JP2018057270A - 熱電発電装置及び熱電発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、熱電発電素子の寿命を延ばすことができる熱電発電装置及び熱電発電方法を提供すること。
【解決手段】熱電発電素子１０を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する熱電発電装置１であって、熱電発電素子１０の高温側温度Ｔｈを測定する温度センサ１０ａと、高温側温度Ｔｈが所定温度を超える場合、熱電発電素子１０に帰還する電流量を増大させる制御を行う温度制御部１７と、を備える。温度制御部１７は、この熱電発電素子１０に帰還する電流量を増大させるためには、例えば、開閉スイッチＳＷを閉（オン）する。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡易な構成で、熱電発電素子の寿命を延ばすことができる熱電発電装置及び熱電発電方法に関する。

従来から、ゼーベック効果を用いた熱電発電素子によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置がある。この熱電発電装置を用いることによって、工場や発電所、焼却炉などでこれまで排出されていた大量の廃熱を電気エネルギーとして回収することが可能となる。熱電発電装置としては、例えば、特許文献１〜３に記載されているように、熱電発電素子の電圧電流特性をもとに最大電力点あるいは最適動作点で出力させるものがある。

特開２００７−５３７１号公報 特開２０１０−４１９０３号公報 特開２０１３−５５７６９号公報

ところで、熱電発電素子は、負荷側がオープンになると、電流が熱電発電素子側に還流しないため、ペルチェ効果による素子冷却が期待できず、しかも熱電発電素子には熱源からの熱エネルギーが入力し続ける。この結果、熱電発電素子は、素子の高温側温度が素子の特性劣化を発生させる上限耐熱温度を超えてしまう場合があり、熱電発電素子の寿命が短くなってしまうという問題があった。

なお、従来は、耐熱温度を超えることによる素子寿命の短縮化を防ぐため、素子の特性劣化を発生させる上限耐熱温度を超える場合に、熱源から熱電発電素子を物理的に離隔し自然放熱によって熱電発電素子の温度を下げるようにしていた。このため、従来の熱電発電装置は、熱源から熱電発電素子を物理的に離隔するための機械的構造の追加が必要となり、装置が複雑かつ大型化せざるを得なかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、熱電発電素子の寿命を延ばすことができる熱電発電装置及び熱電発電方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱電発電装置は、熱電発電素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する熱電発電装置であって、前記熱電発電素子の高温側温度を測定する温度測定部と、前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行う温度制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記熱電発電素子の端子間を開閉する開閉スイッチを備え、前記温度制御部は、前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記開閉スイッチを閉にする制御を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記熱電発電素子に接続され、前記熱電発電素子から出力された電気エネルギーを、スイッチング素子を用いて直流電圧変換する電圧変換回路を備え、前記温度制御部は、前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記スイッチング素子のデューティ比を大きくして前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記温度制御部は、さらに、装置の起動時から装置の起動完了までの間に前記熱発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行うことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記温度測定部は、前記熱電発電素子から出力される電流を測定し、該電流と前記高温側温度との関係をもとに前記高温側温度を測定することを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記温度測定部は、前記熱電発電素子間の電圧を測定し、該電圧と前記高温側温度との関係をもとに前記高温側温度を測定することを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、前記温度測定部、前記開閉スイッチ、及び前記温度制御部は、前記熱電発電素子から出力される電流が前記高温側温度に対応する所定値を超えた場合に前記熱電発電素子の端子間を閉にするリードスイッチであることを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電装置は、上記の発明において、複数の前記熱電発電素子は、各熱電発電素子の電流出力側への流れのみを許容するダイオード特性を有したバイパスダイオードがそれぞれ並列接続されることを特徴とする。

また、本発明にかかる熱電発電方法は、熱電発電素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する熱電発電方法であって、前記熱電発電素子の高温側温度を測定する温度測定ステップと、前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行う温度制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、温度制御部が、高温側温度が所定温度を超える場合、熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行うようにしているので、簡易な構成で、熱電発電素子の寿命を延ばすことができる。

図１は、本発明の実施の形態１である熱電発電装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示した熱電発電素子の詳細構成を示す回路図である。 図３は、図１に示した温度制御部による温度制御処理の一例を示すタイムチャートである。 図４は、起動時から起動完了までの開閉スイッチの開閉制御を示すタイムチャートである。 図５は、温度制御部による温度制御処理手順を示すフローチャートである。 図６は、高温側温度と電流との関係を示す図である。 図７は、高温側温度と電圧との関係を示す図である。 図８は、熱電発電素子の端子間電圧を測定する回路の一例を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態２であるリードスイッチの構成を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態３である熱電発電装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１である熱電発電装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、熱電発電装置１は、熱電発電素子１０を有する。熱電発電素子１０は、例えばＢｉＴｅ系熱電材料によって形成され、高温側温度２８０℃、低温側温度３０℃の温度差で約１Ｗ／ｃｍ^２の出力密度をもつ。熱電発電素子１０の高温側には、熱源２から供給された熱エネルギーを一時蓄える熱伝導体３が接続され、この熱伝導体３を介して熱エネルギーが熱電発電素子１０に伝導される。

熱電発電素子１０は、図２に示すように複数の熱電発電素子ＳＵ１〜ＳＵ３が直列接続されて所望の電圧を出力するようにしている。また、各熱電発電素子ＳＵ１〜ＳＵ３には、それぞれ熱電発電素子の電流出力方向のみの通電を許容するバイパスダイオードＤ１〜Ｄ３が並列接続される。バイパスダイオードＤ１〜Ｄ３は、それぞれ並列接続された熱電発電素子ＳＵ１〜ＳＵ３の発電能力の低下や損傷があった場合に電流をバイパスさせる。例えば、熱電発電素子ＳＵ２に発電能力の低下や損傷があった場合、この熱電発電素子ＳＵ２は抵抗となって他の熱電発電素子ＳＵ１，ＳＵ３が出力した電気エネルギーを消費し、最悪の場合、出力電流が流れないことになる。この場合、他の熱電発電素子ＳＵ１，ＳＵ３が出力した電気エネルギーは、バイパスダイオードＤ２を経由して出力されることになる。すなわち、熱電発電素子ＳＵ１〜ＳＵ３に発電能力の低下や損傷があっても、バイパスダイオードＤ１〜Ｄ３によって電流をバイパスさせ、健全な他の熱電発電素子ＳＵ１〜ＳＵ３による動作を担保することができる。

熱電発電素子１０の両端には開閉スイッチＳＷが接続され、さらにその後段にチョッパ回路１１、インバータ回路１２、フィルタ回路１３が順次接続される。開閉スイッチＳＷは、後述するように、熱電発電素子１０の高温側温度が上限所定温度を超えた場合、あるいは熱電発電装置１の起動時から起動完了までの間、オン状態となり、熱電発電素子１０に電流を還流させ、ペルチェ効果によって熱電発電素子１０の温度を下げる。

チョッパ回路１１は、熱電発電素子１０から供給された電圧を所望電圧に電圧変換するＤＣ−ＤＣコンバータである。インバータ回路１２は、チョッパ回路１１から入力された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータである。フィルタ回路１３は、インバータ回路１２から入力された交流電圧をＬＣフィルタによって正弦波に波形整形してモータなどの負荷４に出力する。なお、図１に示したインバータ回路１２は、直流電圧から２相交流電圧を生成している。

また、制御部１４は、温度センサ１０ａが検出する高温側温度Ｔｈ、チョッパ回路１１の電流検出センサ１１ａが検出する入力電流Ｉin、チョッパ回路１１の電圧検出センサ１１ｂが検出する入力電圧Vin、インバータ回路１２の電圧検出センサ１２ｂが検出する入力電圧Ｖco、インバータ回路１２の電流検出センサ１２ａが検出する出力電流Ｉout、フィルタ回路１３の電圧検出センサ１３ｂが検出する出力電圧Voutをもとに、駆動部１５を介して、開閉スイッチＳＷ、チョッパ回路１１及びインバータ回路１２内のスイッチング素子のオンオフ制御を行う。

制御部１４内の最大電力追従制御部１６は、熱電発電素子１０が出力する起電力を最大化する最大電力点で動作するように追従制御する。

［温度制御の概要］
一方、制御部１４内の温度制御部１７は、温度センサ１０ａが検出する高温側温度Ｔｈが上限所定温度を超える場合、開閉スイッチＳＷをオンにする制御を行う。具体的には、上限所定温度Ｔａを超えてから下限所定温度Ｔｃになるまでの間、開閉スイッチＳＷをオンにする。

図３に示すように、時点ｔ１までの間は、入力熱量Ｑが値Ｑ１で一定であり、この間の電流Ｉinも値Ｉ１で一定電流となる。また、このときの高温側温度Ｔｈも一定の高温側温度Ｔｈ１を維持する。この時点ｔ１までの間は、高温側温度Ｔｈ１が上限所定温度Ｔａ以下であるため、開閉スイッチＳＷはオフ状態となる。

時点ｔ１で入力熱量Ｑが値Ｑ１から値Ｑ２に増大すると、電流Ｉin及び高温側温度Ｔｈも入力熱量Ｑの増大に応じて増大する。ここで、高温側温度Ｔｈが時点ｔ２で上限所定温度Ｔａを超えると、温度制御部１７は、最大電力追従制御部１６の制御に優先して、開閉スイッチＳＷをオンにする。これによって、電流Ｉinは、開閉スイッチＳＷを介した電流の還流によって一挙に電流Ｉ２まで増大し、この電流Ｉinの電流増大によって、熱電発電素子１０でのペルチェ効果も一挙に増大し、高温側温度Ｔｈが徐々に低下する。そして、高温側温度Ｔｈは温度Ｔｂで一定となる。図３では、時点ｔ３でも開閉スイッチＳＷはオンのままである。

その後、時点ｔ３で入力熱量Ｑが値Ｑ２から値Ｑ３に減少すると、電流Ｉin及び高温側温度Ｔｈも徐々に減少する。そして、時点ｔ４で、高温側温度Ｔｈが下限所定温度Ｔｃ以下になると、温度制御部１７は、開閉スイッチＳＷをオンからオフにする。

このようにして、温度制御部１７は、高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えた場合に開閉スイッチＳＷをオンにし、その後、下限所定温度Ｔｃ以下となった場合に開閉スイッチＳＷをオフにする制御を行う。

この実施の形態１では、温度制御部１７が上述した温度制御を行うことによって、熱電発電素子１０が特性劣化を発生させる上限耐熱温度、例えば、図３に示した高温側温度Ｔｈ２を超えてしまうことを未然に防止するようにしているので、簡易な構成で、熱電発電素子１０の寿命を長くすることができる。

なお、上述した温度制御部１７による温度制御は、熱電発電装置１が起動後安定動作している状態であることを前提としている。熱電発電装置１が起動してから起動完了するまでの間、チョッパ回路１１やインバータ回路１２のスイッチング素子は、オフ状態であり、熱電発電素子１０側からチョッパ回路１１側をみた回路は、オープンとなっている。このとき、熱電発電素子１０に入力熱量Ｑがあると、チョッパ回路１１側をみた回路がオープンであり、熱電発電素子１０側への還流電流がないため、熱電発電素子１０でのペルチェ効果が発生せず、熱電発電素子１０が冷却されずに温度上昇を続ける。この場合、温度制御部１７も起動中であるため、入力熱量Ｑが非常に大きい場合、起動完了するまでの間に高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えてしまう場合がある。

このため、この実施の形態１では、温度制御部１７は、起動から起動完了までの間、開閉スイッチＳＷをオンにする制御を行う。すなわち、図４に示すように、起動の時点ｔ０から起動完了の時点ｔ１１までの間（Δｔ１）、開閉スイッチＳＷをオンにする。その後、時点ｔ１１経過後、制御部１４は、チョッパ回路１１やインバータ回路１２のスイッチング素子をオンオフさせるため、開閉スイッチＳＷをオフにする。そして、時点ｔ２で、高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えた場合に、開閉スイッチＳＷをオンさせる。具体的に、温度制御部１７は、電源オフ後に開閉スイッチＳＷをオンにし、その状態を維持させておく。

［温度制御処理］
ここで、図５に示したフローチャートを参照して、温度制御部１７による温度制御処理について説明する。図５に示すように、制御部１４を電源オンし、まず温度制御部１７は、起動完了したか否かを判断する（ステップＳ１０１）。起動完了していない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、開閉スイッチＳＷをオンのままにし（ステップＳ１０２）、ステップＳ１０１の判断処理を繰り返し行う。一方、起動完了している場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）には、開閉スイッチＳＷをオフにする（ステップＳ１０３）。

その後、温度センサ１０ａが検出する高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えたか否かを判断する（ステップＳ１０４）。高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えない場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１０４の判断処理を繰り返す。一方、高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えた場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、開閉スイッチＳＷをオンにし（ステップＳ１０５）、熱電発電素子１０側への還流電流を多くしてペルチェ効果による熱電発電素子１０の冷却を行う。

その後、高温側温度Ｔｈが下限所定温度Ｔｃ以下になったか否かを判断する（ステップＳ１０６）。高温側温度Ｔｈが下限所定温度Ｔｃ以下にならない場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、このステップＳ１０６の判断処理を繰り返す。一方、高温側温度Ｔｈが下限所定温度Ｔｃ以下になった場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）には、開閉スイッチＳＷをオフにし（ステップＳ１０７）、熱電発電素子１０側への還流電流を少なくしてペルチェ効果による熱電発電素子１０の冷却を抑えて、最大電力追従制御部１６に、効率的な最大電力追従制御を行わせる。

その後、電源オフか否かを判断する（ステップＳ１０８）。電源オフでない場合（ステップＳ１０８，Ｎｏ）には、ステップＳ１０４に移行し、上述した定常時の温度制御処理を行う。一方、電源オフである場合（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）には、開閉スイッチＳＷをオンにして（ステップＳ１０９）、本処理を終了する。このステップＳ１０９の開閉スイッチＳＷのオンによって、次回の起動時に、開閉スイッチＳＷがオン状態を維持していることになる。

［温度センサの代替手段］
なお、上述した実施の形態１では、温度制御部１７が、温度センサ１０ａが検出した高温側温度Ｔｈをもとに開閉スイッチＳＷのオンオフ制御を行っていた。ここで、図６に示すように、高温側温度Ｔｈは電流Ｉinと線形な関係を有する。したがって、この関係をもとに、電流Ｉinを計測することによって高温側温度Ｔｈを知ることができる。したがって、この場合、温度センサ１０ａを設けずに、電流検出センサ１１ａが検出する入力電流Ｉinを計測して高温側温度Ｔｈを求めることができる。

同様にして、図７に示すように、高温側温度Ｔｈは電圧Ｖinと線形な関係を有する。したがって、この関係をもとに、電圧Ｖinを計測することによって高温側温度Ｔｈを知ることができる。したがって、この場合、温度センサ１０ａを設けずに、電圧検出センサ１１ｂが検出する入力電圧Vinを計測して高温側温度Ｔｈを求めることができる。

なお、電圧検出センサ１１ｂによる入力電圧Ｖinでなく、図８に示すように、電圧計１０ｂを用いて電圧Vinを直接計測するようにしてもよい。この場合、抵抗Ｒ１を大きな値、例えば数１００ｋＶとし、抵抗Ｒ２を小さな値、例えば数ｋＶとして分圧し、電圧計１０ｂの位置における電圧を降圧して計測することが好ましい。

また、上述した実施の形態１では、上限所定温度Ｔａを超えた後、下限所定温度Ｔｃとなるまで開閉スイッチＳＷをオンとするヒステリシス特性をもたせたスイッチング制御を行って開閉スイッチＳＷのチャタリングを防止していたが、これに限らず、上限所定温度Ｔａを超えたときのみ、開閉スイッチＳＷをオンとする温度制御を行ってもよい。

（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、温度センサ１０ａが検出した高温側温度Ｔｈをもとに、温度制御部１７が開閉スイッチＳＷを開閉制御するものであった。これに対し、この実施の形態２では、温度センサ１０ａと温度制御部１７と開閉スイッチＳＷとを一体化したリードスイッチＳＷ１を用いている。

図９に示すように、リードスイッチＳＷ１は、コイル５に流れる電流強度に応じた磁界が所定値を超えた場合にスイッチ６をオンする。スイッチ６がオンになるときのコイル５に流れる電流値が、図６に示すように、実施の形態１における上限所定温度Ｔａに対応する電流値であればよい。なお、この場合における温度制御は、上限所定温度Ｔａを超えたときのみにリードスイッチＳＷ１がオンとなる。

（実施の形態３）
上述した実施の形態１では、開閉スイッチＳＷを用いて熱電発電素子１０への還流電流の増減を制御することによって熱電発電素子１０の温度制御を行っていた。これに対し、この実施の形態３では、図１０に示すように、開閉スイッチＳＷを用いず、温度制御部２７は、温度センサ１０ａが検出した高温側温度Ｔｈが上限所定温度Ｔａを超えた場合に、チョッパ回路１１やインバータ回路１２のスイッチング素子のデューティ比を、最大電力追従制御部１６による通常制御時のデューティ比に比して大きくし、熱電発電素子１０側への還流電流を大きくして熱電発電素子１０を冷却するようにしている。すなわち、本実施の形態３では、熱電発電素子１０の冷却を、チョッパ回路１１やインバータ回路１２のスイッチング素子のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御内に含めて行っている。

また、起動時から起動完了までの間は、各スイッチング素子を導通状態あるいは大きなデューティ比に設定しておくことが好ましい。

なお、上述した実施の形態１〜３では、交流電源を用いる機器を負荷４とし、インバータ回路１２及びフィルタ回路１３を設けていたが、これに限らず、直流電源を用いる機器を負荷４としてもよい。この場合、インバータ回路１２及びフィルタ回路１３は不要となる。また、この場合、負荷４を蓄電池としてもよい。

また、この実施の形態１〜３は、換言すれば、いずれも、起動時から起動完了まで、及び定常運転時において、熱電発電素子１０から負荷４側をみた回路が常にオープンとならないようにしている。すなわち、回路がオープンとなることによる熱電発電素子１０の上限所定温度Ｔａを超える温度上昇を未然に防ぐようにしている。

１ 熱電発電装置
２ 熱源
３ 熱伝導体
４ 負荷
５ コイル
６ スイッチ
１０ 熱電発電素子
１０ａ 温度センサ
１０ｂ 電圧計
１１ チョッパ回路
１１ａ，１２ａ 電流検出センサ
１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ 電圧検出センサ
１２ インバータ回路
１３ フィルタ回路
１４ 制御部
１５ 駆動部
１６ 最大電力追従制御部
１７，２７ 温度制御部
Ｄ１〜Ｄ３ バイパスダイオード
Ｉin 電流
Ｖin 電圧
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
ＳＷ 開閉スイッチ
ＳＷ１ リードスイッチ
Ｔａ 上限所定温度
Ｔｃ 下限所定温度
Ｔｈ 高温側温度

Claims (7)

1. 熱電発電素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する熱電発電装置であって、
   前記熱電発電素子の高温側温度を測定する温度測定部と、
   前記熱電発電素子の端子間を開閉する開閉スイッチと、
   前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記開閉スイッチを閉にして前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行う温度制御部と、
   を備えたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記温度制御部は、さらに、装置の起動時から装置の起動完了までの間に前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記温度測定部は、前記熱電発電素子から出力される電流を測定し、該電流と前記高温側温度との関係をもとに前記高温側温度を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記温度測定部は、前記熱電発電素子間の電圧を測定し、該電圧と前記高温側温度との関係をもとに前記高温側温度を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
5. 前記温度測定部、前記開閉スイッチ、及び前記温度制御部は、前記熱電発電素子から出力される電流が前記高温側温度に対応する所定値を超えた場合に前記熱電発電素子の端子間を閉にするリードスイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
6. 複数の前記熱電発電素子は、各熱電発電素子の電流出力側への流れのみを許容するダイオード特性を有したバイパスダイオードがそれぞれ並列接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の熱電発電装置。
7. 熱電発電素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する熱電発電方法であって、
   前記熱電発電素子の高温側温度を測定する温度測定ステップと、
   前記高温側温度が所定温度を超える場合、前記熱電発電素子の端子間を開閉する開閉スイッチを閉にして前記熱電発電素子に帰還する電流量を増大させる制御を行う温度制御ステップと、
   を含むことを特徴とする熱電発電方法。

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