JP2011192759A - Thermoelectric generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配管を流れる排ガス等がもつ熱エネルギを電気エネルギに直接変換してエネルギ回収する熱電発電システムに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation system that recovers energy by directly converting thermal energy of exhaust gas flowing through a pipe into electrical energy.
地球温暖化防止の観点から環境負荷を軽減するための取り組みが各方面でなされており、従来は環境にそのまま放出されていた比較的低い温度領域の未利用エネルギを有効活用しようとする熱回収技術の開発が進められている。とくに排熱温度が150℃以下の身近に存在する比較的低い温度領域では膨大な量の熱エネルギが棄てられている。例えば変電所や地下鉄駅などから排出される排熱温度は40〜80℃と低く、その有効なエネルギ回収技術は確立されていないのが現状である。 Efforts to reduce the environmental burden from the perspective of preventing global warming have been made in various areas, and heat recovery technology that attempts to effectively utilize unused energy in the relatively low temperature range that was previously released directly into the environment Development is underway. In particular, an enormous amount of heat energy is discarded in a relatively low temperature range where the exhaust heat temperature is 150 ° C. or less. For example, the exhaust heat temperature discharged from substations and subway stations is as low as 40 to 80 ° C., and no effective energy recovery technology has been established.
このような背景から各種の機器や産業プラントで生じる熱の回収技術の1つとして熱電変換モジュールを用いる方法が検討されている。例えば特許文献1,2に記載された熱電変換装置では、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て機器、産業プラント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提案されている。これらの熱電変換装置では、発電効率を高める目的で、配管から熱電変換モジュールへの熱の伝達率を高めるために、熱電変換モジュールを機械的に締め付けることが行われている。
From such a background, a method using a thermoelectric conversion module has been studied as one of techniques for recovering heat generated in various devices and industrial plants. For example, in the thermoelectric conversion devices described in
しかしながら、従来の熱電変換装置においては、熱源部から熱電変換モジュールへの熱の伝達率を高めるために、熱電変換モジュールの締め付け力を高めることが一般的に行われているが、個々の熱電変換モジュールの高さにバラツキがあるため複数個の熱電変換モジュールを使用する場合、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を十分に引き出すことができず、熱電変換効率が低い。ここで、熱源部から熱電変換モジュールへの伝熱を向上させようとして、締め付け力を大きくしていくと、熱電変換モジュールが破損することがあるという問題がある。 However, in the conventional thermoelectric conversion device, in order to increase the heat transfer rate from the heat source unit to the thermoelectric conversion module, it is generally performed to increase the clamping force of the thermoelectric conversion module. When using multiple thermoelectric conversion modules due to variations in the height of the modules, the performance of the thermoelectric conversion module cannot be fully exploited due to the impact caused by the variation in height, and the thermoelectric conversion efficiency Is low. Here, if the tightening force is increased in an attempt to improve heat transfer from the heat source unit to the thermoelectric conversion module, the thermoelectric conversion module may be damaged.
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、比較的低い温度領域の排熱を回収するために、熱電変換モジュールの厚さにバラツキがあっても片当りがおきることがなく、締め付け力を高めても熱電変換モジュールには破損が起こらず発電量の大きい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 order to solve the above-described problem, and in order to recover exhaust heat in a relatively low temperature range, even if the thickness of the thermoelectric conversion module varies, there is no contact between the two. An object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation system that generates a large amount of power without causing damage to the thermoelectric conversion module even if the tightening force is increased.
本発明の熱電発電システムは、媒体が流れる配管に取り付けられ、該媒体が保有する熱を熱電変換して発電する複数の熱電変換ユニットを有する熱電発電システムであって、前記熱電変換ユニットは、熱電変換材料および該熱電変換材料を挟持する1対の絶縁板を有する熱電変換モジュールと、前記絶縁板の外側から前記熱電変換モジュールを挟み込む1対の板状の導電金属と、前記導電金属の片面が露出するように該導電金属の一部および前記熱電変換モジュールが埋め込まれる絶縁モールド材と、を有することを特徴とする。 The thermoelectric power generation system of the present invention is a thermoelectric power generation system that is attached to a pipe through which a medium flows and has a plurality of thermoelectric conversion units that generate electricity by thermoelectrically converting the heat held by the medium. A thermoelectric conversion module having a conversion material and a pair of insulating plates that sandwich the thermoelectric conversion material, a pair of plate-like conductive metals that sandwich the thermoelectric conversion module from the outside of the insulating plate, and one side of the conductive metal It has an insulating mold material in which a part of the conductive metal and the thermoelectric conversion module are embedded so as to be exposed.
本発明によれば、配管に接触する露出面以外の導電金属および熱電変換モジュールの全部を絶縁モールド材のなかに埋め込んでいるので、熱電変換モジュールの相互間に厚みのバラツキが有ったとしても、熱媒体輸送管などの配管の表面に片当りを生じることがなく、締め付け力を高めても熱電変換モジュールには破損が起こらず発電量の大きい熱電発電システムが提供される。 According to the present invention, since all of the conductive metal and the thermoelectric conversion module other than the exposed surface that contacts the pipe are embedded in the insulating mold material, even if there is a variation in thickness between the thermoelectric conversion modules, Thus, there is provided a thermoelectric power generation system in which the surface of a pipe such as a heat medium transport pipe does not come into contact with one another, and even if the tightening force is increased, the thermoelectric conversion module is not damaged and the power generation amount is large.
本発明の種々の好ましい実施の形態を説明する。 Various preferred embodiments of the present invention will be described.
(1)本発明の熱電発電システムは、媒体が流れる配管に取り付けられ、該媒体が保有する熱を熱電変換して発電する複数の熱電変換ユニットを有する熱電発電システムであって、前記熱電変換ユニットは、熱電変換材料および該熱電変換材料を挟持する1対の絶縁板を有する熱電変換モジュールと、前記絶縁板の外側から前記熱電変換モジュールを挟み込む1対の板状の導電金属と、前記導電金属の片面が露出するように該導電金属の一部および前記熱電変換モジュールが埋め込まれる絶縁モールド材と、を有する。 (1) The thermoelectric power generation system according to the present invention is a thermoelectric power generation system that includes a plurality of thermoelectric conversion units that are attached to a pipe through which a medium flows and thermoelectrically convert heat held by the medium to generate electric power. Includes a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module having a pair of insulating plates that sandwich the thermoelectric conversion material, a pair of plate-like conductive metals that sandwich the thermoelectric conversion module from the outside of the insulating plates, and the conductive metal A part of the conductive metal and an insulating mold material in which the thermoelectric conversion module is embedded so that one surface of the conductive metal is exposed.
本発明では、熱電変換モジュールと導電金属の一部とが絶縁モールド材のなかに埋め込まれているため、両者が一体的にユニット化された状態で、導電金属の露出する片面が配管の外面と接するように配管に取り付けることができ、これにより熱電変換モジュールの厚さにバラツキがあったとしても配管外面に対して導電金属の一部分のみが偏って接する片当りを生じることがなくなる。また、本発明では、導電金属が片当りしないで配管外面に均等に接するようになるので、締め付け力を高めたとしても熱電変換モジュールが損傷を受け難い。例えば絶縁板が欠けたり割れたりする破損を生じにくくなる。 In the present invention, since the thermoelectric conversion module and a part of the conductive metal are embedded in the insulating mold material, one side where the conductive metal is exposed is the outer surface of the pipe in a state where both are unitized. Since it can be attached to the pipe so as to be in contact with each other, even if there is a variation in the thickness of the thermoelectric conversion module, there is no occurrence of a piece contact where only a part of the conductive metal is biased and in contact with the outer surface of the pipe. Further, in the present invention, the conductive metal comes into contact with the outer surface of the pipe evenly without contacting each other, so that even if the tightening force is increased, the thermoelectric conversion module is hardly damaged. For example, the insulating plate is less likely to be broken or broken.
(2)上記(1)において、導電金属は、少なくとも一方側の面が露出する露出面をもつ導電金属板を有し、該導電金属板の露出面から外方に突出する複数のフィンをさらに有することが好ましい。本発明では、複数のフィンを介して導電金属板に伝熱される反応熱を外部に逃がすことができるため、導電金属全体としての放熱性が向上する。 (2) In the above (1), the conductive metal has a conductive metal plate having an exposed surface on which at least one surface is exposed, and further includes a plurality of fins protruding outward from the exposed surface of the conductive metal plate. It is preferable to have. In the present invention, since the reaction heat transferred to the conductive metal plate through the plurality of fins can be released to the outside, the heat dissipation as the entire conductive metal is improved.
(3)上記(2)において、導電金属板と熱電変換モジュールの絶縁板とが互いに接する面において、前記導電金属板の面のほうが前記絶縁板の面よりも大きいことが好ましい。熱電変換モジュールの絶縁板はセラミックなどの脆性材料でできているため、絶縁板の隅角部や辺縁部が欠けやすい。しかし、本発明では、導電金属板と絶縁板との相互接触面において絶縁板の面よりも導電金属板の面のほうを大きくしているので、絶縁板の周縁端部に局部応力集中を生じないか又は生じたとしても局部応力が小さくなり、絶縁板の隅角部や辺縁部が欠けなくなる。この場合に、熱電変換モジュールの絶縁板と導電金属板との相互接触面において、絶縁板が導電金属板よりも0.5mm以上内側に位置していることが望ましい(図2と図6)。絶縁板の面を導電金属板の面より0.5mm以上内側に位置させると、絶縁板の隅角部および辺縁部に局部応力集中を生じにくくなるからである。 (3) In said (2), it is preferable that the surface of the said conductive metal plate is larger than the surface of the said insulating plate in the surface where a conductive metal plate and the insulating plate of a thermoelectric conversion module mutually contact. Since the insulating plate of the thermoelectric conversion module is made of a brittle material such as ceramic, the corners and edges of the insulating plate are likely to be chipped. However, in the present invention, since the surface of the conductive metal plate is larger than the surface of the insulating plate at the mutual contact surface between the conductive metal plate and the insulating plate, local stress concentration occurs at the peripheral edge of the insulating plate. Even if it does not occur or occurs, the local stress is reduced, and the corners and edges of the insulating plate are not lost. In this case, it is desirable that the insulating plate is positioned 0.5 mm or more inside the conductive metal plate at the mutual contact surface between the insulating plate and the conductive metal plate of the thermoelectric conversion module (FIGS. 2 and 6). This is because if the surface of the insulating plate is positioned 0.5 mm or more inward from the surface of the conductive metal plate, local stress concentration is less likely to occur at the corners and edge portions of the insulating plate.
(4)上記(1)乃至(3)のいずれかにおいて、熱電変換材料の主成分がビスマスとテルルで構成されていることが好ましい。900℃以上の高温領域ではシリコン-ゲルマニウム(Si-Ge)系およびランタン-テルル(La-Te)系材料が熱電変換性能に優れ、400〜600℃の中間温度領域では鉛-テルル(Pb- Te)系材料が熱電変換性能に優れ、150℃の低い温度領域ではビスマス-テルル(Bi-Te)系材料が熱電変換性能に優れている(図4)。本発明では、150℃以下の低い温度で棄てられる排出ガスなどの熱媒体が有する熱エネルギを回収することを狙いとしていることからビスマス-テルル(Bi-Te)系材料を有する熱電変換モジュールが最も適している。 (4) In any one of the above (1) to (3), the main component of the thermoelectric conversion material is preferably composed of bismuth and tellurium. Silicon-germanium (Si-Ge) and lanthanum-tellurium (La-Te) materials have excellent thermoelectric conversion performance in the high temperature range of 900 ° C. or higher, and lead-tellurium (Pb-Te) in the intermediate temperature range of 400 to 600 ° C. ) System materials are excellent in thermoelectric conversion performance, and bismuth-tellurium (Bi-Te) system materials are excellent in thermoelectric conversion performance in a low temperature range of 150 ° C. (FIG. 4). In the present invention, the thermoelectric conversion module having a bismuth-tellurium (Bi-Te) -based material is the most popular because it aims to recover the thermal energy of a heat medium such as exhaust gas discarded at a low temperature of 150 ° C. or lower. Is suitable.
(5)上記(1)乃至(4)のいずれかにおいて、媒体が、水、絶縁油、またはシリコーンのいずれかの流体であることが好ましい。本発明の熱電発電システムにより温泉場の熱湯、発電機に用いられる絶縁油などの媒体が保有する熱を回収する。なお、本発明システムは、媒体として、これらの液状の流体ばかりを対象とするのではなく、気体や気液混合体をも対象とすることができる。すなわち、ごみ焼却場の燃焼排ガス、清掃工場の排ガス、石油精製所の排ガスなどを熱源として本発明の熱電発電システムにより発電することができる。 (5) In any one of the above (1) to (4), it is preferable that the medium is a fluid of water, insulating oil, or silicone. With the thermoelectric power generation system of the present invention, the heat possessed by a medium such as hot water at a hot spring resort or insulating oil used in a generator is recovered. The system of the present invention can target not only these liquid fluids but also gases and gas-liquid mixtures as a medium. That is, it is possible to generate power with the thermoelectric power generation system of the present invention by using combustion exhaust gas from a garbage incineration plant, exhaust gas from a cleaning plant, exhaust gas from an oil refinery, or the like as a heat source.
(6)上記(1)乃至(5)のいずれかにおいて、配管が、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンおよびチタン合金からなる群より選択される1つ又は2つ以上の金属材料からなることが好ましい。媒体が内部を流れる配管の材料は、熱回収効率を向上させるために熱伝導率が高く、かつメンテナンスフリーとするために耐久性(耐食性、耐候性)に優れていることが要求される。そのような配管材料として、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンおよびチタン合金などの金属材料が適している。 (6) One or more metal materials selected from the group consisting of carbon steel, stainless steel, aluminum, aluminum alloy, titanium, and titanium alloy in any of (1) to (5) above Preferably it consists of. The material of the piping through which the medium flows is required to have high thermal conductivity in order to improve heat recovery efficiency and excellent durability (corrosion resistance, weather resistance) in order to be maintenance-free. As such a piping material, metal materials such as carbon steel, stainless steel, aluminum, aluminum alloy, titanium and titanium alloy are suitable.
(7)上記(1)乃至(6)のいずれかにおいて、導電金属板が、銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金からなる群より選択される1つ又は2つ以上の金属材料からなることが好ましい。導電金属板の材料は、高い熱伝導率を有していることが要求される。そのような導電金属板の材料として、銅、銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金などが適している。 (7) In any one of the above (1) to (6), the conductive metal plate may be made of one or more metal materials selected from the group consisting of copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. preferable. The material of the conductive metal plate is required to have a high thermal conductivity. Suitable materials for such conductive metal plates include copper, copper alloys, aluminum and aluminum alloys.
(8)上記(1)乃至(7)のいずれかにおいて、絶縁モールド材がエポキシ樹脂であることが好ましい。エポキシ樹脂は、電気絶縁性に優れ、接着強度が高く、耐候性にも優れており、絶縁モールド材の材料として最も適している。 (8) In any one of the above (1) to (7), the insulating mold material is preferably an epoxy resin. Epoxy resins have excellent electrical insulation properties, high adhesive strength, and excellent weather resistance, and are most suitable as materials for insulating mold materials.
(9)上記(1)乃至(8)のいずれかにおいて、絶縁モールド材が、エポキシ樹脂と無機材料を含む複合材料であることが好ましい。高い熱伝導率をもつ無機材料をエポキシ樹脂中に添加混合することにより、モールド材の硬さ、残留応力を調整することができる。 (9) In any one of the above (1) to (8), it is preferable that the insulating mold material is a composite material including an epoxy resin and an inorganic material. By adding and mixing an inorganic material having high thermal conductivity into the epoxy resin, the hardness and residual stress of the molding material can be adjusted.
(10)上記(1)乃至(9)のいずれかにおいて、絶縁モールド材中の無機材料がアルミナ粒子およびシリカ粒子からなる群より選択される1つ又は2つ以上であることが好ましい。アルミナ粒子及び/又はシリカ粒子を添加することにより、絶縁モールド材の硬さと残留応力をそれぞれ調整することができる。 (10) In any one of the above (1) to (9), the inorganic material in the insulating mold material is preferably one or more selected from the group consisting of alumina particles and silica particles. By adding alumina particles and / or silica particles, the hardness and residual stress of the insulating mold material can be adjusted.
これらの無機材料粒子は、絶縁モールド材の全体(またはエポキシ樹脂)に対して含有率が3.0〜30.0体積%の範囲になるように添加することが好ましい。無機材料粒子の含有率が30.0体積%を超えると、エポキシ樹脂の接着性(接合性)が損なわれて剥がれやすくなるからである。一方、無機材料粒子の含有率が3.0体積%未満になると、添加効果が不十分になるからである。 These inorganic material particles are preferably added so that the content is in the range of 3.0 to 30.0% by volume with respect to the entire insulating mold material (or epoxy resin). This is because when the content of the inorganic material particles exceeds 30.0% by volume, the adhesiveness (bondability) of the epoxy resin is impaired and the inorganic material particles are easily peeled off. On the other hand, when the content of the inorganic material particles is less than 3.0% by volume, the effect of addition becomes insufficient.
また、無機材料粒子の平均粒径を1〜80μmの範囲とすることが好ましい。粒子の平均粒径が1μmを下回ると、粒子の分散性が悪くなるからである。一方、粒子の平均粒径が80μmを上回ると、樹脂の接着性を阻害するからである。 Moreover, it is preferable to make the average particle diameter of an inorganic material particle into the range of 1-80 micrometers. This is because when the average particle size of the particles is less than 1 μm, the dispersibility of the particles is deteriorated. On the other hand, when the average particle diameter of the particles exceeds 80 μm, the adhesiveness of the resin is hindered.
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための好ましい形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
図1〜図3を参照して第1の実施形態に係る熱電発電システムを説明する。
(First embodiment)
The thermoelectric power generation system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態の熱電発電システム1では、図1に示すように高温配管6と冷温配管7とを水平かつ平行に配置し、両配管6,7の間に複数のスペーサ(図示せず)を所定ピッチ間隔に取り付け、両配管6,7の相互間隔を一定に保った状態で、両配管6,7の間に熱電変換ユニット5をそれぞれ挿入している。熱電変換ユニット5は、後述する導電金属の露出面が両配管6,7の外周面に面接触状態で密着するように両配管6,7の間に配置されている。
In the thermoelectric
必要な熱電変換ユニット5の数量は、得たい発電量に応じて適宜調整する。熱電変換ユニット5の配管6,7への取り付けに際しては、導電金属板31の露出面が上下平行になるように、また使用する熱電変換ユニット5の全数において同じ高さになるように熱電変換ユニットの導電金属板31を機械加工した後に、配管6,7に取り付ける。
The necessary number of
図には表示されていないが、発電した電気は直流のために、熱電発電システムとインバータ、コントローラー、パワーコンディショナ、バッテリーおよびコンデンサーを組合わせて直流から交流への変換を行い、得られた電気を使用する。用途によっては、得られた直流の電気をそのまま使用しても良い。すなわち、これら複数の熱電変換ユニット5の正極端子と負極端子とを図示しない配線により順次直列に接続し、さらに図示しない出力配線により直流-交流変換用インバータに接続し、さらにインバータをパワーコンディショナを介して各種の負荷(例えば照明器具やTV受像機)に接続する。
Although not shown in the figure, because the generated electricity is direct current, a combination of a thermoelectric power generation system, inverter, controller, power conditioner, battery, and capacitor is used to convert direct current to alternating current. Is used. Depending on the application, the obtained direct current electricity may be used as it is. That is, the positive terminals and the negative terminals of the plurality of
配管6,7と熱電変換ユニット5との間の熱抵抗を小さくするために、ボルト、ナット、バンド、クランプ等を用いて配管6,7と熱電変換ユニット5とを機械的に締め付けるようにしている。配管6,7は、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン及びチタン合金などのような金属材料でできている。
In order to reduce the thermal resistance between the
高温配管6内には高温媒体6aとして温泉場の源泉(温度90℃以上)が図中の右側から左側に向けて流れている。一方、冷温配管7内には冷温媒体7aとして冷水(室温)が図中の左側から右側に向けて流れている。すなわち、配管6内の高温媒体6aと配管7内の冷温媒体7aとは互いに逆向きに流れている。媒体6a,7aからの熱を有効に配管6,7に伝えて熱電変換ユニット5での温度差を大きくするために、媒体6a,7aの各流速は、0.1 m/sec以上にすることが望ましい。なお、各配管6,7の上流側には温度計がそれぞれ取り付けられ、高温媒体6aの温度と冷温媒体7aの温度がそれぞれ計測されるようになっている。なお、本実施形態では冷温媒体7aとして室温の冷水を用いたが、冷温媒体はこれのみに限られるものではなく、液化天然ガス(LNG)プラントの配管内を流れる気化した天然ガスを冷温媒体とすることも可能である。
A hot spring source (temperature of 90 ° C. or more) flows from the right side to the left side of the
図2に示すように、熱電変換ユニット5は、熱電変換モジュール2と、この熱電変換モジュール2を挟持する1対の導電金属3と、露出面を除く導電金属3の過半部および熱電変換モジュール2の全部がその中に埋め込まれる絶縁モールド材4とを備えている。上下1対の導電金属3のうち一方の導電金属の露出面が高温配管6の外周面に接し、他方の導電金属の露出面が冷温配管7の外周面に接している。
As shown in FIG. 2, the
導電金属3は、嵌め合いまたは削り出しで作製された導電金属板31を有する。導電金属板31は銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミ合金の板のいずれかでできている。導電金属板31は、熱電変換モジュール面と接触する側の面積が熱電変換モジュールより大きく、熱源部と接触する面が熱電変換モジュールと接する面よりも小さい。すなわち、導電金属板31の厚みの中ほどに段差32が形成されている。この段差32の部分は、絶縁モールド材4の剥がれを防止する役割を有する。
The
導電金属板31の熱電変換モジュールに接する面は、熱電変換モジュールの絶縁板よりも大きくつくられている。すなわち、導電金属板の両端部よりも熱電変換モジュールの絶縁板24の両端部のほうが少し内方(配管長手方向)に位置しており、導電金属板の端部と熱電変換モジュールの絶縁板の端部との間に段差が形成されている。この段差部分は、絶縁板24の周縁部における局部応力集中の発生を防ぎ、絶縁板24の隅角部や辺縁部が欠けたり割れたりするのを防止するものである。本実施形態では、この段差部分の平均長さd1を0.5mmとした。なお、段差部分の長さd1が0.5mmを下回ると、絶縁板24の周縁部での局部応力集中の発生を十分に防止できなくなる。
The surface of the
絶縁モールド材4は、エポキシ樹脂に所望量の無機材料粒子を添加混合した複合材料である。本実施形態では、無機材料粒子として平均粒径10μmのアルミナ粒子を含有率が10体積%となるようにエポキシ樹脂に添加した。これらの無機材料粒子を加えることで、絶縁モールド材の硬さや残留応力を調整することができる。
The insulating
次に図3を参照して熱電変換モジュールを説明する。 Next, the thermoelectric conversion module will be described with reference to FIG.
熱電変換モジュール2は、p型とn型の熱電変換材料21,22を1対の絶縁板24で挟み込んだ構造である。熱電変換モジュール2の内部構造は、p型の熱電変換材料21とn型の熱電変換材料22とが交互に配列され、これらの相互間をハンダ材23で電気的に接続された構造である。本実施形態では熱電変換材料21,22としてビスマス-テルル(Bi-Te)系化合物を用いた。
The
熱電変換モジュールに用いられる熱電変換材料の性能の概要を説明する。 An outline of the performance of the thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion module will be described.
熱電変換材料の性能指数Zは、次式(1)で与えられる。 The figure of merit Z of the thermoelectric conversion material is given by the following formula (1).
Z=S×(σ/κ) …(1)
但し、S:ゼーベック係数(温度差1℃当たりの熱起電力)、σ:電気伝導度、κ:熱伝導率である。
Z = S × (σ / κ) (1)
However, S: Seebeck coefficient (thermal electromotive force per 1 ° C. temperature difference), σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity.
式(1)から、ゼーベック係数Sと電気伝導度σが大きくなるにしたがって、また熱伝導率κが小さくなるにしたがって、熱電変換材料の性能指数Zが向上する。 From equation (1), the figure of merit Z of the thermoelectric conversion material improves as the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ increase and as the thermal conductivity κ decreases.
図4は、横軸に温度(℃)をとり、縦軸に熱電変換材料の無次元性能指数ZTをとって、各種の熱電変換材料の性能を示す特性線図である。縦軸の無次元性能指数ZTは、熱電変換材料の性能指数Zに絶対温度Tを乗じたものである。図中にて特性線Aはシリコン-ゲルマニウム(Si-Ge)系材料、特性線Bはランタン-テルル(La-Te)系材料、特性線Cは鉛-すず(Pb-Sn)系材料およびテルル-セレン(Te-Se)系材料、特性線Dはビスマス-テルル(Bi-Te)系材料をそれぞれ示す。図から明らかなように、900℃以上の高温領域ではシリコン-ゲルマニウム(Si-Ge)系およびランタン-テルル(La-Te)系材料が熱電変換性能に優れ、400〜600℃の中間温度領域では鉛-テルル(Pb- Te)系材料が熱電変換性能に優れ、150℃の低い温度領域ではビスマス-テルル(Bi-Te)系材料が熱電変換性能に優れている。本発明では、150℃以下の低い温度で棄てられる排出ガスなどの熱媒体が有する熱エネルギを回収することを狙いとしていることからビスマス-テルル(Bi-Te)系材料を有する熱電変換モジュールが最も適していることが分かる。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the performance of various thermoelectric conversion materials with the temperature (° C.) on the horizontal axis and the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material on the vertical axis. The dimensionless figure of merit ZT on the vertical axis is obtained by multiplying the figure of merit Z of the thermoelectric conversion material by the absolute temperature T. In the figure, characteristic line A is silicon-germanium (Si-Ge) material, characteristic line B is lanthanum-tellurium (La-Te) material, characteristic line C is lead-tin (Pb-Sn) material and tellurium -Selenium (Te-Se) based material and characteristic line D indicate bismuth-tellurium (Bi-Te) based material, respectively. As is apparent from the figure, silicon-germanium (Si-Ge) and lanthanum-tellurium (La-Te) materials are excellent in thermoelectric conversion performance in the high temperature region of 900 ° C. or higher, and in the intermediate temperature region of 400 to 600 ° C. Lead-tellurium (Pb-Te) -based materials have excellent thermoelectric conversion performance, and bismuth-tellurium (Bi-Te) -based materials have excellent thermoelectric conversion performance in a low temperature range of 150 ° C. In the present invention, the thermoelectric conversion module having a bismuth-tellurium (Bi-Te) -based material is the most popular because it aims to recover the thermal energy of a heat medium such as exhaust gas discarded at a low temperature of 150 ° C. or lower. It turns out that it is suitable.
本実施形態の熱電発電システムによれば、熱電変換モジュールの厚さにバラツキあっても片当りがおきることがなく、締め付け力を高めても熱電変換モジュールには破損が起こらず、発電量が増加する。 According to the thermoelectric power generation system of the present embodiment, even if the thickness of the thermoelectric conversion module varies, there is no contact, and even if the tightening force is increased, the thermoelectric conversion module is not damaged, and the power generation amount increases. To do.
(第2の実施形態)
次に図5と図6を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と重複する部分の説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, description of the part which this embodiment overlaps with the said embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態の熱電発電システム1Aでは、一方側の導電金属3の露出面を高温配管6の外周面に当接させる点は上記形態と同じであるが、他方側の導電金属3Aの露出面に多数の放熱用のフィン33を取り付け、これらのフィン33により熱電変換ユニット5Aの他方側の導電金属3Aを冷却するよう放冷部にしている点が上記形態と異なっている。
In the thermoelectric power generation system 1A of the present embodiment, the point that the exposed surface of the
他方側の導電金属である放冷部3Aにおいて、複数のフィン33は導電金属板31の露出面上に所定の等ピッチ間隔となるように立設されている。これらのフィン33は、熱電変換ユニット5Aの両端に位置する端部配置フィン33を除いて、絶縁モールド材4に埋設されることなく基端部まで露出している。
In the
フィン33および導電金属板31は、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミ合金の板のいずれかでできている。
The
本実施形態では、絶縁モールド材4として、平均粒径10μmのシリカ粒子を含有率が10体積%となるようにエポキシ樹脂に添加した。
In the present embodiment, silica particles having an average particle diameter of 10 μm are added to the epoxy resin as the insulating
本実施形態では、絶縁板24と導電金属板31との段差部分の平均長さd2を0.8mmとした。
In the present embodiment, the average length d2 of the step portion between the insulating
本実施形態では、熱電変換モジュールの熱電変換材料21,22としてビスマス-テルル(Bi-Te)系化合物を用いた。
In the present embodiment, bismuth-tellurium (Bi-Te) compounds are used as the
本実施形態では、クランプ9を用いて熱電変換ユニット5Aを配管6の外周面に取り付けた。すなわち、複数の熱電変換ユニット5Aがクランプ9のような押さえ治具により配管に固定される。
In the present embodiment, the
本実施形態では、高温配管6は、高温媒体6aとして例えばごみ焼却場で発生する比較的低い温度の排ガスが内部を流れるようになっている。すなわち、ごみ焼却場の低温排ガスは、ごみ焼却炉の燃焼排ガスがいくつかの熱利用機器で熱回収され、最下流側の熱利用機器から出てくる150℃以下の温度の排ガスが高温媒体6aとして内部を流れるようになっている。高温媒体6aの流速は、0.1 m/sec以上が望ましい。
In the present embodiment, the high-
必要な熱電変換ユニットの数量は、得たい発電量に応じて適宜調整する。熱電変換ユニットの配管への設置に際しては、熱電変換ユニットの導体およびフィンの配管と接する面が平面になるよう熱電変換ユニットの全数において熱電変換ユニットの導電金属を機械加工した後に、配管に適用する。 The required number of thermoelectric conversion units is adjusted as appropriate according to the amount of power generation desired. When installing the thermoelectric conversion unit to the pipe, apply it to the pipe after machining the conductive metal of the thermoelectric conversion unit in the total number of thermoelectric conversion units so that the surface of the thermoelectric conversion unit contacting the conductor and fin pipe is flat. .
本実施形態によれば、配管からフィンにまたはフィンから配管に熱が熱電変換モジュールを介して移動し、その際に熱電変換モジュール内で温度差が生じ、発電が起こる。 According to the present embodiment, heat moves from the pipe to the fin or from the fin to the pipe via the thermoelectric conversion module, and at that time, a temperature difference is generated in the thermoelectric conversion module, and power generation occurs.
(第3の実施形態)
次に第3の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と重複する部分の説明は省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In addition, description of the part which this embodiment overlaps with the said embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態のシステムでは、ごみ焼却場、清掃工場で生じる排熱から電気を製造し、場内の照明や換気扇の電源として使用する。具体的には焼却炉の冷却を行った排熱水、焼却炉からの排熱回収により蒸気発電を実施後の排熱水を高温媒体に冷却水を冷温媒体として発電を行う。または、冷却媒体配管の代わりにフィンによる放熱で発電を行う。 In the system of the present embodiment, electricity is produced from waste heat generated in a garbage incineration plant and a cleaning plant, and used as a power source for lighting and ventilation fans in the plant. Specifically, power generation is performed by using the exhaust heat water that has cooled the incinerator and the exhaust heat water after the steam power generation by recovering the exhaust heat from the incinerator as the high temperature medium and the cooling water as the cold medium. Alternatively, power generation is performed by heat radiation using fins instead of the cooling medium piping.
(第4の実施形態)
次に第4の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と重複する部分の説明は省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In addition, description of the part which this embodiment overlaps with the said embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態のシステムでは、石油精製所で生じる排熱から電気を製造し、所内の照明や換気扇の電源として使用する。具体的には原油の精製で分留された精製油を常温に戻す際に発生する排熱を高温媒体に冷却水を冷温媒体として発電を行う。または、冷却媒体配管の代わりにフィンによる放熱で発電を行う。 In the system of the present embodiment, electricity is produced from exhaust heat generated at an oil refinery, and used as a power source for lighting in the station or a ventilation fan. Specifically, power generation is performed using the exhaust heat generated when the refined oil fractionated by refining crude oil is returned to room temperature as a high-temperature medium and cooling water as a cold medium. Alternatively, power generation is performed by heat radiation using fins instead of the cooling medium piping.
以上のとおり本発明によれば、熱電変換モジュールの相互間に厚みのバラツキが有ったとしても、熱媒体輸送管などの配管の表面に片当りを生じることがなく、締め付け力を高めても熱電変換モジュールには破損が起こらず発電量の大きい熱電発電システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, even if there is a variation in thickness between the thermoelectric conversion modules, the surface of the piping such as the heat medium transport pipe does not cause a single contact, and the tightening force can be increased. It is possible to provide a thermoelectric power generation system that generates a large amount of power without causing damage to the thermoelectric conversion module.
1,1A…熱電発電システム、
2…熱電変換モジュール、21,22…熱電変換材料、23…ハンダ、24…絶縁板、
3…導電金属、3A…導電金属(放冷部)、31…導電金属板、32…段差、33…フィン、
4…絶縁モールド材、5,5A…熱電変換ユニット、
6…高温配管、6a…高温媒体(源泉、燃焼排ガス)、
7…冷温配管、7a…冷温媒体(冷水、LNG)、9…クランプ。
1, 1A ... thermoelectric power generation system,
2 ... Thermoelectric conversion module, 21, 22 ... Thermoelectric conversion material, 23 ... Solder, 24 ... Insulating plate,
3 ... conductive metal, 3A ... conductive metal (cooling part), 31 ... conductive metal plate, 32 ... step, 33 ... fin,
4 ... Insulating mold material, 5, 5A ... Thermoelectric conversion unit,
6 ... high temperature piping, 6a ... high temperature medium (source, combustion exhaust gas),
7 ... Cold pipe, 7a ... Cold medium (cold water, LNG), 9 ... Clamp.
Claims (10)
前記熱電変換ユニットは、
熱電変換材料および該熱電変換材料を挟持する1対の絶縁板を有する熱電変換モジュールと、
前記絶縁板の外側から前記熱電変換モジュールを挟み込む1対の板状の導電金属と、
前記導電金属の片面が露出するように該導電金属の一部および前記熱電変換モジュールが埋め込まれる絶縁モールド材と、
を有することを特徴とする熱電発電システム。 A thermoelectric power generation system having a plurality of thermoelectric conversion units that are attached to a pipe through which a medium flows and that generates heat by thermoelectrically converting the heat held by the medium,
The thermoelectric conversion unit is
A thermoelectric conversion module having a thermoelectric conversion material and a pair of insulating plates sandwiching the thermoelectric conversion material;
A pair of plate-like conductive metals that sandwich the thermoelectric conversion module from the outside of the insulating plate;
An insulating mold material in which a part of the conductive metal and the thermoelectric conversion module are embedded so that one surface of the conductive metal is exposed;
A thermoelectric power generation system comprising:
Priority Applications (1)
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JP2010056636A JP2011192759A (en) | 2010-03-12 | 2010-03-12 | Thermoelectric generation system |
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103117685A (en) * | 2013-01-28 | 2013-05-22 | 武汉理工大学 | Special clamping device for box-type thermoelectric system of automobile |
JP2013201873A (en) * | 2012-03-26 | 2013-10-03 | Toshiba Corp | Thermoelectric power generation device and thermoelectric power generation system |
KR101337211B1 (en) * | 2013-06-24 | 2013-12-06 | 최유미 | Recovery heat generation apparatus using thermoelectric conversion element |
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-
2010
- 2010-03-12 JP JP2010056636A patent/JP2011192759A/en not_active Withdrawn
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