JP2014194176A - 船舶用熱電発電システム及び船舶 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に対応した船舶用熱電発電システムは、船舶1の内燃機関10から排出される排気ガスの通る排気ガス経路20と、内燃機関10を冷却する冷却水の通る冷却水経路30と、高温部で排気ガス経路20から受熱し、低温部で冷却水経路30の取水部31又は喫水以下の船体2に放熱することにより発電を行なう熱電発電手段40とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
しかし、これらの熱電発電装置に用いる熱電変換素子は、接合材の条件や材料の酸化等から仕様的に最高使用温度の制限を受ける。
例えば、ビスマス・テルル系(Bi−Te系)を利用した熱電変換素子では、最高使用温度は230℃程度、鉛・テルル系(Pb−Te系)を利用した熱電変換素子では、最高使用温度は530℃程度である。
従って、600℃を超えるような内燃機関の排気ガスを用いて排熱回収を行う場合に、安定した長期の発電運転を維持するためには、熱電変換素子の高温部の表面温度を適切な温度に調整する必要がある。また、使用する熱電変換素子の最高使用温度に対応して、高温部の表面温度を最高使用温度以下の適切な温度に維持することが望まれる。
特に、内燃機関を冷却する冷却水を用いる場合には、内燃機関の運転停止によって熱電変換素子への冷却水の供給が停止され、その結果、熱電変換素子の表面温度が最高使用温度を超えてしまうことがある。
図1に示すように、船舶1は内燃機関10を搭載している。内燃機関10から排出される排気ガスは、排気管で構成される排気ガス経路20を通って排出される。内燃機関10には、冷却水経路30から冷却水が供給される。冷却水は、少なくとも内燃機関10の運転中に取水部31により連続的に取水され、内燃機関10を冷却した後に連続的に排出される。
また、温度制御手段61は、冷却水経路30に設けた流量調節バルブ34を調節して冷却水の流量を制御し、取水部31を流れる冷却水を調節して、熱電発電手段40での低温部における温度を制御する。
熱電発電手段40には、高温部における温度を検出する温度検出手段62を備えている。なお、温度検出手段62は、熱電発電手段40の上流側の排気ガス経路20を流れる排気ガスの温度を検出し、熱電発電手段40の高温部の温度を推定してもよい。
また、温度制御手段61は、熱電発電素子43の使用上限温度以下の温度で高温部と低温部との温度差を調節して熱電発電手段40の発電出力を制御することで、発電量を向上させることができる。
また、温度制御手段61は、冷却水経路30に設けた流量調節バルブ34を調節して冷却水の流量を制御することで、排気ガスの温度低下量を調整できるため、発電量を低下させることなく熱電発電手段40の高温部の表面温度を適切な温度に調整できる。
なお、図1では、内燃機関10を冷却した冷却水を、流量調節バルブ33を介してミキサ手段50に供給しているが、内燃機関10に供給される前の冷却水を、流量調節バルブ33を介してミキサ手段50に供給してもよい。
また、熱電発電素子43が配置された取水部31にも伝熱フィン42aを設けている。それぞれの伝熱フィン42aは、取水部31の内面に立設され、それぞれの伝熱フィン42aの間には、水が流れる流路を形成している。伝熱フィン42aを設けることで、取水部31への放熱量を増やすことができる。
熱電発電素子43は、一方の面が高温部、他方の面が低温部であり、高温部で加熱ブロック41(排気ガス経路20)から受熱し、低温部で冷却ブロック42(取水部31)へ放熱することにより発電を行なう。
熱電発電素子43は、排気ガス経路20と取水部31との間に挟持されることで、排気ガス経路20からの受熱と、取水部31への放熱を効率よく行える。
図2に示すように、熱電発電素子43の周囲に圧縮性と耐熱性を有したシール材44を設けている。シール材44は加熱ブロック41と冷却ブロック42とで挟持される。シール材44を設けることで、加熱ブロック41及び冷却ブロック42への熱電発電素子43の密着性を高め、熱電発電素子43の結露や塩害を防止することができ、耐久性能を高めることができる。また、それぞれの熱電発電素子43にかかる面圧を均等にしやすくなり、発電効率を高めることができる。
図3に示すように、ミキサ手段50は、冷却水経路30から冷却水を導入する導入口51と、リング状空間52と、排気ガス経路20に開口する開口部53とを有している。
リング状空間52は、排気ガス経路20の外周にリング状に形成されている。開口部53は、リング状に多数設けており、冷却水を排気ガスの流れ方向に噴射する。
冷却水は、導入口51からリング状空間52に導かれ、開口部53から排気ガス経路20に噴射される。
リング状に設けた多数の開口部53から冷却水を排気ガスの流れ方向に噴射することで、排気ガスの温度を迅速に低下できるとともに、排気ガスの流れを阻害しないことで内燃機関10への負荷を増す悪影響を防止できる。開口部53は、多孔構造となっており、冷却水をシャワー状に噴射することが好ましい。シャワー状に噴射することで更に排気ガスの温度を迅速に低下できる。
また、熱電発電素子43が防水性を有している場合には直接、熱電発電素子43を船体2の周囲の水に臨ませ水に曝すことも可能である。
また、ミキサ手段50で供給する冷却水を調節して高温部における温度を制御する温度制御手段61を備えたことで、熱電発電手段40の高温部の表面温度を適切な温度に調整し、安定した長期の発電運転を維持することができる。
また、熱電発電手段40で用いる熱電発電素子43の使用上限温度に基づいて温度制御手段61を制御することで、用いる熱電発電素子43の仕様に応じて、熱電発電手段40の高温部の表面温度を適切な温度に調整することができる。
10 内燃機関
20 排気ガス経路
30 冷却水経路
31 取水部
33 流量調節バルブ
34 流量調節バルブ
40 熱電発電手段
41 加熱ブロック
42 冷却ブロック
43 熱電発電素子
44 シール材
50 ミキサ手段
51 開口部
61 温度制御手段
62 温度検出手段
63 起動停止手段
Claims (15)
- 船舶の内燃機関から排出される排気ガスの通る排気ガス経路と、
前記内燃機関を冷却する冷却水の通る冷却水経路と、
高温部で前記排気ガス経路から受熱し、低温部で前記冷却水経路の取水部又は喫水以下の船体に放熱することにより発電を行なう熱電発電手段と
を備えたことを特徴とする船舶用熱電発電システム。 - 前記冷却水を前記排気ガス経路の前記排気ガスに混合させるミキサ手段と、
前記ミキサ手段で供給する前記冷却水を調節して前記高温部における温度を制御する温度制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の船舶用熱電発電システム。 - 前記熱電発電手段の使用上限温度に基づいて前記温度制御手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記高温部における前記温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度制御手段が前記温度検出手段の検出値と前記使用上限温度とに基づいて前記ミキサ手段を制御することを特徴とする請求項3に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記温度制御手段は、前記使用上限温度以下の温度で前記高温部と前記低温部との温度差を調節して前記熱電発電手段の発電出力を制御することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記ミキサ手段は、前記熱電発電手段よりも上流の前記排気ガス経路に開口する開口部を有し、前記開口部から前記冷却水を前記排気ガスの流れ方向に噴射することを特徴とする請求項2から請求項5のいずれかに記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記開口部は、多孔構造となっており、前記冷却水をシャワー状に噴射することを特徴とする請求項6に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記冷却水は、少なくとも前記内燃機関の運転中に前記取水部により連続的に取水され、前記内燃機関を冷却した後に連続的に排出されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記開口部から噴射する前記冷却水は、取水した前記冷却水の一部を用いたことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記温度制御手段は、前記冷却水経路に設けた流量調節バルブを調節して前記冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項2から請求項9のいずれかに記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記熱電発電手段は、前記排気ガス経路の周囲に複数の熱電発電素子を配置し、更に前記熱電発電素子を前記取水部又は喫水以下の前記船体に伝熱的に連接して構成したことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記熱電発電素子が配置された前記排気ガス経路の内面、及び/又は前記熱電発電素子が配置された前記取水部若しくは喫水以下の前記船体に伝熱フィンを設けたことを特徴とする請求項11に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記熱電発電素子の周囲に圧縮性と耐熱性を有したシール材を設け、前記シール材を前記排気ガス経路と前記取水部又は喫水以下の前記船体とで挟持したことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の船舶用熱電発電システム。
- 前記温度制御手段は、前記内燃機関の運転停止前に前記冷却水の供給量を増すように調節することを特徴とする請求項2から請求項13のいずれかに記載の船舶用熱電発電システム。
- 請求項1から請求項14のいずれかに記載した船舶用熱電発電システムを搭載したことを特徴とする船舶。
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