JP2009081970A - 熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システム - Google Patents

熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】温度差がある流体から効率良く熱電変換(発電)することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムを提供する。
【解決手段】P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子27を、電極び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート30内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニット31を形成して複数枚積層し、これらの間に、高温流体Wが流通する第一空間32と、低温流体Cが流通する第二空間33とを交互に形成し、各プレート状熱電発電ユニット31に形成された開口を連ねて、第一空間32に対し高温流体Wを流入出させる第一流入路34と第一流出路35とを形成すると共に、第二空間33に対し低温流体Cを流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成する。
【選択図】図2

Description

本発明は、熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムに関するものである。
従来より、海洋表面の温海水と深海の冷海水との温度差を利用する発電システムは、自然エネルギーを活用する技術として注目されている。
この種の海洋温度差発電システムは、図9に示される如く、海洋表面の温海水を汲み上げる温海水ポンプ1と、該温海水ポンプ1で汲み上げられた温海水の熱によりアンモニア/水の混合液体を蒸発させる蒸発器2と、該蒸発器2で蒸発したアンモニア/水の混合液体をアンモニア水とアンモニア/水の蒸気とに分離する気液分離器3と、該気液分離器3で分離されたアンモニア/水の蒸気が導入される第一タービン4と、該第一タービン4によって回転駆動される第一発電機5と、前記第一タービン4から排出されるアンモニア/水の蒸気の一部が抽気されて導入される加熱器6と、前記第一タービン4から排出されるアンモニア/水の蒸気の残りが導入される第二タービン7と、該第二タービン7によって回転駆動される第二発電機8と、前記気液分離器3で分離されたアンモニア水を冷却する再生器9と、該再生器9で冷却されたアンモニア水を減圧する減圧弁10と、該減圧弁10で減圧されたアンモニア水により前記第二タービン7から排出される混合蒸気を吸収する吸収器11と、該吸収器11で吸収しきれない混合蒸気を冷却するための凝縮器12と、該凝縮器12で凝縮しきれない混合蒸気を冷却して完全凝縮させるアフターコンデンサ13と、深海から冷海水を汲み上げる冷海水ポンプ14と、前記凝縮器12及びアフターコンデンサ13で凝縮したアンモニア水を貯留する第一タンク15と、該第一タンク15に貯留されたアンモニア水を圧送して前記加熱器6へ導く第一作動流体ポンプ16と、該第一作動流体ポンプ16で圧送され前記加熱器6で加熱されたアンモニア/水の混合液体を貯留する第二タンク17と、該第二タンク17に貯留されたアンモニア/水の混合液体を圧送して前記再生器9へ導く第二作動流体ポンプ18とを備えてなる構成を有している。
前記海洋温度差発電システムにおいては、第二タンク17に貯留されたアンモニア/水の混合液体が第二作動流体ポンプ18により再生器9を経て蒸発器2に送られると共に、該蒸発器2には温海水ポンプ1によって海洋の表層の温海水が送り込まれ、前記アンモニア/水の混合液体は蒸発器2において蒸発し、アンモニア/水の気液混相状態になり、該気液混相状態のアンモニア/水は、気液分離器3でアンモニア水とアンモニア/水の蒸気とに分離され、該アンモニア/水の混合蒸気は第一タービン4に導入されて、該第一タービン4を回転駆動し、第一発電機5により発電が行われ、前記第一タービン4から排出される混合蒸気はその一部が抽気されて加熱器6に入り、残りは第二タービン7に導入され、第二発電機8が回転駆動されて発電が行われる。
一方、前記気液分離器3で分離されたアンモニア水は、前記再生器9において前記アンモニア/水の混合液体により冷却された後、減圧弁10を通って吸収器11に入り、該吸収器11において前記第二タービン7から排出される混合蒸気を吸収し、そこで吸収しきれない混合蒸気は凝縮器12に入り、深海から冷海水ポンプ14により汲み上げられた冷海水によって冷却・凝縮され、液体に戻り、第一タンク15に貯留され、第一作動流体ポンプ16によって加熱器6へ圧送され、該加熱器6において、前記第一タービン4から排出されて抽気されるアンモニア/水の蒸気の一部により加熱され、第二タンク17に貯留され、該第二タンク17に貯留されたアンモニア/水の混合液体が再び前記第二作動流体ポンプ18により再生器9を経て蒸発器2に送られ、この作動を繰り返し行うことで、海水のみで発電し続けるようになっている。
尚、図9に示されるような海洋温度差発電システムの一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献1がある。
一方、図10に示される如く、石炭や石油等の燃料をボイラ19で燃焼させて蒸気を発生させ、該蒸気により蒸気タービン20を回転駆動して発電機21により発電を行う火力発電プラント、或いは、ウランの原子炉圧力容器22内での核分裂エネルギーを利用して蒸気発生器23で蒸気を発生させ、該蒸気により蒸気タービン20を回転駆動して発電機21により発電を行う原子力発電プラントにおいては、前記蒸気タービン20を回転駆動した後の蒸気を復水器24で冷却水としての海水により冷却し、凝縮させた水を循環させるようになっている。
特開平5−340342号公報
しかしながら、図9に示されるような海洋温度差発電システムでは、蒸発器2、第一タービン4、第一発電機5、加熱器6、第二タービン7、第二発電機8、再生器9、凝縮器12、第一作動流体ポンプ16、第二作動流体ポンプ18等の機器が必要で、全体として構造が非常に複雑となり、コストアップが避けられず、しかも、回転部分が多く定期的なメンテナンスも不可欠で、ほとんど実用化されていないのが現状であった。
一方、図10に示されるような発電プラントでは、熱エネルギー回収装置が大規模となることもあり、復水器24において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水は、そのまま海へ排水され、熱エネルギーの回収はほとんど行われていなかった。
このように、前述の如き海洋温度差発電システムや発電プラントにおいては、温度差エネルギーを効率良く回収できる装置の開発が望まれていた。
本発明は、斯かる実情に鑑み、温度差がある流体から効率良く熱電変換(発電)することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムを提供しようとするものである。
本発明は、P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子を、電極及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニットを形成し、
該プレート状熱電発電ユニットを複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット間に、高温流体が流通する第一空間と、低温流体が流通する第二空間とを、該高温流体と低温流体とが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニットを境にして交互に形成し、
前記各プレート状熱電発電ユニットに形成された開口を連ねることにより、前記第一空間に対し高温流体を流入出させる第一流入路と第一流出路とを形成すると共に、前記第二空間に対し低温流体を流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成したことを特徴とする熱電発電装置にかかるものである。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
前記第一流入路から第一空間に対し高温流体を流入させて第一流出路から流出させると共に、前記第二流入路から第二空間に対し低温流体を流入させて第二流出路から流出させると、プレート状熱電発電ユニットの伝熱プレート内に封入されたP型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを交互に並設してなる熱電素子において、前記高温流体と低温流体との間の温度差により熱エネルギーが電気エネルギーに変換され起電力が発生し、効率良く発電が行われることとなる。
一方、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として海洋表面の温海水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として深海の冷海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することができ、このようにすると、従来の海洋温度差発電システムと異なり、蒸発器、第一タービン、第一発電機、加熱器、第二タービン、第二発電機、再生器、凝縮器、第一作動流体ポンプ、第二作動流体ポンプ等の機器を一切設けなくて済み、全体として構造が大幅に簡略化され、コストアップが避けられ、しかも、稼動部がなくメンテナンスも面倒でなくなり、海洋温度差発電システムの実用化が可能となる。
又、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として発電用の蒸気タービンを駆動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、従来の発電プラントのように、復水器において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水をそのまま海へ排水するのとは異なり、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。
更に、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として各種プラントから排出される蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。
本発明の請求項1記載の熱電発電装置によれば、温度差がある流体から効率良く熱電変換(発電)することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得るという優れた効果を奏し得る。
又、本発明の請求項2記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、全体として構造を簡略化し得、コストアップを回避でき、しかも、稼動部がなくメンテナンスも容易で、海洋温度差発電システムの実用化に寄与し得るという優れた効果を奏し得る。
更に又、本発明の請求項3記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、発電プラントにおいて、今まで海に棄てられていた熱エネルギーを効率良く回収して発電し得、無駄をなくすことができるという優れた効果を奏し得る。
更に、本発明の請求項4記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電し得、無駄をなくすことができるという優れた効果を奏し得る。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図1〜図6は本発明を実施する形態の一例であって、P型熱電半導体素子25とN型熱電半導体素子26とを交互に並設した熱電素子27を、電極28及び絶縁体29を介して挟持するよう伝熱プレート30内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニット31を形成し、該プレート状熱電発電ユニット31を複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット31間に、高温流体Wが流通する第一空間32と、低温流体Cが流通する第二空間33とを、該高温流体Wと低温流体Cとが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニット31を境にして交互に形成し、前記各プレート状熱電発電ユニット31に形成された開口を連ねることにより、前記第一空間32に対し高温流体Wを流入出させる第一流入路34と第一流出路35とを形成すると共に、前記第二空間33に対し低温流体Cを流入出させる第二流入路36と第二流出路37とを形成し、熱電発電装置38を構成したものである。
本図示例の場合、前記第一流入路34は、図5に示す如く、前記各プレート状熱電発電ユニット31の右上隅に、又、前記第一流出路35は前記各プレート状熱電発電ユニット31の右下隅にそれぞれ形成し、前記第一流入路34から流入する高温流体Wが前記第一空間32内で上方から下方へ向かい略台形形状をなして流通し、前記第一流出路35へ流出するようにし、一方、前記第二流入路36は、図6に示す如く、前記各プレート状熱電発電ユニット31の左下隅に、又、前記第二流出路37は前記各プレート状熱電発電ユニット31の左上隅にそれぞれ形成し、前記第二流入路36から流入する低温流体Cが前記第二空間33内で下方から上方へ向かい略台形形状をなして流通し、前記第二流出路37へ流出するようにしてある。但し、前記第一流入路34及び第一流出路35、前記第二流入路36及び第二流出路37を形成する位置や、前記高温流体W及び低温流体Cが流通する方向は、図5及び図6に示す例に限定されず、状況に応じて選定し得ることは言うまでもない。
又、前記P型熱電半導体素子25とN型熱電半導体素子26とを用いる熱電素子27の性能は、熱電性能指数Z[K-1
Z=α2・σ/λ
但し、α:ゼーベック係数[V/K]
σ:導電率[S/m]
λ:熱伝導率[W/mK]
で決まるため、ゼーベック係数αと導電率σが大きく、熱伝導率λの小さい材質を選定することが有効となり、前記P型熱電半導体素子25及びN型熱電半導体素子26としては、例えば、Bi(ビスマス)−Te(テルル)系のものを使用することが有効となる。
次に、上記図示例の作用を説明する。
前記熱電発電装置38においては、前記第一流入路34から第一空間32に対し高温流体Wを流入させて第一流出路35から流出させると共に、前記第二流入路36から第二空間33に対し低温流体Cを流入させて第二流出路37から流出させると、プレート状熱電発電ユニット31の伝熱プレート30内に封入されたP型熱電半導体素子25とN型熱電半導体素子26とを交互に並設してなる熱電素子27において、前記高温流体Wと低温流体Cとの間の温度差により熱エネルギーが電気エネルギーに変換され起電力が発生し、効率良く発電が行われることとなる。
尚、前記熱電発電装置38のプレート状熱電発電ユニット31において発電された電力は、電極28に接続された端子(図示せず)から外部へ取り出される。
又、前記熱電発電装置38のプレート状熱電発電ユニット31は分解できるため清掃が完全にでき、メンテナンスが容易に行える上に、プレート状熱電発電ユニット31の枚数を増減することで容量の調節も可能となる。
こうして、温度差がある流体から効率良く熱電変換(発電)することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る。
図7は本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を海洋温度差発電システムに用いた場合の構成図であって、図中、図1〜図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、前記高温流体Wとして海洋表面の温海水を、モータ39によって駆動される温海水ポンプ40により前記熱電発電装置38の第一流入路34から第一空間32へ導くと共に、前記低温流体Cとして深海の冷海水を、モータ41によって駆動される冷海水ポンプ42により前記熱電発電装置38の第二流入路36から第二空間33へ導くようにして発電システムを構成したものである。
図7に示す例のように構成すると、図9に示されるような従来の海洋温度差発電システムと異なり、蒸発器2、第一タービン4、第一発電機5、加熱器6、第二タービン7、第二発電機8、再生器9、凝縮器12、第一作動流体ポンプ16、第二作動流体ポンプ18等の機器を一切設けなくて済み、全体として構造が大幅に簡略化され、コストアップが避けられ、しかも、稼動部がなくメンテナンスも面倒でなくなり、海洋温度差発電システムの実用化が可能となる。
図8は本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を発電プラントに用いた場合の構成図であって、図中、図1〜図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、前記高温流体Wとして発電用の蒸気タービン20を駆動した後の蒸気を、前記熱電発電装置38の第一流入路34から第一空間32へ導くと共に、前記低温流体Cとして海水を、モータ43によって駆動される海水ポンプ44により前記熱電発電装置38の第二流入路36から第二空間33へ導くようにして発電システムを構成したものである。
図8に示す例のように構成すると、図10に示される従来の発電プラントのように、復水器24において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水をそのまま海へ排水するのとは異なり、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。
更に、前記熱電発電装置38を用い、前記高温流体Wとして各種プラント(図示せず)から排出される蒸気又は高温水を第一流入路34から第一空間32へ導くと共に、前記低温流体Cとして海水を第二流入路36から第二空間33へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。
尚、本発明の熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す斜視図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す断面図であって、図1のII−II断面相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す断面図であって、図1のIII−III断面相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す要部拡大断面図であって、図2のIV部相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置における第一空間と高温流体の流れを示す概略図であって、図2及び図3のV−V矢視相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置における第二空間と低温流体の流れを示す概略図であって、図2及び図3のVI−VI矢視相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を海洋温度差発電システムに用いた場合の構成図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を発電プラントに用いた場合の構成図である。 従来の海洋温度差発電システムの一例を示す構成図である。 従来の発電プラントの一例を示す構成図である。
符号の説明
20 蒸気タービン
25 P型熱電半導体素子
26 N型熱電半導体素子
27 熱電素子
28 電極
29 絶縁体
30 伝熱プレート
31 プレート状熱電発電ユニット
32 第一空間
33 第二空間
34 第一流入路
35 第一流出路
36 第二流入路
37 第二流出路
38 熱電発電装置
39 モータ
40 温海水ポンプ
41 モータ
42 冷海水ポンプ
43 モータ
44 海水ポンプ
W 高温流体
C 低温流体

Claims (4)

  1. P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子を、電極及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニットを形成し、
    該プレート状熱電発電ユニットを複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット間に、高温流体が流通する第一空間と、低温流体が流通する第二空間とを、該高温流体と低温流体とが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニットを境にして交互に形成し、
    前記各プレート状熱電発電ユニットに形成された開口を連ねることにより、前記第一空間に対し高温流体を流入出させる第一流入路と第一流出路とを形成すると共に、前記第二空間に対し低温流体を流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成したことを特徴とする熱電発電装置。
  2. 前記高温流体として海洋表面の温海水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として深海の冷海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
  3. 前記高温流体として発電用の蒸気タービンを駆動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
  4. 前記高温流体として各種プラントから排出される蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
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