JP5471526B2

JP5471526B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP5471526B2
Application number: JP2010019818A
Authority: JP
Inventors: 和久壁矢; 高志黒木; 晃夫藤林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-01-30
Filing date: 2010-01-30
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-01-30
Also published as: JP2011160552A

Description

本発明は、熱電変換モジュールを用いて廃熱を電気エネルギーに変換するための熱電発電装置に関するものである。

製鉄所などの製造設備では、ＣＯ_２発生を抑制するための様々な対策が進められており、その一環として、高炉などの廃熱からエネルギー回収を行うための方策が種々検討されている。
高炉では、従来から炉頂圧発電（ＴＲＴ）や副生ガス（Ｂガス）再利用などによるエネルギー回収が積極的に行われているが、炉壁冷却などに伴い、炉内から炉外に１００ＭＷ以上もの熱が逃げ、捨てられているのが現状である。

このように炉外に捨てられている熱を回収する手段として、例えば、特許文献１には、炉壁外面に熱電変換モジュール（熱電変換素子）を設置し、素子の炉壁側（高温側）と外気側（低温側）との温度差による発電を行い、エネルギーを回収する方法が示されている。また、炉以外でも、特許文献２には、熱ガスの顕熱回収に熱電変換モジュールを用いる例が示されている。
ここで、熱電変換モジュールは、複数のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を交互に配置し、隣接する熱電素子の一端部どうしと他端部どうしを交互に電極で連結して構成されるもので、その電極を高温側熱源と低温側放熱部に接するように設け、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにしたものである。

特開昭６０−３０９８９号公報特開昭５９−１９５０９１号公報

一般に、熱電発電システムでは、熱電変換モジュール側のインピーダンスとその発電出力に接続される負荷側のインピーダンスが一致した場合に最大出力が得られる。しかし、実際には、熱電変換モジュールの使用環境（例えば、高温側熱源の温度変動など）によってインピーダンスが変化したり、或いは熱電変換モジュールの一部が故障した場合には導通が失われたりするため、さらに場合によっては、負荷側の電気機器などのインピーダンスが変化することもあるため、初めにインピーダンスマッチングを行っても、実働中に最大出力が得られるとは限らない。

したがって本発明の目的は、複数の熱電変換モジュールからなる熱電変換モジュール群を備えた熱電発電装置において、熱電変換モジュールの使用環境の変化や熱電変換モジュールの故障などによって熱電変換モジュール群側のインピーダンスが変化しても、また負荷側の電気機器などのインピーダンスが変化しても、常に最適なインピーダンスマッチングを行うことができる熱電発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］複数の熱電変換モジュールからなる熱電変換モジュール群を備えた熱電発電装置において、熱電変換モジュール群側とその発電出力に接続される負荷設備側とのインピーダンスマッチングを行うための、熱電変換モジュールの配線切換装置を有し、該配線切換装置は、複数の熱電変換モジュールどうしの直列と並列の配線の切換を行う装置であり、該装置では、熱電変換モジュール群側のインピーダンスの変化に基づき配線の切換がなされることを特徴とする熱電発電装置。

［2］上記［1］の熱電発電装置において、配線切換装置では、下記（a）又は（b）であって、且つ各熱電変換モジュール群で並列に接続される熱電変換モジュールの数が選択された配線パターン間で配線の切換がなされることを特徴とする熱電発電装置。
（a）複数の熱電変換モジュールを並列に接続した、複数の熱電変換モジュール群を直列に接続した配線パターン
（b）複数の熱電変換モジュールを並列に接続した、複数の熱電変換モジュール群と、１個の熱電変換モジュールを直列に接続した配線パターン

本発明の熱電発電装置は、熱電変換モジュールの使用環境の変化や熱電変換モジュールの故障などによって熱電変換モジュール群側のインピーダンスが変化しても、また負荷側の電気機器などのインピーダンスが変化しても、常に最適なインピーダンスマッチングを行うことができる。このため、従来に較べて格段に高いレベルの廃熱回収と省エネルギーを達成できる。

本発明の第１の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図本発明の第２の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図本発明の第３の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図本発明の第１および第２の形態の熱電発電装置を構成する配線切換装置における配線切換パターンを示す説明図

図１は、本発明の第１の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図である。
１は複数の熱電変換モジュール１０からなる熱電変換モジュール群、２は負荷設備である。
前記熱電変換モジュール１０は、ゼーベック効果を利用し、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにするものであり、受熱面（電極面）が高温側熱源、放熱面（電極面）が低温側放熱部に、それぞれ接するように配置されている。

熱電変換モジュール１０の設置場所は任意であり、例えば、高温側熱源としては、溶解炉、精錬炉の炉壁や排ガスダクト、加熱炉の炉壁やスキッドなどのような設備が挙げられ、低温側放熱部としては、溶解炉や精錬炉などの炉体の冷却用部材（例えば、ステーブ）などが挙げられる。例えば、炉壁冷却用のステーブが配置され、その内側に耐火物が保持された高炉の炉壁において、ステーブと耐火物との間に熱電変換モジュール１０を設け、耐火物を高温側熱源とし、ステーブを低温側放熱部とするような形態がある。

一方、負荷設備としては、例えば、ナトリウム硫黄電池などの蓄電池やモーターなどの機器が挙げられる。
この熱電発電装置は、熱電変換モジュール群１側とその発電出力に接続される負荷設備２側とのインピーダンスマッチングを行うためのインピーダンスマッチング装置３を有する。熱電変換モジュールによる発電は基本的に直流なので、このインピーダンスマッチング装置３は、例えば、可変抵抗器などで構成することができる。発電側と負荷のインピーダンスマッチングを取る方式として、太陽光発電システムでは坂登り法による最大電力点追尾方式が実用化されている。
このインピーダンスマッチング装置３は、熱電変換モジュール群１を構成する熱電変換モジュール１０の使用状況（例えば、高温側熱源の温度変動など）によって、電気抵抗や発電量が変化したり、或いは熱電変換モジュール１０の一部が故障したりすることで、熱電変換モジュール群１側のインピーダンスが変化した場合、熱電変換モジュール群１側全体のインピーダンスを負荷設備２側と同じになるように調整し、負荷側とのインピーダンスマッチングを行う。このインピーダンスマッチング装置３は、熱電変換モジュール群１側のインピーダンスの変化に基づき自動制御してもよいし、手動制御してもよい。

図２は、本発明の第２の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図である。
１は複数の熱電変換モジュール１０からなる熱電変換モジュール群、２は負荷設備であり、これらの詳細は上述したとおりである。
この熱電発電装置は、熱電変換モジュール群１側とその発電出力に接続される負荷設備２側とのインピーダンスマッチングを行うための、熱電変換モジュールの配線切換装置４を有する。この配線切換装置４は、熱電変換モジュール群１を構成する複数の熱電変換モジュール１０どうしの配線（接続状態）を切り換えることにより、熱電変換モジュール群１側のインピーダンスを変化させることができる。この配線切換装置４では、例えば、熱電変換モジュール１０どうしの直列と並列の配線の組替（切換）を行う。

図４は、配線切換装置４における配線切換パターン例を示している。この例では、熱電変換モジュール群１側全体のインピーダンスが負荷設備２側と同じ１．５Ｒとなるように複数の熱電変換モジュール１０どうしの配線の接続の切換を行う。図４（イ）は基本となる配線の接続状態であり、内部抵抗Ｒの１０個の熱電変換モジュールを全体のインピーダンスが１．５Ｒとなるように接続するもので、６個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、３個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、１個の熱電変換モジュールを直列に接続するものである。

図４（ロ）は、温度上昇などの原因で熱電変換モジュールの内部抵抗がＲから１．５Ｒに増加した時にも、全体のインピーダンスが１．５Ｒに保たれるように配線を接続する配線切換パターンであり、４個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、４個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、２個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群を直列に接続するものである。
また、図４（ハ）は、熱電変換モジュールの１個が故障した際にも、内部抵抗Ｒの９個の熱電変換モジュールで全体のインピーダンスが１．５Ｒに保たれるように配線を接続する配線切換パターンであり、４個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、４個の熱電変換モジュールを並列に接続した熱電変換モジュール群と、１個の熱電変換モジュールを直列に接続するものである。

この配線切換装置４は、熱電変換モジュール群１を構成する熱電変換モジュール１０の使用状況（例えば、高温側熱源の温度変動など）によって、電気抵抗や発電量が変化したり、或いは熱電変換モジュール１０の一部が故障したりすることで、熱電変換モジュール群１側のインピーダンスが変化した場合、熱電変換モジュール群１側全体のインピーダンスを負荷設備２側と同じになるように調整し、負荷側とのインピーダンスマッチングを行う。この配線切換装置４は、熱電変換モジュール群１側のインピーダンスの変化に基づき自動制御してもよいし、手動制御してもよい。

図３は、本発明の第３の形態の熱電発電装置の一実施形態を示す説明図である。
１は複数の熱電変換モジュール１０からなる熱電変換モジュール群、２は負荷設備であり、これらの詳細は上述したとおりである。
この熱電発電装置は、熱電変換モジュール群１側とその発電出力に接続される負荷設備２側とのインピーダンスマッチングを行うための、インピーダンスマッチング装置３と熱電変換モジュールの配線切換装置４を有する。
これらインピーダンスマッチング装置３と配線切換装置４の詳細は、上述したとおりである。このようにインピーダンスマッチングを行うための２つの装置を有することにより、インピーダンスの調整範囲が広がるため、熱電変換モジュール１０のより広範囲の内部抵抗変化や故障に対応可能となる。

１熱電変換モジュール群
２負荷設備
３インピーダンスマッチング装置
４配線切換装置
１０熱電変換モジュール

Claims

複数の熱電変換モジュールからなる熱電変換モジュール群を備えた熱電発電装置において、
熱電変換モジュール群側とその発電出力に接続される負荷設備側とのインピーダンスマッチングを行うための、熱電変換モジュールの配線切換装置を有し、
該配線切換装置は、複数の熱電変換モジュールどうしの直列と並列の配線の切換を行う装置であり、該装置では、熱電変換モジュール群側のインピーダンスの変化に基づき配線の切換がなされることを特徴とする熱電発電装置。
配線切換装置では、下記（a）又は（b）であって、且つ各熱電変換モジュール群で並列に接続される熱電変換モジュールの数が選択された配線パターン間で配線の切換がなされることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
（a）複数の熱電変換モジュールを並列に接続した、複数の熱電変換モジュール群を直列に接続した配線パターン
（b）複数の熱電変換モジュールを並列に接続した、複数の熱電変換モジュール群と、１個の熱電変換モジュールを直列に接続した配線パターン