JP2003009557A - 熱電変換システム - Google Patents
熱電変換システムInfo
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- JP2003009557A JP2003009557A JP2001186020A JP2001186020A JP2003009557A JP 2003009557 A JP2003009557 A JP 2003009557A JP 2001186020 A JP2001186020 A JP 2001186020A JP 2001186020 A JP2001186020 A JP 2001186020A JP 2003009557 A JP2003009557 A JP 2003009557A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】熱電変換素子は、素子に使用する材料特性によ
り電気出力が最大となる温度域が決まる。このため、使
用する素子の種類により熱源ガスの顕熱エネルギーを効
率良く利用できる温度域が限られている。従来技術で
は、約５５０℃を越える排ガスの有する顕熱エネルギー
を直接利用しての熱電変換が行えなかった。また、素子
の最適温度領域を下回る温度域にある排ガスの顕熱エネ
ルギーについては、熱電変換素子の電気出力が、極端に
低下するため、ほとんど熱電変換できないという技術的
課題があった。 【解決手段】熱源からの排出ガスの顕熱エネルギーで伝
熱媒体蒸気を発生させる蒸気発生手段と、加熱して得た
伝熱媒体蒸気の圧力または温度を調整し、熱電変換素子
の吸熱面側の表面温度を、該熱電変換素子の出力が最大
となる温度域で熱電変換を行うことに特徴がある。
り電気出力が最大となる温度域が決まる。このため、使
用する素子の種類により熱源ガスの顕熱エネルギーを効
率良く利用できる温度域が限られている。従来技術で
は、約５５０℃を越える排ガスの有する顕熱エネルギー
を直接利用しての熱電変換が行えなかった。また、素子
の最適温度領域を下回る温度域にある排ガスの顕熱エネ
ルギーについては、熱電変換素子の電気出力が、極端に
低下するため、ほとんど熱電変換できないという技術的
課題があった。 【解決手段】熱源からの排出ガスの顕熱エネルギーで伝
熱媒体蒸気を発生させる蒸気発生手段と、加熱して得た
伝熱媒体蒸気の圧力または温度を調整し、熱電変換素子
の吸熱面側の表面温度を、該熱電変換素子の出力が最大
となる温度域で熱電変換を行うことに特徴がある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高炉、ボイラおよ
び焼却炉等の高温熱源の排ガスが持つ顕熱エネルギーの
利用に係り、その中でも特に排熱エネルギーから電気エ
ネルギーに直接変換する熱電変換素子を用いる熱電変換
システムに関する。
び焼却炉等の高温熱源の排ガスが持つ顕熱エネルギーの
利用に係り、その中でも特に排熱エネルギーから電気エ
ネルギーに直接変換する熱電変換素子を用いる熱電変換
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】焼却炉などの排ガスに対する熱電変換シ
ステムの例としては特開平１０−１６３５３８号公報が
ある。この公報に記載されている技術は、多数の熱電変
換素子を備えた熱電変換モジュールを、焼却炉などの排
熱回収用の熱交換器伝熱面に取付け、発電を行わせるも
のである。熱発電モジュールの高温側の絶縁基板を高温
流体側に向け、低温側の絶縁基板を熱交換器の低温流体
側に向けて取付けることにより、２００℃以上の温度差
を確保できるようにしている。
ステムの例としては特開平１０−１６３５３８号公報が
ある。この公報に記載されている技術は、多数の熱電変
換素子を備えた熱電変換モジュールを、焼却炉などの排
熱回収用の熱交換器伝熱面に取付け、発電を行わせるも
のである。熱発電モジュールの高温側の絶縁基板を高温
流体側に向け、低温側の絶縁基板を熱交換器の低温流体
側に向けて取付けることにより、２００℃以上の温度差
を確保できるようにしている。
【０００３】通常、この種の熱交換器では、燃焼用空気
を常温から２００℃程度まで排ガスで予熱することが行
われている。これに対し、焼却炉などの排ガス温度は１
０００℃程度あるので、この熱交換器の出口ガス温度は
８００℃以上あることになる。したがって、本従来技術
では、８００℃以下の排ガスを熱電変換に利用していな
いことになる。
を常温から２００℃程度まで排ガスで予熱することが行
われている。これに対し、焼却炉などの排ガス温度は１
０００℃程度あるので、この熱交換器の出口ガス温度は
８００℃以上あることになる。したがって、本従来技術
では、８００℃以下の排ガスを熱電変換に利用していな
いことになる。
【０００４】さらに、本従来技術では、熱電変換素子で
の温度を高温側４００℃、低温側２００℃とし、温度差
を２００℃しか確保していない。これは、高温排ガスの
顕熱エネルギーから直接熱電変換素子にて発電する場合
に、素子の耐熱温度上の問題から、熱交換器内部で高温
排ガスと外部から取入れた空気との熱交換を行う伝熱面
の、空気側に熱電変換モジュールを貼り付け、その温度
勾配の半分以上を熱交換器自体の伝熱面の構成材料に持
たせているからであるが、その結果、熱電変換による発
電出力は更に限られたものになっている。
の温度を高温側４００℃、低温側２００℃とし、温度差
を２００℃しか確保していない。これは、高温排ガスの
顕熱エネルギーから直接熱電変換素子にて発電する場合
に、素子の耐熱温度上の問題から、熱交換器内部で高温
排ガスと外部から取入れた空気との熱交換を行う伝熱面
の、空気側に熱電変換モジュールを貼り付け、その温度
勾配の半分以上を熱交換器自体の伝熱面の構成材料に持
たせているからであるが、その結果、熱電変換による発
電出力は更に限られたものになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】熱電変換素子は、素子
に使用する材料の変換特性により電気出力が最大となる
温度域が決まる。このため、使用する素子の種類により
熱源ガスの顕熱エネルギーを効率良く利用できる温度域
が限られている。従来技術では、約５５０℃を越える排
ガスの有する顕熱エネルギーを直接利用しての熱電変換
が行えなかった。また、素子の最適温度領域を下回る温
度域にある排ガスの顕熱エネルギーについては、熱電変
換素子の電気出力が、極端に低下するため、ほとんど熱
電変換できないという技術的課題があった。
に使用する材料の変換特性により電気出力が最大となる
温度域が決まる。このため、使用する素子の種類により
熱源ガスの顕熱エネルギーを効率良く利用できる温度域
が限られている。従来技術では、約５５０℃を越える排
ガスの有する顕熱エネルギーを直接利用しての熱電変換
が行えなかった。また、素子の最適温度領域を下回る温
度域にある排ガスの顕熱エネルギーについては、熱電変
換素子の電気出力が、極端に低下するため、ほとんど熱
電変換できないという技術的課題があった。
【０００６】これは、熱電変換素子単体では耐熱温度が
８００℃以上のものもあるが、実際の熱電変換システム
を構築する場合、素子自体の耐熱温度だけではなく、素
子を挟み込む樹脂層、高温側と低温側を仕切る隔壁材、
鋼材および電装部品の耐熱温度の制約から、約５５０℃
を越える温度領域では、システムの構築が難しいためで
ある。したがって、従来技術では通常、素子自体の耐熱
温度限界に拘わらず、素子の吸熱面温度が約５５０℃を
越える温度状態での、高炉などからの排気ガスの顕熱エ
ネルギーの熱電変換はおこなわれていない。
８００℃以上のものもあるが、実際の熱電変換システム
を構築する場合、素子自体の耐熱温度だけではなく、素
子を挟み込む樹脂層、高温側と低温側を仕切る隔壁材、
鋼材および電装部品の耐熱温度の制約から、約５５０℃
を越える温度領域では、システムの構築が難しいためで
ある。したがって、従来技術では通常、素子自体の耐熱
温度限界に拘わらず、素子の吸熱面温度が約５５０℃を
越える温度状態での、高炉などからの排気ガスの顕熱エ
ネルギーの熱電変換はおこなわれていない。
【０００７】一方、熱電変換素子の吸熱面側の表面温度
に対する電気出力密度Ｐの特性式は、（１）式で与えら
れる。 Ｐ＝（ａ×ＺＴ×ΔＴ２）／Ｔ …………（１） Ｐ：電気出力密度（W/m2） a ：素子の材質・形状係数（W/(m2*K)） ＺＴ：無次元熱電変換素子性能指数（―） ΔＴ：素子の吸熱／放熱面の平均温度差（K） Ｔ：素子の吸熱面絶対温度（K） 式（１）から、熱電変換素子の電気出力密度は、放熱面
側の温度を一定とすると、吸熱面側の温度（Ｔ）が高
く、かつ無次元熱電変換素子性能指数（ＺＴ）値も大き
いほど大きな値となる。
に対する電気出力密度Ｐの特性式は、（１）式で与えら
れる。 Ｐ＝（ａ×ＺＴ×ΔＴ２）／Ｔ …………（１） Ｐ：電気出力密度（W/m2） a ：素子の材質・形状係数（W/(m2*K)） ＺＴ：無次元熱電変換素子性能指数（―） ΔＴ：素子の吸熱／放熱面の平均温度差（K） Ｔ：素子の吸熱面絶対温度（K） 式（１）から、熱電変換素子の電気出力密度は、放熱面
側の温度を一定とすると、吸熱面側の温度（Ｔ）が高
く、かつ無次元熱電変換素子性能指数（ＺＴ）値も大き
いほど大きな値となる。
【０００８】式（１）を用いてn型Ｂｉ2Ｔｅ3系熱電変
換素子およびｎ型ＰbＴe系熱電変換素子の吸熱面側の表
面温度に対する無次元熱電変換性能指数（ＺＴ）と電気
出力密度（Ｐ）の検討例を図７、図８に示す。なお、図
７、図８では、放熱面側の温度を２０℃一定とし、素子
の材質・形状係数a項は省略し、電気出力密度について
は傾向値を示した。熱電変換素子のＺＴ値には最大値を
持つ吸熱面側の表面温度があり、点Ｓの温度からどちら
側にずれても、ＺＴ値は小さくなる特性である。図７に
示すｎ型Ｂi2Ｔｅ3系素子ではその変化量が小さいた
め、電気出力密度は、素子の耐熱限界温度の約２００℃
で最大となり、その温度以下では、（１）式におけるΔ
Ｔ値が小さくなるため発電出力密度は急激に小さくなる
特性を示す。
換素子およびｎ型ＰbＴe系熱電変換素子の吸熱面側の表
面温度に対する無次元熱電変換性能指数（ＺＴ）と電気
出力密度（Ｐ）の検討例を図７、図８に示す。なお、図
７、図８では、放熱面側の温度を２０℃一定とし、素子
の材質・形状係数a項は省略し、電気出力密度について
は傾向値を示した。熱電変換素子のＺＴ値には最大値を
持つ吸熱面側の表面温度があり、点Ｓの温度からどちら
側にずれても、ＺＴ値は小さくなる特性である。図７に
示すｎ型Ｂi2Ｔｅ3系素子ではその変化量が小さいた
め、電気出力密度は、素子の耐熱限界温度の約２００℃
で最大となり、その温度以下では、（１）式におけるΔ
Ｔ値が小さくなるため発電出力密度は急激に小さくなる
特性を示す。
【０００９】一方、図８に示すn型ＰbＴe系素子では、
吸熱面側の表面温度変化に対するＺＴ値の変化量が大き
いため、電気出力密度は、素子の耐熱限界温度よりも若
干下がった４５０℃から５００℃の温度域で最大とな
り、その温度域を下回ると、n型Ｂi2Ｔe3系素子の場合
と同様、急激に小さくなる特性を示す。このように従来
技術では、最適温度を下回る温度域の熱源ガスに対して
は、発電出力密度が急激に低下し、顕熱エネルギーを有
効に熱電変換できないという問題があった。
吸熱面側の表面温度変化に対するＺＴ値の変化量が大き
いため、電気出力密度は、素子の耐熱限界温度よりも若
干下がった４５０℃から５００℃の温度域で最大とな
り、その温度域を下回ると、n型Ｂi2Ｔe3系素子の場合
と同様、急激に小さくなる特性を示す。このように従来
技術では、最適温度を下回る温度域の熱源ガスに対して
は、発電出力密度が急激に低下し、顕熱エネルギーを有
効に熱電変換できないという問題があった。
【００１０】本発明の目的は、伝熱媒体を用いて熱電変
換素子の出力が最大となる媒体温度域で熱電変換をおこ
なうシステムを提供することにある。
換素子の出力が最大となる媒体温度域で熱電変換をおこ
なうシステムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】排出ガスの顕熱エネルギ
ーで加熱して伝熱媒体としての蒸気を発生する蒸気発生
手段と、熱電変換素子の吸熱面側の表面温度を前記熱電
変換素子の出力が最大となる前記蒸気温度域で熱電変換
をおこなうことに特徴がある。
ーで加熱して伝熱媒体としての蒸気を発生する蒸気発生
手段と、熱電変換素子の吸熱面側の表面温度を前記熱電
変換素子の出力が最大となる前記蒸気温度域で熱電変換
をおこなうことに特徴がある。
【００１２】前記伝熱媒体蒸気は飽和蒸気であること、
伝熱媒体蒸気は液体金属の蒸気であること、前記蒸気の
圧力調節弁を熱電変換素子の下流側に設けたこと、ま
た、熱源ガスの顕熱エネルギーを用いて複数の異なる圧
力の蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記圧力が異なる
蒸気によりそれぞれ熱電変換をおこなう材質が異なる複
数の熱電変換素子パッケージと、各熱電変換素子の吸熱
面側の表面温度を前記熱電変換素子の出力が最大となる
温度域において熱電変換を行うこと、また、それぞれ材
質が異なる熱電変換素子を格納している複数の熱電変換
素子パッケージと前記パッケージをその熱電変換の最適
温度域が高い素子から低い素子の順にカスケードに配列
し、前記複数のパッケージにより順次蒸気と熱電変換を
行うこと、また、伝熱媒体蒸気としての蒸気から１つ以
上の伝熱媒体流体との熱交換を介在させた後、熱電変換
素子パッケージにより伝熱媒体との熱電変換を行うこと
に特徴がある。
伝熱媒体蒸気は液体金属の蒸気であること、前記蒸気の
圧力調節弁を熱電変換素子の下流側に設けたこと、ま
た、熱源ガスの顕熱エネルギーを用いて複数の異なる圧
力の蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記圧力が異なる
蒸気によりそれぞれ熱電変換をおこなう材質が異なる複
数の熱電変換素子パッケージと、各熱電変換素子の吸熱
面側の表面温度を前記熱電変換素子の出力が最大となる
温度域において熱電変換を行うこと、また、それぞれ材
質が異なる熱電変換素子を格納している複数の熱電変換
素子パッケージと前記パッケージをその熱電変換の最適
温度域が高い素子から低い素子の順にカスケードに配列
し、前記複数のパッケージにより順次蒸気と熱電変換を
行うこと、また、伝熱媒体蒸気としての蒸気から１つ以
上の伝熱媒体流体との熱交換を介在させた後、熱電変換
素子パッケージにより伝熱媒体との熱電変換を行うこと
に特徴がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】前記課題を解決するための第１の
発明は、熱電変換素子の最適温度よりも高い熱源ガスの
温度域から、素子の最適温度域を下回る温度域までの熱
源ガスを伝熱媒体と熱交換させて過熱蒸気または飽和蒸
気を発生させ、その圧力かつ/または温度を、熱電変換
素子の吸熱面側の温度が該熱電変換素子の発電出力が最
大となる温度域となるよう調整することを特徴とする熱
電変換システムである。
発明は、熱電変換素子の最適温度よりも高い熱源ガスの
温度域から、素子の最適温度域を下回る温度域までの熱
源ガスを伝熱媒体と熱交換させて過熱蒸気または飽和蒸
気を発生させ、その圧力かつ/または温度を、熱電変換
素子の吸熱面側の温度が該熱電変換素子の発電出力が最
大となる温度域となるよう調整することを特徴とする熱
電変換システムである。
【００１４】また、第２の発明は、熱源ガスの温度およ
び使用する熱電変換素子の発電出力が最大となる温度域
に応じて、蒸発させる伝熱媒体に水または液体金属を使
用することを特徴とする熱電変換システムである。例え
ば水の臨界温度３７３.９℃を越える最適温度を持つ熱
電変換素子に対して、金属ナトリウムを伝熱媒体として
使用すれば、水と比較して約１００倍の熱伝導率を有
し、また大気圧下での飽和温度が８８１℃であるので、
低圧力の伝熱媒体サイクルを持つ熱電変換システムを構
築できる。
び使用する熱電変換素子の発電出力が最大となる温度域
に応じて、蒸発させる伝熱媒体に水または液体金属を使
用することを特徴とする熱電変換システムである。例え
ば水の臨界温度３７３.９℃を越える最適温度を持つ熱
電変換素子に対して、金属ナトリウムを伝熱媒体として
使用すれば、水と比較して約１００倍の熱伝導率を有
し、また大気圧下での飽和温度が８８１℃であるので、
低圧力の伝熱媒体サイクルを持つ熱電変換システムを構
築できる。
【００１５】前記第１の発明の実施例を、図１に示す高
温排ガス系統に基づいて説明する。高温熱源１から排出
された高温排ガスは、ダクト２を通り環境装置３で処理
され、煙突４から系外に放出される。伝熱媒体の蒸気発
生装置５は高温熱源１の出口ダクト部２の経路に設けら
れていて、例えばドラム１９で蒸気を発生させている。
蒸気発生装置５で発生した伝熱媒体としての蒸気は、管
路６を通って、弁１６を経由して熱電変換ユニット７に
送られる。そして弁１６はドラム１９の圧力を所定の値
に制御する。熱電変換ユニット７は、伝熱媒体である蒸
気とポンプ１６によって管路８にて送られる液体状態の
冷却媒体との熱交換をおこなう熱交換器である。その内
部の伝熱管１７には高温側に熱電変換素子の吸熱面側、
低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くように熱電変換
素子が貼り付けられている。
温排ガス系統に基づいて説明する。高温熱源１から排出
された高温排ガスは、ダクト２を通り環境装置３で処理
され、煙突４から系外に放出される。伝熱媒体の蒸気発
生装置５は高温熱源１の出口ダクト部２の経路に設けら
れていて、例えばドラム１９で蒸気を発生させている。
蒸気発生装置５で発生した伝熱媒体としての蒸気は、管
路６を通って、弁１６を経由して熱電変換ユニット７に
送られる。そして弁１６はドラム１９の圧力を所定の値
に制御する。熱電変換ユニット７は、伝熱媒体である蒸
気とポンプ１６によって管路８にて送られる液体状態の
冷却媒体との熱交換をおこなう熱交換器である。その内
部の伝熱管１７には高温側に熱電変換素子の吸熱面側、
低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くように熱電変換
素子が貼り付けられている。
【００１６】例えば、図２の（Ａ）に示すように、伝熱
管１７には図２（Ｂ）に示すように熱電変換素子１８が
貼り付けられていている。高温側に熱電変換素子の吸熱
面側、低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くように熱
電変換素子が貼り付けられていている。その温度差に対
応する電気出力が得られる。素子毎の端子はその出力端
子であり、これを直列に接続することによって、端子２
０から大きな電気出力が得られる。電気出力は熱電変換
素子の表面積に比例する。
管１７には図２（Ｂ）に示すように熱電変換素子１８が
貼り付けられていている。高温側に熱電変換素子の吸熱
面側、低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くように熱
電変換素子が貼り付けられていている。その温度差に対
応する電気出力が得られる。素子毎の端子はその出力端
子であり、これを直列に接続することによって、端子２
０から大きな電気出力が得られる。電気出力は熱電変換
素子の表面積に比例する。
【００１７】熱電変換ユニット７の胴体側に導かれた過
熱飽和状態の伝熱媒体蒸気は、熱電変換素子を挟み伝熱
管の内部を流れる冷却媒体との熱交換により、過熱飽和
蒸気から湿り蒸気へと変化する。その内、飽和水となっ
たものは管路９を通ってドレンタンク１０へ入り、ドレ
ンポンプ１１にて調整弁１５を経由して、系外の熱利用
設備１２へ送水される。この系の圧力は熱電変換ユニッ
ト７の圧力が、熱電変換素子の吸熱面側の温度が最大電
気出力を得る温度域となるように、圧力調整弁１３によ
り制御される。調整弁１３を出た蒸気は熱利用設備１２
へ送られる。
熱飽和状態の伝熱媒体蒸気は、熱電変換素子を挟み伝熱
管の内部を流れる冷却媒体との熱交換により、過熱飽和
蒸気から湿り蒸気へと変化する。その内、飽和水となっ
たものは管路９を通ってドレンタンク１０へ入り、ドレ
ンポンプ１１にて調整弁１５を経由して、系外の熱利用
設備１２へ送水される。この系の圧力は熱電変換ユニッ
ト７の圧力が、熱電変換素子の吸熱面側の温度が最大電
気出力を得る温度域となるように、圧力調整弁１３によ
り制御される。調整弁１３を出た蒸気は熱利用設備１２
へ送られる。
【００１８】なお、調整弁１４、１５は、それぞれ蒸気
発生装置５の蒸気ドラム水位調整弁、およびドレンタン
ク水位調整弁である。次に、蒸気発生装置５への伝熱媒
体の給水側であるが、本実施例では、系外の熱利用設備
１２からの戻り水を給水ポンプ１６にて加圧し、熱電変
換ユニット７の冷却媒体として利用したあと、蒸気発生
装置５に供給するようにしている。このことによって、
伝熱媒体の蒸気発生量を増加させている。
発生装置５の蒸気ドラム水位調整弁、およびドレンタン
ク水位調整弁である。次に、蒸気発生装置５への伝熱媒
体の給水側であるが、本実施例では、系外の熱利用設備
１２からの戻り水を給水ポンプ１６にて加圧し、熱電変
換ユニット７の冷却媒体として利用したあと、蒸気発生
装置５に供給するようにしている。このことによって、
伝熱媒体の蒸気発生量を増加させている。
【００１９】例えば１２００℃の熱源ガスに対し、吸熱
側の素子表面での最適温度が約２００℃の熱電変換素子
を使用している場合、熱源ガスの顕熱エネルギーを直接
利用して熱電変換発電を行うのと比較して、本発明は約
１４〜１５倍の発電出力を得ることができる。すなわ
ち、排ガス顕熱を直接利用する場合、２００℃付近の排
ガスの顕熱エネルギーを熱電変換の対象とするのに対
し、本発明では、伝熱媒体を用い１２００℃の熱源ガス
温度から１５０℃までの排ガスの顕熱エネルギーを利用
して約２００℃の乾き飽和蒸気を発生させ、その乾き飽
和蒸気の持つ蒸発潜熱を熱電変換素子の吸熱面側に熱伝
達させることができる。
側の素子表面での最適温度が約２００℃の熱電変換素子
を使用している場合、熱源ガスの顕熱エネルギーを直接
利用して熱電変換発電を行うのと比較して、本発明は約
１４〜１５倍の発電出力を得ることができる。すなわ
ち、排ガス顕熱を直接利用する場合、２００℃付近の排
ガスの顕熱エネルギーを熱電変換の対象とするのに対
し、本発明では、伝熱媒体を用い１２００℃の熱源ガス
温度から１５０℃までの排ガスの顕熱エネルギーを利用
して約２００℃の乾き飽和蒸気を発生させ、その乾き飽
和蒸気の持つ蒸発潜熱を熱電変換素子の吸熱面側に熱伝
達させることができる。
【００２０】この時、熱電変換素子の吸熱面側への熱伝
達には伝熱媒体の蒸発潜熱を利用するので、熱電変換素
子の吸熱面側の表面温度は最大出力温度である約２００
℃一定に保たれる。伝熱媒体に水を使用の場合、２００
℃の飽和蒸気の蒸発潜熱は、１９３９.７kJ/kgである。
これに対し排ガスの顕熱エネルギーにより伝熱媒体であ
る水を２０℃の凝縮水から２００℃の過熱飽和蒸気とし
たとすると、そのエンタルピ上昇は、給水の圧力を２.
０ＭＰaとすると２７０６.３kJ/kgである。したがって
消費した排ガスの顕熱エネルギーに対する熱電変換素子
の吸熱面側への伝熱比率は、２７０６.３kJ/kgに対する
１９３９.７kJ/kgの比率であり約７０％となる。
達には伝熱媒体の蒸発潜熱を利用するので、熱電変換素
子の吸熱面側の表面温度は最大出力温度である約２００
℃一定に保たれる。伝熱媒体に水を使用の場合、２００
℃の飽和蒸気の蒸発潜熱は、１９３９.７kJ/kgである。
これに対し排ガスの顕熱エネルギーにより伝熱媒体であ
る水を２０℃の凝縮水から２００℃の過熱飽和蒸気とし
たとすると、そのエンタルピ上昇は、給水の圧力を２.
０ＭＰaとすると２７０６.３kJ/kgである。したがって
消費した排ガスの顕熱エネルギーに対する熱電変換素子
の吸熱面側への伝熱比率は、２７０６.３kJ/kgに対する
１９３９.７kJ/kgの比率であり約７０％となる。
【００２１】これに対し顕熱エネルギーを直接利用する
従来技術を適用の場合、利用可能な排ガスの顕熱域は２
００℃から１５０℃までの５０℃の温度変化範囲である
ので、１２００℃から１５０℃までの熱願ガスの顕熱エ
ネルギーの内、熱電変換素子の吸熱面側に熱伝達できる
のは最大でも５％弱である。したがって、本発明の熱電
変換システムでの発電出力は、顕熱エネルギーを直接利
用する従来技術と比較して、約７０％に対する５％弱の
比率である、約１４〜１５倍の発電出力を得ることがで
きる。
従来技術を適用の場合、利用可能な排ガスの顕熱域は２
００℃から１５０℃までの５０℃の温度変化範囲である
ので、１２００℃から１５０℃までの熱願ガスの顕熱エ
ネルギーの内、熱電変換素子の吸熱面側に熱伝達できる
のは最大でも５％弱である。したがって、本発明の熱電
変換システムでの発電出力は、顕熱エネルギーを直接利
用する従来技術と比較して、約７０％に対する５％弱の
比率である、約１４〜１５倍の発電出力を得ることがで
きる。
【００２２】また、図３は熱源から蒸気発生装置５１
で、３種類の圧力蒸気を発生させて、それぞれ利用する
場合を示している。これは、伝熱媒体の圧力かつ/また
は温度を制御し、材質の異なる複数の熱電変換素子の吸
熱面がそれぞれ最適温度域となるように、異なる圧力の
伝熱媒体蒸気を供給することに特徴がある熱電変換シス
テムである。蒸気発生装置５１ａでは蒸気圧力Ｐ１、蒸
気温度Ｔ１の蒸気を、蒸気発生装置５１ｂでは蒸気圧力
Ｐ２、蒸気温度Ｔ２の蒸気を、蒸気発生装置５１ｃでは
蒸気圧力Ｐ３、蒸気温度Ｔ３の蒸気を発生させてそれぞ
れ熱電変換装置７１ａ、７１ｂ、７１ｃで熱電変換を行
えば、排熱をさらに有効に利用することができる。
で、３種類の圧力蒸気を発生させて、それぞれ利用する
場合を示している。これは、伝熱媒体の圧力かつ/また
は温度を制御し、材質の異なる複数の熱電変換素子の吸
熱面がそれぞれ最適温度域となるように、異なる圧力の
伝熱媒体蒸気を供給することに特徴がある熱電変換シス
テムである。蒸気発生装置５１ａでは蒸気圧力Ｐ１、蒸
気温度Ｔ１の蒸気を、蒸気発生装置５１ｂでは蒸気圧力
Ｐ２、蒸気温度Ｔ２の蒸気を、蒸気発生装置５１ｃでは
蒸気圧力Ｐ３、蒸気温度Ｔ３の蒸気を発生させてそれぞ
れ熱電変換装置７１ａ、７１ｂ、７１ｃで熱電変換を行
えば、排熱をさらに有効に利用することができる。
【００２３】また、図４は熱電変換ユニットをカスケー
ドに接続し、排熱のさらに有効利用を図る場合の実施形
態の概略を表している。カスケード接続をおこなうこと
によって熱電変換ユニット７２ａではＴ１の蒸気を、熱
電変換ユニット７２ｂではＴ２の蒸気を、熱電変換ユニ
ット７２ｃではＴ３の蒸気を利用してそれぞれ熱電変換
を行えば、排熱エネルギーをさらに有効に利用すること
ができる。６１ａ、６２ｂ、６２ｃはそれぞれ制御弁を
表している。また２０ａ、２０ｂ、２０ｃはそれぞれ電
気出力端子でこれらを直列に接続することによって、大
きな電気出力が得られる。
ドに接続し、排熱のさらに有効利用を図る場合の実施形
態の概略を表している。カスケード接続をおこなうこと
によって熱電変換ユニット７２ａではＴ１の蒸気を、熱
電変換ユニット７２ｂではＴ２の蒸気を、熱電変換ユニ
ット７２ｃではＴ３の蒸気を利用してそれぞれ熱電変換
を行えば、排熱エネルギーをさらに有効に利用すること
ができる。６１ａ、６２ｂ、６２ｃはそれぞれ制御弁を
表している。また２０ａ、２０ｂ、２０ｃはそれぞれ電
気出力端子でこれらを直列に接続することによって、大
きな電気出力が得られる。
【００２４】図５は前記第２の発明の実施例を示してい
る。電熱媒体として液体金属を用いた場合である。この
実施例は、熱源ガスの温度および使用する熱電変換素子
の発電出力が最大となる温度域に応じて、蒸発させる伝
熱媒体に液体金属を使用したことが特徴である。各構成
要素は機能的に図１と同じものについては、符号にＡを
付して表わしている（例えば図１の蒸気発生装置５に対
して図２では５Ａのように表記している）。原理的には
図１の場合と同じであるが、液体金属と水との熱交換器
３２、３４を設けている。３６、３８は熱交換を行うポ
ンプである。その他は図１と同じで、液体金属を使用す
ることを特徴とする熱電変換システムである。
る。電熱媒体として液体金属を用いた場合である。この
実施例は、熱源ガスの温度および使用する熱電変換素子
の発電出力が最大となる温度域に応じて、蒸発させる伝
熱媒体に液体金属を使用したことが特徴である。各構成
要素は機能的に図１と同じものについては、符号にＡを
付して表わしている（例えば図１の蒸気発生装置５に対
して図２では５Ａのように表記している）。原理的には
図１の場合と同じであるが、液体金属と水との熱交換器
３２、３４を設けている。３６、３８は熱交換を行うポ
ンプである。その他は図１と同じで、液体金属を使用す
ることを特徴とする熱電変換システムである。
【００２５】例えば水の臨界温度３７３.９℃を越える
最適温度を持つ熱電変換素子に対して、金属ナトリウム
を伝熱媒体として使用すれば、水と比較して約１００倍
の熱伝導率を有し、また大気圧下での飽和温度が８８１
℃であるので、低圧力の伝熱媒体サイクルを持つ熱電変
換システムを構築できる。
最適温度を持つ熱電変換素子に対して、金属ナトリウム
を伝熱媒体として使用すれば、水と比較して約１００倍
の熱伝導率を有し、また大気圧下での飽和温度が８８１
℃であるので、低圧力の伝熱媒体サイクルを持つ熱電変
換システムを構築できる。
【００２６】また図６は本発明の他の実施例で、図５の
場合の変形例を示している。各構成要素について、同一
機能を表わすものについては、符号にＢを付して表わし
ている（例えば図１の蒸気発生装置５に対して図３では
５Ｂのように表記している）。このシステムは液体金属
と油の熱交換器４２を設け、熱伝変換ユニット７Ｂでは
伝熱媒体の油と冷却媒体としての水との間で熱交換が行
なわれる。その内部の伝熱管には高温側に熱電変換素子
の吸熱面側、低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くよ
うに熱電変換素子が貼り付けられていることは前記実施
例と同様である。液体金属の上記発生装置５Ｂに於いて
は例えばＮａの蒸気が発生する。４４は液体Ｎａ用のポ
ンプを、４５は熱交換される油用のポンプを、４６は油
用の温度制御弁を表わしている。油用の温度制御弁４６
にて熱電変換ユニット７Ｂの入り口の油温度を一定に制
御することにより、熱電変換素子の発電出力が最大とな
る温度域に制御される。
場合の変形例を示している。各構成要素について、同一
機能を表わすものについては、符号にＢを付して表わし
ている（例えば図１の蒸気発生装置５に対して図３では
５Ｂのように表記している）。このシステムは液体金属
と油の熱交換器４２を設け、熱伝変換ユニット７Ｂでは
伝熱媒体の油と冷却媒体としての水との間で熱交換が行
なわれる。その内部の伝熱管には高温側に熱電変換素子
の吸熱面側、低温側に熱電変換素子の放熱面側が向くよ
うに熱電変換素子が貼り付けられていることは前記実施
例と同様である。液体金属の上記発生装置５Ｂに於いて
は例えばＮａの蒸気が発生する。４４は液体Ｎａ用のポ
ンプを、４５は熱交換される油用のポンプを、４６は油
用の温度制御弁を表わしている。油用の温度制御弁４６
にて熱電変換ユニット７Ｂの入り口の油温度を一定に制
御することにより、熱電変換素子の発電出力が最大とな
る温度域に制御される。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、熱交換媒体を用いるこ
とにより、効率がよい熱電変換システムを構成すること
ができる。
とにより、効率がよい熱電変換システムを構成すること
ができる。
【図１】本発明の実施例としてのシステム構成を示す図
である。
である。
【図２】熱電変換素子の貼り付け状況の例を示す図であ
る。
る。
【図３】異なる圧力の蒸気を発生させ、複数の熱電変換
素子パッケージに並列接続した場合の概略を表す図であ
る。
素子パッケージに並列接続した場合の概略を表す図であ
る。
【図４】複数の熱電変換素子パッケージをカスケード接
続した場合の実施形態を表す図である。
続した場合の実施形態を表す図である。
【図５】本発明の他の実施例としてのシステム構成を示
す図である。
す図である。
【図６】図５における実施例の変形例のシステム構成を
示す図である。
示す図である。
【図７】熱電変換素子の、吸熱面側の表面温度に対する
熱電変換素子性能係数を表わす特性例（１）を示す図で
ある。
熱電変換素子性能係数を表わす特性例（１）を示す図で
ある。
【図８】熱電変換素子の、吸熱面側の表面温度に対する
熱電変換素子性能係数を表わす特性例（２）を示す図で
ある。
熱電変換素子性能係数を表わす特性例（２）を示す図で
ある。
１；高温熱源 ２；ダクト ３；環境装置 ４；煙突
５；蒸気発生装置 ６；管路 ７、７１ａ、７１ｂ、７
１ｃ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ；熱電変換ユニット
８、９；管路 １０；ドレンタンク １１；ドレンポン
プ １２；熱利用設備 １３；圧力調整弁 １４；蒸気
発生装置の蒸気ドラム水位調整弁 １５；ドレンタンク
水位調整弁 １６、３６、３８；給水ポンプ １７；熱
伝管 １８；熱伝変換素子 １９；ドラム ２０；電気
出力端子
５；蒸気発生装置 ６；管路 ７、７１ａ、７１ｂ、７
１ｃ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ；熱電変換ユニット
８、９；管路 １０；ドレンタンク １１；ドレンポン
プ １２；熱利用設備 １３；圧力調整弁 １４；蒸気
発生装置の蒸気ドラム水位調整弁 １５；ドレンタンク
水位調整弁 １６、３６、３８；給水ポンプ １７；熱
伝管 １８；熱伝変換素子 １９；ドラム ２０；電気
出力端子
Claims (7)
- 【請求項１】熱源から排出される熱エネルギーを熱電変
換素子を用いて電気エネルギーとして回収する熱電変換
システムにおいて、排出ガスの顕熱エネルギーで加熱し
て伝熱媒体としての蒸気を発生する蒸気発生手段と、熱
電変換素子の吸熱面側の表面温度を前記熱電変換素子の
出力が最大となる前記蒸気温度域で熱電変換をおこなう
熱電変換ユニット、を備えたことを特徴とする熱電変換
システム。 - 【請求項２】前記請求項１の記載において、伝熱媒体蒸
気は飽和蒸気であることを特徴とする熱電変換システ
ム。 - 【請求項３】前記請求項１の記載において、伝熱媒体蒸
気は液体金属の蒸気であることを特徴とする熱電変換シ
ステム。 - 【請求項４】前記請求項１の記載において、前記蒸気の
圧力調節弁を熱電変換素子の下流側に設けたことを特徴
とする熱電変換システム。 - 【請求項５】前記請求項１の記載において、熱源ガスの
顕熱エネルギーを用いて複数の異なる圧力の蒸気を発生
する蒸気発生手段と、前記圧力が異なる蒸気によりそれ
ぞれ熱電変換をおこなう材質が異なる複数の熱電変換素
子パッケージと、各熱電変換素子の吸熱面側の表面温度
を前記熱電変換素子の出力が最大となる温度域において
熱電変換を行うことを特徴とする熱電変換システム。 - 【請求項６】前記請求項１の記載において、それぞれ材
質が異なる熱電変換素子を格納している複数の熱電変換
素子パッケージと、前記パッケージをその熱電変換の最
適温度域が高い素子から低い素子の順にカスケードに配
列し、前記複数のパッケージにより順次蒸気と熱電変換
を行うことを特徴とする熱電変換システム。 - 【請求項７】前記請求項１の記載において、伝熱媒体蒸
気としての蒸気から１つ以上の伝熱媒体流体との熱交換
を介在させた後、熱電変換素子パッケージにより伝熱媒
体との熱電変換を行うことを特徴とする熱電変換システ
ム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001186020A JP2003009557A (ja) | 2001-06-20 | 2001-06-20 | 熱電変換システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001186020A JP2003009557A (ja) | 2001-06-20 | 2001-06-20 | 熱電変換システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003009557A true JP2003009557A (ja) | 2003-01-10 |
Family
ID=19025508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001186020A Pending JP2003009557A (ja) | 2001-06-20 | 2001-06-20 | 熱電変換システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003009557A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011211764A (ja) * | 2010-03-29 | 2011-10-20 | Panasonic Corp | 熱電変換装置 |
| JP2015005615A (ja) * | 2013-06-20 | 2015-01-08 | 高砂熱学工業株式会社 | 配管への熱電発電素子の設置方法および熱電発電装置 |
-
2001
- 2001-06-20 JP JP2001186020A patent/JP2003009557A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011211764A (ja) * | 2010-03-29 | 2011-10-20 | Panasonic Corp | 熱電変換装置 |
| JP2015005615A (ja) * | 2013-06-20 | 2015-01-08 | 高砂熱学工業株式会社 | 配管への熱電発電素子の設置方法および熱電発電装置 |
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