により集熱管１００内部の意図しない温度上昇を抑えることで、熱電変換素子の破壊を避けることができる。更に、集熱管１００内に、日中に得た太陽熱を溜めることができるようになるので、集熱管１００が受ける太陽熱の量が減少しても内管１１２内は高温を維持することができる。例えば、夕方から夜間にかけて太陽熱が減少しても、内管１１２内部に溶液１４０を充填することで、内管１１２内部の温度は緩やかに低下し日照時間を超えた長時間にわたり発電を続けることができる。なお、溶液１４０は、揮発しにくく蓄熱効果が大きく且つ反応性や生物および環境有害性が低いものであり、その溶液の一例は、（水、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、アルコール系溶剤であるエタノール、メタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ヘキサノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、トリデカノール、イソプロピルアルコール、脂肪族炭化水素であるパラフィン、オレフィン、ナフテン、滑油、食用油、グリセリン、シリコンオイルなど）である。また、対生物および環境安全性が保証できるものであればフッ素系溶液等であってもよい。

本実施例の集熱管１００内には、平板状の熱電変換素子１２０が収納されている。太陽光パネルのように光を受ける面積が出力を支配するシステムとは異なり、熱電変換素子１２０を巻いたり、折りたたんだりして集熱管１００内に収納することができるので、単位面積当たりの発電量を大きくしたり、発電システムをコンパクトにしたりすることができる。

図２の（ｂ）は、導線１２１、１２２が接続された熱電変換素子１２０を示す。熱電変換素子１２０の電極１１の任意の場所および電極１２の任意の場所に、それぞれ導線１２２および導線１２１が取り付けられている。また、蓋３１０には、貫通孔を設けておき、当該貫通孔などを通して導線１２１、１２２を外部に引き出すことにより、発電された電気を取り出すことができる。

図３は、本発明の一実施例による熱発電システムで使用する集熱管の別の一例を示す。ここでは、図２の集熱管との違いについて説明する。
図３の（ａ）集熱菅の断面図においては、導線１２１、１２２が、熱電変換素子１２０の中心部から引き出されている。このとき、図３（ｂ）には導線が接続された熱電変換素子の形状を示しており、電極１２のサイズ（面積）が電極１１のサイズよりも若干大きくなるように構成されている。このように、電極１１の形状を電極１２の形状と異なるように構成することで、１つの面から、導線１２１、１２２を引き出すことができるようになる。

図５は、本発明の一実施例で使用する温度差不要の熱電変換素子１２０の一例を示す。

熱電変換素子１２０は、第１電極１１と、第２電極１２と、中間部１４とを備える。熱電変換素子１２０は、例えば、第１基板１５を備えてもよい。第１基板１５は、屈曲性があり且つ絶縁性を持つ材料で構成される。第１電極１１および第２電極１２は、互いに対向して設けられる。第１電極１１および第２電極１２は、それぞれ異なる仕事関数を有する。各電極１１、１２の材料として、例えば、白金、金、パラジウム、銅、鉄、クロム、コバルト、チタン、ニッケル、アルミニウム、ジルコニウム、タングステン、カーボン等の単一元素からなる材料が用いられる他、例えば、２種類以上の元素からなる合金、そしてその酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物などの材料が用いられてもよい。なお、本発明の一実施例で使用する熱電変換素子１２０の詳細については、特許文献２（特許７０１１３６１号公報）を参照されたい。

また、本実施例の発電システムは、特許文献２（特許７０１１３６１号公報）および特許文献４（国際公開２０２３／０３８１０３号公報）に示される温度差不要の熱電変換素子１２０のみならずそれ以外の温度差不要熱電変換素子も適用可能である。

図６は、本発明の一実施例で使用する熱電変換素子１２０の補助シート６００の一例を示す。
本実施例の補助シート６００は、熱電変換素子６１０（図５の熱電変換素子１２０を参照。熱電変換素子６１０は図５の熱電変換素子１２０に相当する絶縁機能を持つ第１基板を有する）と、スペーサ６４０と、一対の電極６５０と、管６６０とから構成される。
スペーサ６４０は、熱電変換素子６１０の幅方向（図６（ａ）においては横方向）に沿って且つ熱電変換素子６１０の（図６（ａ）において）上端側および下端側の両側に配置されている。スペーサ６４０同士の間隔は任意の長さでよく、スペーサ６４０の数や形状も任意でよいが、後述するような図６（ｂ）において巻かれた筒状を維持でき、巻いた状態で内側にくる熱電変換素子６１０の外側と外側にくる熱電変換素子６１０の内側が接触しない程度に構成されていればよい。更に、スペーサ６４０は、耐熱性および防水性の性能を有してもよい。
なお、本実施例のスペーサ６４０は、当該スペーサ６４０の内部に貫通孔を有する構成であるが、別の実施例として貫通孔を有していない構成でもよい。
一対の電極６５０は、熱電変換素子６１０の導線１２１、１２２（図２、図３参照。熱電変換素子６１０は図２、図３の熱電変換素子１２０に相当）と接続される。
管６６０は、貫通孔を有しており、当該貫通孔内部を導線１２１、１２２および一対の電極６５０を通すように構成されている。管６６０は、補助シート６００を巻く際の芯（中心）となるように構成されてもよい。

図６（ｂ）に示すように、本実施例の補助シート６００は、熱電変換素子６１０を、通水性を確保し熱電変換素子同士の接触を防止しながら巻回して、集熱管に収納することができる。

本実施例の補助シート６００を使用することにより、例えば、熱電変換素子６１０同士の接触を防ぐとともに、熱電変換素子６１０の両面に溶液を接触させることで意図しない温度上昇を抑え熱電変換素子６１０の破壊を避けることができる。

Claims (9)

1. 集熱管を備える発電システムであって、
   前記集熱管は熱電変換素子を含み、前記熱電変換素子は平板状をしており、前記熱電変換素子が前記集熱管内部に収納されていることを備え、
   絶縁機能を持つ第１基板を有する熱電変換素子上にスペーサを配置した補助シートが前記集熱管内部に収納されることを特徴とする、発電システム。
2. 前記熱電変換素子は、温度差不要の熱電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記集熱管内に蓄熱性の高い材料を用い、日中太陽光により発生した熱を前記集熱管内に溜めることにより夜間にも発電できることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
4. 集熱器を更に備え、太陽光を反射して前記集熱管に入射されるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
5. 前記熱電変換素子は、第１電極、第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間の中間部とを備え、前記第１電極の任意の点から、一方の導線を引き出し、前記第２電極の任意の点から、他方の導線を引きだすように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
6. 前記集熱管内の蓄熱性の高い材料は、溶液であることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
7. 前記集熱管の一部に栓を設け、当該栓に貫通孔を設けるか当該栓を取り外すことによって、前記溶液が気化して前記貫通孔を通して外部に蒸発可能な構成であることを特徴とする、請求項６に記載の発電システム。
8. 集熱管を備える発電システムであって、
   前記集熱管は熱電変換素子を含み、前記熱電変換素子は平板状をしており、前記熱電変換素子が前記集熱管内部に収納されていることを備え、
   前記集熱管内に蓄熱性の高い材料を用い、日中太陽光により発生した熱を前記集熱管内に溜めることにより夜間にも発電でき、
   前記集熱管内の蓄熱性の高い材料は、溶液であり、
   前記集熱管の一部に栓を設け、当該栓に貫通孔を設けるか当該栓を取り外すことによって、前記溶液が気化して前記貫通孔を通して外部に蒸発可能な構成であることを特徴とする、発電システム。
9. 集熱管を備える発電システムであって、
   前記集熱管は熱電変換素子を含み、前記熱電変換素子は平板状をしており、前記熱電変換素子が前記集熱管内部に収納されていることを備え、
   前記集熱管の一部に栓を設け、当該栓に貫通孔を設けるか当該栓を取り外すことによって、前記集熱管内の溶液が気化して前記貫通孔を通して外部に蒸発可能な構成であることを特徴とする、発電システム。