JP2011176131A - Thermoelectric generator and thermoelectric power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置および熱電発電システムに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation apparatus and a thermoelectric power generation system using a thermoelectric conversion module that converts heat into electricity.
産業プラント等で生じた熱を有効に利用する技術の1つとして、熱電変換モジュールを用いて発電を行う技術が検討されている。例えば、複数の熱電変換モジュールを、高温配管と低温配管との間に設置し、産業プラント等で生じた高温水を高温配管に流し、低温水を冷配管に流して、その温度差により発電を行うことが考えられる。なお、熱電変換モジュールに関する技術としては、例えば、特許文献1〜3が挙げられる。 As one technique for effectively using heat generated in an industrial plant or the like, a technique for generating power using a thermoelectric conversion module has been studied. For example, a plurality of thermoelectric conversion modules are installed between a high-temperature pipe and a low-temperature pipe, high-temperature water generated in an industrial plant or the like is allowed to flow through the high-temperature pipe, low-temperature water is caused to flow into the cold pipe, and power is generated by the temperature difference. It is possible to do it. In addition, as a technique regarding a thermoelectric conversion module, patent documents 1-3 are mentioned, for example.
一般に、熱電変換モジュールと他の部材との伝達率を高めるためには、ボルトなどを用いて熱電変換モジュールを当該部材に機械的に締め付ける方法などや、ロウ材により接合する方法などが採られる。 In general, in order to increase the transmission rate between the thermoelectric conversion module and another member, a method of mechanically fastening the thermoelectric conversion module to the member using a bolt or the like, a method of joining with a brazing material, or the like is employed.
しかしながら、従来における熱電変換モジュールの取り付け方法では、熱サイクルの繰り返しにより熱膨張率が変化して熱電変換モジュールが破損したり、複数個の熱電モジュールの高さのバラツキによって生じる片当りが要因となって熱電変換モジュールの性能が低下したり、破損が生じたりするといった問題がある。 However, the conventional thermoelectric conversion module mounting method is caused by a change in the coefficient of thermal expansion due to repeated thermal cycles, resulting in damage to the thermoelectric conversion module, or due to a single contact caused by variations in the height of a plurality of thermoelectric modules. Therefore, there is a problem that the performance of the thermoelectric conversion module is deteriorated or damaged.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、熱の伝達効率を向上させると共に破損を抑えることが可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a thermoelectric power generation apparatus and a thermoelectric power generation system capable of improving heat transfer efficiency and suppressing breakage.
本発明の一態様による熱電発電装置は、媒体が流れる配管と、二種類の電極面がそれぞれ第1の絶縁板と第2の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュールとを備え、各熱電変換モジュールの前記第2の絶縁板の表面が接合材を介して前記配管の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュールが設けられていない前記配管の表面が、断熱材で覆われていることを特徴とする。 A thermoelectric power generation device according to an aspect of the present invention includes a pipe through which a medium flows, and a plurality of thermoelectric conversion modules in which two types of electrode surfaces are respectively covered with a first insulating plate and a second insulating plate, The surface of the second insulating plate of each thermoelectric conversion module is attached to the surface of the pipe via a bonding material, and the surface of the pipe where each thermoelectric conversion module is not provided is covered with a heat insulating material. It is characterized by that.
また、本発明の他の態様による熱電発電システムは、前記熱電発電装置を複数台備えるとともに、熱源を備え、前記複数台の熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの前記第1の絶縁板が、前記熱源からの輻射熱を受けるように前記熱源を取り囲んで配置されていることを特徴とする。 The thermoelectric power generation system according to another aspect of the present invention includes a plurality of the thermoelectric power generation devices, a heat source, and the first insulating plate of each thermoelectric conversion module provided in the plurality of thermoelectric power generation devices. The heat source is disposed so as to receive radiant heat from the heat source.
本発明によれば、熱の伝達効率を向上させると共に破損を抑えることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve heat transfer efficiency and suppress breakage.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、図1乃至図5を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る熱電発電装置を媒体の流れの方向に沿った面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。また、図2は、同実施形態に係る熱電発電装置の中央近傍にて媒体の流れと直交する面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a longitudinal cross-sectional shape of the thermoelectric power generation device according to the first embodiment of the present invention, which is cut along a plane along the medium flow direction. Moreover, FIG. 2 is a figure which shows the longitudinal cross-sectional shape at the time of cut | disconnecting in the surface orthogonal to the flow of a medium in the center vicinity of the thermoelectric generator which concerns on the same embodiment.
図1および図2に示される熱電発電装置1は、熱源として200℃以下の比較的低い温度域を対象とするものであり、媒体が流れる配管11と、二種類の電極面がそれぞれ図示しない第1の絶縁板と第2の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュール12とを備え、各熱電変換モジュール12の前記第2の絶縁板の表面が接合材13を介して配管11の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュール12が設けられていない配管11の表面が、断熱材14で覆われている。
The
図3は、図1および図2に示される熱電発電装置1に使用される熱電変換モジュール12の詳細な断面形状を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a detailed cross-sectional shape of the
図3に示されるように、熱電変換モジュール12は、例えば一辺が1mm以上の直方体ないし立方体形状をしたP型半導体素子(熱電変換材料)22aとN型半導体素子(熱電変換材料)22bとが、第1の電極(導電材)20aもしくは第2の電極(導電材)20bを介して直列に接続された構造を有する。第1の電極20aは第1の絶縁板(アルミナ等)21aで覆われており、第2の電極20bは第2の絶縁板(アルミナ等)21bで覆われている。熱電変換材料間の接合(導電材)や熱電変換材料と絶縁板との接合には、例えば、はんだ材が使用される。また、直列接続構造の両端部にある2つの電極には、図示しない配線もしくはリード線を接続するための電極取出し口23a,23bが設けられている。
As shown in FIG. 3, the
このような構成の熱電発電装置1において、各熱電変換モジュール10の第1の絶縁板21aの表面が熱源からの熱により高温となり、第2の絶縁板21bの表面が配管11を流れる媒体などにより低温になると、各熱電変換モジュール10の両面において温度差が生じ、双方の流体が熱交換する過程で半導体素子群21,22において熱電変換が起こり、発電が行われるようになっている。
In the
以下、熱電発電装置1の構成要素について、より詳細に説明する。
Hereinafter, the components of the
各熱電変換モジュールに使用される熱電変換材料は、ビスマスとテルルとを主成分とする材料である。図4に、熱電変換材料の性能の温度依存性を示す。この図4に示されるように、熱源として200℃以下の比較的低い温度域を対象とする場合、この温度域において高い無次元性能指数を示すBi−Te系の材料を熱電変換モジュール10に使用することが望ましいことがわかる。具体的な材料の例としては、Te添加p型材料に(Bi2Te3)25(Sb2Te3)75、SbI3添加n型材料に(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10を適用することが挙げられる。
The thermoelectric conversion material used for each thermoelectric conversion module is a material mainly composed of bismuth and tellurium. FIG. 4 shows the temperature dependence of the performance of the thermoelectric conversion material. As shown in FIG. 4, when a relatively low temperature range of 200 ° C. or less is used as a heat source, a Bi-Te material showing a high dimensionless figure of merit is used for the
配管11を流れる媒体は、水、絶縁油、またはシリコンからなる液体または気体である。その場合、媒体の温度は、熱電変換モジュールでの温度差を大きくするために常温もしくは常温以下が望ましく、媒体流速は、0.1m/sec以上が望ましい。
The medium flowing through the
一方、配管11の材料は、鋼、ステンレス、銅、アルミ材、またはそれらの少なくとも1つを主成分とする金属材料である。
On the other hand, the material of the
上記熱電変換モジュール12は、媒体が流れる配管11の一面に接合材13で貼り付けられるが、その場合、必要な熱電変換モジュール12の数量は、得たい発電量に応じて適宜検討する。
The
熱電変換モジュール12と配管11の接合に際して、熱電変換モジュール12の接合面は、サンドブラスト等によって粗面にしておくことが望ましい。表面粗さは、十点平均粗さRzで示すと、80〜300μmとすることが望ましい。
When joining the
また、熱電変換モジュール12と配管11の接合に際して、熱電変換モジュールの第2の絶縁板21bの表面(接合面)をあらかじめメタライズした後に、接合材13で配管11と接合することが望ましい。これにより、接合に際し、接合強度を高めることができる。メタライズは、熱電変換モジュール11の第2の絶縁板21bの表面に、アルミまたは銅を用いてCVDまたはPVDにより1〜10μmの薄膜を形成する。あるいは、チタンベースのペースト材を塗布、焼付けて形成してもよい。
Further, when joining the
接合材13は、各熱電変換モジュール11に使用されるはんだ材などの材料よりも低い融点を有する低溶融金属を含むようにする。具体的には、各熱電変換モジュール11に使用されているはんだ材の融点よりも10℃以上低い融点を有する低融点金属を選択する。低融点金属としては、ビスマス−スズ、インジウム−スズ、インジウム−銀、インジウム−ガリウム、インジウム−ビスマス、インジウム、ズズ−亜鉛、スズ−銀が主成分の材料を使用する。
The
また、接合材13は、ペースト状のものを接合部に塗布後焼付ける、または接合材からなる厚さ1〜20μmのシート状のものを接合部に設置して溶融させる。接合材13は、熱サイクル時に発生する応力を緩和するものであることが望ましい。
Further, the
また、接合材13は、低溶融金属と導電材との混合材からなるものとしてもよい。その場合、導電材は、炭素を主成分とする繊維状もしくは粒状の物が混ざった材料とする。このように低溶融金属に導電材を混合すると、接合材13中での熱伝導が高まり、より大きな発電量を得ることができる。
Further, the bonding
さらに、配管11内の媒体と外部間との熱の移動を制御する目的で、配管11の一面に複数個の熱電変換モジュールを接合材で貼り付けた後、配管のその他の露出部を断熱材14で覆うが、この断熱材14の厚さは、接合材13を含めた熱電変換モジュール12の厚さよりも小さくする。
Furthermore, for the purpose of controlling the movement of heat between the medium in the
このような構成の熱電発電装置1は、各熱電変換モジュール10の第1の絶縁板21a(図3参照)の表面が熱源側を向くように設置される。これにより、各熱電変換モジュール10の第1の絶縁板21aは、熱源からの熱を受けて、高温面となる。一方、媒体が流れる配管11の表面に接合材13を介して接合されている第2の絶縁板21bは、低温面となる。これにより、各熱電変換モジュール10の両面において温度差が生じ、熱交換により熱電変換が起こり、発電が行われる。
The
なお、図1には示されていないが、当該熱電発電装置1と、周知のインバータ、コントローラ、パワーコンディショナ、バッテリ、コンデンサ等とを組み合わせることにより、発電された直流の電気から、直流/交流変換を行って、交流を得るようにしてもよい。用途によっては、発電された直流の電気をそのまま使用しても良い。
Although not shown in FIG. 1, by combining the
図5は、本実施形態に係る熱電発電システムを繰り返して使用した際の発電性能を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the power generation performance when the thermoelectric power generation system according to this embodiment is used repeatedly.
図5のグラフにおいては、横軸は繰り返し回数(発電を実施した回数)を示し、縦軸は発電性能(=N回繰り返し時の発電量/初期発電量)を示す。このグラフからわかるように、本実施形態に係る熱電発電システムでは、4000回繰り返しても発電性能に大きな低下は見られず、複数個の熱電変換モジュールに機械的な負荷を与えることなく、熱の伝達が大きい熱電発電システムを実現できることがわかる。発電性能を向上させている理由の一つとしては、接合材が熱サイクル時に発生する応力を緩和していることが挙げられある。 In the graph of FIG. 5, the horizontal axis indicates the number of repetitions (the number of times power generation has been performed), and the vertical axis indicates the power generation performance (= the power generation amount at the time of repeating N times / initial power generation amount). As can be seen from this graph, in the thermoelectric power generation system according to the present embodiment, no significant decrease in power generation performance is observed even after repeating 4000 times, and no thermal load is applied to a plurality of thermoelectric conversion modules. It can be seen that a thermoelectric power generation system with large transmission can be realized. One of the reasons for improving the power generation performance is that the bonding material relaxes the stress generated during the thermal cycle.
このように第1の実施形態によれば、複数個の熱電モジュールを機械的に締め付けずに、200℃以下の熱源雰囲気下での熱の伝達効率が高く、破損を抑えることのできる熱電発電装置を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment, a thermoelectric power generation device that has high heat transfer efficiency under a heat source atmosphere of 200 ° C. or less and can suppress breakage without mechanically fastening a plurality of thermoelectric modules. Can be realized.
(第2の実施形態)
次に、図6乃至図9を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
なお、この第2の実施形態においては、図2に示した第1の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 In the second embodiment, parts that are the same as those in the first embodiment shown in FIG. 2 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. Below, it demonstrates centering on a different part from 1st Embodiment.
図6は、本発明の第2の実施形態に係る熱電発電システムの縦断面形状を示す図である。また、図7は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第1の状態の図である。また、図8は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第2の状態の図である。 FIG. 6 is a view showing a longitudinal cross-sectional shape of a thermoelectric power generation system according to the second embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 7 is a figure of the 1st state which looked at the thermoelectric power generation system which concerns on the same embodiment from upper direction. Moreover, FIG. 8 is a figure of the 2nd state which looked at the thermoelectric power generation system which concerns on the embodiment from upper direction.
図6乃至図8に示される熱電発電システムは、前述の第1の実施形態に説明した熱電発電装置1を複数台備えるとともに、熱源としての炉10、および、熱電発電装置1を移動させる駆動装置30を備えている。
The thermoelectric power generation system shown in FIGS. 6 to 8 includes a plurality of thermoelectric
本実施形態では、各熱電発電装置1の長手方向が例えば高さ方向となるように「縦置き」に設置する。その場合、各熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの第1の絶縁板21a(図3参照)が、炉10からの輻射熱を受けるように炉10の方を向き、炉10を取り囲んで配置される。なお、駆動装置30の電源には、例えば各熱電発電装置1により発電される電力の余剰分を利用するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
駆動装置30は、各熱電発電装置1を移動させることができ、各熱電発電装置1に設置されている図示しない温度センサにより検出される温度に基づき、熱電発電システムの熱電変換モジュール面の温度が200℃以下の適度な温度を維持するように、各熱電発電装置1の位置を移動させる。この制御により、炉10と各熱電発電装置1との距離は、炉10の温度パターン(温度の経時変化)に連動する。例えば、図6に示されるように、炉10から各熱電発電装置1の熱電変換モジュール12までの距離dが、炉10に向いている熱電変換モジュール12の表面の温度が200℃以下の適度な温度になるように適宜調整される。
The
または、駆動装置30は、各熱電発電装置1の発電量に対応して移動させることができる。すなわち、各熱電発電装置の発電量は熱電変換モジュール面の温度と相関があり、熱電変換モジュール面の温度が200℃以下の適度な温度を維持するように、各熱電発電装置1の位置を移動させる。この制御により、炉10と各熱電発電装置1との距離は、炉10の温度パターン(温度の経時変化)に連動する。例えば、図6に示されるように、炉10から各熱電発電装置1の熱電変換モジュール12までの距離dが、炉10に向いている熱電変換モジュール12の表面の温度が200℃以下の適度な温度になるように適宜調整される。
Alternatively, the driving
ここで、図6乃至図8を参照すると共に、図9を参照して、炉10の温度パターンに連動して炉10と各熱電発電装置1との距離が変化する一例について説明する。
Here, an example in which the distance between the
例えば、炉10の昇温過程で炉10の温度がまだ低いときは、各熱電発電装置1は炉10の近傍にある。このとき、図7に示されるように、炉10から各熱電発電装置1の熱電変換モジュール12までの距離は、例えばd1である。炉10の温度が高くなるにつれ、駆動装置30は、各熱電発電装置1を炉10から遠ざかるように移動させる。これにより、図8に示されるように、炉10から各熱電発電装置1の熱電変換モジュール12までの距離は、例えばd1よりも大きいd2となる。また、炉10の降温過程では、駆動装置30は、各熱電発電装置1を炉10に近づくように移動させる。
For example, when the temperature of the
なお、図6乃至図8では、6台の熱電発電装置1を使用する例を示したが、これに限定することなく、さらに多くの熱電発電装置1を設けてもよい。また、図6乃至図8では、各熱電発電装置1を「縦置き」に設置する例を示したが、これに限定することなく、各熱電発電装置1の長手方向が水平方向となるように「横置き」に設置してもよい。その場合、さらに「横置き」の熱電発電装置1を複数段、積み重ねてもよい。
6 to 8 show an example in which six
このように第2の実施形態によれば、前述の第1の実施形態の効果に加え、複数台の熱電発電装置1が炉10からの輻射熱を200℃以下の適度な温度で受けるように配置・制御されるため、発電効率を一層向上させることが可能となる。
As described above, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment described above, the plurality of
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…熱電発電装置、10…炉、11…配管、12…熱電変換モジュール、13…接合材、14…断熱材、20a…第1の電極(導電材)、20b…第2の電極(導電材)、21a…第1の絶縁板、21b…第2の絶縁板、22a…P型半導体素子(熱電変換材料)、22b…N型半導体素子(熱電変換材料)、23a,23b…電極取出し口。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記複数台の熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの前記第1の絶縁板が、前記熱源からの輻射熱を受けるように前記熱源を取り囲んで配置されていることを特徴とする熱電発電システム。 A plurality of the thermoelectric generators according to any one of claims 1 to 9, and a heat source,
The thermoelectric power generation system, wherein the first insulating plate of each thermoelectric conversion module provided in the plurality of thermoelectric power generation devices is disposed so as to surround the heat source so as to receive radiant heat from the heat source.
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