JP2005151661A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 初期値の適切な設定等を通じて、殆ど常に最適な出力電力を得られることの可能な熱電発電装置を提供する。
【解決手段】 高温流体発生源から排出される高温流体を利用して電力を発生する熱電発電装置であって、前記高温流体の熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子と、前記高温流体発生源の動作状態に応じて定めた初期電流値で前記熱電素子の出力を制御する制御手段とを備えている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、熱電発電装置の技術分野に属する。

従来、自動車のエンジンから排出される高温の排気ガス、あるいは工場廃熱、焼却炉廃熱等を利用することにより、その熱エネルギの一部を電気エネルギに変換して利用することの可能な熱電発電装置が知られている。この熱電発電装置は、例えばＰ型の半導体素子及びＮ型の半導体素子等の二つの異種材料からなる素子を接合した構造からなり、これらの一側面を高温に曝し、他の側面を低温に曝すことによって、両温度差に起因した熱起電力が発生する仕組みとなっている。

かかる熱電発電装置は大きな温度依存性を有する。つまり、高温側の温度及び低温側の温度が何度かによって、当該熱電発電装置から取り出し得る出力電力が大きく変化するのである。また、これに伴って当該熱電発電装置の最大出力点も温度に大きく影響を受けることが知られている。しかるに、当該熱電発電装置が自動車等に搭載されている場合においては、当該自動車は高速道路を走行している場合もあれば市街地を走行している場合もあるというように、一般にエンジン等の高温流体発生源から排出される高温流体（エンジンの場合、排気ガス）の温度が時々刻々と変化することから、熱電発電装置の出力電力を最適に維持することには困難が伴っていたのである。

そこで、従来においても、このような問題点に対処するため、例えば特許文献１に開示されているような熱電発電充電装置が提案されている。この特許文献１においては、熱電素子の高温側及び低温側の温度を計測するとともに、計測された温度における当該熱電素子の出力特性から最適な電流値を決定することによって、最大の出力特性を得る技術が開示されている。また、熱電発電装置ではなく太陽電池に関するものではあるが、太陽電池においても日射量や素子温度の影響を受けて出力特性が変化することが知られているため、同様な発想に基づく技術が、例えば特許文献２及び３などに開示されている。

特開平６−２２５７２号公報 特開平６−１１０５７１号公報 特開平８−２２７３２４号公報

しかしながら、従来における熱電発電装置には次のような問題点がある。すなわち、前記の特許文献１によれば、たしかに時々刻々と変化する温度に対応しつつ当該熱電素子において達成し得る最大出力点を常に好適に維持しえるかにみえる。しかし、熱電発電装置が現実にどのような温度下で運転されているかを知った時点から、それに対応した適切な出力電力を実現し得るまでの間には、所定の制御を要し、これには一般に相応の時間がかかるから、当該制御の内容の如何によっては熱電素子の出力電力を最適にすることができない場合が考えられる。なぜなら、当該時間の経過の間に、高温側温度及び低温側温度は別の値に遷移してしまっている可能性があるからである。これでは、制御を実施した意味がないことになってしまう。このようなことからすると、熱電素子の最大出力点を維持するためには、迅速な応答性が要求されているということができる。

また、迅速な応答性を確保するという観点からすると、熱電素子の動作制御の初期状態をどのように設定するか、すなわち初期値をどのように設定するかが極めて重要である。これは、例えば熱電発電装置の運転始め等において、出力電流値をどこに設定しておくかによって、最適な状態にどれだけ速く到達できるかが影響を受けるからである。この点については従来において等閑視されているきらいがあり、実際上は、初期値はいわば当てずっぽうに定められているに過ぎないようである。前記の各特許文献１乃至３においても、この点についての記述は見当たらない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、初期値の適切な設定等を通じて、殆ど常に最適な出力電力を得られることの可能な熱電発電装置を提供することを課題とする。

〔１〕
本発明の熱電発電装置は、上記課題を解決するため、高温流体発生源から排出される高温流体を利用して電力を発生する熱電発電装置であって、前記高温流体の熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子と、前記高温流体発生源の動作状態に応じて定めた初期電流値で前記熱電素子の出力を制御する制御手段とを備えている。

本発明の熱電発電装置によれば、高温流体発生源（例えばエンジン）から排出される高温流体（例えば排気ガス）の熱エネルギの一部を電気エネルギとして取り出すことができる。この際、熱電素子の一側面には高温流体が間接的又は直接的に接触し、他の側面にはより低い温度をもつ低温流体（例えば水、空気）等が間接的又は直接的に接触することで、当該熱電素子には温度差がかけられる状態となっており、これが原因となって当該熱電素子から起電力を取り出すことが可能なようになっている。

そして、このような構成及び作用において、例えば高温流体発生源から比較的高い温度の高温流体が排出されているなどという場合（以下、「第１の場合」という。）には、熱電素子には比較的大きな温度差がかけられることになるから、当該熱電素子の出力特性は一般に向上する。具体的には、当該熱電素子から取り出し得る最大出力電力はより大きくなる。反対に、高温流体発生源から比較的低い温度の高温流体が排出されているなどという場合（以下、「第２の場合」という。）には、熱電素子には比較的小さな温度差がかけられることになるから、当該熱電素子の出力特性は一般に低下する。具体的には、当該熱電素子から取り出し得る最大出力電力はより小さくなる。そして、第１の場合では、当該最大出力電力に対応する出力電流値はより大きくなり、第２の場合では出力電流値はより小さくなる。つまり、高温流体発生源の動作状態に応じて、より好ましい熱電素子の動作電流の値は上下するのである。

ここで本発明では、このような変化に応じて、すなわち高温流体発生源の動作状態に応じて初期電流値が定められるようになっているのである。したがって、例えば前記第１の場合では初期電流値をより大きく定め、第２の場合ではより小さく定めるなどとしておけば、熱電素子の運転始め等の初期状態において、最大出力電力を得るための最適な状態をより好適に現出させることができるのである。また、本発明によれば、このような好ましい初期状態が実現されるのであるから、その後に当該熱電素子について所定の出力制御を行う場合であっても、当該熱電素子の最適な動作状態を迅速に実現することができるのである。

なお、本発明にいう「高温流体発生源の動作状態」なる概念には、具体的には例えば、当該高温流体発生源がいわゆるエンジンである場合には当該エンジンの回転数、あるいは当該エンジンから排出される排気ガスの温度、更には当該エンジン及び当該熱電発電装置が四輪自動車等の車両に搭載されているのであれば、当該車両の速度等も含まれる。最後者によれば、当該車両の車速によって前記初期電流値が定められるということになる。

また、本発明の「初期電流値」は、高温流体発生源の当該動作状態における当該温度差に基づく最大出力電力が得られるような電流値又はこれに近い電流値として定められるようにしておくのが好ましい。このようにしておけば、初期状態から既に、熱電素子を最適な状態、あるいはこれに近い状態で動作させることが可能となるからである。

これと同じ効果を得るためには、例えば、本発明にいう「高温流体発生源」がエンジンである場合には、好ましくは、「初期電流値は、当該エンジンの回転数に応じて定められる」ようになっているとしてもよく、更に好ましくは、「初期電流値は、当該エンジンの回転数がより大きい場合にはより大きく、より小さい場合にはより小さく定められる」ようになっていてもよい。さらに、当該エンジンが前記車両に搭載されている場合には、前記で「エンジンの回転数」とあるのを、「車速」と言い換えることも可能である。

〔２〕
本発明の熱電発電装置の一態様では、前記制御手段は、前記熱電素子の出力電流及び出力電圧の少なくとも一方に基づいて、当該熱電素子の出力を制御する。

この態様によれば、熱電素子の出力が、出力電流、出力電圧、あるいはこれらを掛け合わせた出力電力などに基づいて制御されるようになっているから、当該熱電素子から最大出力電力を取り出し得るような制御を好適に実施することが可能になる。特に、本発明では、初期電流値が上述のように高温流体発生源の動作状態に応じて定められる、言い換えれば、はじめから最大出力電力が達成され得る出力電流値近くで熱電素子を動作させておくことができるようになっているから、本態様に係る制御により、熱電素子が最大出力電力に達し得るまでの時間を極めて短縮化することができるのである。したがって、本態様によれば、高温流体発生源の動作状態や高温流体の温度が時々刻々と変化する場合、あるいはこれらが過渡的に変化する場合などにも迅速に対応することができる。

〔３〕
本発明の熱電発電装置の他の態様では、前記制御手段は、現時点における前記熱電素子の出力電流に対応する出力電力と当該出力電流に所定の偏差を与えた出力電流に対応する出力電力との間の比較結果に基づいて、当該熱電素子の出力を制御する。

この態様によれば、熱電素子から最大出力電力を取り出し得るような制御が、いわゆる「山登り法」によって実現されることになる。したがって、当該熱電素子の最適な状態を比較的迅速に実現することができる。なお、「偏差を与えた出力電流」は、具体的には例えば、現時点における熱電素子の出力電流を“Ｉ”と表現するならば、「Ｉ＋ΔＩ」、あるいは「Ｉ−ΔＩ」と表現することが可能である。この場合、ここにいう“ΔＩ”が、前記にいう「偏差」に該当する。

〔４〕
この態様では、前記偏差は時宜に応じて変化するように構成してもよい。

このような構成によれば、偏差が、時宜に応じて、より好ましくは高温流体発生源の動作状態（その意義は前述のとおりである。）に応じて変化する。このようにすれば、例えば熱電素子が既に最大出力点付近で動作している場合とそうでない場合とで偏差の値が異なるように変化させる、あるいは変化させておくことで、前記山登り法をより好適に実施することができる。

この趣旨をよりよく実現するためには例えば、熱電素子が既に最大出力電力近くの動作点で動作している場合には偏差はより小さく、そうでない場合には偏差はより大きくする、などとしてもよい。このようにすれば、熱電素子が最大出力点から遠いところで動作している場合には、最大出力点への収束をより迅速に実現することができ、かつ、いったん最大出力点に達した後には当該最大出力点における発散ないし揺動を生じ難くすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、初期値の適切な設定等を通じて、熱電素子から殆ど常に最適な出力電力を得ることが可能になる。

本発明のこのような作用及び効果その他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。

以下では、本発明の実施の形態について図１乃至図３を参照しつつ説明する。ここに図１は、本実施形態に係る熱電発電システムの構成を示す概要図であり、図２は、熱電素子の一構成例を示す概要図である。また図３は、当該熱電素子の出力特性を示す図である。

図１において、熱電発電システムは、大きく熱電モジュール１、電力変換器２及びバッテリ３からなる。熱電モジュール１は、熱電素子、電極及び配線（いずれも図１において不図示）等からなり、このうち熱電素子には図に示すエンジン１５０からの排気ガスが供給される。この排気ガスは熱電素子の一側面に間接的に又は直接的に触れることにより、当該一側面を比較的高温に維持する。一方、熱電素子の他の側面には間接的に又は直接的に例えば水や空気（不図示）等が触れることにより、当該他の側面を比較的低温に維持する。これにより、熱電素子には温度差がかけられることになり、その熱エネルギは該熱電素子内において電気エネルギに変換される（ゼーベック効果）。

この熱電モジュール１を構成する熱電素子は、例えばＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とからなるものとすることができ、この場合、より具体的には、Ｂｉ-Ｔｅ系、Ｐｂ-Ｔｅ系、Ｓｉ-Ｇｅ系等々の中から適当なものを選択することができる。かかる熱電素子の場合、例えば図２に示すように、Ｐ型半導体素子１１及びＮ型半導体層素子１２、これらの素子１１及び１２双方の一側面に接するように配置された共通電極１３、同じく他の側面に接するように配置された個別電極１４ａ及び１４ｂ、該個別電極１４ａ及び１４ｂに接続された配線１５等からなる構造とすることができる。そして、共通電極１３の側を高温側とし（符号１６参照。）、個別電極１４ａ及び１４ｂの側を低温側とすれば（符号１７参照。）、Ｐ型半導体素子１１及びＮ型半導体層素子１２間に起電力Ｖが生じ、配線１５に電流Ｉが流れることになる。

このような熱電素子は、図３に示すような出力特性を有する。すなわち、図３は横軸に当該熱電素子の出力電流Ｉ、縦軸に出力電力Ｐをとったグラフであるが、当該熱電素子からの出力電流Ｉの増加に伴って変化する出力電力Ｐの各値は、上に凸の曲線に沿って描かれるようになっている。したがって、かかる曲線上には、出力電流の値Ｉ１，Ｉ２及びＩ３に対応する最大出力点Ｍ１，Ｍ２及びＭ３が存在する。また、図３に示すΔＴ１，ΔＴ２及びΔＴ３は、熱電素子にかけられている温度差を表しており、これらの間にはΔＴ１＜ΔＴ２＜ΔＴ３なる関係が成立している。つまり、熱電素子に与えられる温度差の相違によって当該熱電素子の出力特性は変化するようになっており、より具体的には該温度差が大きくなるにつれて、最大出力点も大きくなるように変化するのである。

なお、上述では、半導体素子からなる熱電素子について説明したが、本発明はかかる形態に限定されるものではなく、熱電素子の構成については基本的にどのようなものを採用してもよい。例えば、熱電素子が異種の金属材料、あるいはセラミックス材料からなる構成としてもよいし、更には半導体を用いるとしてもその酸化物を用いる構成等としてもよい。これら各種の材料によって熱電素子を構成すると、その材料の相違によって例えば使用温度域等が異なってくるから、実際に装置を構成する場合には、かかる事情を勘案した上で適宜に好適な材料を選択するようにすればよい。

図１に戻り、電力変換器２は、主回路２１及びコントローラ２２からなる。主回路２１は、熱電モジュール１から出力された電圧を所定の値となるまで昇圧するとともに平滑化する。具体的には、公知のＤＣ−ＤＣコンバータからなる。コントローラ２２は、熱電モジュール１から出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖの入力を受けるとともに、当該熱電モジュール１に排気ガスを供給するエンジン１５０から（より正確には、当該エンジン１５０に取り付けられた図示しない回転数センサ等から）、該エンジン１５０の回転数Ｎｅの入力を受ける。コントローラ２２は、これら出力電流Ｉ、出力電圧Ｖ及びエンジン１５０の回転数Ｎｅに基づいて指令値を定め、これを主回路２１に向けて出力する。主回路２１では、この指令値に従って熱電モジュール１の出力電流又は出力電圧を変更する。

バッテリ３は、公知の蓄電装置であって、熱電モジュール１から発し主回路２１によって昇圧された出力電力を受けて充電される。なお、図１においては図示されないが、本発明においては、このバッテリ３に代えて又は加えて、当該出力電力によって動作することの可能な適当な負荷（例えば、各種のモータ、オイルポンプ、空気調和機を構成するコンプレッサなど）を設けておいてもよい。

このような構成となる熱電発電システムは、例えば図４乃至図６に示すように運用され、その結果、以下に記すような作用効果を得ることができる。ここに図４は、本実施形態の熱電発電システムの運用例、より具体的には熱電モジュール１から最適な出力を得るための処理の流れを示すフローチャートであり、図５は、図４のステップＳ１１において初期電流値を求める際に利用される回転数−初期電流値間の関係を示すマップの一例であり、図６は、図４のステップＳ１３以下の処理によって実現される熱電素子の動作態様を概念的に示す説明図である。

まず、コントローラ２２は、エンジン１５０の回転数Ｎｅを読み込む（図４のステップＳ１０）。これは、前述の通り、エンジン１５０に設けられている図示しない回転数センサの検出結果として得ることができる。あるいは、その他のパラメータ、例えばエンジン冷却水温度等を検出し、その検出結果から推定して、現状の回転数Ｎｅを求めるようにしてもよい。

次に、読み込んだ回転数Ｎｅに基づいて熱電モジュール１の出力電流の初期電流値Ｉｉｎｉｔを求める（図４のステップＳ１１）。この初期電流値Ｉｉｎｉｔは、例えば図５に示すようなマップに基づいて求めることができる（図中破線矢印参照。）。この図において、初期電流値ＩＩｉｎｉｔは、回転数Ｎｅの増加に伴って単調に増加するように定められている。したがって、回転数Ｎｅが大きければ大きいほど、より大きな初期電流値Ｉｉｎｉｔが選択されることになる。電力変換器２は、このようにして求められた初期電流値Ｉｉｎｉｔでもって動作させられる（図４のステップＳ１２）。

このような処理の結果、次のような効果が得られることになる。すなわち、初期電流値Ｉｉｎｉｔは回転数Ｎｅに基づいて求められるようになっており、具体的には後者が大きければ大きいほど、前者もまたより大きくなる（図５参照）。ところで、このとき一方では、回転数Ｎｅが大きければ大きいほど、排気ガスがもつ熱エネルギはより大きく、したがって排気ガスの温度はより高いということができる。そうすると、熱電素子にかかる温度差はより大きくなるから、取り出し得る出力電力はより大きくなると考えることができるのである（図３参照）。であれば、初期電流値Ｉｉｎｉｔは回転数Ｎｅの増大に従って大きく設定されることが望ましい。なぜなら、図３に示したとおり、温度差ΔＴ１，ΔＴ２及びΔＴ３（ΔＴ１＜ΔＴ２＜ΔＴ３）に対応する最大出力点Ｍ１，Ｍ２及びＭ３は、それぞれ、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３を満たすＩ１，Ｉ２及びＩ３において実現されるからである。つまり、温度差が大きくなるに従って電流値もまた大きくしておけば、当該熱電素子の動作点を最大出力点により近い点に設定することができるのである。

なお、このようなことから、初期電流値Ｉｉｎｉｔは、そもそも図３に示すＩ１，Ｉ２又はＩ３として、あるいはこれらに近い値として選択されるようにしておくのが好ましい。つまり、図５のようなマップは、初期電流値Ｉｉｎｉｔがそのように選択されるよう予め定められているのが好ましい。このようにしておけば、初期状態から既に、当該熱電素子における最適な状態での動作（最大出力点、での動作）、あるいはこれに近い点での動作が実現されることになるからである。

ただし、排気ガスがもつ熱エネルギは、エンジン１５０にかかっている負荷の相違によっても変化する。つまり、エンジン１５０がある回転数で回転しているとしても、当該エンジン１５０にかかっている負荷が異なれば排気ガスの熱エネルギも異なり、よって熱電素子にかかる温度差も異なってくる。したがって、初期電流値Ｉｉｎｉｔが図３に示すＩ１，Ｉ２又はＩ３として選択されるような図５様のマップ、言い換えると熱電素子が最初から最大出力点で動作するような図５様のマップ（いわば“完璧”なマップ）を用意しておくことは一般に困難である。そこで、図５様のマップを用いて初期電流値Ｉｉｎｉｔを定める以上、熱電素子は初期状態において最大出力点から一定程度の“ずれ”をもったポイントで動作することが一般的に見込まれることになる。が、しかし、このような“ずれ”は、以下に述べるステップＳ１３以下の処理によって有効に解消されることになるのである。

さて、以上のように初期電流値Ｉｉｎｉｔが定まったら次に、コントローラ２２に供給されてくる熱電モジュール１からの出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖの値から、出力電力Ｐ１（＝Ｉ×Ｖ）を求める（図４のステップＳ１３）。なお、ここで得られる出力電流Ｉを、以下においては説明の便宜上、“Ｉｏｒｉｇｉｎ”と呼ぶ場合がある。

次に、動作電流を変更する（図４のステップＳ１４）。具体的には、前記のステップＳ１３で得られた電流値Ｉｏｒｉｇｉｎに所定の値をとるΔＩを加える。すなわち、新たな電流値Ｉは、
Ｉ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩ … （１）
となる。

続けて、前述のΔＩが加算されたところの出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖの値から、出力電力Ｐ２（＝Ｉ×Ｖ＝（Ｉｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩ）×Ｖ）を求める（図４のステップＳ１５）。

次に、再び動作電流を変更する（図４のステップＳ１６）。ここでは、前記のステップＳ１４とは異なり、現状の電流値から２ΔＩを差し引く。つまり、前記のＩｏｒｉｇｉｎを基準とすると、新たな電流値Ｉは、
Ｉ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩ−２ΔＩ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ … （２）
ということになり、もともとの電流値Ｉｏｒｉｇｉｎからみると、動作電流としては該ＩｏｒｉｇｉｎからΔＩだけ減少した値が採られることになる。続けて、前述の２ΔＩが差し引かれたところの出力電流Ｉ及び出力電圧Ｎの値から、出力電力Ｐ３（＝Ｉ×Ｖ＝（Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ）×Ｖ）を求める（図４のステップＳ１７）。

このようにして出力電力Ｐ３が得られたら次に、前記のＰ１が、先に求めたＰ２に比べて大きく、かつ、Ｐ３に比べても大きいかどうかが判断される（図４のステップＳ１９）。ここでＰ１が、Ｐ２及びＰ３の双方いずれからも大きいと判断される場合には、動作電流につき、Ｉ＝Ｉ＋ΔＩなる変更を行う（図４のステップＳ１９；ＹＥＳからステップＳ２１へ）。これによると、現状の出力電流が、先のステップＳ１６の処理によって、もともとの出力電流ＩｏｒｉｇｉｎからΔＩ分だけ差し引かれた値をとっていることから（（２）式参照。）、このステップＳ２１において求められる新たな動作電流は、そのもともとの出力電流Ｉｏｒｉｇｉｎそのままの値と同値ということになる。すなわち、
Ｉ＝（Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ）＋ΔＩ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ … （３）
一方、Ｐ１＞Ｐ２かつＰ１＞Ｐ３を充たさないと判断される場合には、続いてＰ３がＰ１よりも大きいかどうかが判断される（図４のステップＳ１９；ＮＯからステップＳ２０へ）。ここで、Ｐ３＞Ｐ１が充たされない場合、すなわちＰ３≦Ｐ１が充たされる場合には、動作電流につき、Ｉ＝Ｉ＋２ΔＩなる変更を行う（図４のステップＳ２０；ＮＯからステップＳ２２へ）。これによると、現状の出力電流が、先のステップＳ１６の処理によって、もともとの出力電流ＩｏｒｉｇｉｎからΔＩ分だけ差し引かれた値をとっていることから（（２）式参照。）、このステップＳ２２において求められる新たな出力電流Ｉは、もともとの出力電流ＩｏｒｉｇｉｎにΔＩを加えた値をとることになる。すなわち、
Ｉ＝（Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ）＋２ΔＩ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩ … （４）
他方、ステップＳ２０において、Ｐ３＞Ｐ１が充たされる場合には、前述の各場合とは異なり、動作電流につき特に変更を加えない。つまり、この場合には、ステップＳ１６の処理によって、もともとの出力電流ＩｏｒｉｇｉｎからΔＩ分だけ差し引かれた値がそのまま維持されることになる。すなわち、
Ｉ＝Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ … （５）
以上の各処理を終えたら、前記のステップＳ１３に戻り、出力電力Ｐ１の値の演算以降の処理を改めて開始する。後は、これらの処理が繰り返し実行されることになる。

以上のような処理によって、熱電素子を最大出力点で動作させることが可能となる。以下、これを図６を参照しながら説明する。図６は、横軸に出力電流、縦軸に出力電力をとった当該熱電素子の出力特性を表すグラフであって、その趣旨は図３と全く同様である（図６は、図３のように温度差ΔＴ１，ΔＴ２及びΔＴ３の相違による影響が示されていないだけである。）。

図６において、まず、前記のステップＳ１３において得られる電流値Ｉｏｒｉｇｉｎが、例えば図中符号Ｂ１で示す楕円形内に含まれる点Ｐ１に対応する電流値に一致する場合（以下、「ケースＩ」ということがある。）であったとすると、ステップＳ１４で実現される動作電流Ｉｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩ（（１）式）は、当該点Ｐ１の右隣に位置する点Ｐ２に対応する電流値に一致し、ステップＳ１６で実現される動作電流Ｉｏｒｉｇｉｎ−ΔＩ（（２）式）は、当該点Ｐ１の左隣に位置する点Ｐ３に対応する電流値に一致する。そして、この場合、Ｐ１は、Ｐ２及びＰ３の双方いずれからも大きいと判断されるから、図４においては、ステップＳ１９；ＹＥＳからステップ２１へと進み、結果的に、動作電流はＩｏｒｉｇｉｎということになる（（３）式）。したがって、熱電素子においては、最大出力点がとられることになるのである。

また、電流値Ｉｏｒｉｇｉｎが図中符号Ｂ２で示す楕円形内に含まれる点Ｐ１に対応する電流値に一致する場合（以下、「ケースＩＩ」ということがある。）であったとすると、点Ｐ１、点Ｐ２及び点Ｐ３の配置関係（図中左から順に点Ｐ３、点Ｐ１及び点Ｐ２が並ぶ。）は前記と変わらないが、Ｐ１は、Ｐ３より大きいものの（Ｐ１＞Ｐ３）Ｐ２よりは小さい（Ｐ１＜Ｐ２）点が前記とは異なる。したがって、図４においては、ステップＳ１９；ＮＯからステップＳ２０へと進み、更に該ステップＳ２０；ＮＯからステップＳ２２へと進むことになり、結果的に、動作電流はＩｏｒｉｇｉｎ＋ΔＩということになる（（４）式）。したがって、熱電素子においては、これら三点の中では最も出力電力の高い値（点Ｐ２）がとられることになる。他方、電流値Ｉｏｒｉｇｉｎが図中符号Ｂ３で示す楕円形内に含まれる点Ｐ１に対応する電流値に一致する場合（以下、「ケースＩＩＩ」ということがある。）には、Ｐ１は、Ｐ３より小さく（Ｐ１＜Ｐ３）Ｐ２より大きい（Ｐ１＞Ｐ２）ということになり、図４においては、ステップＳ１９；ＮＯからステップＳ２０へと進み、更にステップＳ２０；ＹＥＳと進むことになり、結果的に、動作電流はＩｏｒｉｇｉｎ−ΔＩということになる（（５）式）。したがって、この場合においても、熱電素子においては、これら三点の中では最も出力電力の高い値（点Ｐ３）がとられることになる。

そして、これらケースＩＩ及びＩＩＩにおいては、ステップＳ１３以下の処理が繰り返し実施されると、熱電素子の出力電力が最大出力点に近づいていくことになる。例えば、ケースＩＩにおいて、前述した処理に続いて改めてステップＳ１３以下の処理が実施されると、前記の点Ｐ２が新たな点Ｐ１であるとみなされることになり、当該処理では、この新しい点Ｐ１を中心に、図６の楕円Ｂ２内に示すのと同様、図中下から順にＰ３、Ｐ１及びＰ２と並ぶことになる。したがって、このときもやはり、Ｐ１＞Ｐ３かつＰ１＜Ｐ２が成立するから、最も出力電力の高い値（新しい点Ｐ２）がとられることになるのである。以下、同様の処理を繰り返せば、やがて最大出力点に至ることが明白である（このように動作点がグラフの傾きに沿って次第に上昇していくことから、当該方法を「山登り法」と呼ぶことができる。）。

このようなことは、ケースＩＩＩでも、三点の進む向きが逆（即ち、図中左上に向かって三点が進んでいくような形になる。）となるだけで、基本的には全く同じに生じる。

以上により、ケースＩＩ及びＩＩＩにおいては、近い将来に、当該熱電素子において達成し得る最大出力点を達成することができるのである。なお、ケースＩにおいては、そもそものはじめにおいて、現状の出力電流を維持すれば最大出力点が達成されているために、点Ｐ１が選択されるようになっているのである。

以上のような処理がなされることにより、本実施形態の熱電発電システムによれば、以下のような効果が得られる。すなわち、まず、図４のステップＳ１３以下の処理が実施されることにより、本実施形態の熱電発電システムを構成する熱電モジュール１は、ほとんど常に最適な効率で動作させられることになり、その結果、最適な出力電力を得られる。したがって、バッテリ３における充電は効率よく行われる。このような効果は、熱電発電モジュール１に供給される排気ガスの温度が時々刻々変化するような場合、あるいは過渡的に変化するような場合に特に効果的に享受される。

また、本実施形態においては特に、エンジン回転数Ｎｅに基づいて初期電流値Ｉｉｎｉｔが定められるようになっている（図４のステップＳ１１及びステップＳ１２参照）ことから、前記の効果は更に促進される。というのも、既に述べたように初期電流値Ｉｉｎｉｔは、回転数Ｎｅが大きくなるに従い、換言すれば熱電素子にかけられる温度差が大きくなるに従い、より大きく設定されるようになっているから、当該熱電素子の初期状態における動作点を最大出力点、あるいはこれに近い点に設定することができるのである。そして、このような良好な初期状態が実現された後、前記の図４のステップＳ１３以下の処理が実施されることから、本実施形態では、当該熱電素子が最適な動作点に達するまでの時間を極めて短縮化することができるのである。

なお、上記実施形態においては、初期電流値Ｉｉｎｉｔを定めるにあたって、回転数Ｎｅのみが参照されるようになっていたが、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、図１に示すエンジン１５０が四輪自動車等の車両に搭載される場合においては、前記の回転数Ｎｅに加えて又は代えて、当該車両の運行速度、即ち車速を用いることができる。この車速も、前記の回転数Ｎｅと同様、その増大が排気エネルギの増大化を含意し、これはまた排気ガスのより高温化を含意し、更にこれは熱電素子にかかる温度差ΔＴの増大を含意し得るから、前記と同様の効果が得られることに変わりはない。また、前記回転数Ｎｅ、あるいは前記車速に加えて又は代えて、エンジン１５０から排出される排気ガスの温度を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、図４に示すような処理が行われるのみで熱電素子を効率よく動作させることができるから、当該熱電素子にかけられている温度差ΔＴが、現実にどの程度であるかを予め知っておく必要は必ずしもない。つまり、図４の処理自体は温度に依然して性質を変えるようなものではないから、かかる温度差ΔＴを知っておく必要は特にないのである。したがって、当該温度差ΔＴを知るための特別な装置（例えば、温度センサ）を設ける必要等がなくなる。ただし、熱電素子にかけられている現実の温度差ΔＴを知っておけば、本実施形態に示す処理をより有益に実施し得る可能性はある。したがって、本発明は、当該温度差ΔＴを知ること、ないしはそのための装置を設ける形態を積極的に排除する意図を有するものではない。

さらに、上記実施形態においては、ステップＳ１３以下の処理で用いられるΔＩについて、これを一定とする暗黙の前提を置いていたが（図６参照）、本発明はこのような形態にも限定されない。例えば、当該ステップＳ１３以下の処理で用いられるΔＩについては、これを時宜に応じて変化させるような構成ないしは処理を採用することもできる。より具体的には例えば、図７及び図８を用いて次のようにΔＩを変化させることができる。ここに図７は、図１に示すエンジン１５０が四輪自動車等の車両に搭載されている場合における当該車両の速度（車速）と、該車速に対応した最大出力電力との関係を表すマップである。また、図８は、現状の出力電力及び最大出力点間の差とΔＩとの関係を表すマップである。

まず、図４のステップＳ１０において、図１に示すエンジン１５０が四輪自動車等の車両の車速Ｖを知った後（あるいは、図４に示す通り、回転数Ｎｅを知るのでも勿論よい。）、図７のマップを用いて当該車速Ｖに対応する最大出力電力Ｐｍａｘを求める（図中破線参照。）。図７では、横軸に車速Ｖ、縦軸に最大出力電力Ｐｍａｘがとられ、前者の増大に伴い後者が比例的に増加するようになっている。なお、図７のマップに代えて、図５に類似する図面（横軸を車速、縦軸を最大出力電力及びそれに近い電力が得られる電流値とする図面）及び図３から、最大出力電力Ｐｍａｘを求めることもできる。また、車速Ｖに代えて、回転数Ｎｅを用いる場合には、例えば図７に代えて、回転数−最大出力電力間のマップを用意しておけばよい。

次に、このようにして求められた最大出力電力Ｐｍａｘと、図４のステップＳ１３で得られる現状の出力電力Ｐ１とを用いて、両者の差ΔＰを求める（ΔＰ＝Ｐｍａｘ−Ｐ１）。なお、現状の出力電力Ｐ１は一般に最大出力電力Ｐｍａｘには至っていないと考えられるから、ΔＰは通常正数となる（至っている場合には当然“０”になる。）。

そして次に、このΔＰと図８のマップと用いて、当該時点において使用すべきΔＩを取得する（図中破線参照。）。図８では、横軸にΔＰ、縦軸にΔＩがとられ、前者の増大に伴い後者が単調に増加するようになっている。このようにして得られるΔＩは、ΔＰが大きい場合にはより大きくΔＰが小さい場合にはより小さく採られることになる。言い換えると、現状の出力電力Ｐ１が、好ましい最大出力電力Ｐｍａｘからより離れているときには、ΔＩはより大きくなり、より近いときにはΔＩはより小さくなるのである。したがって、現状の出力電力Ｐ１が、図６に示す楕円Ｂ１内にあるようなとき、つまりΔＰが小さいときには、ΔＩは小さく採られることになるから、当該点Ｐ１を中心とした揺動（Ｐ１からＰ２へ、更にＰ３へという動き。図中矢印参照）はより小さくなる。一方、現状の出力電力Ｐ１が、図に示す楕円Ｂ２及びＢ３内にあるようなとき、つまりΔＰが大きいときには、ΔＩは大きく採られることになるから、当該点Ｐ１の動きはより大きくなって最大出力点への到達がより迅速に達成されることになるのである。

以上のように、ΔＩを時宜に応じて変更する形態（より具体的には、「ΔＩを高温流体発生源の動作状態に応じて変更する形態」）とすれば、最大出力点への収束をより迅速に実現することができ、かつ、いったん最大出力点に達した後には当該点における発散ないし揺動を生じ難くすることができるのである。なお、このような処理は、図４においては例えば、ステップＳ１３及びステップＳ１４間に挿入して実施されるようにしておけばよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う熱電発電装置もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本実施形態に係る熱電発電システムの構成を示す概要図である。 熱電素子の一構成例を示す概要図である。 当該熱電素子の出力特性を示す図である。 本実施形態の熱電発電システムの運用例、より具体的には熱電モジュールから最適な出力を得るための処理の流れを示すフローチャートである。 図４のステップＳ１２において初期電流値を求める際に利用される回転数−初期電流値間の関係を示すマップの一例である。 図４のステップＳ１３以下の処理によって実現される熱電素子の動作態様を概念的に示す説明図である。 図１に示すエンジン１５０が四輪自動車等の車両に搭載されている場合における当該車両の速度（車速）と、該車速に対応した最大出力電力との関係を表すマップである。 現状の出力電力及び最大出力点間の差とΔＩとの関係を表すマップである。

符号の説明

１…熱電発電モジュール
１１…Ｐ型半導体素子
１２…Ｎ型半導体素子
１３…共通電極
１４ａ、１４ｂ…個別電極
１５…配線
２…電力変換器
２１…主回路
２２…コントローラ
３…バッテリ
１５０…エンジン
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…最大出力点
Ｉｉｎｉｔ…初期電流値

Claims (4)

1. 高温流体発生源から排出される高温流体を利用して電力を発生する熱電発電装置であって、
   前記高温流体の熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子と、
   前記高温流体発生源の動作状態に応じて定めた初期電流値で前記熱電素子の出力を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記制御手段は、
   前記熱電素子の出力電流及び出力電圧の少なくとも一方に基づいて、当該熱電素子の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記制御手段は、
   現時点における前記熱電素子の出力電流に対応する出力電力と当該出力電流に所定の偏差を与えた出力電流に対応する出力電力との間の比較結果に基づいて、当該熱電素子の出力を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
4. 前記偏差は時宜に応じて変化することを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
   

Images