JP2010505384A - 改良された工業用熱電式発電機 - Google Patents

Abstract

工業用熱電式発電アセンブリ（１００）及び方法（２００）が提供される。複数の熱電式発電要素（１０４）が提供される。各要素は、第一の面、第一の面とは反対側の第二の面及び側面を有する。断熱材（１０２）が各熱電要素（１０４）の側面を包囲する。各電熱要素の第一の面は、プロセス熱源（１０６）と接触するように配置され、第二の面は、周囲環境に暴露されるように構成されている。複数の熱電式発電要素（１０４）の少なくとも二つが直列に配線されている。熱電式発電要素（１０４）は、良好な断熱材であるため、良好な断熱をプロセスに提供する。プロセス内の抑制する熱（それが望ましい）が電気に変換される。

Description

工業プロセスは膨大な量の熱エネルギーを発生させる。少なくとも一つの調査によると、アメリカ合衆国内の化学工業、石油精製所及び林業で発生する熱の量は約６，０００兆Btuのオーダである。この数字は、他のプロセス及び産業、たとえばボイラ、食品、エネルギー、金属及び冶金、暖房・換気・空調（ＨＶＡＣ）ならびに多くの他の産業で発生する熱を含まない。６，０００兆Btuは約５０億米ドルに等しい。その６，０００兆Btuのうち５２％しか利用されておらず、残りのエネルギーは廃棄又は他のかたちで環境に失われていると考えられる。

大規模熱電式発電機は公知である。たとえば、米国特許第４，７３４，１３９号は、一連の個々の熱電半導体モジュールと接触した高温側熱交換機とで形成されている熱電式発電機モジュールを提供する。半導体モジュールは、熱がモジュールを通って流れるように配設されている。各半導体モジュールは、それらの出力が合わされて多量の電力を発生させるように電気的に結合されている。

熱電材料は、公知の物理的概念にしたがって、熱電式発電機における温度勾配に応答して電流を発生させる。

工業環境では、熱間プロセスは一般に、熱間プロセスから流れる不要な熱を抑制する又はほかのやり方で最小限にするために断熱される。この断熱が、プロセスの効率を高めると同時に施設そのものの安全を促進する。絶縁は、いくつかの断熱材の層で構成することができる。断熱材の厚さは、多くの場合、要件に依存して、数インチ〜数十インチの間で異なることができる。

熱電式発電機を利用して、本来ならば廃棄されるであろうすべての工業熱エネルギーを電気に変換することが有用であるが、断熱のための実体面の必要性は、一般に、熱電式発電原理のプロセスへの簡単な応用が法外な費用を要するという程度において熱流を用いることを抑制する。そのうえ、熱電式発電機の熱流経路における断熱材の提供は、熱電式発電機における温度勾配を減らし、ひいては発電効率を下げる。

多量の電気を提供することができると同時に断熱性をプロセスに提供する工業用大規模熱電式発電機を提供することは、プロセス効率を高めながらも本来ならば失われるエネルギーを再生することにおける重要なステップとなるであろう。

工業用熱電式発電アセンブリ及び方法が提供される。複数の熱電式発電要素が提供される。各要素は、第一の面、第一の面とは反対側の第二の面及び側面を有する。断熱材が各熱電要素の側面を包囲する。各電熱要素の第一の面は、プロセス熱源と接触するように配置され、第二の側は、周囲環境に暴露されるように構成されている。複数の熱電式発電要素の少なくとも二つが直列に配線されている。熱電式発電要素は、良好な断熱材であるため、良好な断熱をプロセスに提供する。プロセス内の抑制する熱（それが望ましい）が電気に変換される。

本発明の実施態様の断熱性熱電式工業用発電機の図である。 直列に接続された多数の熱電式発電モジュールの略図である。 異なる温度勾配に対して４個の熱電式発電モジュールから発生させた電力のチャートである。 本発明の実施態様にしたがってプロセス流体導管の周囲に配置された熱電式発電アセンブリの図である。 図４に示すシステムの断面図である。 本発明の実施態様にしたがって熱電式発電アレイを利用する方法の流れ図である。

図１は、本発明の実施形態の断熱性熱電式工業用発電機の図である。発電機１００は、絶縁層１０２に隣接して配置され、絶縁層の中に封入された複数の別個の熱電式発電モジュールを含む。図１に示すように、絶縁層１０２の中に埋め込まれたかなりの数の熱電式モジュール１０４があってもよい。熱電式発電モジュール１０４に使用される適当な材料の例は、第III族、第IV族及び第Ｖ族の半導体元素を含む。これらの材料は、良好な断熱材でもあるという点で、熱電式発電に特に有用である。さらには、熱電式発電モジュール１０４を断熱モジュール１０２で包囲することにより、工業熱源、たとえば薬浴又はホットパイプからの熱が本質的に集束して、熱発電モジュール１０４を通過して流れるようになる。さらには、比較的多数の別個の熱電式発電モジュール１０４の利用が、アセンブリ１００全体が比較的可撓性になり、様々な形状にフィットすることができることを保証するのに役立つ。

図２は、直列に接続された多数の熱電式発電モジュールの略図である。多数の熱電式発電モジュール１０４を直列に配置することにより、回路から利用可能な全電力は、各熱電式発電モジュール１０４から利用可能な電力の和となる。さらには、適当な数の熱電式発電モジュール１０４を直列に配設したのち、合わせた直列回路を互いに並列に配設することにより、電圧及び／又は電流を自在に調節することができる。これは、本質的に、熱電式発電モジュール１０４の行列を生成する。

図３は、異なる温度勾配に対して４個の熱電式発電モジュールから発生させた電力のチャートである。図３は、４個の熱電式発電モジュールが、合わさると、約５０℃の温度勾配で、合計１８３ミリワット、４．４ボルトを発生させることができることを示す。これは、各ソリッドステート熱電式発電モジュールが、５０℃の温度勾配で、４５．７５ミリワット、１．１ボルトを発生させることを意味する。これらの数値を補外すると、長さ１メートルの断熱性熱電式発電モジュール１００の場合、２０個の熱電式発電モジュール１０４を一つの特定の行又はラインに埋め込むことができる。直径１フィートのパイプの場合、その円周は約３８インチである。円周に沿って２０個の熱電式発電モジュール１０４を列に埋め込むことができる。したがって、長さ方向に２０個の熱電式発電モジュール×幅方向に２０個の熱電式発電モジュールで構成される行列全体は、互いに協働する４００個の熱電式発電モジュール１０４を提供する。発生する電力は、４５．７５ミリワット×４００＝１．８３キロワットであると推定される。さらに、電圧は、１．１ボルト×４００＝４４０ボルトであると推定される。これは、実質的な工業用発電である。

図４は、本発明の実施形態にしたがってプロセス流体導管の周囲に設けられたアセンブリ１００の図である。アセンブリ１００は、比較的高温のプロセス流体（プロセス気体、プロセス液体又はそれらの組み合わせ）を運ぶパイプ１０６の外周に配置されている。パイプ１０６内のプロセス流体は室温に対して高温である。高温は、図４でＴ_hotと示されている。さらには、室温はＴ_coldと示されている。図４に示すように、各熱電式発電モジュール１０４は、パイプと直に接触し、したがって温度Ｔ_hotに維持される第一の面を有する。各熱電式発電モジュールはまた、第一の面とは反対側の第二の面を含む。第二の面は周囲環境Ｔ_coldに接触する。各熱電式発電モジュールは、断熱材と直に接触する、第一の面と第二の面との間を延びる側面を有する。したがって、各熱電式モジュール１０４は、プロセス流体導管１０６との接点から周囲環境１０８までの直接的な熱経路を提供する。全温度勾配（Ｔ_hot−Ｔ_cold）が作用し、熱電式発電モジュール１０４のおかげで電気を発生させる。熱電式発電モジュール１０４と熱電式発電モジュール１０４との間には断熱材１０２が配置され、プロセス流体導管１０６から流れるすべての熱エネルギーが熱電式発電モジュール１０４を通過することを保証するのに役立つ。いくつかの熱電式発電モジュール１０４の電気的結合が１対の端子１１０、１１２を提供し、これらの端子が、協働する熱電式発電モジュール１０４によって発生する電力へのアクセスを提供する。

端子１１０、１１２は、システム１００の近くに配置された、所望の機能を実行するための局所装置に結合することができる。たとえば、端子１１０、１１２は、フィールド装置を駆動するためにフィールド装置に結合することができる。これは、ワイヤレスで通信するフィールド装置の場合に特に有利である。しかし、システム１００から利用可能である実質的な量の電力をもってすると、端子１００、１１２を適当な本質安全バリヤに結合し、使用して、プロセス通信ループ上の何らかのノードがワイヤレスに通信する配線プロセス通信ループ全体を本質的に駆動することができると考えられる。したがって、システム１００は、一つ又は多数のフィールド装置を本質的に駆動することができる。

フィールド装置は、工業的状況、たとえば石油精製所及び化学処理施設で作動してプロセス制御を容易にする公知の装置である。フィールド装置の例は、プロセス圧力トランスミッタ、プロセス温度トランスミッタ、プロセス流体流量トランスミッタ、プロセスレベルトランスミッタ、弁アクチュエータ、ソレノイドなどを含む。

本発明のもう一つの実施形態にしたがって、端子１１０、１１２はまた、貯蔵施設、たとえばバッテリのバンク又はキャパシタに結合することもできる。これに関して、熱電式発電モジュール１０４によって電気に変換された熱エネルギーは、後で使用するために貯蔵することができる。そのような後での使用の例は、貯蔵された電気を個々の熱電式発電モジュール１０４に通すことによって熱電式発電モジュール１０４の作動を逆転させて、導管１０６内を流れるプロセス流体の熱制御を実施することを含む。したがって、たとえば、プロセスが定常状態条件で稼働するとき、本来ならば廃棄されるであろう熱損失を、後で使用するために貯蔵されるエネルギーに変換することができる。その後、プロセスを再始動し、導管１０６内のプロセス流体１０６を加熱しなければならないならば、貯蔵されたエネルギーを本質的にプロセス流体導管１０６に戻して、その中を流れるプロセス流体をより速やかに加熱することができる。

図５は、図４に示すシステムの断面図である。図５は、多数の熱伝導プレート１１４が個々の熱電式発電要素１１６に結合され、それらの熱電式発電要素１１６が冷温側熱伝導体１１８に結合されている状態を示す。断熱材１０２が熱伝導体１１４及び１１６を包囲して、システムを通過する主要な熱流が熱電式発電要素１１６を経由するようにしている。確かなこととして、非常に簡単な形状を有する熱源、たとえば大きな薬浴の平坦な側面の場合、伝導体１１４、１１８の利用を大幅に簡素化することができ、省くことさえできる。

断熱材１０２は適当な形態を有することができる。好ましくは、断熱材１０２は、電気伝導性ではなく、プロセス流体導管が作動するときに付されると予想される最高温度に耐えるように選択される。断熱材１０６の非常に高温の例は、固体及び織物形態のセラミックスならびに他の無機断熱材を含む。さらには、より低温の作動の場合、種々のポリマーを使用することができる。そのようなポリマーの適当な例は、ネオプレン及び／又はシリコーンゴムを含む。

図６は、本発明の実施形態にしたがって熱電式発電アレイを利用する方法の流れ図である。方法２００はブロック２０２で始まる。ブロック２０２で、断熱性熱電式発電アレイをプロセス熱源に熱的に結合する。先に述べたように、プロセス熱源は、高温の熱浴、プロセス流体を高温で運搬もしくは貯蔵するプロセス流体導管もしくは容器、又は他の適当な熱源を含むことができる。ブロック２０４で、熱電式発電アレイが電力を発生させ、その電力を少なくとも一つの取り付けられたフィールド装置に提供する。これがブロック２０４に示されている。フィールド装置は、プロセス変量トランスミッタ（ブロック２０６）、ワイヤレス又は配線プロセス通信プロトコルを介して通信するように適合された通信装置（ブロック２０８に示す）、アラーム（視覚的及び／又は聴覚的アラームを発生させる、又はプロセス通信信号を介してアラーム信号を発する局所アラーム）（ブロック２１０に示す）及び／又は適当なアルゴリズム又は計算を実行して、入力信号に関して意味のある診断情報を提供することができる診断装置（ブロック２１２に示す）であることができる。そして、ブロック２１４で、取り付けられたフィールド装置は、プロセス熱の何らかの局面を示す通信信号を発する。熱電式発電アレイからの励起信号はプロセス熱源と周囲環境との間の温度差に基づくため、利用可能な電力の実際のレベルはフィールド装置によって診断入力として使用されることができる。追加的又は代替的に、フィールド装置は、プロセス熱源に結合された温度センサを使用するだけで温度を直接計測することができる。さらには、他の適当なプロセス変量及び／又は関連情報をフィールド装置によって通信することができる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを理解するであろう。たとえば、ソリッドステートモジュールに関連して熱電式発電モジュールを概説したが、塗料又はコーティングのようなナノスケール熱電材料を使用することもできる。

Claims (25)

1. 第一の面、前記第一の面とは反対側の第二の面及び側面をそれぞれが有する複数の熱電式発電モジュール、
   各熱電式発電モジュールの前記側面を包囲する断熱材
   を含み、
   各熱電式モジュールの前記第一の面がプロセス熱源と接触するように配置され、前記第二の面が周囲環境に暴露されるように構成されており、
   前記複数の熱電式発電モジュールの少なくとも二つが直列に配線されている工業用熱電式発電アセンブリ。
2. 前記熱電式発電モジュールの少なくとも一つがナノスケール熱電式発電モジュールである、請求項１記載の工業用熱電式発電機アセンブリ。
3. 前記プロセス熱源が薬浴である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
4. 前記プロセス熱源がプロセス流体導管である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
5. 前記プロセス熱源が蒸気パイプである、請求項４記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
6. 前記プロセス熱源が温水ラインである、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
7. 前記プロセス熱源が熱流である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
8. 前記プロセス熱源が熱浴である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
9. 前記プロセス熱源が熱交換機である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
10. 前記プロセス熱源がプロセス流体容器である、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
11. 前記複数の熱電式発電モジュールに動作的に結合された少なくとも一つのフィールド装置をさらに含み、前記少なくとも一つのフィールド装置が前記複数の熱電式発電モジュールによって提供される電気によって駆動される、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
12. 前記フィールド装置がプロセス通信を提供する、請求項１１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
13. 前記フィールド装置がプロセス変量トランスミッタである、請求項１１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
14. 前記フィールド装置が前記プロセス熱源に関する診断機能を提供する、請求項１１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
15. 前記フィールド装置が前記プロセス熱源に関するアラームを提供する、請求項１１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
16. 前記複数の熱電式発電モジュールに動作的に結合された電気貯蔵装置をさらに含む、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
17. 前記電気貯蔵装置が少なくとも一つの充電式バッテリを含む、請求項１６記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
18. 前記電気貯蔵装置が少なくとも一つのキャパシタを含む、請求項１６記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
19. 約１．８キロワットを発生させる、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
20. 各熱電式発電モジュールがソリッドステート熱電式発電モジュールである、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
21. 各熱電式発電モジュールが、約５０℃の温度勾配に暴露された場合、約４５ミリワットを発生させる、請求項２０記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
22. 前記熱電式発電モジュールが前記断熱材に埋め込まれている、請求項１記載の工業用熱電式発電アセンブリ。
23. プロセスシステム中の廃熱を回収する方法であって、
    第一の面、第二の面及びそれらの間の側面をそれぞれが有する複数の熱電式モジュールをプロセスシステム中の熱源に熱的に結合するステップ、
    前記熱電式モジュールの前記側面を断熱するステップ、及び
    少なくとも二つの熱電式モジュールが互いに直列するように前記複数の熱電式モジュールを配線するステップ
    を含む方法。
24. 少なくとも一つのフィールド装置を前記複数の熱電式モジュールに結合するステップをさらに含む、請求項２３記載の方法。
25. 少なくともいくらかの電力を電気貯蔵装置に貯蔵するステップをさらに含む、請求項２３記載の方法。

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