JP2013090526A - Thermoelectric cogeneration apparatus and thermoelectric cogeneration method - Google Patents
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- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
Description
本発明の実施形態は、熱電併給装置および熱電併給方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a combined heat and power device and a combined heat and power method.
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。 The thermoelectric generator is an environment-friendly generator using non-fossil fuel that extracts electric power generated by making a temperature difference between both surfaces of the thermoelectric conversion module. It can be used for purposes such as collecting energy from heat sources such as factory effluent and hot springs, supplying power to on-site lighting and equipment as an independent power source, and storing power to a backup power source in case of power failure. For the practical application of thermoelectric generators, material technology for improving element performance, modularization technology for improving reliability, heat exchange technology for improving heat transfer performance in the system, etc. are important. .
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。 In general, a thermoelectric generator must be designed each time in accordance with the scale and form of a heat source, so that time and cost tend to increase. In particular, when the heat source is solid, it is conceivable to attach a thermoelectric conversion module to the heat source itself to recover the exhaust heat. However, the heat source and the thermoelectric conversion module are brought into thermal contact with low thermal resistance, or the thermoelectric conversion is performed. Measures such as devising a cooling mechanism to increase the amount of heat passing through the module are required, and there are many cases where it is necessary to design each order according to the heat source conditions. In such a direct contact method with a heat source, variations in heat transfer characteristics occur and the power generation performance of the thermoelectric power generation system is reduced, so that it takes a lot of time and cost to take countermeasures.
本発明が解決しようとする課題は、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能な熱電併給装置および熱電併給方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a combined heat and power device and a combined heat and power method capable of effectively increasing energy use efficiency.
実施形態によれば、高温熱源からの熱を非接触で受けて集熱する集熱部と、一方の面が前記集熱部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合され、両面の温度差により発電する熱電変換部と、前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する熱交換部とをもつ。 According to the embodiment, a heat collecting part that collects heat by receiving heat from a high-temperature heat source in a non-contact manner, one surface is thermally joined to the heat collecting part, and the other surface is the collected heat. A thermoelectric conversion part that is thermally bonded to a cold medium having a temperature lower than the temperature and generates electric power due to a temperature difference between the two surfaces, and heat received by one side of the thermoelectric conversion part and passed to the other side of the thermoelectric conversion part. A heat exchanging section for exchanging heat between the other surface and the cooling medium;
本発明によれば、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to effectively increase energy utilization efficiency.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態における熱電併給装置の構成例を示す図である。
図2は、第1の実施形態における熱電併給装置のヒートパイプ式真空管集熱器の原理を説明する図である。
図1に示した熱電併給装置は、高温輻射熱の放射機器、炉、太陽熱などの輻射熱源である高温熱源11からヒートパイプ式の真空管集熱器12で非接触で受けた輻射熱を高温熱浴部13に供給して熱電変換部14の一方の面に伝熱し、また、オンサイトで得られる冷熱源16からの冷熱媒体を流路18を介して熱電変換部14の他方の面側のヒートシンク15に供給し、熱電変換部14の一方の面と他方の面との温度差により発電を行ないつつ、高温熱浴部13からの熱が熱電変換部14の一方の面と他方の面に向かって通過することによるヒートシンク15での熱交換により、流路18内で温まった冷熱媒体を流路18内のバルブ17の開閉により貯湯タンク24に貯湯することを特徴としている。
また、図2に示すように、ヒートパイプ式の真空管集熱器12は、例えば外側ガラスと内側ガラスとの間の真空層12cを有する二重ガラス構造の真空管12a内にヒートパイプ12fを当該ヒートパイプの一端が真空管12aの開口部から突出するように挿入し、真空管12aの内壁面に集熱層である選択吸収膜12dを取り付け、この選択吸収膜12dとヒートパイプ12fとの間に集熱板であるアルミ伝熱フィン12eを設け、真空管12aの開口部をシリコンガスケット12hで封止したものである。また、ヒートパイプ12f内には熱媒液12gが真空封入されている。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a cogeneration apparatus according to the first embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the heat pipe type vacuum tube collector of the cogeneration apparatus according to the first embodiment.
The cogeneration apparatus shown in FIG. 1 receives radiant heat received in a non-contact manner by a heat pipe type
In addition, as shown in FIG. 2, the heat pipe type
この真空管集熱器12では、高温熱源からの輻射熱を選択吸収膜12dで吸収して真空管12a内の真空層12cに閉じ込める。そして、真空管集熱器12は、この熱をアルミ伝熱フィン12eを介してヒートパイプ12fに伝導させ、このヒートパイプ12fに真空封入された熱媒液12gを気化して蒸気とする。
In this
ヒートパイプ12fの突出部は図1に示す高温熱浴部13に熱的に接合される。高温熱浴部13は、銅、アルミ、カーボンなどの高熱伝導材料やこれらの複合材や金属との複合材料で構成される。この高温熱浴部13は、固体ブロックとして顕熱蓄熱する形式でもよく、当該ブロックの内部に潜熱蓄熱材を保有するチャンバー(chamber)形式でもよい。
The protruding portion of the heat pipe 12f is thermally joined to the high temperature
ヒートパイプ12f内で蒸気となった熱媒液12gは、高温熱浴部13との熱交換により凝縮(再度液化)し、このときの凝縮熱によって高温熱浴部13を加熱する。この現象を繰り返し行うことで、高温熱浴部13が顕熱蓄熱して温度が上昇する。また、高温熱浴部13内に潜熱蓄熱材がある場合には当該潜熱蓄熱材が溶融して蓄熱が行なわれる。
The
図1に示されるように、ヒートパイプ式の真空管集熱器12は高温熱源11の周囲、近傍に置かれ、当該高温熱源11からの輻射熱を非接触で受ける。この輻射熱は、ヒートパイプ式の真空管集熱器12で非接触で集熱されて高温熱浴部13へ供給される。
As shown in FIG. 1, the heat pipe type
また、高温熱浴部13は、高熱伝導性グリースや高熱伝導性シート材、はんだ等で熱電変換部14の一方の面に熱的に接合され、この熱電変換部14に高温の熱を供給する。長時間の保温効果を高めるためには、高温熱浴部13内に潜熱蓄熱材や顕熱蓄熱材を備え、高温保持が出来るような構成とすることが望ましい。
The high-
一方、熱電変換部14の他方の面は、水や不凍液などの冷熱媒体を通すためのヒートシンク15に熱的に接合される。
冷熱源16は、例えばLNG(液化窒素ガス)プラントでLNGを気化させる際に得られる冷熱を冷熱媒体との熱交換により当該冷熱媒体に蓄熱し、この冷熱媒体を流路18を介して例えば金属チャンバータイプのヒートシンク15内に供給することで熱電変換部14の他方の面を冷却する。
On the other hand, the other surface of the
The
このようにして、熱電変換部14の前述した一方の面である高温熱浴部13側の面と、他方の面であるヒートシンク15側の面との間に温度差をつけて熱通過させることで、熱電変換部14による熱電発電を行なう。
In this way, heat is passed with a temperature difference between the surface of the
熱電変換部14で発電された電力はMPPT(Maximum Power Point Tracking)コントローラ21に供給され、この電力がバッテリ23に蓄電されたり、インバータ22を介して負荷へ供給されたりする。
The electric power generated by the
この熱電併給装置は、冷熱源16から流路18への冷熱媒体の供給の有無を制御するなどして熱電併給を制御するための熱電併給制御装置20を備える。この熱電併給装置では、一定時間において、熱電併給制御装置20により、冷熱源16から流路18への冷熱媒体の新たな供給を停止し、流路18内の冷熱媒体の冷却を抑制し、高温熱浴部13からの熱が熱電変換部14の一方の面から他方の面に向かって通過することによるヒートシンク15での熱交換により、流路18内の冷熱媒体の温度を上昇させ、熱電併給制御装置20により流路18内のバルブ17を開くことにより、冷熱媒体を貯湯タンク24に貯湯する。この貯湯後は、熱電併給制御装置20により、冷熱源16から流路18への冷熱媒体の供給を再開し、熱電変換部14の他方の面が再び冷却され、前述したような熱電変換部14による発電が再びなされる。これにより、発電と給湯が継続される。
This cogeneration apparatus includes a
また、熱電併給装置の設置個所が寒冷地であれば、この寒冷地で貯めた雪を熱電変換部14の低温側の面である他方の面に接触させることで当該他方の面の温度を低温に維持したり、雪解け水や湧水を熱電変換部14の低温側の面のヒートシンク15に供給したりすることで冷熱源を実現してもよい。
Also, if the installation location of the combined heat and power supply device is a cold region, the temperature of the other surface is lowered by bringing the snow stored in the cold region into contact with the other surface, which is the low temperature side surface of the
この熱電併給装置では、高温熱源11からの輻射熱を真空管集熱器12により熱輸送する為、熱輸送にかかる動力は必要としない。一方、冷熱源16は、LNGの気化用に循環している冷水や位置エネルギーで流れている湧水などを利用する場合は、冷熱媒体循環のための動力は不要である。冷熱媒体の流量がどうしても足りない場合などは、系全体のエネルギーバランスを考慮して、低消費電力のポンプなどを必要に応じて組み込んでも良い。
In this combined heat and power supply apparatus, since the radiant heat from the high-temperature heat source 11 is transported by the
ヒートシンク15に冷熱媒体を流せないような場合には、熱電変換部14の低温側の面にタンクを設置して、この中に冷水や雪などの冷熱媒体を供給し、これらが熱電変換部14を通過する熱により溶けたり所望の温度まで上昇するまで必要に応じてタンク内を手動で攪拌して、タンク内の例熱媒体が溶けたり所望の温度まで上昇したりした際に貯湯タンク24へ移すことで給湯し、その後に手動で前述した冷水や雪などの冷熱媒体をヒートシンク15に再度供給することとして熱電変換部14での発電と給湯とを継続させる。
When the cooling medium cannot flow through the
熱電変換部14は、複数個の熱電変換モジュールが高温熱浴部13の表面上に適当な間隔で並べて貼り付けられてなる。各熱電変換部モジュールの一方の面は、高温熱浴部13に接合される。これらは、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他方の面は、一方の面との温度差をとるためにヒートシンク15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。
The
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、高温熱浴部13とヒートシンク15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。
When sandwiching a sheet or grease between the interfaces, a plurality of fastening jigs (not shown) may be attached. By attaching the fastening jig, the high-temperature
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熱浴部13とヒートシンク15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。
In general, if the thickness of the thermoelectric conversion module varies under the pressure welding structure, the heat transfer is reduced. For example, each thermoelectric module can be inserted by sandwiching a highly thermally conductive material such as a highly thermally conductive sheet or grease. The adhesion between the conversion module, the high-temperature
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、高温熱浴部13とヒートシンク15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。
The high thermal conductivity material may be a silicone resin-based high thermal conductivity sheet, thermal conductivity grease, or wax material (solder) if the module surface is insulated with an alumina plate or the like. May be. By providing such a high thermal conductivity material, variations in the thickness of each thermoelectric conversion module can be alleviated, and the surface pressure of each of the high temperature
また、高温熱浴部13やヒートシンク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、ヒートシンク15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。
The high
また、高温熱浴部13の表面温度が200℃以下のケースでは、熱電変換部14の熱電変換モジュールとして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。
Moreover, in the case where the surface temperature of the high-temperature
また、熱電変換モジュールには、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。 Moreover, you may make it employ | adopt a different material for the thermoelectric conversion module according to the temperature range of a thermal fluid. For example, in accordance with the temperature zone of the thermal fluid, two or more types of material elements or modules are overlapped via a high thermal conductivity material to form a material with enhanced thermoelectric conversion performance in the corresponding temperature zone, The output may be increased by appropriately distributing the temperature difference in the elements or modules.
また、熱電変換モジュールは、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。 Moreover, it is desirable that the thermoelectric conversion module configures a circuit in a series-parallel combination so that a desired voltage or current can be obtained through the wiring. The ends of a plurality of series circuits composed of a plurality of thermoelectric conversion modules are connected to respective contacts of a switching device (not shown), and are directly connected by operating the contacts on the switching device side. The number of modules and the number of thermoelectric conversion modules connected in parallel are determined. The electric power generated in each thermoelectric conversion module is sent to the switching device through the wiring, is sent to the control device with a predetermined voltage / current, and is used by various loads after being charged and DC / AC converted.
次に、図1に示した構成の熱電併給装置による熱電併給動作の手順について説明する。図3は、第1の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、冷熱源16から流路18への冷熱媒体の新たな供給がなされており、流路18のバルブ17は閉じられているものとする。そして、高温熱源11からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器12により非接触で集熱され(ステップS1)、この集熱された熱が高温熱浴部13により蓄熱される(ステップS2)。そして、高温熱浴部13により蓄熱された熱が熱電変換部14の一方の面に伝熱され、また、冷熱源16から流路18に供給された冷熱媒体がヒートシンク15に供給されることで、熱電変換部14の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ(ステップS3)、この発電された電力がMPPTコントローラ21に供給され、この電力がバッテリ23に蓄電されたり、インバータ22を介して負荷へ供給されたりする(ステップS4)。
Next, the procedure of the combined heat and power operation by the combined heat and power device shown in FIG. 1 will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of the combined heat and power operation by the combined heat and power device according to the first embodiment.
First, as an initial state, it is assumed that a new cooling medium is supplied from the cooling
そして、熱電併給制御装置20が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、冷熱源16による冷熱媒体の新たな供給を停止させることで流路18内の冷熱媒体の温度の低下を抑制した上で、高温熱浴部13から熱電変換部14の一方の面に伝熱された熱のうち電力変換に供しない熱が当該熱電変換部14の他方の面に向かって通過してヒートシンク15内の冷熱媒体との熱交換がなされることにより(ステップS5)、冷熱媒体の温度が上昇する。そして、熱電併給制御装置20は、流路18の冷熱媒体の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際に流路18のバルブを開いて、当該冷熱媒体を貯湯タンク24に供給し、さらに、冷熱源16から流路18への冷熱媒体の新たな供給を再開させる(ステップS6)。
Then, the combined heat and
以上のように、第1の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源11からの熱を集熱器12で非接触で集熱して、この熱と冷熱源からの冷熱により熱電変換部14による発電を行なうとともに、熱電変換部14の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部14の他方の面に向かって通過してヒートシンク15内の冷熱媒体との熱交換がなされることにより、冷熱媒体の温度を上昇させ、この温度が上昇した冷熱媒体の熱、つまり熱電変換部14を通過した熱を有効に利用する構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率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併給装置を提供することができる。
As described above, in the cogeneration apparatus according to the first embodiment, the heat from the high-temperature heat source 11 is collected by the
具体的には、第1に、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部側の設計自由度が大きいという効果が得られる。また、第2に、真空管集熱器で集めた熱を高温熱浴部を介して熱電変換部に供給するので、高温熱源から熱電変換部へ熱輸送するための循環ポンプなどのエネルギーを気にする必要がなく、伝熱効率を高めることが出来る。また、第3に、オンサイトで温熱と冷熱を熱電変換部に同時に供給出来るため、熱電変換部の一方の面と他方の面との温度差を大きくして熱電変換による発電量を高めることが出来る。また、第4に、熱エネルギーを熱と電気の両方の形態で回収することでエネルギー回収効率を例えば50%以上に高められる。 Specifically, first, since power is generated based on energy received in a non-contact manner from a high-temperature heat source, there is an effect that the selection range of the shape and type of the target heat source and the design flexibility on the power generation unit side are large. It is done. Secondly, since the heat collected by the vacuum tube collector is supplied to the thermoelectric converter via the high temperature heat bath, the energy of the circulation pump for transporting heat from the high temperature heat source to the thermoelectric converter is considered. It is not necessary to increase the heat transfer efficiency. Third, since hot and cold heat can be simultaneously supplied to the thermoelectric conversion unit on-site, the temperature difference between one surface and the other surface of the thermoelectric conversion unit can be increased to increase the amount of power generated by thermoelectric conversion. I can do it. Fourth, the energy recovery efficiency can be increased to, for example, 50% or more by recovering the thermal energy in both heat and electricity.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。なお、本実施形態における の構成は図1に示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
図4は、第2の実施形態における水冷式熱電併給装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器で高温熱源からの輻射熱を受けて不凍液に蓄熱し、この不凍液を熱電変換部の高温側に循環させ、また、冷水を熱電変換部の低温側に供給して熱電変換での発電を行ないつつ、熱電変換部の高温側から低温側に通過した熱をもとに冷水との熱交換を行なってお湯を作り出すことを特徴とする。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, the configuration of is basically the same as that shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a water-cooled combined heat and power supply apparatus according to the second embodiment.
In this embodiment, a heat pipe type vacuum tube collector receives radiant heat from a high-temperature heat source, stores heat in the antifreeze liquid, circulates the antifreeze liquid to the high temperature side of the thermoelectric conversion unit, and cool water to the low temperature side of the thermoelectric conversion unit The hot water is generated by performing heat exchange with cold water based on the heat that has passed from the high temperature side to the low temperature side of the thermoelectric conversion part while generating electricity by thermoelectric conversion.
本実施形態では、熱電変換部14の一方の面に伝熱板13aを熱的に接合し、この伝熱板13aに対して、エリスリトールなどの糖類や溶融塩などの潜熱蓄熱槽13bを熱的に接合し、熱電変換部14の他方の面に水冷ジャケット15aを熱的に接合する構成としている。
In the present embodiment, a
本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器12に対して、不凍液ヘッダ部30が熱的に接合されている。不凍液ヘッダ部30には潜熱蓄熱槽13bの沸点より低い沸点をもつ不凍液が流れており、この不凍液は、真空管集熱器12からの熱を受けた不凍液ヘッダ部30との熱交換により温度が上昇し、流路18aを流れて熱電変換部14側の潜熱蓄熱槽13bに供給されて不凍液ヘッダ部30に戻る。
In the present embodiment, the antifreeze
水冷ジャケット15aには、流路18bを介して冷水タンク32からの冷水などの冷熱媒体が供給される。冷熱媒体は冷水に限らず、雪などであってもよい。熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を開くことにより、冷水を冷水タンク32内に新たに供給し、この冷水を流路18bを介して水冷ジャケット15aに供給できるようになっている。また、冷水タンク32にはバルブ33を介して貯湯タンク34が取り付けられ、熱電併給制御装置20によりバルブ33を開くことで、冷水タンク32内で温められた温水を貯湯タンク34に移すことができるようになっている。
A cooling medium such as cold water from the
真空管集熱器12は、図4に示すように、集熱した熱をヘッダ部30で不凍液と熱交換してもよいし、不凍液をU字管に通して集熱してもよい。本実施形態では、不凍液に顕熱蓄熱した熱を潜熱蓄熱槽13bに供給して蓄熱し、これを熱電変換部14の高温側熱源とする。
As shown in FIG. 4, the
また、冷水タンク32から水冷ジャケット15aに冷水を供給して、熱電変換部14の他方の面を低温として、熱電変換部14の低温側熱源とし、熱電変換部14の両面の温度差により発電を行なう。
Further, cold water is supplied from the
また、本実施形態では、温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングで熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を一旦閉じて、冷水タンク32に冷水が新たに供給されないようにした上で、真空管集熱器12により集熱して熱電変換部14の一方の面から他方の面に通過した熱が水冷ジャケット15a内の冷水に移り、冷水が貯湯タンク34に貯湯する基準となる所望の温度まで上昇したりするまで、必要に応じて冷水タンク32内の冷水を攪拌しつつ、この冷水を冷水タンク32と水冷ジャケット15aとの間の流路18bにて循環させる。
Further, in the present embodiment, the
熱電併給制御装置20は、流路18bの冷水の温度を温度センサを用いて測定し、この温度が所定の温度に達した際にバルブ33を開いて、冷水タンク32内の水を貯湯タンク34に供給し、さらに、水道管の蛇口31を再び開いて、冷水タンク32から流路18bへの冷水新たな供給を再開させる。
The combined heat and
図5は、第2の実施形態における水冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を開いた状態で、冷水タンク32から流路18bへの冷水の新たな供給がなされており、冷水タンク32と貯湯タンク34との間のバルブ33は閉じられているものとする。そして、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器12により非接触で集熱され(ステップS11)、この集熱された熱が不凍液ヘッダ部30を介して流路18a内の不凍液により蓄熱される(ステップS12)。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the combined heat and power operation by the water-cooled combined heat and power supply apparatus according to the second embodiment.
First, as an initial state, fresh water is supplied from the
そして、この蓄熱された熱が熱電変換部14の一方の面における潜熱蓄熱槽13bを介して伝熱板13aに伝熱され、また、冷水タンク32から流路18bに供給された冷水が水冷ジャケット15aに供給されることで、熱電変換部14の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ(ステップS13)、この発電された電力が図示しないMPPTコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする(ステップS14)。
The stored heat is transferred to the
そして、熱電併給制御装置20が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、水道管の蛇口31を閉じて冷水タンク32への冷水の新たな供給を停止させることで流路18b内の水の温度の低下を抑制した上で、伝熱板13aから熱電変換部14の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部14の他方の面に向かって通過して水冷ジャケット15a内の冷水との熱交換がなされることにより(ステップS15)、冷水の温度が上昇する。
Then, the combined heat and
そして、熱電併給制御装置20は、流路18bの水の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際にバルブ33を開いて、冷水タンク32内の水を貯湯タンク24に供給し、さらに、水道管の蛇口31を開いて冷水タンク32への冷水の新たな供給を再開させる(ステップS16)。
Then, the combined heat and
以上のように、第2の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源からの熱を集熱器12で非接触で集熱して、この熱と冷水からの冷熱により熱電変換部14による発電を行なうとともに、熱電変換部14の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部14の他方の面に向かって通過して水冷ジャケット15a内の冷水との熱交換がなされることにより、冷水の温度を上昇させ、この温度が上昇した水の熱、つまり電力変換に用いられずに熱電変換部14を通過した熱を有効に利用する構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率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併給装置を提供することができる。
As described above, in the combined heat and power supply apparatus according to the second embodiment, heat from the high-temperature heat source is collected in a non-contact manner by the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。
図6は、第3の実施形態における空冷式熱電併給装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器で高温熱源からの輻射熱を受けて不凍液に蓄熱し、この不凍液を熱電変換部の高温側に循環させ、また、熱電変換部の低温側を空冷フィンで冷却することにより、第3の実施形態で説明したような冷熱媒体の循環無しで発電を行なうことを特徴とする。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of an air-cooled combined heat and power supply apparatus according to the third embodiment.
In this embodiment, a heat pipe type vacuum tube collector receives radiant heat from a high temperature heat source, stores heat in the antifreeze liquid, circulates the antifreeze liquid to the high temperature side of the thermoelectric conversion unit, and air cools the low temperature side of the thermoelectric conversion unit. By cooling with fins, power generation is performed without circulation of the cooling medium as described in the third embodiment.
本実施形態では、熱電変換部14の一方の面に伝熱板13aを熱的に接合し、この伝熱板13aに対して、エリスリトールなどの糖類や溶融塩などの潜熱蓄熱槽13bを熱的に接合し、熱電変換部14の他方の面に空冷フィン35を熱的に接合する構成としている。
In the present embodiment, a
本実施形態では、第2の実施形態と同様に、不凍液に顕熱蓄熱した熱を潜熱蓄熱槽13bに供給して蓄熱し、これを熱電変換部14の高温側熱源とする。
In the present embodiment, similarly to the second embodiment, the heat obtained by storing the sensible heat in the antifreeze liquid is supplied to the latent
また、空冷フィン35からの放熱により熱電変換部14の他方の面を低温として、熱電変換部14の低温側熱源とし、熱電変換部14の両面の温度差により発電を行なう。
Further, the other surface of the
この場合は、真空管集熱器12により集熱されて熱電変換部14の一方の面から他方の面に通過した熱は空冷フィン35から温風として取り出される。よって、大気の温度を上昇させるため、熱電併給装置の設置個所が密閉空間であれば、暖房などの効果を得ることができる。
In this case, the heat collected by the
図7は、第3の実施形態における空冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器12により集熱され(ステップS21)、この集熱された熱が不凍液ヘッダ部30を介して流路18a内の不凍液により蓄熱される(ステップS22)。
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the combined heat and power operation by the air-cooled combined heat and power supply apparatus according to the third embodiment.
First, the radiant heat from the high-temperature heat source is collected by the heat pipe type vacuum tube collector 12 (step S21), and the collected heat is stored by the antifreeze in the
そして、この蓄熱された熱が熱電変換部14の一方の面における潜熱蓄熱槽13bを介して伝熱板13aに伝熱され、また、伝熱板13aに伝熱された熱が熱電変換部14の一方の面を介して他方の面へ通過した熱を空冷フィン35により放熱することにより(ステップS23)、熱電変換部14の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ(ステップS24)、この発電された電力が図示しないMPPTコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする(ステップS25)。
The stored heat is transferred to the
以上のように、第3の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源からの熱を集熱器12で非接触で集熱して、この熱と空冷フィン35による冷却により熱電変換部14による発電を行なうとともに、電力変換に用いられずに熱電変換部14を通過した熱を空冷フィン35からの熱として取り出す構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率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併給装置を提供することができる。
As described above, in the combined heat and power supply apparatus according to the third embodiment, the heat from the high-temperature heat source is collected in a non-contact manner by the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。
図8は、第4の実施形態における熱電併給装置の集熱部の構成例を示す図である。
本実施形態では、図8(a)に示すように、地面に対して例えば30度の傾斜角による傾斜面をもたせた架台を設け、この架台の傾斜面に対し、図8(b)に示すように複数本または1本のヒートパイプ式の真空管集熱器12を架台41の傾斜面に対し並べて設置し、かつ高熱伝導性の蓄熱ブロック42を傾斜面に設置し、真空管集熱器12の突出部を蓄熱ブロック42に挿入するようにして、両者を熱的に接合させる。蓄熱ブロック42は板状の部材であってもよい。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the heat collecting unit of the cogeneration apparatus according to the fourth embodiment.
In this embodiment, as shown in FIG. 8A, a gantry provided with an inclined surface with an inclination angle of, for example, 30 degrees with respect to the ground is provided, and the inclined surface of the gantry is shown in FIG. 8B. As described above, a plurality of or one heat pipe type
この蓄熱ブロック42には熱輸送用の1本または複数本のヒートパイプ43の一端が挿入されて、蓄熱ブロック42とヒートパイプ43とが熱的に接合される。ヒートパイプ43はヒートプレートであってもよい。本実施形態では、一つの蓄熱ブロック42に対して挿入する真空管集熱器12の本数と、同じ蓄熱ブロック42に挿入するヒートパイプ43の数を異ならせることができる。これにより、真空管集熱器12により集熱する熱の量に対する、ヒートパイプ43により輸送する熱の量との間の調整の自由度を高くすることができる。
One end of one or a plurality of
真空管集熱器12で集められた熱は、蓄熱ブロック42に一時的に蓄熱される。この熱はヒートパイプ43で蓄熱ブロック42との接合部である一端から他端に熱輸送されるので、このヒートパイプ43の他端からの熱を所望の形態で利用することができる。例えば、お湯を沸かしたければ、水槽にヒートパイプ43の他端を挿入すればよいし、蒸気やガスを作りたい場合には水や液体を少量ずつヒートパイプ43の他端に接触させればよい。
The heat collected by the
図9は、第4の実施形態における熱電併給装置の発電部の構成例を示す図である。
本実施形態では、図9(a)に示すように、地面に設置した支柱51の上端に熱浴ブロック52を設置した上で、図8に示した熱輸送用のヒートパイプ43の他端にアルミなどの高熱伝導材である熱浴ブロック52を熱的に接合し、この熱浴ブロック52に熱電変換部14の一方の面を熱的に接合し、熱電変換部14の他方の面にフィン付き水槽53を熱的に接合し、熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を開くことで冷水をフィン付き水槽53に供給する構成としたものである。また、熱電変換部14は、図9(b)に示すように熱浴ブロック52上に格子状に複数並べて設けられる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the power generation unit of the cogeneration apparatus according to the fourth embodiment.
In this embodiment, as shown in FIG. 9A, after installing the
フィン付き水槽53は、第1の実施形態で説明したヒートシンクのように、金属材料で構成された流路中に冷熱媒体を流すチャンバー構造を有して、チャンバー内壁面に伝熱性能を向上させるための加工が施してもよいし、内壁面に防食処理を施してもよいし材料としてBiTe系もしくはFe2VAl系のホイスラー合金を使用してもよい。
Like the heat sink described in the first embodiment, the
真空管集熱器12で集められた熱は、蓄熱ブロック42に一時的に蓄熱される。この熱はヒートパイプ43で熱輸送されて熱浴ブロック52に集熱されて、この熱浴ブロック52が高温になる。
The heat collected by the
これにより、熱電変換部14の一方の面が高温となり、水道管の蛇口31を開けた状態として冷水をフィン付き水槽53の中に注水することで熱電変換部14の他方の面が低温となり、熱電変換部14の両面の温度差により発電を行なう。
Thereby, one surface of the
また、フィン付き水槽53からの熱を必要とする時間または任意のタイミングで熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を閉じると、フィン付き水槽53の温度の低下が抑制され、熱浴ブロック52から熱電変換部14の一方の面から他方の面に向かって通過した熱により、フィン付き水槽53内の冷水の温度が上昇して温水となる。この温水を図示しないタンクに移すなどすることで、熱電変換部14を通過した熱を有効利用する事ができる。また、前述のように熱浴ブロック52から熱電変換部14を通過した熱は、フィン付き水槽53のフィンから放熱され、この熱を温熱として利用することもできる。
Moreover, if the
図10は、第4の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、熱電併給制御装置20により水道管の蛇口31を開いた状態で、フィン付き水槽53への冷水の新たな供給がなされているものとする。そして、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器12により集熱され(ステップS31)、この集熱された熱が蓄熱ブロック42により蓄熱される(ステップS32)。
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a combined heat and power operation by the combined heat and power device according to the fourth embodiment.
First, as an initial state, it is assumed that a new supply of cold water to the
そして、この蓄熱された熱がヒートパイプ43を介して熱浴ブロック52に伝熱されて、この伝熱された熱が熱電変換部14の一方の面に伝熱される(ステップS33)。
The stored heat is transferred to the
また、フィン付き水槽53に冷水が供給されることで熱電変換部14の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ(ステップS34)、この発電された電力が図示しないMPPTコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする(ステップS35)。
Further, the cold water is supplied to the
そして、熱電併給制御装置20が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、水道管の蛇口31を閉じてフィン付き水槽53内の水の温度の低下を抑制した上で、熱電変換部14の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部14の他方の面に向かって通過してフィン付き水槽53内の冷水との熱交換がなされることにより、冷水の温度が上昇する(ステップS36)。
Then, after the combined heat and
この後は、熱電併給制御装置20は、フィン付き水槽53内の水の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際に、貯湯タンクとの間のバルブを開いてフィン付き水槽53内の水を貯湯タンクに供給し、さらに、水道管の蛇口31を開いてフィン付き水槽53への冷水の新たな供給を再開させればよい。
Thereafter, the combined heat and
以上のように、第4の実施形態における熱電併給装置では、真空管集熱器12側の蓄熱ブロック42と熱電変換部14側の熱浴ブロック52との間を熱輸送用のヒートパイプ43で熱的に接合するようにしたので、ヒートパイプ43の本数を変えずに真空管集熱器12の本数を多数に増やすことで、蓄熱ブロック42を更に高温化することができる。よって、他の実施形態と比較して、使用温度域や発電量の調整の自由度を大幅に向上させることができ、熱輸送のための電源を要することなく、拡張性および汎用性の高い熱電併給装置が実現可能となる。
As described above, in the cogeneration apparatus according to the fourth embodiment, heat is transferred between the
本実施形態では、真空管集熱器12側の蓄熱ブロック42と熱電変換部14側の熱浴ブロック52との間を熱輸送用のヒートパイプ43により1対1で熱的に接合する構成としたが、これに限らず、例えば1つの熱浴ブロック52に対し、複数の蓄熱ブロック42を設け、これらの蓄熱ブロック42と熱浴ブロック52とを熱輸送用のヒートパイプ43で熱的に接合する構成としてもよい。つまり、真空管集熱器12、蓄熱ブロック42および熱輸送用のヒートパイプ43を熱的に接合してユニット化し、複数のユニットを熱浴ブロック52に対して熱的に接合するようにしてよい。これにより、温度帯域や発電面積の調整に係る自由度を向上させることができる。
In the present embodiment, the
これらの各実施形態によれば、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能になる熱電併給装置および熱電併給方法を提供することができる。
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。
According to each of these embodiments, it is possible to provide a combined heat and power apparatus and a combined heat and power method that can effectively increase energy utilization efficiency.
Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
11…高温熱源、12…ヒートパイプ式真空管集熱器、13…高温熱浴部、13a…伝熱板、13b…潜熱蓄熱槽、14…熱電変換モジュール、15…ヒートシンク、15a…水冷ジャケット、16…冷熱源、17,33…バルブ、18…流路、20…熱電併給制御装置、21…MPPTコントローラ、22…インバータ、23…バッテリ、24,34…貯湯タンク、32…冷水タンク、35…空冷フィン、41…架台、42…集熱ブロック、43…ヒートパイプ、51…支柱、52…熱浴ブロック、53…フィン付き水槽。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... High temperature heat source, 12 ... Heat pipe type vacuum tube collector, 13 ... High temperature heat bath part, 13a ... Heat-transfer plate, 13b ... Latent heat storage tank, 14 ... Thermoelectric conversion module, 15 ... Heat sink, 15a ... Water cooling jacket, 16 ... cold heat source, 17, 33 ... valve, 18 ... flow path, 20 ... cogeneration control device, 21 ... MPPT controller, 22 ... inverter, 23 ... battery, 24, 34 ... hot water storage tank, 32 ... cold water tank, 35 ... air cooling Fins, 41 ... frame, 42 ... heat collecting block, 43 ... heat pipe, 51 ... strut, 52 ... heat bath block, 53 ... water tank with fins.
Claims (8)
一方の面が前記集熱部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合され、両面の温度差により発電する熱電変換部と、
前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する熱交換部と
を備えたことを特徴とする熱電併給装置。 A heat collecting section for collecting heat by receiving heat from a high-temperature heat source in a non-contact manner;
A thermoelectric conversion unit that has one surface thermally bonded to the heat collecting unit, the other surface is thermally bonded to a cooling medium having a temperature lower than the temperature of the collected heat, and generates power by a temperature difference between the two surfaces; ,
A heat exchanging unit that exchanges heat between the other surface and the cooling medium that is received on one surface of the thermoelectric conversion unit and passed to the other surface of the thermoelectric conversion unit; Combined heat and power device.
前記集熱部に熱的に接合されて当該集熱部により集熱した熱を蓄熱する蓄熱部と、
前記蓄熱部に熱的に接合される熱輸送部と、
前記熱輸送部に熱的に接合される熱浴部と、
一方の面が前記熱浴部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合され、両面との温度差により発電する熱電変換部と、
前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する熱交換部と
を備えたことを特徴とする熱電併給装置。 A heat collecting section for collecting heat by receiving heat from a high-temperature heat source in a non-contact manner;
A heat storage section that is thermally joined to the heat collection section and stores heat collected by the heat collection section; and
A heat transport part thermally joined to the heat storage part;
A heat bath part thermally joined to the heat transport part;
One surface is thermally bonded to the heat bath portion, the other surface is thermally bonded to a cold medium having a temperature lower than the temperature of the collected heat, and a thermoelectric conversion portion that generates power by a temperature difference between the two surfaces. When,
A heat exchanging unit that exchanges heat between the other surface and the cooling medium that is received on one surface of the thermoelectric conversion unit and passed to the other surface of the thermoelectric conversion unit; Combined heat and power device.
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電併給装置。 A heat bath part that is thermally joined between the heat collecting part and the one surface of the thermoelectric conversion part and transmits heat collected by the heat collecting part to the one surface of the thermoelectric conversion part; The cogeneration apparatus according to claim 1, further comprising:
内部に顕熱蓄熱材を有する
ことを特徴とする請求項3に記載の熱電併給装置。 The heat bath part is
The cogeneration apparatus according to claim 3, further comprising a sensible heat storage material.
内部に潜熱蓄熱材を有する
ことを特徴とする請求項3に記載の熱電併給装置。 The heat bath part is
The cogeneration apparatus according to claim 3, further comprising a latent heat storage material.
ことを特徴とする請求項2に記載の熱電併給装置。 Units formed by thermally joining the heat storage part to the heat collecting part and thermally joining the heat transport part to the heat storage part are thermally joined to the heat bath part by a plurality of units. The combined heat and power device according to claim 2, wherein
一方の面が前記集熱部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合した熱電変換部の両面の温度差により発電し、
前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する
ことを特徴とする熱電併給方法。 Receives heat from a high-temperature heat source in a non-contact manner at the heat collecting part,
One surface is thermally bonded to the heat collecting part, and the other surface is generated by a temperature difference between both surfaces of the thermoelectric conversion part thermally bonded to a cooling medium having a temperature lower than the temperature of the collected heat,
A combined heat and power method, wherein heat exchanged between the other surface and the cooling medium is received between the heat received by one surface of the thermoelectric conversion unit and passed through the other surface of the thermoelectric conversion unit.
前記集熱した熱を蓄熱部により蓄熱し、
前記蓄熱した熱を熱輸送部により熱浴部に熱輸送し、
一方の面が前記熱浴部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合される熱電変換部の両面との温度差により発電し、
前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の前記他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する
ことを特徴とする熱電併給方法。 Receives heat from the high-temperature heat source in a non-contact manner by the heat collecting part,
Storing the collected heat by a heat storage unit;
The heat storage heat transported to the heat bath part by the heat transport part,
Electric power is generated by a temperature difference between both surfaces of the thermoelectric conversion unit, one surface of which is thermally bonded to the heat bath portion and the other surface is thermally bonded to a cooling medium having a temperature lower than the temperature of the collected heat. And
A combined heat and power method, wherein heat exchanged between the other surface and the cooling medium is received between the heat received by one surface of the thermoelectric conversion unit and passed through the other surface of the thermoelectric conversion unit.
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