JP4715326B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電モジュールにより熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電装置に関し、詳しくは、最大電力に追尾するように出力制御される熱電発電装置に関するものである。

熱電発電モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が高温側の伝熱部材と低温側の伝熱部材との間に複数個設置された構造を有し、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。そして、このような熱電発電モジュールの高温側伝熱部材に高熱源を接触させ、その低温側伝熱部材に冷却源を接触させることで熱電発電装置が構成される。

この種の熱電発電装置においては、例えば特許文献１に記載の太陽光発電装置と同様に、従来周知のＭＰＰＴ(Muximum Power Point Tracker)制御によって出力が最大電力に追尾するように制御される。

ここで、熱電発電装置のＭＰＰＴ制御においては、熱電発電装置の出力の電圧電流特性に応じ、最大電力（パワーピーク）に対応する目標電流値を中心として出力電流を数Ｈｚ以上の高い周波数で変化させつつ出力電力の増減を判定しており、出力電力が増加する際には出力電流の変化方向を維持し、出力電力が減少する際には出力電流の変化方向を反転することで、平均電流値が目標電流値に近づくように制御している。
特開平０８−１７９８４０号公報（段落番号３、４）

ところで、前述した熱電発電装置においては、その発電作用により出力電流値ゼロの開放電圧値から出力電流値が増加してゆくと、熱電発電モジュールのペルチェ効果による吸熱、発熱現象によって熱電発電素子の高温側の温度が低下し、低温側の温度が上昇する。このため、熱電発電素子内の温度勾配が小さくなって各熱電発電素子の起電力が低下し、熱電発電装置の出力電圧が当初の電圧電流特性から外れて低下してゆく。

従って、従来の熱電発電装置のＭＰＰＴ制御においては、熱電発電装置の作動に伴う実際の電圧電流特性に合わせて目標電流値を正確に定めることができず、その結果、熱電発電装置の出力を最大電力に確実に追尾させることが困難となるという問題があり、この問題は熱電発電装置の発電性能が向上すると無視できなくなる。

そこで、本発明は、熱電発電装置の出力を発電時の実際の電圧電流特性に合わせて最大電力に追尾させることができる熱電発電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る熱電発電装置は、熱電発電モジュールの電圧電流特性に基づいて最大電力に追尾するように出力制御される熱電発電装置であって、熱電発電モジュールの発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化の影響を考慮した実際の電圧電流特性を推定する手段と、推定された電圧電流特性から実際の最大電力に対応する目標電流値を求める手段と、求められた目標電流値をＭＰＰＴ制御による最大電力を追尾するための探索中心として最大電力に追尾するよう前記熱電発電モジュールの発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化が電流変動に追従しないことに基づく影響分を補正した電圧値を求める手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る熱電発電装置では、その発電時における熱電発電モジュールのペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の電圧電流特性が推定され、推定された電圧電流特性から実際の最大電力に対応する目標電流値が求められる。そして、求められた目標電流値を探索中心として最大電力に追尾するように電流値を変化させるための補正電圧値が求められる。従って、この補正電圧値で電流値を変化させることにより、熱電発電装置の出力が発電時の実際の電圧電流特性に合わせて最大電力に追尾するように制御される。

本発明に係る熱電発電装置では、その発電時における熱電発電モジュールのペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の電圧電流特性が推定され、推定された電圧電流特性から実際の最大電力に対応する目標電流値が求められる。そして、求められた目標電流値を探索中心として最大電力に追尾するように電流値を変化させるための補正電圧値が求められる。従って、本発明によれば、補正電圧値で電流値を変化させることにより、熱電発電装置の出力を発電時の実際の電圧電流特性に合わせて最大電力に追尾させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電装置の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図、図２は図１に示した熱電発電モジュールの発電作用に伴う温度勾配の変化を示す図、図３は図２に示した熱電発電モジュールを備える熱電発電装置の出力制御系のブロック構成図である。

一実施形態に係る熱電発電装置は、例えば図１に示すような構造の熱電発電モジュール１を備えている。この熱電発電モジュール１は、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐが高温側の伝熱部材である絶縁セラミックス製の受熱基板１Ａと、低温側の伝熱部材である絶縁セラミックス製の放熱基板１Ｂとの間に複数個設置され、これらのｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐが電極板１Ｃを介して交互に直列に接続された基本構造を有する。

このような構造の熱電発電モジュール１は、図２に示すように、受熱基板１Ａが適宜の高熱源２に接触し、放熱基板１Ｂが適宜の冷却源３に接触することで直列に接続された各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐ（図１参照）が熱起電力を発生して発電する。

ここで、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐにはペルチェ効果があるため、熱電発電モジュール１の発電作用に応じてその出力電流が増大すると、吸熱、発熱現象によって各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの高温側の温度が低下し、低温側の温度が上昇する。すなわち、熱電発電モジュール１内の温度勾配は、図２に実線で示す当初の温度勾配から点線で示す温度勾配に変化し、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの高温側の温度Ｔｈと低温側の温度Ｔｃとの温度差が次第に小さくなって各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの起電力が低下する。

そこで、このような温度勾配の変化を伴う熱電発電モジュール１の発電出力から最大電力（パワーピーク）を取り出すため、一実施形態の熱電発電装置には、図３に示すように、演算制御部４、電流制御部５、電圧変換部６が設けられている。

演算制御部４および電流制御部５は、マイクロコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されており、入出力インターフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ(Read Only Memory)、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ(Random Access Memory)、プログラムを実行するＣＰＵ(CentralProcessing Unit)等をハードウェアとして備えている。

この演算制御部４および電流制御部５は、熱電発電モジュール１から入力される電圧信号に基づいて従来周知のＭＰＰＴ(Muximum Power Point Tracker)制御を実行し、その際、後述するように、熱電発電モジュール１の発電時におけるペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の電圧電流特性に合わせて熱電発電モジュール１の出力を最大電力（パワーピーク）に追尾させるように制御する。

電流制御部５は、チョッパ回路を備えており、演算制御部４から出力される制御信号に応じ、図４に示すような最大電圧値Ｖ(M)、最小電圧値Ｖ(m)の脈動電圧に対応する脈動電流、すなわち、平均電流値Ｉ(mean)を中心として脈動する最大電流値Ｉ(M)、最小電流値Ｉ(m)の脈動電流を電圧変換部６に出力する。

電圧変換部６は、ＤＣ−ＤＣコンバータを備えており、電流制御部５から入力される脈動電流の平均電流値Ｉ(mean)に対応した直流電圧を負荷の要求電圧に変換して出力する。

ここで、演算制御部４には、熱電発電モジュール１の発電作用に伴う温度勾配の変化を考慮した実際の電圧電流特性を推定する第１手段と、熱電発電モジュール１の実際の最大電力に対応する目標電流値を求める第２手段と、求められた目標電流値を探索中心として最大電力に追尾するように電流値を変化させるための補正電圧値を求める第３手段とがソフトウェアとして構成されている。

図５は、熱電発電モジュール１の電圧電流特性を示しており、図中、二点鎖線で示す電圧電流特性は、熱電発電モジュール１の発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化を無視した理想特性である。この理想特性は、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの高温側の温度Ｔｈと低温側の温度Ｔｃとの温度差Ｔの初期値をＴｏ、温度差Ｔｏに対応した熱電発電モジュール１のゼロ電流時の開放電圧をＶｏ、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐによる内部抵抗をＲ、熱電発電モジュール１の出力電流値をＩとしたとき、Ｖ＝Ｖｏ−ＲＩの式で表される。

一方、図５に実線で示す電圧電流特性は、熱電発電モジュール１の発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の静特性であり、この実際の静特性は、演算制御部４の第１手段が以下の手順により推定する。まず、前述の温度差Ｔに対応した熱電発電モジュール１のゼロ電流時の開放電圧をＶｏｃ、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの材料と設計によって決まる不変の定数をαとしたとき、開放電圧Ｖｏｃは比例定数αで温度差Ｔに比例するため、Ｖｏｃ＝αＴの式（１）が成立する。

また、前記の温度差Ｔは、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子のペルチェ効果により、初期値Ｔｏから熱電発電モジュール１の出力電流Ｉに比例して減少するため、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐ、受熱基板１Ａおよび放熱基板１Ｂの材料と設計によって決まる不変の定数をβとしたとき、Ｔ＝Ｔｏ−βＩの式（２）が成立する。そして、前述した理想特性の式Ｖ＝Ｖｏ−ＲＩと同様に、Ｖ＝Ｖｏｃ−ＲＩの式（３）が成立する。

ここで、式（３）のＶｏｃに式（１）を代入し、その式のＴに式（２）を代入して整理すると、Ｖ＝αＴｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉとなる。一方、前述した温度差Ｔの初期値Ｔｏに対応した開放電圧Ｖｏは、式（１）と同様にＶｏ＝αＴｏで表される。そこで、αＴｏをＶｏに置き換えることでＶ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの式（４）が得られる。すなわち、演算制御部４の第１手段は、熱電発電モジュール１の発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の静特性をＶ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの式（４）として推定する。

ところで、図３に示した演算制御部４および電流制御部５によるＭＰＰＴ制御に伴い、電流制御部５が図４に示すような数Ｈｚ以上の高い周波数の脈動電流を出力する際には、熱電発電モジュール１内の温度勾配の変化が電流変動に追従しないため、熱電発電モジュール１の実際の静特性は、見掛け上、図５に点線で示す動特性となる。この動特性は、Ｖ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの式（４）中のαβ項を無視したものであり、図５に二点鎖線で示した理想特性と平行なＶ＝Ｖｃ−ＲＩの式（５）で表される。なお、この式（５）において、Ｖｃは、ＭＰＰＴ制御による目標電流値の探索中心値に応じて変わる定数である。

しかしながら、図５に点線で示す見掛け上の動特性における最大電力（パワーピーク）に対応した電流値Ｉｃは、図５に実線で示す熱電発電モジュール１の実際の静特性における最大電力（パワーピーク）に対応した目標電流値Ｉｐと異なる。そこで、この目標電流値Ｉｐを演算制御部４の第２手段が求める。すなわち、第２手段は、図５に実線で示される熱電発電モジュール１の実際の静特性として第１手段により推定されたＶ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの式（４）において、Ｖ＝０を満足する電流値Ｉの１／２を目標電流値Ｉｐとして求める。この目標電流値Ｉｐは、Ｉｐ＝Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（６）で表される。

次に、演算制御部４の第２手段により求められた目標電流値Ｉｐを探索中心として最大電力（パワーピーク）に追尾するように熱電発電モジュール１の電流値を変化させるための補正電圧値を第３手段が以下の手順で求める。ここで、図５に破線で示す電圧電流特性は、点線で示す見掛けの動特性の電圧をＶ１だけ減少補正した動特性であり、Ｖ＝０の電流値Ｉｏが図５に実線で示す実際の静特性と一致しており、最大電力（パワーピーク）に対応した電流値Ｉｐ’が前述の目標電流値Ｉｐと一致している。従って、電圧補正量Ｖ１が解れば、図５に点線およびＶ＝Ｖｃ−ＲＩの式（５）で示される見掛けの動特性を電圧補正量Ｖ１だけ補正した補正電圧値を使用することにより、目標電流値Ｉｐ＝Ｉｐ’を探索中心として最大電力（パワーピーク）に追尾するように熱電発電モジュール１の電流値を変化させることができる。

そこで、演算制御部４の第３手段は、図５に点線およびＶ＝Ｖｃ−ＲＩの式（５）で表される見掛けの動特性を電圧補正量Ｖ１だけ補正した補正電圧値を得るため、まず、Ｖ＝Ｖｃ−ＲＩの式（５）で表される見掛けの動特性において、Ｉｐ＝Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（６）で表される目標電流値Ｉｐを探索中心とした場合の定数Ｖｃを求め、この定数Ｖｃに基づいて図５に破線で示す最大電力（パワーピーク）に対応した電流値Ｉｐ’を求める。そして、目標電流値Ｉｐ＝Ｉｐ’を満足する値として電圧補正量Ｖ１を演算する。

まず、目標電流値Ｉｐを探索中心とした場合の式（５）中の定数Ｖｃは、式（５）の電圧Ｖが電流値Ｉ＝Ｉｐで式（４）の電圧Ｖと一致する条件を満足する値として求められる。すなわち、Ｖｃ−ＲＩ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの等式において、Ｉに式（６）のＩｐを代入し、これを整理することにより、Ｖｃ＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（７）として定数Ｖｃが求められる。

つぎに、図５に破線で示す最大電力（パワーピーク）に対応した電流値Ｉｐ’は、式（７）で表されるＶｃを式（５）中のＶｃに代入したＶ＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）−ＲＩの式において、Ｖ−Ｖ１＝０を満足する電流値Ｉの１／２として求められる。すなわち、Ｖ−Ｖ１＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）−ＲＩ−Ｖ１＝０の等式を整理してＩ＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／２Ｒ（Ｒ＋αβ）−Ｖ１／Ｒの式を求め、その１／２として電流値Ｉｐ’が求められる。この電流値Ｉｐ’は、Ｉｐ’＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／４Ｒ（Ｒ＋αβ）−Ｖ１／２Ｒの式（８）で表される。

そして、図５に点線で示した式（５）の見掛けの動特性から図５に破線で示した電圧電流特性を得るための電圧補正量Ｖ１は、式（６）のＩｐと式（８）のＩｐ’が等しくなる条件を満足する値として求められる。すなわち、Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）＝（２Ｒ＋αβ）Ｖｏ／４Ｒ（Ｒ＋αβ）−Ｖ１／２Ｒの等式を整理することで、電圧補正量Ｖ１を求める。この電圧補正量Ｖ１は、Ｖ１＝αβＶｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（９）で表される。

そこで、演算制御部４の第３手段は、図５に点線およびＶ＝Ｖｃ−ＲＩの式（５）で示される見掛けの動特性を電圧補正量Ｖ１で補正することにより、目標電流値Ｉｐを探索中心として最大電力（パワーピーク）に追尾するように熱電発電モジュール１の電流値を変化させるための補正電圧値を求める。

以上のように構成された一実施形態の熱電発電装置では、図３に示した熱電発電モジュール１が発電作用を開始すると、その発電作用に伴うペルチェ効果によって熱電発電モジュール１の内部の温度勾配が変化する。その際、演算制御部４の第１手段がペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した熱電発電モジュール１の実際の静特性、すなわち、図５に実線で示される実際の静特性をＶ＝Ｖｏ−（Ｒ＋αβ）Ｉの式（４）として推定する。

続いて、演算制御部４の第２手段が第１手段により推定された熱電発電モジュール１の実際の静特性における実際の最大電力に対応する目標電流値ＩｐをＩｐ＝Ｖｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（６）として求める。そして、演算制御部４の第３手段が第２手段により求められた目標電流値Ｉｐを探索中心として最大電力（パワーピーク）に追尾するように熱電発電モジュール１の電流値を変化させるための補正電圧値を演算する。

そして、演算制御部４の第３手段が演算した制御用の補正電圧値が図３に示した電流制御部５に出力されることで、熱電発電モジュール１の出力電流がＭＰＰＴ制御により図４に示すような脈動電流、すなわち、目標電流値Ｉｐを平均電流値Ｉ(mean)とする脈動電流に制御される。

図６は、以上に述べた演算制御部４における処理手順を示しており、まず、ステップＳ１〜Ｓ４では、図４に示した最大電流値Ｉ(M)、最小電流値Ｉ(m)、最大電圧値Ｖ(M)、最小電圧値Ｖ(m)を順次計測する。

続くステップＳ５では、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐによる内部抵抗ＲをＲ＝（Ｖ(M)−Ｖ(m)）／（Ｉ(M)−Ｉ(m)）の式（１０）により演算し、次のステップＳ６では、前述したＶ１＝αβＶｏ／２（Ｒ＋αβ）の式（９）で表される電圧補正量Ｖ１を演算する。

そして、ステップＳ７では、最大電圧値Ｖ(M)および最小電圧値Ｖ(m)からそれぞれ電圧補正量Ｖ１を減算することにより電圧値を補正し、目標電流値Ｉｐを探索中心として最大電力（パワーピーク）に追尾するように熱電発電モジュール１の電流値を変化させるための補正電圧値を求める。

そして、最後のステップＳ８では、ステップＳ７で求めた補正電圧値を電流制御部５に出力してＭＰＴＴ制御を実行し、図４に示す熱電発電モジュール１の出力電流が目標電流値Ｉｐを平均電流値Ｉ(mean)とする脈動電流となるようにする。

従って、一実施形態の熱電発電装置によれば、熱電発電モジュール１の発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化を考慮した実際の電圧電流特性に合わせて熱電発電モジュール１の出力を最大電力に追尾させることができ、効率の高い熱電発電装置と構成することができる。

本発明に係る熱電発電装置は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの材料と設計によって決まる不変の定数α、および、ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐ、受熱基板１Ａおよび放熱基板１Ｂの材料と設計によって決まる不変の定数βは、予め熱電発電モジュール１の特性を計測して得られた値に固定してもよいし、αおよびβの値を計測する装置または推測するアルゴリズムによって得られた値としてもよい。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図である。 図１に示した熱電発電モジュールの発電作用に伴う温度勾配の変化を示す図である。 図２に示した熱電発電モジュールを備える熱電発電装置の出力制御系のブロック構成図である。 図３に示した電流制御部から出力される脈動電流のグラフである。 図３に示した熱電発電モジュールの電圧電流特性を示すグラフである。 図３に示した演算制御部における処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 熱電発電モジュール
１Ａ 受熱基板（高温側伝熱部材）
１Ｂ 放熱基板（低温側伝熱部材）
２ 高熱源
３ 冷却源
４ 演算制御部
５ 電流制御部
６ 電圧変換部

Claims (1)

1. 熱電発電モジュールの電圧電流特性に基づいて最大電力を追尾するように出力制御される熱電発電装置であって、
   前記熱電発電モジュールの発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化の影響を考慮した実際の電圧電流特性を推定する手段と、
   推定された電圧電流特性から実際の最大電力に対応する目標電流値を求める手段と、
   求められた目標電流値をＭＰＰＴ制御における最大電力を追尾するための探索中心として最大電力を追尾するよう、前記熱電発電モジュールの発電作用に伴うペルチェ効果による温度勾配の変化が電流変動に追従しないことに基づく影響分を補正した電圧値を求める手段と、
   を備えることを特徴とする熱電発電装置。

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