JP5430465B2

JP5430465B2 - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP5430465B2
Application number: JP2010073972A
Authority: JP
Inventors: 直貴惠美; 晃磯見; 貞芳伊藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011211764A

Description

本発明は、熱を電力に変換する熱電変換装置に関するもので、特に蒸気やドレンの熱から電力を回収するための熱電変換装置に関するものである。

従来の熱電変換装置としては、蒸気の圧力または温度を制御することにより、熱電変換装置の発電効率を最大化しようとするものがある（例えば、特許文献１参照。）。図５は、特許文献1に記載された従来の熱電変換装置を示す図である。

図５に示す熱電変換装置は、３つの蒸気発生装置５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃが、高温熱源５０１より排出されるドレンから、それぞれ異なる蒸気圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の飽和蒸気をそれぞれ生成して、それらの飽和蒸気を熱電変換素子５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃへそれぞれ供給することで電力を回収している。

一方、熱電変換素子の吸熱面の表面温度に対する電気出力密度Ｐの特性式は、以下の（１）式で与えられる。
Ｐ＝（Ａ×ＺＴ×ΔＴ^２）／Ｔ・・・・（１）
Ｐ：電気出力密度（Ｗ／ｍ^２）
Ａ：熱電変換素子の材質・形状係数（Ｗ／（ｍ^２＊Ｋ））
ＺＴ：無次元熱電変換素子性能指数（−）
ΔＴ：熱電変換素子の吸熱面と放熱面との間の平均温度差（Ｋ）
Ｔ：熱電変換素子の吸熱面の絶対温度（Ｋ）
（１）式において、無次元熱電変換素子性能指数ＺＴは、吸熱面の温度Ｔによって値が変化し、無次元熱電変換素子性能指数ＺＴが最大値となる吸熱面の温度Ｔは、熱電変換素子の種類によって決まる。

特許文献１の熱電変換装置は、飽和蒸気の蒸気圧力と蒸気温度が一義的に対応することを利用して、熱電変換素子５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃの吸熱面へそれぞれ供給される飽和蒸気の蒸気温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が、熱電変換素子５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃのそれぞれの無次元熱電変換素子性能指数ＺＴを最大値にする温度となるように、蒸気圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を制御することで、発電効率の最大化を図ろうとするものである。

特許文献１の熱電変換装置によれば、発電に利用する蒸気の温度で無次元熱電変換素子性能指数ＺＴが最大値となる熱電変換素子を選択することによって、蒸気の熱エネルギーから高効率に電力を回収することができる。

特開２００３−９５５７号公報

しかしながら、上記した従来の熱電変換装置では、熱電変換素子の吸熱面の温度のみを制御しているため、熱電変換素子の放熱面側の環境変化によってその放熱面の温度が変動してΔＴの値が変動すると、電気出力密度Ｐが変化する。したがって、一定の電力を回収することができない。また、高温熱源の稼働状況によって、発電に利用できる蒸気の流量が変動してしまうため、安定して電力を回収することができない。

本発明は、前記従来の問題を解決するもので、熱電変換素子の放熱面側の環境や熱利用設備の稼働状況に変動が生じたとしても、一定の電力を回収することを可能とした熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱電変換装置は、熱利用設備に蒸気を供給するために設置された第１蒸気発生手段が発生させた蒸気の供給路から分岐する分岐路と、前記分岐路より供給された蒸気の熱を電力に変換する第１熱電変換素子と、前記熱利用設備より排出されたドレンから蒸気を発生させる第２蒸気発生手段と、前記第２蒸気発生手段が発生させた蒸気の熱を電力に変換する第２熱電変換素子と、前記第１熱電変換素子へ供給される蒸気の圧力または温度を調整する第１蒸気調整手段と、前記第２熱電変換素子へ供給される蒸気の圧力または温度を調整する第２蒸気調整手段と、前記第１熱電変換素子および前記第２熱電変換素子によってそれぞれ変換された電力の値を計測する電力計測手段と、前記電力計測手段が計測した電力の値を基に前記第１蒸気調整手段および前記第２蒸気調整手段による蒸気の圧力または温度の調整を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電力計測手段で計測される電力値が一定に保持されるように、第１熱電変換素子へ供給される蒸気の圧力または温度を第１蒸気調整手段で調整することにより、熱電変換素子の放熱面側の環境に変動が生じたとしても、第１熱電変換素子によって回収される電力を一定に保持することができる。また、熱利用設備の稼働状況の変動によって第１熱電変換素子へ供給される蒸気の流量が減少しても、熱利用設備より排出されたドレンから蒸気を発生させ、その発生させた蒸気を第２熱電変換素子へ供給して電力を回収することができるため、熱利用設備の稼働状況の変化に伴う回収電力の変動を低減することができる。

また、上記した本発明の熱電変換装置において、前記第２蒸気発生手段は、前記熱利用設備より排出されたドレンを貯蔵するドレン貯蔵手段を含み、前記ドレン貯蔵手段に貯蔵されたドレンから蒸気を発生させることが望ましい。この構成によれば、熱利用設備より排出されたドレンから安定して蒸気を発生させることができる。したがって、より安定的に電力を回収することができる。

さらに、前記ドレン貯蔵手段は、前記熱利用設備より排出されたドレンに加えて、前記第１熱電変換素子より排出されたドレンも貯蔵することが望ましい。この構成によれば、第１熱電変換素子によって十分な電力を回収可能であるときには、第１熱電変換素子より排出されたドレンをドレン貯蔵手段に貯蔵しておき、第１熱電変換素子から十分に電力が回収できなくなったときには、ドレン貯蔵手段に貯蔵されたドレンを蒸気に変換して、その変換された蒸気を第２熱電変換素子へ供給して電力を回収することができるため、より安定的に電力を回収することができる。

また、上記した本発明の熱電変換装置において、前記熱利用設備の稼働状況に応じて前記第１熱電変換素子への蒸気の供給状態を制御する手段をさらに備えることが望ましい。さらに、前記第２蒸気発生手段は、前記熱利用設備の稼働状況に応じて作動することが望ましい。この構成によれば、熱利用設備の稼働状況が変化しても、より安定的に電力を回収することができる。

また、上記した本発明の熱電変換装置において、前記第１熱電変換素子および前記第２熱電変換素子の放熱面の温度をそれぞれ調節する放熱面温度調節手段をさらに備えることが望ましい。この構成によれば、第１熱電変換素子および第２熱電変換素子の放熱面の温度も制御可能となり、第１熱電変換素子および第２熱電変換素子の発電効率をより高く保持することができる。

以上のように、本発明の熱電変換装置によれば、熱電変換素子の放熱面側の環境や熱利用設備の稼働状況に変動が生じたとしても、一定の電力を回収することが可能となる。

本発明の実施の形態１における熱電変換装置の説明図本発明の実施の形態１における熱電変換装置の熱利用設備非稼働時の動作説明図本発明の実施の形態１における熱電変換装置の熱利用設備稼働時の動作説明図本発明の実施の形態２における熱電変換装置の説明図特許文献１に記載された従来の熱電変換装置の説明図

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱電変換装置の説明図である。まず、図１を用いて、この実施の形態１における熱電変換装置の構成を説明する。

ボイラ１０１は、蒸気配管１０２ａを介して熱利用設備１０３へと接続されている。ボイラ１０１は、熱利用設備１０３へ蒸気配管１０２ａを介して蒸気を供給する。ここでは、ボイラ１０１が、熱利用設備に蒸気を供給するために設置された第１蒸気発生手段であり、蒸気配管１０２ａが、第１蒸気発生手段（ここでは、ボイラ１０１）が発生させた蒸気の供給路である。

蒸気配管１０２ａには、途中に電動バルブ１０４ａが取り付けられている。また、蒸気配管１０２ａからは蒸気配管１０２ｂが分岐している。蒸気配管１０２ｂは、ボイラ１０１と電動バルブ１０４ａとの間から分岐している。ここでは、蒸気配管１０２ｂが、蒸気の供給路から分岐する分岐路である。

蒸気配管１０２ｂの末端は、第１熱電変換素子１０５の吸熱面付近まで延びている。第１熱電変換素子１０５は、蒸気配管１０２ｂより供給された蒸気の熱を電力に変換する。このように、この熱電変換装置は、ボイラ１０１から発生した蒸気が、熱利用設備１０３のみならず、蒸気配管１０２ｂを介して第１熱電変換素子１０５へも供給可能な構成となっている。

また蒸気配管１０２ｂには、途中に電動バルブ１０４ｂが取り付けられている。さらに蒸気配管１０２ｂには、電動バルブ１０４ｂと第１熱電変換素子１０５との間に、第１圧力調整弁１０６が取り付けられている。ここでは、第１圧力調整弁１０６が第１蒸気調整手段であり、第１圧力調整弁１０６は、第１熱電変換素子１０５へ供給される蒸気の圧力を調整して、その蒸気の温度を調整する。

熱利用設備１０３には、熱利用設備１０３で潜熱を奪われた蒸気から発生したドレンを回収するためのスチームトラップ１０７ａが接続されており、スチームトラップ１０７ａはフラッシュタンク１０８へと接続されている。一方、第１熱電変換素子１０５には、第１熱電変換素子１０５で潜熱を奪われた蒸気から発生したドレンを回収するためのスチームトラップ１０７ｂが接続されており、スチームトラップ１０７ｂはフラッシュタンク１０８へと接続されている。フラッシュタンク１０８は、熱利用設備１０３および第１熱電変換素子１０５より排出されたドレンを貯蔵する。ここでは、フラッシュタンク１０８がドレン貯蔵手段である。

フラッシュタンク１０８は、第２熱電変換素子１０９の吸熱面付近まで延びる蒸気配管１０２ｃに接続されている。蒸気配管１０２ｃには、途中に電動バルブ１０４ｃが取り付けられている。さらに蒸気配管１０２ｃには、電動バルブ１０４ｃと第２熱電変換素子１０９との間に、第２圧力調整弁１１０が取り付けられている。

ここでは、フラッシュタンク１０８と第２圧力調整弁１１０とにより第２蒸気発生手段が構成されており、第２圧力調整弁１１０の圧力調整によって、フラッシュタンク１０８に貯蔵されたドレンから蒸気が発生し、その発生した蒸気の熱を第２熱電変換素子１０９が電力に変換する。ここでは、第２圧力調整弁１１０は第２蒸気調整手段でもある。第２圧力調整弁１１０は、第２熱電変換素子１０９へ供給される蒸気の圧力を調整して、その蒸気の温度を調整する。

第１熱電変換素子１０５および第２熱電変換素子１０９には、第１電力計１１１および第２電力計１１２がそれぞれ取り付けられている。ここでは、第１電力計１１１と第２電力計１１２によって電力計測手段が構成されており、第１電力計１１１と第２電力計１１２が第１熱電変換素子１０５と第２熱電変換素子１０９によってそれぞれ変換された電力の値をそれぞれ計測する。

第１電力計１１１と第２電力計１１２で計測されたデータはコンピュータ１１３へ送信される。コンピュータ１１３は、熱利用設備１０３、電動バルブ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、第１圧力調整弁１０６、第２圧力調整弁１１０を制御する。ここでは、コンピュータ１１３が制御手段であり、第１電力計１１１と第２電力計１１２で計測された電力値を基に、第１圧力調整弁１０６と第２圧力調整弁１１０を制御する。

続いて、熱利用設備１０３の非稼動時における熱電変換装置の動作について図２を用いて説明する。熱利用設備１０３が稼働していないとき、コンピュータ１１３からは熱利用設備１０３へ蒸気が供給されないように電動バルブ１０４ａを閉じる制御信号が、また第１熱電変換素子１０５へ蒸気が供給されるように電動バルブ１０４ｂを開く制御信号が送られる。このように、電動バルブ１０４ａと電動バルブ１０４ｂにより、熱利用設備１０３の稼働状況に応じて第１熱電変換素子１０５への蒸気の供給状態が制御される。

第１熱電変換素子１０５は、ボイラ１０１より供給された蒸気の熱を電力に変換する。したがって、ボイラ１０１より供給された蒸気から電力を回収できる。さらに、このとき、第１熱電変換素子１０５を加熱した蒸気から潜熱が奪われてドレンが発生し、このドレンがスチームトラップ１０７ｂで回収され、フラッシュタンク１０８に貯蔵される。

第１熱電変換素子１０５で回収された電力は第１電力計１１１によって計測され、その計測されたデータはコンピュータ１１３へと送信される。コンピュータ１１３からは、第１電力計１１１で計測される電力が一定となるように第１熱電変換素子１０５へ供給される蒸気の圧力を調整するための制御信号が第１圧力調整弁１０６へ送信される。これによって、第１電力計１１１で計測される電力が一定となるように、第１熱電変換素子１０５へ供給される蒸気の温度が調整される。

続いて、熱利用設備１０３の稼動時における熱電変換装置の動作について図３を用いて説明する。熱利用設備１０３の稼働が開始すると、コンピュータ１１３からは熱利用設備１０３へ蒸気が供給されるように電動バルブ１０４ａを開く制御信号が、また第１熱電変換素子１０５へ蒸気が供給されないように電動バルブ１０４ｂを閉じる制御信号が送られる。このように、電動バルブ１０４ａと電動バルブ１０４ｂにより、熱利用設備１０３の稼働状況に応じて第１熱電変換素子１０５への蒸気の供給状態が制御される。

熱利用設備１０３ではボイラ１０１から供給された蒸気の熱エネルギーが消費される。そして熱利用設備１０３が熱を消費したことにより潜熱を奪われた蒸気から発生したドレンはスチームトラップ１０７ａで回収され、フラッシュタンク１０８へと貯蔵される。

これと同時にコンピュータ１１３から電動バルブ１０４ｃを開く制御信号を送られる。さらに、コンピュータ１１３からは、フラッシュタンク１０８内の圧力が減圧されるように第２圧力調整弁１１０を制御する制御信号が送られる。このように、第２蒸気発生手段を構成する第２圧力調整弁１１０は、熱利用設備１０３の稼働状況に応じて作動する。

例えばボイラ１０１から供給された蒸気の圧力が１．０ＭＰａであったとすると、その圧力下での沸点すなわち飽和蒸気温度は１８０℃であり、この圧力下で潜熱を奪われ蒸気から水に状態変化したドレンの温度もまた１８０℃である。ここで圧力を０．１ＭＰａまで減圧したとき、その圧力下での沸点すなわち飽和蒸気温度は１００℃であるから、１８０℃のドレンは１００℃まで温度低下するが、その際、余剰となった熱をドレンが蒸発潜熱として受け取り、ドレンの一部が再度蒸発して蒸気に変わる。このドレンから発生した蒸気の熱が第２熱電変換素子１０９により電力へ変換される。

このように、熱利用設備１０３および第１熱電変換素子１０５から排出されたドレンから蒸気を発生させ、そのドレンより発生した蒸気を第２熱電変換素子１０９へ供給して電力を回収できる。

第２熱電変換素子１０９で回収された電力は第２電力計１１２によって計測され、その計測されたデータはコンピュータ１１３へと送信される。コンピュータ１１３からは、第２電力計１１２で計測される電力が一定となるように第２熱電変換素子１０９へ供給される蒸気の圧力を調整するための制御信号が第２圧力調整弁１１０へ送信される。これにより、第２電力計１１２で計測される電力が一定となるように、第２熱電変換素子１０９へ供給される蒸気の温度が調整される。

熱利用設備１０３の稼働が再度停止したときには、この熱電変換装置は、コンピュータ１１３からの制御信号により図２で説明した動作状態に戻る。このように、この熱電変換装置は熱利用設備１０３の稼動状況に応じて動作状態が遷移する。

以上説明したように、この熱電変換装置は、熱利用設備１０３の非稼動時に余った蒸気を第１熱電変換素子１０５へ供給して電力を回収することができる。また、このとき、第１熱電変換素子１０５から排出されるドレンをフラッシュタンク１０８に貯蔵するので、熱利用設備１０３の稼働が開始して第１熱電変換素子１０５による電力の回収ができなくなっても、フラッシュタンク１０８に貯蔵しておいたドレンから発生した蒸気を第２熱電変換素子１０９へ供給して電力を回収することができる。

また、電力計１１１、１１２が測定したデータを基に第１圧力調整弁１０６および第２圧力調整弁１１０で蒸気圧力を調整することで、熱電変換素子の放熱面の温度変化などによって起こる回収電力の変動をなくして、一定の電力を回収できる。なお、飽和蒸気の場合、圧力は温度と一義的に対応するため、制御の容易性および制御の応答性の良さから蒸気圧力を調整することが望ましいが、蒸気温度を制御して回収電力を一定に保つようにしてもよい。

回収したドレンの熱を水の状態で利用するのではなく、減圧して蒸気に変えてから利用する理由は、既に述べたように蒸気の制御が容易で且つ応答性に優れていることに加え、蒸気の境膜熱伝達係数が温水の約５倍であり、また温水による加熱が熱伝達であるのに対し、蒸気による加熱は蒸気の状態変化による凝縮伝熱であり瞬時に大きな熱量を与えることができ、熱電変換素子を用いて一定の電力を回収しようという目的に対して好適だからである。

また、通常、減圧することでドレンから発生させる蒸気は、ボイラで発生した蒸気よりも低温となるため、その温度域で利用できる他の熱利用設備がないと有効に活用することができないが、この実施の形態における熱電変換装置によれば、熱電変換素子の種類を適切に選択することによって低温の蒸気からも電力を回収することができるので、排熱を有効活用できる。

（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２における熱電変換装置を説明する。図４は、本発明の実施の形態２における熱電変換装置の説明図である。但し、前述の実施の形態１で説明した要素と同じ要素には同じ符号を付して、その説明は省略する。

この実施の形態２における熱電変換装置では、図４に示すように、第１熱電変換素子１０５および第２熱電変換素子１０９の放熱面に第１チラー４０１および第２チラー４０２がそれぞれ接続されており、また第１チラー４０１および第２チラー４０２はコンピュータ１１３に接続されている。この熱電変換装置は、第１電力計１１１および第２電力計１１２の値が一定となるように、第１チラー４０１および第２チラー４０２から供給される冷却水の温度も制御可能であるように構成されている。

以上のように、この実施の形態２では、第１チラー４０１および第２チラー４０２により、第１熱電変換素子１０５および第２熱電変換素子１０９の放熱面の温度を調節する放熱面温度調節手段が構成されている。したがって、熱電変換素子の種類に応じて熱電変換素子の放熱面の温度を最適制御することにより、より高効率で電力を回収することができる。また万一、ドレンから発生する蒸気が不足して熱電変換素子の吸熱面の温度低下が発生しても、その分、熱電変換素子の放熱面の温度を低下させることによってより安定的に電力を回収できる。

本発明にかかる熱電変換装置は、熱利用設備の稼働状況や環境変化によらず一定の電力を回収でき、家庭や工場の生産設備等、蒸気を熱源とするあらゆる熱利用設備に適用できる。

１０１ボイラ
１０２ａ蒸気配管
１０２ｂ蒸気配管
１０２ｃ蒸気配管
１０３熱利用設備
１０４ａ電動バルブ
１０４ｂ電動バルブ
１０４ｃ電動バルブ
１０５第１熱電変換素子
１０６第１圧力調整弁
１０７ａスチームトラップ
１０７ｂスチームトラップ
１０８フラッシュタンク
１０９第２熱電変換素子
１１０第２圧力調整弁
１１１第１電力計
１１２第２電力計
１１３コンピュータ
４０１第１チラー
４０２第２チラー
５０１高温熱源
５０２ａ蒸気発生装置
５０２ｂ蒸気発生装置
５０２ｃ蒸気発生装置
５０３ａ熱電変換素子
５０３ｂ熱電変換素子
５０３ｃ熱電変換素子

Claims

熱利用設備に蒸気を供給するために設置された第１蒸気発生手段が発生させた蒸気の供給路から分岐する分岐路と、
前記分岐路より供給された蒸気の熱を電力に変換する第１熱電変換素子と、
前記熱利用設備より排出されたドレンから蒸気を発生させる第２蒸気発生手段と、
前記第２蒸気発生手段が発生させた蒸気の熱を電力に変換する第２熱電変換素子と、
前記第１熱電変換素子へ供給される蒸気の圧力または温度を調整する第１蒸気調整手段と、
前記第２熱電変換素子へ供給される蒸気の圧力または温度を調整する第２蒸気調整手段と、
前記第１熱電変換素子および前記第２熱電変換素子によってそれぞれ変換された電力の値を計測する電力計測手段と、
前記電力計測手段が計測した電力の値を基に前記第１蒸気調整手段および前記第２蒸気調整手段による蒸気の圧力または温度の調整を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱電変換装置。
前記第２蒸気発生手段は、前記熱利用設備より排出されたドレンを貯蔵するドレン貯蔵手段を含み、前記ドレン貯蔵手段に貯蔵されたドレンから蒸気を発生させることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
前記ドレン貯蔵手段は、前記熱利用設備より排出されたドレンに加えて、前記第１熱電変換素子より排出されたドレンも貯蔵することを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
前記熱利用設備の稼働状況に応じて前記第１熱電変換素子への蒸気の供給状態を制御する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電変換装置。
前記第２蒸気発生手段は、前記熱利用設備の稼働状況に応じて作動することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電変換装置。
前記第１熱電変換素子および前記第２熱電変換素子の放熱面の温度をそれぞれ調節する放熱面温度調節手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の熱電変換装置。