JP2010029055A - 熱電変換発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱電変換発電は、モジュール部に効率的、積極的に集熱させる手段はないために、弱い熱源に対しては発電効率が悪かった。一方冷却部は、外部動力を必要とし、設置場所の制約も受ける。水資源の浪費もなされている。熱流方向は固定され、逆方向の熱流での発電は考慮されていない。
【解決手段】広い受熱面積からの熱を集め、集熱板２，３,４を段階的に増厚させ、効率的にモジュール１に熱流を供給する、或いは集光レンズ９aによって、モジュール近傍に集中的に集熱する。集熱板と遮蔽板或いは集熱レンズの間の空間には熱線吸収率の大きい気体を充満させ熱蓄積を図る。冷却水ジャケット５を溜タンク１６と繋いで、熱せられた水の自然対流を利用して循環させる。温まった水は放射冷却で復元し再使用する。モジュール厚さ方向の順・逆２方向の熱流の双方においてなされる発電を利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱を直接電気に変換する熱電変換発電装置に関する。

図面を用いる。

従来の熱電変換発電装置は、受熱部は伝導熱を主要な伝熱手段として、熱源に直接貼り付けた構造であり（例えば、特許文献１参照）、変換モジュール部に効率的に、積極的に集熱させる手段はない。

また熱源から変換モジュールへの伝熱に、空間を介する場合には、放射熱や対流熱を主要な伝熱手段とするが、変換モジュール部に効率的に、積極的に集熱させる手段はない。

変換モジュール前方に空間がある場合には、その空間には空気が充満している。

冷却部は、河川流水やポンプ給水による非循環型の強制流水（例えば、特許文献２参照）、或いは送風空気によるもので、ポンプやファン等に外部動力を必要とし、河川流の場合には設置場所の制約を受ける。

冷却媒体として水を用いる場合には非循環型であるために、水資源を無駄に廃棄することになる。

変換モジュール内を、厚さ方向に流れる熱流の方向は固定されており、逆方向の熱流での発電は考慮されていない。

以下図５により従来の構造について説明する。図５で変換モジュール２４は熱源となる媒体２２の容器の壁面２３、或いは放射熱の場合はそれを受ける壁面２３、および水等の冷却媒体が流れるジャケット２６の双方に挟まれて、金属ボルトの締め付けで取り付けられる。

ジャケット２６には管２７を通してポンプ２８の動力を使って、冷却水が強制的に送られて、冷却後は、出口２５から外に排出され、再利用はない。

空冷の場合にはジャケット２６およびポンプ２８に替わって、フィン付きの冷却板および送風ファンが設けられる。
特開２００４−４７６３５号公報 特開２００５−２０４４４２号公報

しかしながら、変換モジュールが周辺の熱源から受け取る熱量は、変換モジュールが接続された集熱板の板厚と変換モジュール部での集熱板内の温度勾配との積に比例するが、以上の技術によれば、特別な集熱手段は取られていないために、特に薄板の場合は変換モジュールの近傍の熱しか有効に熱源として作用していない。

例えば太陽光のように、特に熱源からの熱流束が比較的小さいときには、なるべく広い受熱面積で熱を受け取り、それを受熱面内方向の熱流に変えて、接続された変換モジュールに効率よく導く方式が望まれる。或いは広い受熱面積で熱を受け取った後、予め熱線を集光して収束させ、高温の熱として集中的に変換モジュールに与えることが有効である。

次に冷却用の水の供給は、従来技術によれば、河川水や水道水等の外部水をポンプ等の動力を用いて強制的に供給することになり、動力を必要とし、設置する場所の制限も受ける、或いは非循環型であるために、本装置の稼動期間中、継続した新たな冷却水の供給が必要になり、貴重な水資源の浪費につながる。

装置全体としての正味出力をあげ、同時に冷却媒体の消費を小さくすることは、エネルギー効率の向上と資源節約からの点から望ましい。

通常は集熱板から冷却水ジャケット方向の１方向熱流での発電のみである。もし装置の運転の過程で、上記と逆方向の熱流が生じる場合には、変換モジュールの電子的特性を活かして、逆方向の熱流を有効に活用して発電することは、発電効率の向上に繋がる。

放射熱或いは対流熱を受熱側の熱源とする場合には、受けた熱によって集熱板が周囲より高温となり、集熱板から逆に外部方向に放射熱、対流熱および伝導熱が発生し、これは特に寒冷季や寒冷地域での集熱効果を落とすことになる。いったん捉えた熱は極力有効利用し、外部に逃がさない構造様式にして、変換効率を上げたい。

受熱側の層間の空間には従来空気が満たされており、外部からの赤外線を主体とする、放射熱線の吸収増進に対しては、特別な対策は講じられていない。安全で安価な高吸収率の媒体の封入は効率改善に繋がる。

変換モジュールの構造や材料によっては、温度上昇の上限値が存在し、特に中温用の変換モジュールでは何らかの温度検知と、上限温度を超えた場合の警報装置が必要である。

受熱部と冷却部の間に挿入する変換モジュールは、両面での密着性を確保するために、通常はステンレス鋼等のボルトによる締め付けによっている。しかしながら金属を用いることは、高温と低温部を熱的に短絡することに繋がり、変換効率の低下になる。締め付けによる引っ張り強度と断熱性および高温耐熱性を兼ね備えた取り付け方式が必要である。

以上の課題を解決するために、請求項目１にかかわる発明では、広い面積からの集熱を行い、変換モジュールに近付くにつれて大きくなる熱流量を、温度の高さに依存する温度勾配を上げることなく、集熱板の板厚を漸次増加することで確保する。その結果、集熱板の温度上昇に伴う外部への熱漏洩の増加が抑えられて、変換モジュールへの集熱効果が上がると共に、変換モジュールから離れた位置の集熱板の板厚を適当に薄く出来て、集熱板の物量減とコスト削減にも寄与する。或いは、集熱板の材質として、高熱伝導率ではあるが高価な銅材に替わって、比較的安価なアルミニウム材の使用を可能とするものである。
或いは、発想を変えて、予め外部熱源からの熱線を集光レンズの屈折・収束作用によって、適当な大きさに絞り込み、集熱したうえで直接に単一板厚の集熱板と変換モジュールに照射することによって、少ない物量の集熱板で、高温の確保を可能とする。

請求項目２にかかわる発明では、冷却用の水を別置きのタンクに予め注水しておき、タンクの底部に繋がる１本の管で、変換モジュールの冷却側に設けた水ジャケットの下端に供給し、一方変換モジュールを通った熱流で温度上昇し、密度が小さくなり、軽くなった水を自然対流の作用で水ジャケットの上端に繋いだもう１本の管で水タンクの上部に戻す自然対流循環型の冷却方式をとる。冷却水を対流作用によって無動力で自然循環させる。

請求項目３にかかわる発明では、昼間の作動で暖まり、自然循環によって、別置きの水タンク上部から順次層を成すように堆積・貯留された温暖水は、夜間においては、受熱部を天空上方に向けて傾斜させることによって、集熱板を放射冷却面として機能させ、変換モジュールを介して、冷却される。この間、温暖水は自然対流によって上記とは逆の流れが生じ、自動的に冷却水として復元する。このように本発明は省エネルギーと水資源の浪費をなくし、同時に設置場所の条件を軽減したものである。また、本装置に水平・垂直の２方向の回転自由度を持たせることによって、太陽光を熱源とする場合等の移動熱源に対して、光源直角方向の自動追従装置の設置が容易となる。

請求項目４にかかわる発明では、通常は集熱板から冷却水ジャケット方向の１方向熱流での発電であるが、夜間の放射冷却を活用して、昼間に溜められた温暖な水を冷却再生する過程で、上記と逆方向の熱流が生じる。このときに、逆方向の熱流を有効に活用して、正極と負極を逆にするだけで、同方向電流の発電ができる変換モジュールの柔軟な電子的特性を活かして発電し、全体の発電効率の向上を図る。

請求項目５にかかわる発明では、放射熱を受熱側の熱源とする場合に、受けた熱によって集熱板が周囲より高温になると、集熱板から逆に外部に向かって放射熱、対流熱および伝導熱が放出され、これらは集熱効果を落とすことになる。本発明ではこれを抑えるために、受熱側の空間を複数層のガラス、アクリル或いはポリエチレン等の透明板による気密構造として設け、且つ各層間の間隔を対流が生じない数ミリメーターの距離に抑えて、集熱板からの放射熱および対流熱による、外部への熱の漏洩を抑え、変換モジュール部の温度上昇を図ったものである。特に寒冷季や寒冷地域での変換効率向上に寄与できる。近接した層間の相互密着が生じないように、適当な間隔で微小な断熱スペーサーを取り付ける。

請求項目６にかかわる発明では、受熱側の層間の空間は気密構造とし、赤外線の吸収率が空気よりも大きい気体、例えば２酸化炭素を封入し、熱源からより多くの熱線を吸収し、受熱部の温度上昇と効率向上を図るものである。同時に密度×比熱で表される熱容量が２酸化炭素の場合は空気の約１．２〜１．３倍と大きいために、熱の保持時間を長く取ることが出来る。

請求項目７にかかわる発明では、変換モジュールの構造や材料によっては、機能上の温度制限がある。特に中温向けのＢｉ−Ｔｅ系の場合は１００℃を大きく上回ることは出来ない。このために受熱部の温度を検知して、制限温度以上になった場合に警告を発する。

請求項目８にかかわる発明では、受熱部と冷却部の間に挿入する変換モジュールを、プラスチック等の断熱ボルトを冷却側の板に接着或いは穴あけで取り付け、受熱部側の板に通してボルト締めする構造とし、密着性を確保しながら、熱の漏洩を抑制する。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決し、或いは有していなかった機能を追加し、熱源からの効率的な集熱と、冷却源への効率的な放熱によって、熱電変換発電の効率向上と省エネルギーならびに省資源を実現することを目的とするものである。

請求項目１にかかわる発明では、集熱板の板厚を変換モジュールから離れた部分では薄く、近くでは厚くして、比較的小さい温度勾配でも、即ち集熱板を極度な高温に維持しなくても熱流を確保できる。従って集熱板からの外部への熱漏洩を小さく出来る。その結果、変換モジュールへの集熱効果を上げると共に、集熱板の物量を小さくしてコスト削減にも寄与する。また、集熱レンズを用いる場合には、変換モジュールの部位に集中的に集光することによって、集熱板の面積を小さくできると同時に、周辺への熱漏洩が少ないために集熱効率の向上が図られる。

請求項目２にかかわる発明では、変換モジュールへの冷却水の供給を自然対流によって行うために、ポンプ等の外部エネルギーを必要としない、且つ貴重な水の浪費をしない省エネルギー性と省資源効果を発揮する。

請求項目３にかかわる発明では、冷却水の冷却復元が放射冷却によってなされるために、外部エネルギーによる冷却が不要であり、且つ、上記作用が本体内部で自律的に行われるために、特別な外部装置を付加する必要がない。移動する熱源の場合、受光面を常に熱源に垂直方向に向けることで、受熱効率を上げることができるが、これを行うための自動追尾装置の設置が可能となる。

請求項目４にかかわる発明では、例えば太陽光等を利用した場合、昼間帯と夜間帯で変換モジュールを流れる熱流方向が逆になるが、その双方を利用した発電を行う。結果として、装置の稼動効率の向上と、２４時間単位で見た発電効率の向上が可能となる。

請求項目５にかかわる発明では、蓄積される熱によって、高温になった集熱板から放射熱或いは対流熱によって、逆に外部に熱が逃げるのを抑制して、集熱効率を上げることが出来る。特に寒冷季や寒冷地での効果を発揮する。

請求項目６にかかわる発明では、２酸化炭素の赤外線吸収特性を活かして、熱源からの熱線をより多く内部気体に蓄積し、受熱部の温度上昇をより大きくする効果を発揮する。同時に空間の熱容量の増加によって、温度維持時間を延ばすことが出来る。

請求項目７にかかわる発明では、高温警報装置を設けることにより変換モジュールの損傷を抑え、装置の安全性と機能発揮の長寿命化が可能となる。

請求項目８にかかわる発明では、高温の集熱板から低温の冷却部へ締め付けボルトを介して漏洩する熱流を抑制し、変換モジュールへ供給される熱量を大きくする。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。

図１は、本実施形態による熱電変換発電装置の全体構成を概念的に示す断面図である。ここでは熱電変換モジュール１は２個の場合を示すが、多数個を取り付ける場合には、同様の構造で可能である。

熱電変換モジュール１は、集熱板２，３，４および水冷ジャケット５によって挟まれ、断熱ボルト６によって固定されている。それぞれの接合部には良好な伝熱を図るための伝熱ペーストが充填される。

また集熱板２の裏面に断熱材１１を設けるための間隔が必要な場合は、熱電変換モジュール１に接合して銅製或いはアルミ製の伝熱スペーサー７を設けることによって、必要な断熱材の厚みを確保することが出来る。

集熱板２は熱電変換モジュール１に近づくにつれて集熱板３および４を重ねてボルト締め８によって取り付けることによって、段階的に増厚する構造とする。図１では集熱板は３枚の構成になっているが、集熱板の面積の大きさに応じて枚数を増減させることが出来る。集熱レンズを用いる場合には集熱板は変換モジュール最寄の４のみでよい。

熱源側には透明のガラス、アクリライト或いはポリエチレン板等の透過薄板９ａ，９ｂを複数層取り付け、周囲を充填剤等によって気密構造として設けて、外部からの放射熱を取り込む構造とする。集熱レンズを用いる場合には透過薄板に換えて９ａの位置に取り付ける。

図１の場合は３層の場合を示すが、層数の増減は可能である。複数層にすることによって、集熱板２，３，４に蓄積された高温の熱が、対流、放射および伝導によって外部へ逃げることを単層方式に比べて大きく抑制することが出来る。

透過薄板或いは集熱レンズ９ａ，９ｂをプラスチック材等で形成する場合、温度上昇によって変形し、お互いに接触することがあり、その場合には複層構造の効果が失われる。そのために各層の板が接触しないようにスペーサー１０を適切な間隔で接着剤によって設ける。これによって、高温状態でも層間の間隔が維持されて、複層構造の効果を発揮できる。

集熱板の側面、および裏面は断熱材１１を設けることで、集熱板２，３，４および、層間の空間１２に蓄積された熱の外部への漏洩を抑制する。集熱レンズを設ける場合には、レンズと集熱板間の距離、すなわち結像の大きさを決める焦点距離の調整は、側面の断熱材１１の深さを調節することで行う。

各層の間に形成される空間１２および１３の全層或いは第一層１３に充填兼放出管１４を経由して２酸化炭素を充満し、充満後は栓等によって閉鎖する。これによって２酸化炭素の赤外線吸収効果を利用できるために、空間１２或いは１３の気体温度を数度上昇させ、集熱板２，３，４の温度上昇が可能となる。同時に密度×比熱で表される熱容量が２酸化炭素の場合は空気の約１．２〜１．３倍と大きいために、熱の保持時間を長く取ることが出来る。

熱電変換モジュール１はその構成材料に応じた安全温度がある。従って何らかの温度警報装置の設置が必要となる。集熱板２の熱電変換モジュール１に近い位置に温度センサー１４を取り付け、温度信号を外部に送り、所定の温度を超えた場合には警報を発する構成とする。

一方冷却面は重力の加速度方向１５に、水冷ジャケット５および冷却水タンク１６の上下方向を合わせて設け、水冷ジャケット５の上面および下面、および冷却水タンク１６の上面および下面をそれぞれに繋ぐ冷却水を流す可撓式の管１７，１８を設けて、水冷ジャケットと冷却水面１９の冷却水タンクとを連結した構造とする。冷却水を送る管１８には断熱材を設け、流れの途中での昇温を抑える。

先ず熱電変換モジュール１によって暖められ、密度が小さくなった冷却水は、水冷ジャケット５の上端から管１７を経由して冷却水タンク１６の上端に流れ、一方、冷却水タンク１６の下端からは管１８を経由して水冷ジャケット５の下端へと導かれて、水冷ジャケット５と冷却水タンク１６の間で、冷却水の自然循環が発生する。従ってポンプ等の外力を必要としない。

次に、昼間に太陽光の熱で集熱した場合に、冷却水タンク１６にたまった温暖水は、受熱部面を集熱板２，３，４が天空斜め上方を向くように、装置に設けた回転軸２０ａ、２０ｂおよびそれの支持台２１ａ，２１ｂによって全体構造を傾斜させることによって、天空からの放射冷却を利用して、昼間とは逆に集熱板２，３，４が冷却され、変換モジュール１を介して、熱が奪われ、水冷ジャケット５内の水が冷却される。その結果、水冷ジャケット５と冷却水タンク１６の間で、自然対流に基づく逆の水流が発生して、温暖水は水冷ジャケット５と冷却水タンク１６の上部から、冷却水は同じく相互に循環して、結果として冷却水タンク１６には下部から冷却復元された冷却水が蓄積される。

このようにして冷却水の循環に外部動力を使わずに、且つ、繰り返し使用されるために、水の供給は自然蒸発分の補充分に留まり、省エネルギーならびに省資源化が可能である。放射冷却を利用した上記冷却水の再生時は、装置の傾斜は８０度程度を限界とし、冷却水タンク１６内の上部に形成された温暖水から先に水冷ジャケット５に流れるようにして、冷却水の再生効率を上げる。

冷却水の再生操作の間、熱電変換モジュール１には、逆方向の熱流が流れるために、昼間とは正極、負極が逆の起電力が発生し、これを電力として取り出すことが可能である。

また、水冷ジャケット５と冷却水タンク１６とをつなぐ管１７および管１８は全体構造を傾斜させる場合に、回転に支障をきたさない十分な長さを確保しておく必要がある。特に下端の管１８については長さに余裕を持つことが必要である。

これらの機能と作用をまとめると、例えば昼間に、比較的弱い放熱密度の熱源からの熱を、効率的に集熱し、変換モジュールへ導き順方向の発電がなされ、一方冷却源の冷却水は自然対流によって、無動力で供給される。一方、夜間には一旦暖まった温暖水は天空への放射冷却によって、冷却能力を復元し、その間に逆方向の発電が行われ、再び循環する。

以上のように本実施形態によれば、一連のサイクルを通して、省エネルギーならびに省資源を図りつつ、効率的な熱電変換発電が可能となるものである。

この発明の一実施形態を示す、冷却水タンクも含めた全体装置の横断面図である。重力方向と本装置の設置方向との関係も記す。 同熱源面から見た正面図である。回転軸と同架台との関係を示す。 同冷却面から見た背面図である。 同発電主要部を熱源面の上斜めから見た斜視図である。 従来技術を示す断面図である。

符号の説明

１：熱電変換モジュール
２：集熱板、第１
３：集熱板、第２
４：集熱板、第３
５：水冷ジャケット
６：断熱ボルト
７：伝熱スペーサー
８：ボルト
９ａ：透過薄板、或いは集光レンズ
９ｂ：透過薄板
１０：スペーサー
１１：断熱材
１２：空間、第１、第２
１３：空間、第３
１４：温度センサー
１５：重力の加速度方向
１６：冷却水タンク
１７：可撓式の管、上
１８：可撓式の管、下
１９：冷却水面
２０ａ：垂直回転軸
２０ｂ：水平回転軸
２１ａ：垂直回転軸支持台
２１ｂ：水平回転軸支持台
２２：熱媒体
２３：受熱面
２４：熱電変換モジュール
２５：冷却水出口
２６：冷却水ジャケット
２７：冷却水管
２８：冷却水ポンプ

Claims (8)

1. 受熱部に熱電変換モジュールの面積より大幅に大きい面積の集熱板を設け、裏面には断熱材を設け、且つ、前記変換モジュールに近付くにつれて段階的に板厚を大きくした前記集熱板構造を持った、或いは受熱部に集光作用を有する集光レンズ、例えばフレネルレンズを設け、本レンズを通り収束した熱線によって、前記変換モジュールを取り付けた集熱板を集中的に加熱する単一板厚の集熱板構造を持った熱電変換発電装置。
2. 前記熱電変換モジュールの冷却部に冷却水のジャケットを設け、前記ジャケットの下端と上端に単管を取り付け、前記単管を別置きの大型冷却水タンクに繋ぐ請求項１記載の熱電変換発電装置。
3. 前記集熱板と前記冷却水ジャケットおよび変換モジュールからなる、発電体の主要部の側面および底面に、それぞれ垂直および水平方向の回転軸を設け、任意の垂直、水平角度に回転できるようにした請求項１記載の熱電変換発電装置。
4. 通常は前記集熱板から前記冷却水ジャケット方向の熱流で発電し、冷却水再生時には逆に前記冷却水ジャケットから前記集熱板方向の熱流で発電する請求項１記載の熱電変換発電装置。
5. 前記受熱部分は、最外部の透明板の内側に、或いは前記のフレネルレンズの内側に、透明のガラス、アクリル或いはポリエチレン等の薄板を数ミリメーター間隔で単層或いは複数層設けて、前記薄板同士が接触しないように適当な間隔でスペーサーを設け、周囲を固定した気密構造とした請求項１記載の熱電変換発電装置。
6. 前記複数層の空間には２酸化炭素ガスを封入した請求項１記載の熱電変換発電装置。
7. 前記集熱板に温度検知用のセンサーを持ち、前記集熱板の温度が一定値を超えたら警報を発する請求項１記載の熱電変換発電装置。
8. 前記集熱板と前記冷却水ジャケットを貫通して、設けたプラスチック等の断熱ボルトによって、前記変換モジュール本体のみ、或いは前記変換モジュールおよび銅製或いはアルミ製の板を重ねて圧着固定した請求項１記載の熱電変換発電装置。

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