JP2013069975A - 熱電発電装置および熱電発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を効果的に高める。
【解決手段】輻射熱源に対して非接触に設けられる熱電発電装置であって、前記輻射熱源からの輻射熱または光を非接触で受けて集熱する集熱手段１１，１２と、両面の温度差により発電する熱電変換モジュール１３と、前記熱電変換モジュールを両面にて熱伝導材料を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す第１の流路１４および第２の流路１５とを具備し、流体が前記集熱手段において熱交換を行った後、前記第１の流路を通じて前記熱電変換モジュールと熱交換を行うように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、熱電発電装置および熱電発電方法に関する。

熱電発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差をつけることで生じる電力を取り出す、非化石燃料による環境にやさしい発電機である。工場排水や温泉などの熱源からエネルギーを回収し、独立電源として現場の照明や機器へ電力供給したり、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行ったりする用途に用いることができる。熱電発電装置の実用化のためには、素子性能向上のための材料技術、信頼性向上のためのモジュール化技術、システム内の伝熱性能向上のための熱交換技術などが重要とされている。

特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報 特開２０１０−１３５６４３号公報

一般に、熱電発電装置は、熱源の規模や形態に合わせて、その都度、設計しなければならないため、時間やコストが増大する傾向がある。特に、熱源が固体の場合には、熱源そのものに熱電変換モジュールを貼り付けて排熱を回収することが考えられるが、熱源と熱電変換モジュールを低い熱抵抗で熱的に接触させたり、熱電変換モジュールの通過熱量を上げるための冷却機構を工夫したりするなどの措置が必要となり、熱源条件に合わせて、受注毎に設計しなければならないケースが多い。このような熱源への直接接触方式では、伝熱特性のばらつきが生じ、熱電発電システムの発電性能の低下を招くため、その対策に多大な時間やコストがかかる。

本発明が解決しようとする課題は、発電性能を効果的に高めることが可能な熱電発電装置および熱電発電方法を提供することである。

実施形態の熱電発電装置は、輻射熱源に対して非接触に設けられる熱電発電装置であって、前記輻射熱源からの輻射熱または光を非接触で受けて集熱する集熱手段と、両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールを両面にて熱伝導材料を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す第１の流路および第２の流路とを具備し、流体が前記集熱手段において熱交換を行った後、前記第１の流路を通じて前記熱電変換モジュールと熱交換を行うように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、発電性能を効果的に高めることが可能となる。

第１の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図。 第２の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図。 第３の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図。 第４の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図である。

第１の実施形態に係る熱電発電装置は、輻射熱源１に対して非接触に設けられる熱電発電装置であり、輻射熱源１からの輻射熱を非接触で受けて集熱する受熱板１１と、受熱板１１が回収した熱を蓄熱する熱浴１２と、両面の温度差により発電する複数個の熱電変換モジュール１３と、複数個の熱電変換モジュール１３を両面にて熱伝導材料（図示せず）を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体（熱媒体）を流す高温側チャンバ１４ａ、低温側チャンバ１５ａをそれぞれ含む第１の流路１４、第２の流路１５を備えている。

輻射熱源１は、例えばプラントに設置される炉などの熱源のほか、太陽などの光を放射するもの、あるいはそれらの熱や光を利用して再輻射を行うものであってもよい。

第１の流路１４を流れる熱媒体は、熱浴１２の内部に供給されて熱交換を行った後、高温側チャンバ１４ａにて複数個の熱電変換モジュール１３と熱交換を行い、再び熱浴１２の内部に供給される。一方、第２の流路１５を流れる熱媒体は、冷熱源２に供給されて熱交換を行った後、低温側チャンバ１５ａにて複数個の熱電変換モジュール１３と熱交換を行い、再び冷熱源２に供給される。

受熱板１１は、輻射熱源１の周囲・近傍に置かれ、輻射熱源１からの輻射熱を受ける。受熱板１１で受けた輻射熱は、受熱板１１と熱浴１２との間で熱交換され、熱浴１２を通過する熱媒体の温度を上げる。熱浴１２は、熱媒体や蓄熱材で満たされており、受熱板１１から受ける熱の温度のばらつきを抑え、安定した熱供給を行うので、熱浴１２を通過する熱媒体は温度が効率よく上げられて高温側チャンバ１４ａへ供給される。

なお、熱浴１２は熱媒体で充満されるように構成されていてもよいが、瞬時的な熱交換でなく、長時間の保温効果を高めるためには、熱浴１２内に潜熱蓄熱材や顕熱蓄熱材を備え、高温保持ができるような構成とすることが望ましい。また、この熱浴１２にお湯や熱媒油などの高温熱媒体を通して熱媒体の温度を上げることにより、温度の高い熱媒体が高温側チャンバ１４ａに流れ、熱が熱電変換モジュール１３に効果的に伝えられるようにしてもよい。

複数個の熱電変換モジュール１３は、高温側チャンバ１４ａと低温側チャンバ１５ａとの間に適当な間隔で並べて貼り付けられている。各熱電変換モジュールの片方の面は、高温側チャンバ１４ａに接合される。このとき、接触熱抵抗を小さくするために高熱伝導性のシートやグリース、半田などの蝋材を使って熱的に接合される。各熱電変換モジュールのもう片方の面は、温度差をとるために低温側チャンバ１５ａに接合される。その際、高温側と同様に、接触熱抵抗を小さくするために高熱伝導性のシートやグリース、半田などの蝋材を使って熱的に接合される。

シートやグリースを界面に挟む場合は、複数の締め付け用冶具（図示せず）が取り付けられてもよい。当該締め付け用冶具が取り付けられることにより、高温側チャンバ１４ａと低温側チャンバ１５ａとが各熱電変換モジュールを両側から圧接するため、密着状態が保たれる。

一般に、圧接構造のもとでは、熱電変換モジュールの厚みにばらつきがあると、熱伝達の低下を招くが、例えば、高熱伝導性のシートやグリースなどの高熱伝導性材料を挟み込むことにより、各熱電変換モジュールと高温側チャンバ１４ａ，低温側チャンバ１５ａとの密着性を高めて、接触熱抵抗を低減させることができる。

上記高熱伝導性材料は、シリコーン樹脂ベースの高熱伝導シートであってもよいし、熱伝導グリースであってもよいし、モジュール表面がアルミナ板などで絶縁されていれば蝋材（はんだ）であってもよい。このような高熱伝導性材料を設けることにより、各熱電変換モジュールの厚みのばらつきを緩和し、高温側チャンバ１４ａ，低温側チャンバ１５ａの各熱電変換モジュールに対する面圧を極力均一にすることができ、熱伝達を向上させることが可能となる。

また、第１の流路１４，第２の流路１５は、例えば、炭素鋼、ステンレス、チタン、銅、アルミなどの金属からなる。また、高温側チャンバ１４ａ，低温側チャンバ１５ａの内壁面には、流体と流路の内壁面との熱伝達を促進するために、熱伝達を促進するフィン構造もしくはナノメートルオーダーの微細構造を適用してもよい。また、腐食性の流体を流す場合や炭素鋼を用いる場合などは、内壁面ないし外壁面に亜鉛めっきなどの防食処理を施すことが望ましい。

また、一般的な熱媒体は、高温熱流体としてはお湯、低温熱流体としては水であるが、これに限られるものではなく、熱媒油などを用いても良い。また、高温側チャンバ１４ａの表面温度が２００℃以下のケースでは、熱電変換モジュール１３としてＢｉＴｅ系を採用すると、効率と出力を高めることができる。また、ＢｉＴｅ系と同様の低温排熱の温度環境で熱電変換性能が良く、環境に優しい熱電変換材料である、Ｆｅ２ＶＡｌ系のホイスラー合金を使用してもよい。

また、熱電変換モジュール１３には、熱流体の温度帯域に応じて異なる材料を採用するようにしてもよい。例えば、熱流体の温度帯域に合わせて、２種類以上の材料系の素子ないしモジュールを、高熱伝導性材料を介して重ね合わせ、該当する温度帯域にて熱電変換性能が高まる素材を形成し、それぞれの素子ないしモジュールにおいて温度差を適度に配分することで出力を高めるようにしてもよい。

また、熱電変換モジュール１３は、配線を通じて所望の電圧や電流が得られるように、直並列の組合せで回路を構成することが望ましい。複数個の熱電変換モジュール１３で構成された複数の直列回路の端部は、切替装置（図示せず）のそれぞれの接点につながれており、切替装置側での接点の操作により、直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とを決定する。各熱電変換モジュールにおいて発生した電力は、配線を通じて切替装置へ送られ、所定の電圧・電流で制御装置へ送られ、蓄電や直流／交流変換がなされた後、各種の負荷により使用される。

第１の実施形態によれば、輻射熱源１からの輻射熱または光を非接触で受けて集熱する集熱手段として、受熱板１１および熱浴１２を採用し、受熱板１１、熱浴１２、および第１の流路１４を通じて高温側の熱を熱電変換モジュール１３に伝える構成とすることにより、伝熱特性のばらつきを抑え、発電性能を向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態（図１）と共通する要素には同一の符号を付している。

前述の第１の実施形態では、集熱手段として受熱板１１および熱浴１２を採用したが、この第２の実施形態では、集熱手段として真空集熱管２１を採用する。

すなわち、第２の実施形態に係る熱電発電装置は、輻射熱源１に対して非接触に設けられる熱電発電装置であり、輻射熱源１からの輻射熱または光を非接触で受けて集熱する真空集熱管２１と、両面の温度差により発電する複数個の熱電変換モジュール１３と、複数個の熱電変換モジュール１３を両面にて熱伝導材料（図示せず）を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体（熱媒体）を流す高温側チャンバ１４ａ、低温側チャンバ１５ａをそれぞれ含む第１の流路１４、第２の流路１５を備えている。

第１の流路１４を流れる熱媒体は、真空集熱管２１の内部に供給されて熱交換を行った後、高温側チャンバ１４ａにて複数個の熱電変換モジュール１３と熱交換を行い、再び真空集熱管２１の内部に供給される。一方、第２の流路１５を流れる熱媒体は、冷熱源２に供給されて熱交換を行った後、低温側チャンバ１５ａにて複数個の熱電変換モジュール１３と熱交換を行い、再び冷熱源２に供給される。

真空集熱管２１は、例えば複数の円筒型のガラス管を配列したものであり、各ガラス管は、例えば外側ガラスと内側ガラスとの間を真空にした二重ガラス構造を有する。各ガラス管の内部には、熱媒体が流れるようになっている。また、各ガラス管の内部には、外部から入射する太陽光を効率よく熱に変換する太陽光選択吸収材料が設けられ、これらを通じて集熱が行われ、その熱がガラス管内部を流れる熱媒体に伝えられるようになっている。

真空集熱管２１は、輻射熱源１の周囲・近傍に置かれ、輻射熱源１からの輻射熱を受け集熱する。真空集熱管２１で回収された熱は、真空集熱管２１の内部を流れる熱媒体との間で熱交換され、当該熱媒体の温度を上げる。真空集熱管２１は、受熱板１１から受ける熱の温度のばらつきを抑え、安定した熱供給を行うので、真空集熱管２１を通過する熱媒体は温度が効率よく上げられて高温側チャンバ１４ａへ供給される。

なお、熱電変換モジュール１３、流路１４，１５、チャンバ１４ａ，１５ａの材料などについては、第１の実施形態で説明した通りである。

第２の実施形態によれば、集熱手段として、真空集熱管２１を採用し、真空集熱管２１および第１の流路１４を通じて高温側の熱を熱電変換モジュール１３に伝える構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態（図１）と共通する要素には同一の符号を付している。

前述の第１の実施形態では、高温側チャンバ１４ａを含む第１の流路１４が設けられていたが、この第２の実施形態では、高温側チャンバ１４ａを含む第１の流路１４が設けられていない。

すなわち、第３の実施形態に係る熱電発電装置は、輻射熱源１に対して非接触に設けられる熱電発電装置であり、輻射熱源１からの輻射熱を非接触で受けて集熱する受熱板１１と、受熱板１１が回収した熱を蓄熱する熱浴１２と、両面の温度差により発電する複数個の熱電変換モジュール１３と、複数個の熱電変換モジュール１３の片面に熱伝導材料（図示せず）を介して設けられ、熱浴１２よりも温度が低い流体（熱媒体）を流す低温側チャンバ１５ａを備えている。熱浴１２は、複数個の熱電変換モジュール１３の片面に熱伝導材料を介して接合されている。

受熱板１１は、輻射熱源１の周囲・近傍に置かれ、輻射熱源１からの輻射熱を受ける。受熱板１１で受けた輻射熱は、受熱板１１と熱浴１２との間で熱交換され、熱浴１２を通過する熱媒体の温度を上げる。熱浴１２は、熱媒体や蓄熱材で満たされており、受熱板１１から受ける熱の温度のばらつきを抑え、高温状態を保持する。熱浴１２は、高温熱源として高温の熱を、当該熱浴１２に接合された各熱電変換モジュール１３へ直接伝える。

第３の実施形態によれば、第１の流路１４の設置が不要となるため、コストを低減することが可能となると共に、熱浴１２の熱を熱電変換モジュール１３に効率よく伝えることが可能となる。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態（図１）と共通する要素には同一の符号を付している。

この第４の実施形態では、前述の第１の実施形態の構成に加え、更に集光型集熱器３１を備えている。なお、第４の実施形態では、第１の実施形態の構成に集光型集熱器３１を加えた場合を例示するが、これに限定することなく、例えば第２の実施形態の構成に集光型集熱器３１を加えたり、あるいは第３の実施形態の構成に集光型集熱器３１を加えたりしてもよい。

集光型集熱器３１は、受熱板１１よりも大きな面積の受光部により例えば太陽光を集光し、太陽光選択吸収材料により光から熱への変換を行い、変換後の熱を輻射熱として受熱板１１に供給する。

受熱板より大きな面積を有する集光型集熱器３１を用いて集めた熱を受熱板１１に受熱させることにより、受熱板１１（あるいは受熱管２１）への集熱効率を上げることができ、受熱板１１、熱浴１２、熱媒体に伝えられる熱の温度をより高くすることが可能となる。

一般に、熱電変換モジュールの出力はモジュール両面（熱電変換素子の両端）の温度差の二乗に比例するため、集光型集熱器３１を用いて熱電変換モジュールに供給する熱の温度を上げることにより、熱電発電装置の出力を更に効果的に高めることが可能となる。

また、元々高温の熱源（温泉など）がありそこから高温熱媒体が供給されている熱電発電装置に、太陽光などを集光する集光型集熱器３１を含む構成を適用した場合には、当該高温熱媒体の温度を更に上昇させることが可能となる。また、その際に高温の温度域で発電効率の高い熱電変換モジュールを使用することにより、熱電発電装置の出力を更に効果的に高めることが可能となる。

第４の実施形態によれば、集光型集熱器３１を加えた構成とすることにより、熱電発電装置の出力を更に効果的に高めることが可能となる。

以上詳述した各実施形態によれば、発電性能を効果的に高めつつ、様々な形態の熱源に適用可能な熱電発電装置を提供することが可能となる。具体的には、（１）高温熱源から非接触で受熱したエネルギーを基に発電するため、対象とする熱源の形状や種類の選定範囲や発電機側の設計自由度が大きい、（２）熱源本体と熱電変換モジュールとを接触させずに、伝熱効率を高めることができる、（３）熱媒体や蓄熱材の種類、熱容量などを変えることにより、熱電変換回収する熱の温度領域を自由に設定できる、等の効果が得られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…輻射熱源、２…冷熱源、１１…受熱板、１２…熱浴、１３…熱電変換モジュール、１４…第１の流路、１４ａ…高温側チャンバ、１５…第２の流路、１５ａ…低温側チャンバ、２１…真空集熱管、３１…集光型集熱器。

Claims (7)

1. 輻射熱源に対して非接触に設けられる熱電発電装置であって、
   前記輻射熱源からの輻射熱または光を非接触で受けて集熱する集熱手段と、
   両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールを両面にて熱伝導材料を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す第１の流路および第２の流路と
   を具備し、
   流体が前記集熱手段において熱交換を行った後、前記第１の流路を通じて前記熱電変換モジュールと熱交換を行うように構成されていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記集熱手段は、前記輻射熱源からの輻射熱を非接触で受ける受熱板と、前記受熱板が回収した熱を蓄熱する熱浴とを含み、
   流体が前記熱浴において熱交換を行った後、前記第１の流路を通じて前記熱電変換モジュールと熱交換を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記集熱手段は、集熱管を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
4. 輻射熱源に対して非接触に設けられる熱電発電装置であって、
   前記輻射熱源からの輻射熱を非接触で受ける受熱板と、
   前記受熱板が回収した熱を蓄熱する熱浴と、
   両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールの片面に熱伝導材料を介して設けられ、前記熱浴よりも温度が低い流体を流す流路と
   を具備し、
   前記熱浴が前記熱電変換モジュールの片面に熱伝導材料を介して接合されていることを特徴とする熱電発電装置。
5. 前記熱浴は、蓄熱材を備えていることを特徴とする請求項２又は４に記載の熱電発電装置。
6. 集光を通じて集熱を行い、輻射熱を前記集熱手段に供給する集光型集熱器を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
7. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールを両面にて熱伝導材料を介して挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す第１の流路および第２の流路とを備えた熱電発電装置に適用される熱電発電方法であって、
   集熱手段により輻射熱源からの輻射熱を非接触で受けて集熱し、
   流体が前記集熱手段において熱交換を行った後、前記第１の流路を通じて前記熱電変換モジュールと熱交換を行うようにしたことを特徴とする熱電発電方法。

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