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技術 太陽光発電方法および発電装置

出願人 株式会社TAANE
発明者 及川胤昭
出願日 2013年3月28日 (8年7ヶ月経過) 出願番号 2014-509132
公開日 2015年12月17日 (5年11ヶ月経過) 公開番号 WO2013-150960
状態 拒絶査定
技術分野 非金属・化合物の電解製造;そのための装置
主要キーワード ミネラルイオン水 電離水 エマルジョンオイル マイクロキャビテーション 霧化粒子 振動攪拌 溶存水素計 アルカリ還元
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年12月17日)のものです。
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図面 (16)

課題

従来には存在しない新規太陽光発電方法および発電装置を提供することを目的とする。

解決手段

本発明の太陽光発電方法は、オルト水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶け電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射し、当該電子水素水と陽イオンを含む水との間に電位差を発生させ発電を行うものである。

概要

背景

再生利用可能なエネルギーとして、太陽光を利用した発電が注目されている。太陽光発電に用いられる材料として、単結晶シリコン多結晶シリコンアモルファスシリコンが知られているが、これらのエネルギー変換効率はそれほど高くないという問題がある。例えば特許文献1は、変換効率を改善するために太陽光発電部材を所定の規則に沿って配列する太陽光発電装置を開示している。また、赤外光熱エネルギーとして回収することができる(特許文献2)。

概要

従来には存在しない新規太陽光発電方法および発電装置を提供することを目的とする。 本発明の太陽光発電方法は、オルト水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶け電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射し、当該電子水素水と陽イオンを含む水との間に電位差を発生させ発電を行うものである。

目的

本発明は、従来には存在しない新規な太陽光発電方法および発電装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

オルト水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶け電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射し、当該電子水素水と陽イオンを含む水との間に電位差を発生させ、発電を行う発電方法

請求項2

前記光は、太陽光である、請求項1に記載の発電方法。

請求項3

前記光は、真空紫外光である、請求項1に記載の発電方法。

請求項4

前記電離水素水には陰極が浸漬され、前記陽イオンを含む水には陽極が浸漬され、両電極間に電位差を発生させる、請求項1に記載の発電方法。

請求項5

前記陽イオンを含む水は、海水である、請求項1に記載の発電方法。

請求項6

オルト型水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶けた電離水素水を収容する第1の収容手段と、陽イオンを含む水を収容する第2の収容手段と、前記第1の収容手段内に設けられた第1の電極と、前記第2の収容手段内に設けられた第2の電極と、前記電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射する照射手段と、を有する発電装置

請求項7

前記第1の収容手段は、少なくとも193nmの波長を透過する材料を含み、前記照射手段は、前記透過する材料を介して光を照射する、請求項6に記載の発電装置。

請求項8

前記照射手段は、太陽光を照射する、請求項6または7に記載の発電装置。

請求項9

発電装置はさらに、前記第1および第2の電極に電気的に結合された蓄電素子を含む、請求項6に記載の発電装置。

技術分野

0001

本発明は、太陽光を用いた発電方法および発電装置に関し、特に、常温、常圧の電離水素水の水素プラズマ場を利用した発電方法に関する。

背景技術

0002

再生利用可能なエネルギーとして、太陽光を利用した発電が注目されている。太陽光発電に用いられる材料として、単結晶シリコン多結晶シリコンアモルファスシリコンが知られているが、これらのエネルギー変換効率はそれほど高くないという問題がある。例えば特許文献1は、変換効率を改善するために太陽光発電部材を所定の規則に沿って配列する太陽光発電装置を開示している。また、赤外光熱エネルギーとして回収することができる(特許文献2)。

先行技術

0003

特開2000−106451号公報
特開2011−198825号公報

発明が解決しようとする課題

0004

本発明は、従来には存在しない新規太陽光発電方法および発電装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、常温、常圧の電離水素水で発生される水素プラズマを利用した太陽光発電方法および発電装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0005

本発明に係る発電方法は、オルト水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶けた電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射し、当該電子水素水と陽イオンを含む水との間に電位差を発生させ、発電を行うものである。好ましくは前記光は、太陽光である。あるいは前記光は、真空紫外光であることができる。好ましくは前記電離水素水には陰極が浸漬され、前記陽イオンを含む水には陽極が浸漬され、両電極間に電位差を発生させる。例えば前記陽イオンを含む水は、海水を用いることができる。

0006

本発明に係る発電装置は、オルト型水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶けた電離水素水を収容する第1の収容手段と、陽イオンを含む水を収容する第2の収容手段と、前記第1の収容手段内に設けられた第1の電極と、前記第2の収容手段内に設けられた第2の電極と、前記電離水素水に少なくとも193nmを含む光を照射する照射手段とを有する。好ましくは前記第1の収容手段は、少なくとも193nmの波長を透過する材料を含み、前記照射手段は、前記透過する材料を介して光を照射する。好ましくは発電装置はさらに、前記第1および第2の電極に電気的に結合された蓄電素子を含む。

発明の効果

0007

本発明によれば、従来には存在しない新規な方法によって発電を行うことができる。

図面の簡単な説明

0008

水素分子の分類を示すテーブルである。
図2(A)は、オルト型水素分子の構造を示す図、図2(B)はパラ型水素分子の構造を示す図である。
水に溶ける水素分子と水に溶けない水素分子の模式図である。
水にパラ型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位(ORP)とpHとの時間経過の関係を示すグラフである。
図4Aの水の溶存水素とpHとの時間経過の関係を示しグラフである。
水にオルト型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位(ORP)とpHとの時間経過の関係を示すグラフである。
図5Aの水の溶存水素とpHとの時間経過の関係を示している。
図5Aの水に酸素ガスを添加したときの溶存水素とpHとの時間経過の関係を示すグラフである。
図5Aの水に酸化物を添加したときの溶存水素とpHとの時間経過の関係を示すグラフである。
本発明の実施例による水素プラズマ場発生方法の工程を説明するフローである。
電離水素水によりエマルジョン化されたエマルジョンオイルの状態を示す写真である。
図8のエマルジョンオイルに太陽エネルギーを照射したときのエマルジョンオイルの状態を示す写真である。
図10(A)は、本発明の実施例による水素プラズマ場発生装置の構成例を示す図、図10(B)は、本発明の実施例によるエマルジョン化装置の構成例を示す図である。
本発明の第2の実施例による水素プラズマ場発生方法の工程を説明するフローである。
本発明の実施例に係る電離水素水を用いた太陽光発電の原理を説明する図である。

実施例

0009

図1は、水素分子を温度との関係において分類するものである。同図に示すように、水素分子の結合様式は、高温(250℃以上)では、イオン結合性であり、低温(−273℃以下)では、共有結合性であり、常温(23±1.5℃)では、イオン結合性と共有結合性との比は、75%:25%となる。

0010

水素結合がイオン結合性の場合には、水素分子タイプは、100%のオルト型となり、他方、共有結合性の場合には、100%のパラ型となる。そして、常温では、オルト型とパラ型との比は、3:1となる。

0011

水素結合がイオン結合性の場合には、水素は、水に対して溶ける溶性であり、他方、共有結合性の場合には、水素分子は、水に対して溶けない不溶性である。そして、常温では、溶性と不溶性の比は、3:1となる。これらの水素分子と温度との関係は、J.D.Lee口博・菅野等訳「リー無機化学」東京化学同人 1982年)を参考にしたものである。

0012

図2(A)は、水に溶けるオルト型水素分子の構造を示し、図2(B)は、水に溶けないパラ型水素分子の構造を示す。オルト型水素分子は、図2(A)に示すように、2つの水素原子核10の核スピン軸18は同方向であり、一方の水素原子核10の周りを2つの電子12が自由に移動する。その結果、図のような分子極性14が生じる。他方、パラ型水素分子は、図2(B)に示すように、核スピン軸18の向きは逆方向であり、2つの電子12は、2つの水素原子核10によって共有される。このため、分子極性は生じない。なお、16は、電子スピン軸を示している。

0013

図3は、水に溶けないパラ型のH2と、水に溶けるオルト型のH2の模式図を表している。上記したように、−273℃の低温では、100%が水に溶けないパラ型の水素分子、つまり、共有結合性水素化水素の状態にあり、この共有結合性水素化水素を水に入れても、H2=H・Hであり、電離しない。

0014

一方、250℃以上の高温、無酸素還元状態では、100%が水に溶けるオルト型の水素分子、つまりイオン結合性水素化水素の状態になる。パラ型の水素分子に太陽エネルギーhvを照射すると、水素分子は、パラ型からオルト型に変換され、太陽エネルギーhvの照射が止めれば、水素分子は、オルト型からパラ型に変換される。このことは、Michael Frunzi et al.: “A Photochemical On-Off Switch for Tuning the Equilibrium Mixture of H2 Nuclear Spin Isomers as a Function of Temperature”, Journal of the American Chemical Society (JACS),No.133,pp.14232-14235,2011によって実験されている。また、図2(A)、図3に示すように、MHまたはMH2(Mは金属の意味であり、MHまたはMH2は水素化金属)の添加は、後述するように水素プラズマ場形成可能な場を誘導する。

0015

次に、パラ型およびオルト型の水素分子の実験結果について説明する。なお、実験には、ORP/pHメーターには、東亜DKK MM−60Rを使用、溶存水素計には、東亜DKK DH−35Aを使用。

0016

実験用の水として、水に、パラ型の水素分子の水素ガスを添加したものを用いる。図4Aは、パラ型の水素分子の水素ガスを水に添加したときの酸化還元電位(ORP)とpHとの時間経過の関係を示し、図4Bは、図4A水溶液における溶存水素とpHと時間経過の関係を示している。水素ガスを添加した時点でORPは一時的に小さくなるが、ORPはすぐに元の電位に戻っている。また、pHの変化はほとんどない。水素ガスを添加したときに一時的に水素ガスが発生するが、その後は、水素ガスはほとんど発生しない。共有結合性水素分子は、水に入れても水素が電離することはなく、水素が水に溶けないことがわかる。

0017

図5Aは、水にオルト型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位(ORP)とpHとの時間経過の関係を示し、図5Bは、図5Aの水の溶存水素とpHとの時間経過の関係を示している。水素ガスを添加した時点でORPが小さくなり、その後、ORPは徐々に大きくなる。また、pHは、水素ガスを添加したときpH9程度になり、その後、徐々にpH8程度に収束する。また、図5Bに示すように、84時間を経過後、水素が徐々に発生し、その後250時間を経過しても水素は発生し続けた。すなわち、オルト型の水素分子は、水に入れると、水素分子が電離し、水に溶けることがわかる。

0018

図6Aは、図5Aのようにオルト型の水素分子を水に添加し、かつその後に酸素ガスを添加したときのORPと溶存水素分子の時間経過を示している。酸素ガスを添加すると、その後、水に溶け込んだ水素分子が強制的に発生されることがわかる。水素分子の発生は、その後40時間以上も継続された。

0019

図6Bは、図5Aのようにオルト型の水素分子を水に添加し、かつその後に酸化物(酸を含む物質)を添加すると、水に溶けていた水素分子が急激に大量に発生し、ピーク時には、80ppbに達した。水素分子の発生は、その後、90時間以上も継続された。従って、電離水素水中の溶存水素分子量は、測定時間中に発生する水素分子量の積算値が溶存水素分子量になる。

0020

このように、イオン結合性の水素分子(オルト型)を水に入れると電離し、H2⇔H++H−として安定し、電離水素水(プラズマウォーター)を形成する。一方、共有結合性の水素分子(パラ型)は、水に入れても水素が電離することはない。H2=H・Hであり、非電離水素水である。電離水素水は、常温、常圧で保存可能である。そして、この水の抗酸化能力は2年半以上維持していることが確認されている。

0021

次に、本発明の実施例による水素プラズマ場の発生方法について説明する。先ず、オルト型の水素分子が溶けた溶液(例えば、水)として、電離水素水を用意する(S101)。電離水素水は、オルト型の水素分子またはイオン結合性の水素分子を含むものであり、液中において水素分子がH20⇔H++H−に電離している。このような電離水素水は、例えば、CaH2、MgH2などの水素化金属を水に添加することにより得ることができる。添加する水素化金属は、上記外にも、元素周期律表上に示されているアルカリ金属アルカリ土金属、第13族または第14族の金属によるものであってもよい。

0022

次に、電離水素水に太陽のエネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射する(S102)。太陽光を照射すること以外にも、人工的に生成された選択された波長の超音波またはマイクロ波を電離水素水に照射するようにしてもよい。電離水素水では、水素分子がH20⇔H++H−に電離することで霧化粒子としてのマイクロバブルが形成される。電離水素水に超音波またはマイクロ波が照射されると、マイクロバブルは攪拌され(S103)、マイクロキャビテーションが起き(S104)、さらに細かなマイクロバブルが形成され(S105)、水素プラズマ形成可能な場(水素プラズマ分解と合成可能場)が誘導される(S106)。細かくなったマイクロバブルは再び結合して大きなマイクロバブルに成長し、一定大きさになると耐えられなくなると、マイクロバブルが破裂し、水素プラズマ場が発生する(S107)。これらのマイクロバブルの成長、破裂は、連鎖的に水中で生じる。このように電離水素水の液中で水素プラズマが形成可能な場が誘導され、霧化粒子化したマイクロバブルが弾けるとき、水素プラズマ場が形成される。

0023

次に、本発明の水素プラズマ場発生方法をエマルジョンオイルの製造方法に適用した例について説明する。電離水素水中に水素プラズマ場を発生させることで、安定的に高品位のエマルジョンオイルを生成することができる。図8に示す写真は、CaOとMgOの重量比1:1で混合されたものを無酸素還元状態の雰囲気中で還元焼成して生成した5%のCaH2と5%のCaOと5%のMgH2と5%のMgOを、超純水に浸して出来た電離水素水の中に生じた大小様々な粒径をもつエマルジョンオイルを示している。ある粒子の径は、20μmであり、ある粒子の径は50μmである。なお、ここに示されるオイルエマルジョンは、界面活性剤または乳化剤等を添加することなく、電離水素水によってエマルジョン化されたものであることに留意すべきである。

0024

図8に示すエマルジョンオイルに、太陽エネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射する。電離水素水は、上記したように水素プラズマ場の形成可能な場を誘導し、太陽エネルギーによって振動攪拌されたマイクロバブルが弾けたとき水素プラズマ場を形成させる。図9は、図8のエマルジョンオイルに太陽光を照射した後のエマルジョンオイルを示している。この写真からも明らかなように、水素プラズマ場の発生により粒子がより細かくなっていることがわかる。図の例では。1つの粒子の径は、約5μm程度である。

0025

エマルジョンオイルは、太陽光を照射することで粒子径が細かくなるが、太陽エネルギーの照射を停止すると、エマルジョンオイルの粒子径は、元の状態に戻り、つまり図8に示すような比較的大きな粒径になる。従って、エマルジョンオイルへの太陽光の照射、あるいは人工的に生成されたマイクロ波や超音波の照射を制御することで、エマルジョンオイルの粒径を変化させることができる。

0026

図10(A)は、本発明の実施例による水素プラズマ場発生装置の構成例を示すブロック図である。本実施例の水素プラズマ場発生装置は、少なくともオルト型の水素分子が溶けた電離水素水を保持する保持容器100と、保持容器100の電離水素水に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段110と、照射手段110の照射を制御するコントローラ120とを含んで構成される。仮に、照射手段110が太陽エネルギーを利用した照射を行うのであれば、照射手段110は、太陽光を透過したりまたは遮光するシャッターを含むように構成される。コントローラ130は、シャッターの開閉や、シャッターの開閉時間を制御する。

0027

図10(B)は、本発明の実施例によるエマルジョン化装置の構成例を示すブロック図である。本実施例のエマルジョン化装置は、図10(A)の構成に加えて、油を注入する注入手段130を備える。油が常温で固形化している場合には、加熱することで液状化し、これを保持容器100内の電離水素水と混ぜ合わせる。コントローラ120は、注入する油のタイミングおよび量などをバルブを介して制御する。

0028

次に、本発明の第2の実施例の水素プラズマ場の発生方法について図11のフローを参照して説明する。上記した図7に示す実施例と同様に、イオン結合性の水素分子、すなわちオルト型水素分子を含む電離水素水を用意する(S201)。このような電離水素水は、例えば、本発明者によって発明された特許第4404657号製法等に基づいて、水素化金属(MH2またはMH)を作製し、その水素化金属(MH2またはMH)を水道水等の水に懸濁することによっても得ることができる。これにより、水素プラズマ場が形成可能な水が誘導される(S202)。

0029

次に、水素プラズマ場が形成可能な水に、真空紫外光(例えば、アルゴンエキシマランプ紫外光(UV)ランプ(波長193nm)の市販のUVランプ)を照射すると(S203)、溶存酸素ゼロもしくは溶存酸素がほとんど存在しないアルカリ還元ミネラルイオン水が得られる(S204)。言い換えれば、電離水素水である、水素分子をH20 ⇔ H++H−として溶存する水素プラズマウォーターを得ることができる。水素プラズマ場が誘導された水は、太陽の光または真空紫外光ランプに含まれる波長193nm=振動数50GHz(水素の振動数)の光エネルギーによって、水の光分解を引き起こし、水素ガス(4H2↑)と酸素ガス(O2↑)になり気化し、その後に6個の電子を水の中に残し、アルカリ還元性の水になる。この水の中は、溶存酸素がゼロか、あるいはほとんど存在しない。このような電離水素水に太陽光を照射したとき、溶存酸素がゼロあるいはほぼ存在しないことが実験により確認された。

0030

図11(B)は、本発明の第2の実施例の別の例を示している。図11(B)のフローでは、水素プラズマ形成可能な場の誘導に、図7に示した第1の実施態様のときと同様のプロセスを用いるものである。つまり、イオン結合された水素分子(オルト型の水素分子)を含む溶液に、マイクロ波を照射してマイクロバブルを形成し(S201A)、水素プラズマ可能な場を形成する(S202)。このマイクロ波は、少なくとも波長193nmを含む。以後のステップは、図11(A)のときと同様に、波長193nmまたは振動数50GHzの真空紫外光を照射することで(S203)、溶存酸素がゼロの真空状態の電離水素水(水素プラズマウォーター)が生成される(S204)。

0031

本発明の第2の実施例による水素発生方法は、図10(A)に示す水素プラズマ場発生装置を用いることができる。この場合、照射手段110には、少なくとも波長193nmの真空紫外光を含む光源として、好ましくはエキシマレーザUVランプが用いられる。さらに本発明の第2の実施態様は、図10(B)に示すようなエマルジョン化装置にも適用することが可能である。

0032

このように本発明によれば、従来の高温、高圧大気中で発生される水素プラズマ場とは全く異なる系である、常温、常圧、真空の水中または液中において、水素プラズマ場を発生させることができる。

0033

次に、本発明の第3の実施例について説明する。本発明の第3の実施例は、第1および第2の実施例で説明した水素プラズマ場の形成を可能にした電離水素水を利用した太陽光発電に関する。上記したように、193nm(50GHz)のマイクロ波は、2個の水素原子と1個の酸素原子の電子を介した結合を切断するのに十分なエネルギーを持っているので、その波長に相当する真空紫外線を、溶存酸素ゼロの電離水素水に照射すると実質的に水の光分解をお越し、霧化粒子が発生し、水の蒸発を起こす。そのとき、電離水素水の中は、水分子繋ぎとめていた電子の行く場がないため残り、電子リッチな電離水素水、つまり水素プラズマプラスウォーターになる。

0034

この原理を利用して、例えば、陽イオンリッチな人工海水と電子リッチな電離水素水(水素プラズマウォーター)を容器内に収容し、陽極に例えば銅(Cu)板、陰極に例えばマグネシウム(Mg)板を用い、太陽光を照射すると、電極間に電位差が生じ、電流が流れる。図12(A)は、水素プラズマの発生を利用した太陽光発電の原理を説明する図である。同図において、容器300内には、水素プラズマ場が形成可能な電離水素水310が収容され、そこに陰極320が浸漬される。好ましい態様では、容器300は、少なくとも193nmの波長を透過する透明な材料から構成され、さらに好ましい態様では、容器300は、太陽光を透明する材料から構成される。他方、容器400内には、陽イオンがリッチな人工海水410が収容され、そこに陽極420が浸漬される。

0035

電子水素水310に、193nmの波長を含む太陽光330が照射されると、上記したように、水素プラズマ場が誘導された水は、波長193nm(振動数50GHz)の光エネルギーによって、光分解を引き起こされ、水素ガス(4H2↑)と酸素ガス(O2↑)になり気化し、その後に6個の電子を水の中に残された電子リッチな電離水素水となる。こうして、陽極420と陰極320とを導電で繋げば、電流が流れる。また、図12(B)に示すように、両電極間に、コンデンサ等の蓄電素子または蓄電装置500を接続することで、蓄電素子に電荷蓄積し、蓄電された電力を用いて負荷を電気的に駆動することができる。

0036

このように水素プラズマ場を形成可能な電離水素水において、そこに太陽光を照射することで水素プラズマ場を発生させ、電離水素水を電子リッチな状態にすることで、太陽光を100%利用した発電が可能になる。なお、上記実施例では、陽イオンリッチな水として人工海水を用いたが、人工海水に限らず、他の陽イオンを含む水を用いることが可能である。

0037

本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

0038

10:水素原子核
12:電子
14:分子極性
16:電子スピン軸
18:核スピン軸
300、400:容器
310:電離水素水
320:陰極
330:太陽光
410:陽イオンリッチな人工海水
420:陽極
500:蓄電素子

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