JP2011061027A

JP2011061027A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP2011061027A
Application number: JP2009209528A
Authority: JP
Inventors: Tadanao Miura; 格直三浦; Isamu Miki; 勇三木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】低コストで発電効率の良い熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱源に巻き付け装着される熱電素子44を有するカバーアッセンブリ40と、発電電力を取り出す出力取出線51とを具備する熱電発電装置であって、前記カバーアッセンブリ40は、巻き付け装着時に熱源側に配置される高温側カバー層41,41Aと、高温側カバー層に熱電素子44の一方側が接触するように熱電素子を保持する断熱層43と、巻き付け装着時に熱源から離間して配置され、熱電素子44の他方側が接触する低温側カバー層45,45Bと、巻き付け装着時に外周側から高温側カバー層および低温側カバー層を加圧し、高温側カバー層と熱源との相互間の接触、熱電素子と高温側カバー層との相互間の接触、および熱電素子と低温側カバー層との相互間の接触をそれぞれ促進させる加圧層47,45Bとを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、各種プラントからの排熱を利用して発電を行う熱電発電装置に関する。

熱電素子は、例えば特許文献１〜３に記載されているように電気エネルギを熱エネルギに変換するか、または熱エネルギを電気エネルギに変換する利用のされ方がある。後者の利用のされ方は熱電発電と呼ばれている。

従来の熱電発電装置は、熱電素子の両極において温度差を得るために温水流路と冷水流路を備えている。

特開平６−１７３７８７号公報特開２００８−４１８７１号公報特開平２−１５１０８７号公報

しかし、従来の熱電発電装置においては、熱電素子に向けて温水と冷水をそれぞれ流すための流路が必要になるばかりでなく、温水と冷水を得るために既設配管を改造することが更に必要になり、設備コストが増加する。

また、得られる温度差についても多くても７０℃程度（熱電素子端では４０℃程度）であるため、より大きな温度差で効率の良い発電を行う必要がある。

さらに、熱電素子に外部から圧力をかけることにより、高温側部材−熱電素子端間および低温側部材−熱電素子端間での熱交換効率をそれぞれ向上させることができる。このため、熱電素子に圧力をかける加圧機構を設ける必要があるが、熱電素子が故障したときに、この加圧機構を含めて簡易に交換を行えることが望まれる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、低コストで発電効率の良い熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電装置は、熱源との温度差を利用して熱電発電する熱電素子を有し、該熱電素子に熱源からの熱が伝導されるように熱源に巻き付け装着されるカバーアッセンブリと、前記熱電素子により発電された電力を取り出す出力取出線と、を具備する熱電発電装置であって、前記カバーアッセンブリは、巻き付け装着時に熱源側に配置される高温側カバー層と、前記高温側カバー層に前記熱電素子の一方側が接触するように前記熱電素子を保持する断熱層と、巻き付け装着時に熱源から離間して配置され、前記熱電素子の他方側が接触する低温側カバー層と、巻き付け装着時に外周側から前記高温側カバー層および前記低温側カバー層を加圧し、前記高温側カバー層と熱源との相互間の接触、前記熱電素子と前記高温側カバー層との相互間の接触、および前記熱電素子と前記低温側カバー層との相互間の接触をそれぞれ促進させる加圧層と、を有することを特徴とする。

本発明において、上記の高温側カバー層を袋状に形成し、このなかにグリセリンのような流動性の伝熱媒体を充填することが好ましい。このような流動性伝熱媒体を袋状の高温側カバー層内に充填することにより、熱源である既設配管がどのような形状であっても、その形状に応じてカバーアッセンブリを配管に巻き付けることができる。このため、高温側に新たな伝熱流路を取り付ける必要がなく、簡易な構造で、高い伝熱効率で熱電発電を行うことができる。

本発明において、上記の低温側カバー層内に冷媒流路を形成してもよいし、また、低温側カバー層の外表面を凹凸状のじゃばら構造としてもよいし、また、これらを組み合わせるようにしてもよい。これらの冷却手段により低温側カバー層を効率よく冷却することにより、これに接触する熱電素子の他方側の温度が降下するので、発電効率が向上する。

本発明によれば、既存配管に熱電素子を内蔵したカバーアッセンブリを巻き付ける構造とすることにより、既設配管の改造が不要になるため、従来と比べて取り付け作業が容易になり、設置コストが削減されるとともに、保守点検時の取り外し作業が容易になり、メンテナンスコストも削減される。

また、本発明によれば、高温側カバー層の伝熱媒体として水以外の流動性物質、例えばグリセリンを用いることによって、より大きな温度差が得られる。

さらに、本発明によれば、加圧層によりカバーアッセンブリの外周側から圧力を掛けて、効率よく発電を行うことができる。

高温配管に適用された本発明の熱電発電装置を示す構成ブロック図。本発明の実施形態に係る熱電発電装置の非装着状態（展開した状態）を示す斜視図。本発明の実施形態に係る熱電発電装置の装着状態（巻き付けた状態）を示す斜視図。本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置を示す断面模式図。本発明の第２の実施形態に係る熱電発電装置を示す断面模式図。本発明の第３の実施形態に係る熱電発電装置を示す断面模式図。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

先ず図１〜図４を参照して本発明に係る熱電発電装置がどのようなところにどのようにして適用されるかについて概要を説明する。

図１に示すように、火力発電プラントにおいてボイラ１から排熱回収用熱交換器２までの間にボイラ排ガス配管３が敷設されており、このボイラ排ガス配管３の適所に本発明の熱電発電装置４が取り付けられている。熱電発電装置４は、図２に示すように、展開した状態においてほぼ一様な幅で所定長さのカバーアッセンブリ４０を有するものである。

カバーアッセンブリ４０は、ほぼ全面にわたり縦横格子状に配列・配置された複数の熱電素子４４を内蔵している。これらの熱電素子４４は、内部配線によって直列に順次接続され、両端が出力取出し用の正負一対のリード線５１に接続され、さらにリード線５１を介して図示しないインバータに発電電力を出力するように接続されている。なお、図中にて符号４８は冷媒供給路を、符号４９は冷媒排出路を、符号５０は冷却器をそれぞれ示す。

図３に示すように、熱電発電装置４のカバーアッセンブリ４０は、高温のボイラ排ガスが内部を流れる配管３の外周に巻き付けられ、巻き解けないように図示しないワイヤ等で縛りつけられている。各種プラントにおける既存配管の多くは断面が円形状となっており、これまでプラントの排熱を利用して熱電発電を行おうとする場合、既設配管の改造を必要とする場合が多かった。これに対応して、図２と図３に示すように既設配管に対応した形状の熱電素子内蔵カバーアッセンブリ４０を取り付けることにより、熱電発電のための既設配管改造が不要となり、より容易に設置を行える。

この巻き付け状態において、冷媒供給路４８を介して冷却器５０から冷媒としての冷却水がカバーアッセンブリ４０の内部流路に供給されるとともに、冷媒排出路４９を介してカバーアッセンブリ４０の内部流路から冷却水が排出されるようになっている。なお、図示の例では冷媒供給路４８→冷媒排出路４９→冷却器５０を循環回路としているが、冷媒排出路４９の冷却後冷媒を冷却器５０に戻さないで系外に排出するようにもできる。

（第１の実施形態)
次に図４を参照して第１の実施形態の熱電発電装置を詳しく説明する。

本実施形態の熱電発電装置４のカバーアッセンブリ４０は、熱源となる配管３に巻き付けた状態において配管側から順に、高温側カバー層４１、複数の熱電素子４４を有する断熱層４３、冷媒流路４６を有する低温側カバー層４５、および加圧層４７を有する。これらの層４１〜４７は、接着剤による接着および／または冷間プレスおよび／または熱間プレスおよび／または熱間静水圧プレス（HIP）を用いて緊密に接着され、一体成形されている。

熱電素子４４の材料としてシリコンゲルマニウム系（ＳｉＧｅ系）化合物、ベータ鉄二珪化物系（β−ＦｅＳｉ₂系）化合物またはCo_xFe_3-xO₄で表されるスピネル型酸化物に含まれる鉄コバルト系酸化物などを用いることができる。例えばシリコンゲルマニウム系（ＳｉＧｅ系）化合物熱電材料は、耐熱性に優れており、ボロンやリン等の元素を少量添加することにより電気伝導型をｐ型やｎ型に制御できるという利点がある。また、例えばベータ鉄二珪化物系（β−ＦｅＳｉ₂系）化合物熱電材料は、耐熱性に優れており、コバルトやニッケルを鉄の一部と置換することによりｎ型に制御できるという利点がある。

断熱層４３では、熱電素子４４の相互間に所望の断熱材を充填することにより、熱電素子４４の領域以外における高温側カバー層４１から低温側カバー層４５への熱移動（熱交換）を最小限に抑えるようにしている。また、低温側カバー層４５において、内部流路４６に冷却水を循環させ、さらに、その外側に加圧層４７を設けることにより、低温側カバー層４５と熱電素子４４との間の熱交換効率を向上させるようにしている。加圧層４７は、加圧空気が導入されて体積膨張するエアバッグ構造を成すものである。

本実施形態によれば、既存配管に熱電素子を内蔵したカバーアッセンブリを巻き付ける構造とすることにより、既設配管の改造が不要になるため、従来と比べて取り付け作業が容易になり、設置コストが削減されるとともに、保守点検時の取り外し作業が容易になり、メンテナンスコストも削減される。

（第２の実施形態)
次に図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明を省略する。

本実施形態の熱電発電装置４Ａのカバーアッセンブリ４０Ａにおいては、高温側カバー層４１Ａを袋状とし、図５に示すように袋状の高温側カバー層４１Ａのなかに流動性の伝熱媒体としてのグリセリン４２を充填している。

本実施形態によれば、既設配管３が凹凸のある形状であっても、その形状に合わせてカバーアッセンブリ４０Ａを容易に変形することができる。また、水ではなく流動性の伝熱媒体として沸点が１００℃以上あるグリセリン（沸点約２９０℃)を使用すると、水を使用した場合よりも大きな温度差で熱電発電を行うことができる。また、グリセリンは、既存配管の温度が３００℃未満である場合には沸騰して気体となる可能性がないため、常に滞留させておくことが可能であり、新たな流路を構築する必要が無いという利点がある。

（第３の実施形態)
次に図６を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明を省略する。

本実施形態の熱電発電装置４Ｂのカバーアッセンブリ４０Ｂにおいては、図６に示すように、低温側カバー層４５Ｂにじゃばら状の固体構造を採用している。低温側カバー層４５Ｂの外部は気体である空気であり、低温側カバー層４５Ｂが流路を流れる液体でない場合には、熱電素子４４から吸収した熱を外部に効率よく放出する必要がある。そのため、本実施形態では、低温側カバー層４５Ｂの外部との接触部をじゃばら構造とすることにより、より広い面積で低温側カバー層４５Ｂと外部との熱交換を行うこととし、低温側カバー層４５Ｂの温度上昇を極力抑えることができる。

また、本実施形態によれば、低温側カバー層４５Ｂを固体とするため、低温側カバー層４５Ｂ自体が加圧層の役割を果たし、熱電素子４４と低温側カバー層４５Ｂとの熱交換の向上に寄与する。このため、本実施形態は特に、外部空気に流れのある場所や寒冷地に適している。

３…高温配管（熱源）、
４，４Ａ，４Ｂ…熱電発電装置、
４０…カバーアッセンブリ、
４１，４１Ａ…高温側カバー層、４２…伝熱媒体（グリセリン）、
４３…断熱層、４４…熱電素子、
４５…低温側カバー層、
４５Ｂ…低温側カバー層（じゃばら状固体）、
４６…冷媒流路、
４７…加圧層（平板状エアバッグ）、
４８…冷媒供給管、４９…冷媒排出管、
５０…冷却器、５１…出力取出線（リード線）。

Claims

熱源との温度差を利用して熱電発電する熱電素子を有し、該熱電素子に熱源からの熱が伝導されるように熱源に巻き付け装着されるカバーアッセンブリと、前記熱電素子により発電された電力を取り出す出力取出線と、を具備する熱電発電装置であって、
前記カバーアッセンブリは、
巻き付け装着時に熱源側に配置される高温側カバー層と、
前記高温側カバー層に前記熱電素子の一方側が接触するように前記熱電素子を保持する断熱層と、
巻き付け装着時に熱源から離間して配置され、前記熱電素子の他方側が接触する低温側カバー層と、
巻き付け装着時に外周側から前記高温側カバー層および前記低温側カバー層を加圧し、前記高温側カバー層と熱源との相互間の接触、前記熱電素子と前記高温側カバー層との相互間の接触、および前記熱電素子と前記低温側カバー層との相互間の接触をそれぞれ促進させる加圧層と、
を有することを特徴とする熱電発電装置。
前記高温側カバー層が袋状に形成され、前記高温側カバー層のなかに流動性の伝熱媒体が充填されていることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
前記低温側カバー層内に冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の熱電発電装置。
前記低温側カバー層は、外表面が凹凸状のじゃばら構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電発電装置。