JP5888008B2

JP5888008B2 - エネルギーハーベスト装置

Info

Publication number: JP5888008B2
Application number: JP2012051590A
Authority: JP
Inventors: 郁夫岩崎; 大鎮目; 広樹齋藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP2013188018A

Description

本発明は、エネルギーハーベスト装置に関する。

下記特許文献１には、環境エネルギーの一種であるＲＦエネルギーを捉えることにより発電し、当該発電による電力をコアデバイス（負荷）に供給するパワーハーベスタを備えるアプリケーション装置が開示されている。このアプリケーション装置は、電池やキャパシタ等の電力貯蔵部に電力を一旦貯蔵した後に、アプリケーション用集積回路を有するコアデバイスに供給する。

特表２００８−５４４７３０号公報

ところで、上記アプリケーション装置では、エネルギー源であるＲＦエネルギーが減衰した場合に、負荷であるコアデバイスに十分な電力を供給することができないう問題がある。このような問題点は、パワーハーベスト装置の本質的な欠点であり、パワーハーベスト装置を実用化する上で解決しなければならない重要な課題である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、環境エネルギーが変動しても安定した電力を負荷に供給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、環境エネルギーとしての熱を捉えて第１の電力を発電する第１の発電部と、熱以外の環境エネルギーを捉えて第２の電力を発電する第２の発電部と、第１の電力及び第２の電力を蓄える二次電池と、当該二次電池から供給される電力に基づいて所定の処理を行う処理部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、第１の発電部は互いに直列接続された複数の熱電対である、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、処理部は、複数の熱電対の１つから得られる温度検出信号に信号処理を施す、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、処理部は、信号処理を施した検出信号を外部に無線送信する、という手段を採用する。

本発明では、第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、第２の発電部は、光あるいは振動を環境エネルギーとして捉えて第２の電力を発電する、という手段を採用する。

本発明によれば、第２の電力のエネルギー源である熱以外の環境エネルギーが変動しても、熱をエネルギー源とする第１の電力を処理部（負荷）に供給することが可能なので、安定した電力を負荷に供給することができる。

本発明の一実施形態に係る温度検出装置Ａの機能構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態の変形例に係る温度検出装置Ｂを示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る温度検出装置Ａ（エネルギーハーベスト装置）について説明する。本温度検出装置Ａは、図１に示すように、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn（第１の発電部）、太陽電池１（第２の発電部）、蓄電池２（二次電池）、センサ回路３及び監視伝送部４によって構成されている。これら構成要件のうち、センサ回路３及び監視伝送部４は、本実施形態における処理部を構成している。

ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnは、各々に環境温度（周囲温度）に応じた起電圧Ｖsをそれぞれ発生する温度センサーであり、図示するように互いに直列接続されている。すなわち、当該ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnは、環境エネルギーとしての熱を捉えて電圧Ｖp（＝ｎ×Ｖs）の第１の電力を発電する一種の発電素子である。

このような熱電対Ｔ1〜Ｔnのうち、第１番目の熱電対Ｔ1の一端は蓄電池２の一方の入力端に接続され、第ｎ番目の熱電対Ｔnの一端はセンサ回路３の一方の入力端に接続され、また第ｎ番目の熱電対Ｔnの他端は蓄電池２の他方の入力端及びセンサ回路３の他方の入力端にそれぞれ接続されている。すなわち、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnの合計起電圧Ｖｐは第１の電力として蓄電池２に出力され、一方、第ｎ番目（１個）の熱電対Ｔnの起電圧Ｖsは、温度検出信号としてセンサ回路３に出力される。

太陽電池１は、光をエネルギー源として発電する発電素子である。すなわち、太陽電池１は、熱以外の環境エネルギーである光を捉えて電力を発電し、当該電力を第２の電力として蓄電池２に出力する。蓄電池２は、上記熱電対Ｔ1〜Ｔnから入力される第1の電力及び太陽電池１から入力される第２の電力を蓄える二次電池である。この蓄電池２は、自らが蓄えた電力（直流電力）を負荷であるセンサ回路３及び監視伝送部４に供給する。

ここで、このような本温度検出装置Ａでは、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnが第１の発電部として機能し、太陽電池１が第２の発電部として機能する。すなわち、本温度検出装置Ａには、２つの発電機能部が設けられている。これら２つの発電機能部のうち、太陽電池１（第２の発電部）は、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn（第１の発電部）よりも発電電力が大きく、よって蓄電池２が蓄える直流電力の殆どは太陽電池１（第２の発電部）が発電したものである。太陽電池１（第２の発電部）は本温度検出装置Ａの主発電機能部であり、一方、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnは本温度検出装置Ａの補助発電機能部である。このようなｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn、太陽電池１及び蓄電池２は、環境エネルギーをエネルギー源として捉えて発電するエネルギーハーベスト発電部を構成している。

センサ回路３は、上記蓄電池２から入力される直流電源によって動作する電子回路であり、第ｎ番目の熱電対Ｔnから入力される温度検出信号を増幅して監視伝送部４に出力する。監視伝送部４は、センサ回路３から入力された温度検出信号を外部に無線送信すると共に、蓄電池２及びセンサ回路３の動作状態を監視する。この監視伝送部４の無線通信機能は、近距離用の無線通信機能であり、よって電波の出力が比較的小さい。なお、これらセンサ回路３及び監視伝送部４は、本実施形態における処理部を構成している。

次に、このように構成された温度検出装置Ａの動作について詳しく説明する。
本温度検出装置Ａでは、通常動作として、太陽電池１（第２の発電部）が発電した直流電力の一部でセンサ回路３及び監視伝送部４を作動させると共に、上記直流電力の残りを蓄電池２に充電する。

しかしながら、太陽電池１では、十分な日照量が得られず発電量が低下する事態が生じ得る。このような事態が発生して蓄電池２の充電量が所定の下限値まで低下すると、蓄電池２は、太陽電池１の直流電力に代えて、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn（第１の発電部）が発電した直流電力を充電する。すなわち、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn（第１の発電部）は、太陽電池１がエネルギー源としている光とは異なる熱を捉えて発電を行うので、太陽電池１の発電量の低下に伴って発電量が低下することはない。

したがって、本実施形態によれば、太陽電池１（第２の発電部）の発電量の低下をｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔn（第１の発電部）が補うので、エネルギーハーベスト発電部の負荷であるセンサ回路３及び監視伝送部４に安定した直流電力を供給することができる。

センサ回路３は、このようなエネルギーハーベスト発電部から供給される直流電力を電源として第ｎ番目の熱電対Ｔnから入力される温度検出信号を増幅して監視伝送部４に出力する。センサ回路３には第ｎ番目の熱電対Ｔnから常時連続して温度検出信号が入力されるので、センサ回路３は温度検出信号を連続的に増幅して監視伝送部４に出力する。

そして、監視伝送部４は、センサ回路３から入力された温度検出信号を電波として外部に送信する。監視伝送部４は、例えばセンサ回路３から連続的に入力される温度検出信号を所定のタイムインターバルでサンプリングすることにより離散的な温度検出データに変換し、この温度検出データを電波に順次乗せて発信する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnの合計起電圧Ｖｐを蓄電池２に充電する構成を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図２に示すように（ｎ−１）個の熱電対Ｔ1〜Ｔn-1の合計起電圧Ｖqを蓄電池２に充電してもよい。すなわち、図２に示す温度検出装置Ｂは、第ｎ番目の熱電対Ｔnの他端を蓄電池２の他方の入力端に接続することに代えて、第ｎ番目の熱電対Ｔnの一端を蓄電池２の他方の入力端に接続することにより、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnの合計起電圧Ｖｐに代えて、（ｎ−１）個の熱電対Ｔ1〜Ｔn-1の合計起電圧Ｖqを蓄電池２に入力するものである。

（２）上記実施形態では、第２の発電部として太陽電池１を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、振動を環境エネルギーとして捉えて発電を行う圧電素子を採用してもよい。また、風（気流）を環境エネルギーとして捉えて発電を行う一種の風力発電装置を第２の発電部として採用してもよい。

（３）上記実施形態では、センサ回路３及び監視伝送部４から処理部を構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば処理部をセンサ回路３のみから構成し、センサ回路３の出力を信号線（電線）を介して外部に送信してもよい。

（４）上記実施形態では、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnを第１の発電部としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnに代えて、ゼーベック効果を利用した熱電素子（半導体素子）を用いてもよい。この熱電素子は、ｎ個の熱電対Ｔ1〜Ｔnと同様に熱を環境エネルギーとして捉えて発電を行う一種の発電素子である。

Ａ，Ｂ…温度検出装置（エネルギーハーベスト装置）、Ｔ1〜Ｔn…熱電対（第１の発電部）、１…太陽電池（第２の発電部）、２…蓄電池（二次電池）、３…センサ回路、４…監視伝送部

Claims

環境エネルギーとしての熱を捉えて第１の電力を発電する第１の発電部と、
熱以外の環境エネルギーを捉えて第２の電力を発電する第２の発電部と、
前記第１の電力及び前記第２の電力を蓄える二次電池と、
当該二次電池から供給される電力に基づいて所定の処理を行う処理部と
を備え、
前記第１の発電部は互いに直列接続された複数の熱電対であり、
前記処理部は、前記複数の熱電対の１つから得られる温度検出信号に信号処理を施すエネルギーハーベスト装置。
前記処理部は、信号処理を施した前記温度検出信号を外部に無線送信する請求項１記載のエネルギーハーベスト装置。
前記第２の発電部は、光あるいは振動を環境エネルギーとして捉えて第２の電力を発電する請求項１または２記載のエネルギーハーベスト装置。