JP2013098494A - Thermal power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、熱発電システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a thermoelectric power generation system.
特許文献1に記載されているように、各種機器及び産業プラントなどで生じる熱エネルギーを回収するために、熱電変換モジュールを使用することが考えられている。例えば、一対の配管の間に複数の熱電変換モジュールを設置し、一方の配管に熱水を流し、他方の配管に冷水を流すことにより、熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。
As described in
本発明の目的は、熱発電システムの発電効率を向上させ得る技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the power generation efficiency of a thermoelectric power generation system.
実施形態の熱発電システムは、熱電変換モジュールと熱交換装置とを具備している。熱電変換モジュールは、第1及び第2面を有し、第1及び第2面間に温度差を生じさせることにより発電する。熱交換装置は、第1面に隣接した部品を含んでいる。この部品には、各々が特定の方向に延びた複数の貫通孔が設けられている。熱交換装置は、熱媒体が貫通孔の各々を同じ向きに流れるように構成されている。 The thermoelectric generation system of the embodiment includes a thermoelectric conversion module and a heat exchange device. The thermoelectric conversion module has first and second surfaces, and generates power by generating a temperature difference between the first and second surfaces. The heat exchange device includes a component adjacent to the first surface. The component is provided with a plurality of through holes each extending in a specific direction. The heat exchange device is configured such that the heat medium flows through each of the through holes in the same direction.
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。なお、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component which exhibits the same or similar function through all drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
まず、図1乃至図4を参照しながら、第1実施形態を説明する。
図1に示す熱発電システム1は、熱電変換モジュール10と、第1熱交換装置20と、第2熱交換装置30とを含んでいる。なお、図中、X方向は、熱電変換モジュール10の主面に平行な方向である。Y方向は、熱電変換モジュール10の主面に平行であり且つX方向に垂直な方向である。そして、Z方向は、X方向及びY方向に垂直な方向であって、熱電変換モジュール10の厚さ方向に相当する。
First, the first embodiment will be described with reference to FIGS.
A
図1に示す例では、第1熱交換装置20と第2熱交換装置30との間で、複数の熱電変換モジュール10がX方向に配列している。第1熱交換装置20と第2熱交換装置30との間には、熱電変換モジュール10を1つのみ設置してもよい。
In the example shown in FIG. 1, a plurality of
熱電変換モジュール10は、図2に示すように、第1面F1及び第2面F2を有している。熱電変換モジュール10は、第1面F1と第2面F2と間に温度差を生じさせることにより発電する。具体的には、熱電変換モジュール10は、第1面F1と第2面F2と間に温度差を生じさせると、ゼーベック効果により起電力を生じる。
As shown in FIG. 2, the
熱電変換モジュール10は、図2に示すように、第1絶縁層110a及び第2絶縁層110bを含んでいる。絶縁層110a及び110bは、各々の主面がX方向及びY方向に対して平行になるようにZ方向に配列している。
As shown in FIG. 2, the
絶縁層110a及び110bは、例えば、アルミナなどの無機絶縁体からなる。絶縁層110a及び110bは、単層構造を有していてもよく、多層構造を有していてもよい。絶縁層110aに多層構造を採用する場合、その絶縁層110bに最も近い層が絶縁性であれば、他の層の1つ以上は導電性であってもよい。同様に、絶縁層110bに多層構造を採用する場合、その絶縁層110aに最も近い層が絶縁性であれば、他の層の1つ以上は導電性であってもよい。
The
絶縁層110a及び110b間には、第1部分120aと第2部分120bとが介在している。第1部分120a及び第2部分120bの各々は、例えば、Y方向に延びた形状を有している。第1部分120a及び第2部分120bは、互いから離間して配列している。
A
なお、図2に示す例では、第1部分120a及び第2部分120bはX方向に配列しているが、それらの配列方向はX方向でなくてもよい。例えば、第1部分120a及び第2部分120bはY方向に交互に配列していてもよい。また、図2に示す例では、各熱電変換モジュール10は、第1部分120a及び第2部分120の各々を複数含んでいるが、各熱電変換モジュール10は、第1部分120a及び第2部分120bの各々を1つのみ含んでいてもよい。
In the example shown in FIG. 2, the
第1部分120a及び第2部分120bは、異なる材料からなる。第1部分120a及び第2部分120bの材料としては、金属又は半導体を使用することができる。例えば、第1部分120a及び第2部分120bの一方はp型半導体からなり、第1部分120a及び第2部分120bの他方はn型半導体からなる。この場合、第1部分120a及び第2部分120bの材料としては、例えば、テルル化ビスマスなどのビスマスとテルルとを含んだ物質に、セレン及びアンチモンなどの不純物を添加したものを使用することができる。このような材料を使用した場合、例えば、220℃以下の、特には150℃以下の熱を利用した発電において、特に優れた発電効率を達成することができる。
The
絶縁層110aと第1部分120a及び第2部分120bとの間には、第1導体層130aが介在している。導体層130aの各々は、Y方向に延びた帯形状を有している。これら導体層130aは、1つの第1部分120aと1つの第2部分120bとから各々がなる組に対応してX方向に配列している。各導体層130aは、上記の組が含んでいる第1部分120a及び第2部分120bを互いに電気的に接続している。
A
絶縁層110bと第1部分120a及び第2部分120bとの間には、第2導体層130bが介在している。導体層130bの各々は、Y方向に延びた帯形状を有している。これら導体層130bは、上記の組に対応してX方向に配列している。各導体層130bは、隣り合った2組の一方が含んでいる第1部分120aと、他方の組が含んでいる第2部分120bとを互いに電気的に接続している。
A
導体層130a及び130bは、例えば、単体金属又は合金からなる。導体層130a及び130bの材料としては、例えば、半田などの金属材料を使用することができる。導体層130a及び130bの各々は、単層構造を有していてもよく、多層構造を有していてもよい。導体層130a又は130bに多層構造を採用する場合、例えば、銅、ニッケル又はそれらの少なくとも一方を含んだ合金からなる層を形成し、その上に半田からなる層を設けてもよい。
The
なお、各熱電変換モジュール10が第1部分120a及び第2部分120bの各々を1つのみ含んでいる場合、導体層130a及び130bの一方は省略することができる。
In addition, when each
第1部分120aと第2部分120bとの間には、絶縁層140が介在している。絶縁層140は、例えば、無機絶縁体又は有機絶縁体からなる。絶縁層140は、省略することができる。
An
第1熱交換装置20は、図1に示すように、熱電変換モジュール10と隣接している。第1熱交換装置20は、第1熱媒体と図2に示す第1面F1との熱交換を媒介する。ここでは、第1熱媒体は、X方向に流れる流体、例えば液体又は気体である。
As shown in FIG. 1, the first
熱交換装置20は、図3及び図4に示す第1部品210を含んでいる。部品210は、図2に示す第1面F1と隣接している。
The
部品210は、例えば、第1熱媒体を流す流路の一部を構成している。部品210は、第1熱媒体を流す流路(図示せず)内に設置されていてもよい。
The
部品210は、例えば、金属又は非金属材料からなる。金属材料としては、例えば、アルミニウム、銅及び鉄などの単体金属又はそれらの少なくとも一方を含んだ合金を使用することができる。合金として、特殊用途ステンレス鋼(SUS)などのステンレス鋼を使用してもよい。非金属材料としては、例えば、珪素を使用することができる。
The
部品210には、各々が第1方向に延びた複数の第1貫通孔THが設けられている。熱交換装置20は、第1熱媒体が貫通孔THの各々を同じ向きに流れるように構成されている。典型的には、第1方向は、部品210の上流及び下流における第1熱媒体の流れ方向に対して平行である。ここでは、第1方向は、X方向に対して平行な方向である。
The
部品210には、等しい径の貫通孔THを設けてもよく、径が異なる貫通孔THを設けてもよい。熱交換の効率の観点では、部品210には、等しい径の貫通孔THを設けることが好ましい。
The
貫通孔THの径は、例えば10mm以下であり、好ましくは5mm以下である。貫通孔THの径を大きくすると、熱交換の効率が低下する。また、貫通孔THの径は、例えば1mm以上であり、好ましくは3mm以上である。貫通孔THの径を小さくすると、第1熱媒体の圧力損失が大きくなる。 The diameter of the through hole TH is, for example, 10 mm or less, and preferably 5 mm or less. When the diameter of the through hole TH is increased, the efficiency of heat exchange decreases. Further, the diameter of the through hole TH is, for example, 1 mm or more, preferably 3 mm or more. When the diameter of the through hole TH is reduced, the pressure loss of the first heat medium is increased.
貫通孔THの径に対する長さの比は、例えば2以上である。この比を大きくすると、熱交換に利用可能な面の面積が大きくなる。また、この比を大きくすると、第1熱媒体の乱流を抑制できるため、第1熱媒体の圧力損失を小さくすることができる。 The ratio of the length to the diameter of the through hole TH is, for example, 2 or more. Increasing this ratio increases the surface area available for heat exchange. Further, when this ratio is increased, the turbulent flow of the first heat medium can be suppressed, so that the pressure loss of the first heat medium can be reduced.
貫通孔THの長さ方向に対して垂直な断面、ここでは、X方向に対して垂直な断面において、部品210の面積に占める貫通孔THの合計面積の比は、例えば30%以上である。この比を大きくすると、熱交換に利用可能な面の面積が大きくなる。また、この比は、例えば、60%以下である。この比を小さくすると、部品210の強度が低下する。
In the cross section perpendicular to the length direction of the through hole TH, here, in the cross section perpendicular to the X direction, the ratio of the total area of the through holes TH to the area of the
貫通孔THの長さ方向に対して垂直な断面において、各貫通孔THは円形である。この断面における貫通孔THの形状は、円形でなくてもよい。例えば、この断面において、貫通孔THは、三角形、四角形及び六角形などの多角形であってもよい。 In the cross section perpendicular to the length direction of the through hole TH, each through hole TH is circular. The shape of the through hole TH in this cross section may not be circular. For example, in this cross section, the through hole TH may be a polygon such as a triangle, a quadrangle, and a hexagon.
貫通孔THの長さ方向に対して垂直な断面において、貫通孔THは、規則的に配列していてもよく、不規則に配列していてもよい。前者の場合、貫通孔THは、例えば、三角格子及び正方格子などの格子状に配列していてもよい。 In the cross section perpendicular to the length direction of the through holes TH, the through holes TH may be arranged regularly or irregularly. In the former case, the through holes TH may be arranged in a lattice shape such as a triangular lattice and a square lattice.
部品210は、例えば、ブロックに複数の貫通孔を形成することにより得られる。或いは、部品210は、複数の貫通孔が各々に設けられた複数の薄板を積層することにより得られる。複数の貫通孔が設けられた構造は、例えば、フォトエッチング及びエレクトロフォーミングなどの化学処理プロセス、又は、ドリルによる切削加工、プレス加工、放電加工及びレーザ加工などの機械加工プロセスを利用して得ることができる。
The
第2熱交換装置30は、図1に示すように、熱電変換モジュール10と隣接している。第2熱変換装置30は、第2熱媒体と図2に示す第2面F2との熱交換を媒介する。ここでは、第2熱媒体は、例えば液体又は気体、典型的には気体である。第2熱媒体の温度は、第1熱媒体の温度とは異なっている。ここでは、一例として、第2熱媒体の温度は、第1熱媒体の温度と比較してより低いこととする。
As shown in FIG. 1, the second
第2熱交換装置30は、複数のフィンを含んでいる。第2熱交換装置30は、例えば、金属材料からなる。金属材料としては、例えば、銅及びアルミニウムなどの単体金属又は合金を使用することができる。
The second
この熱発電システム1は、上記の通り、複数の熱電変換モジュール10を含んでいる。これら熱電変換モジュール10は、直列に又は並列に接続されている。熱電変換モジュール10の数及び電気的接続は、熱発電システム1が出力する電力の用途に応じて適宜選択される。
This
この熱発電システム1は、直流電流を出力する。それ故、典型的には、この熱発電システム1は、直流電流を交流電流に変換するべく、インバータ、コントローラ、パワーコンディショナ、バッテリ及びコンデンサなどと組み合わされる。勿論、熱発電システム1が出力する直流電流は、交流電流に変換することなしに使用してもよい。
The
上記の通り、この熱発電システム1は、第1熱交換装置20を含んでいる。第1熱交換装置20は、複数の貫通孔THが設けられた部品210を含んでおり、この部品210が、貫通孔TH内に流通させる第1熱媒体と熱電変換モジュール10の第1面F1との熱交換を媒介する。それ故、例えば、第1熱交換装置20の代わりに、1つの配管を使用した場合と比較して、高い熱交換効率を達成できる。従って、この熱発電システム1は、高い発電効率を達成し得る。特に、この熱発電システム1は、第1熱媒体の温度が比較的低い場合に極めて有用である。
As described above, the
この熱発電システムには、様々な変形が可能である。図5乃至図8を参照しながら、第1実施形態の変形例を説明する。 Various modifications can be made to this thermoelectric generation system. A modification of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図5に示す変形例では、第1熱交換装置20を複数の部品210で構成している。これら部品210は、第1熱媒体を流す流路内で、第1熱媒体の流れ方向、ここではX方向に沿って直列に配列している。この構造を採用すると、貫通孔THの一部が詰まることに起因した第1熱媒体の圧力損失を最小にすることができる。
In the modification shown in FIG. 5, the first
なお、第1熱交換装置20を複数の部品210で構成する場合、図5に示すように、1つの熱電変換モジュール10に対して複数の部品210を配置することができる。或いは、1つの熱電変換モジュール10に対して1つの部品210を設置してもよい。
When the first
図6に示す変形例では、第1熱交換装置20を、部品210と断熱材220とで構成している。断熱材220は、部品210を間に挟んで第1面F1と向き合っている。
In the modification shown in FIG. 6, the first
断熱材220は、例えば、無機材料を含んだコーティングである。無機材料としては、例えば、シリカ又はアルミナ粉末を使用することができる。このコーティングは、接着剤などの他の成分を更に含むことができる。
The
断熱材220を設けると、第1熱媒体の熱エネルギーが熱発電システム1の外部へと散逸するのを抑制することができる。従って、より高い発電効率を達成することができる。
When the
図7に示す変形例では、第2熱交換装置30は、図3及び図4などを参照しながら説明した第1熱交換装置20と同様の構造を有している。即ち、第2熱交換装置30は、第2面F2に隣接した第2部品を含んでいる。第2部品には、各々が第2方向に延びた複数の第2貫通孔が設けられている。第2熱交換装置30は、第2熱媒体が第2貫通孔の各々を同じ向きに流れるように構成されている。なお、ここでは、第2方向は、第1方向に対して平行であるが、第2方向と第1方向とは交差していてもよい。
In the modification shown in FIG. 7, the second
図7の構造を採用した場合、第1熱交換装置20において高い熱交換効率を達成できるのに加え、第2熱交換装置20においても高い熱交換効率を達成できる。従って、より高い発電効率を達成することができる。
When the structure of FIG. 7 is adopted, in addition to achieving high heat exchange efficiency in the first
図8に示す変形例では、第1熱変換装置20は、図1を参照しながら説明した第2熱交換装置20と同様の構造を有している。
In the modification shown in FIG. 8, the first
また、図8に示す変形例では、第2熱交換装置30は、図3及び図4などを参照しながら説明した第1熱交換装置20と同様の構造を有している。即ち、第2熱交換装置30は、第2面F2に隣接した第2部品を含んでいる。第2部品には、各々が第2方向に延びた複数の第2貫通孔が設けられている。第2熱交換装置30は、第2熱媒体が第2貫通孔の各々を同じ向きに流れるように構成されている。
In the modification shown in FIG. 8, the second
図8の構造を採用した場合、第2熱交換装置20において高い熱交換効率を達成できる。従って、この場合も、高い発電効率を達成することができる。
When the structure of FIG. 8 is adopted, high heat exchange efficiency can be achieved in the second
図5を参照しながら説明した構造と図6を参照しながら説明した構造とは、互いに組み合わせることができる。即ち、図5に示す各部品210上に、図6を参照しながら説明した断熱材220を設けてもよい。
The structure described with reference to FIG. 5 and the structure described with reference to FIG. 6 can be combined with each other. That is, you may provide the
図7を参照しながら説明した構造に、図5を参照しながら説明した構造及び図6を参照しながら説明した構造の少なくとも一方を組み合わせてもよい。この場合、熱交換装置20及び30の一方に、図5を参照しながら説明した構造及び図6を参照しながら説明した構造の少なくとも一方を適用してもよい。或いは、熱交換装置20及び30の双方に、図5を参照しながら説明した構造及び図6を参照しながら説明した構造の少なくとも一方を適用してもよい。
The structure described with reference to FIG. 7 may be combined with at least one of the structure described with reference to FIG. 5 and the structure described with reference to FIG. In this case, at least one of the structure described with reference to FIG. 5 and the structure described with reference to FIG. 6 may be applied to one of the
図8を参照しながら説明した構造に、図5を参照しながら説明した構造及び図6を参照しながら説明した構造の少なくとも一方を組み合わせてもよい。即ち、熱交換装置30に、図5を参照しながら説明した構造及び図6を参照しながら説明した構造の少なくとも一方を適用してもよい。
The structure described with reference to FIG. 8 may be combined with at least one of the structure described with reference to FIG. 5 and the structure described with reference to FIG. That is, at least one of the structure described with reference to FIG. 5 and the structure described with reference to FIG. 6 may be applied to the
次に、図9及び図10を参照しながら、第2実施形態を説明する。
第2実施形態に係る熱発電システムは、以下の構成を採用したこと以外は、第1実施形態に係る熱発電システム1と同様である。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
The thermoelectric generator system according to the second embodiment is the same as the
即ち、第2実施形態に係る熱発電システムでは、図9及び図10に示すように、一部の貫通孔THの両端を栓230a及び230bで封止し、それらに蓄熱材240を充填している。蓄熱材240は、第1熱媒体の温度変化に起因した熱発電システム1の発電量の変化を抑制する役割を果たす。
That is, in the thermoelectric generator system according to the second embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, both ends of a part of the through holes TH are sealed with
蓄熱材240としては、例えば、部品210と比較して比熱がより大きな顕熱蓄熱材を使用することができる。顕熱蓄熱材としては、例えば、鉱油を使用することができる。
As the
或いは、蓄熱材240として、潜熱蓄熱材を使用してもよい。第1熱媒体の平均温度よりも低い温度で、例えば、第1熱媒体の平均温度よりも10℃乃至20℃低い温度で液体から固体への相変化を生じるものを使用することが好ましい。潜熱蓄熱材としては、例えば、塩化マグネシウム六水和物又はエリスリトールを使用することができる。なお、潜熱蓄熱材は、顕熱蓄熱材と組み合わせて使用してもよい。
Alternatively, a latent heat storage material may be used as the
潜熱蓄熱材を使用した場合、第1熱媒体の温度T1が潜熱蓄熱材の転移温度T2と等しいか又はそれよりも高い場合、熱発電システム1は、第1熱媒体の熱エネルギーによって発電する。そして、第1熱媒体の温度T1が潜熱蓄熱材の転移温度T2よりも低い場合、熱発電システム1は、潜熱蓄熱材が蓄えていた熱エネルギーによって発電する。このようにして、第1熱媒体の温度変化に起因した熱発電システム1の発電量の変化を抑制する。
When the latent heat storage material is used, if the temperature T1 of the first heat medium is equal to or higher than the transition temperature T2 of the latent heat storage material, the
この構成を採用した場合、蓄熱材240が蓄えている熱は、部品210に直接伝達される。それ故、蓄熱材240が蓄えているエネルギーを効率的に発電に利用することができる。
When this configuration is adopted, the heat stored in the
第2実施形態において説明した技術は、第1実施形態に係る熱発電システム1に適用してもよい。また、第2実施形態において説明した技術は、上記の変形例に係る熱発電システムに適用してもよい。
The technology described in the second embodiment may be applied to the
上述した熱発電システムは、例えば、ごみ焼却場、清掃工場又は石油精製所で生じた排熱からの発電に利用することができる。具体的には、上記の第1及び第2熱媒体の一方として、焼却炉の冷却に使用した水、焼却炉からの排熱の回収に使用する蒸気タービンが排出した水、又は原油の精製で分留された精製油の冷却に使用した水を使用する。そして、上記の第1及び第2熱媒体の他方として、より低温の冷却水を使用するか、又は、空気などのガスを使用する。このようにして、各種機器及び産業プラントなどで生じた熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。なお、このようにして生じさせた電力は、例えば、場内の照明や換気扇に使用することができる。 The above-described thermoelectric power generation system can be used, for example, for power generation from waste heat generated in a garbage incineration plant, a cleaning plant, or an oil refinery. Specifically, as one of the first and second heat media, water used for cooling the incinerator, water discharged by the steam turbine used for recovering exhaust heat from the incinerator, or crude oil refining. Use the water used to cool the fractionated refined oil. And as the other of said 1st and 2nd heat medium, cooler cooling water is used, or gas, such as air, is used. In this way, heat energy generated in various devices and industrial plants can be recovered as electric energy. In addition, the electric power generated in this way can be used for, for example, lighting in the field or a ventilation fan.
1…熱発電システム、10…熱電変換モジュール、20…第1熱交換装置、30…第2熱交換装置、110a…第1絶縁層、110b…第2絶縁層、120a…第1部分、120b…第2部分、130a…第1導体層、130b…第2導体層、140…絶縁層、210…第1部品、220…断熱材、230a…栓、230b…栓、240…蓄熱材、F1…第1面、F2…第2面、TH…第1貫通孔。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1面に隣接した第1部品を含み、前記第1部品には各々が第1方向に延びた複数の第1貫通孔が設けられ、第1熱媒体が前記複数の第1貫通孔の各々を同じ向きに流れるように構成された第1熱交換装置と
を具備した熱発電システム。 A thermoelectric conversion module that has first and second surfaces and generates power by generating a temperature difference between the first and second surfaces;
The first part includes a first part adjacent to the first surface, and the first part is provided with a plurality of first through holes each extending in a first direction, and a first heat medium is provided in the first through holes. A thermoelectric generator system comprising: a first heat exchange device configured to flow in the same direction.
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