JP5742106B2

JP5742106B2 - 熱電発電ユニットおよびそれを用いた熱電発電方法

Info

Publication number: JP5742106B2
Application number: JP2010083963A
Authority: JP
Inventors: 高志黒木; 壁矢　和久; 和久壁矢; 藤林　晃夫; 晃夫藤林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011216692A

Description

本発明は、様々な環境下での温度差を利用し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電発電ユニットおよびそれを用いた熱電発電方法に関するものである。

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用し、熱電発電素子を用いて熱を直接電力に変換することも知られている。
近年、製鉄工場等の製造設備では、例えば、上記のような熱電発電素子を用いた発電により、これまで排熱として棄ててきたエネルギーを利用する、更なる省エネルギーへの取組み等が推進されている。

こうした取組みに対し、例えば、特許文献１には、廃熱として処理されている熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。
特許文献２には、熱電発電モジュールの製作誤差や熱変形などの不均一の影響を受けることなくモジュールを良好に設置する方法が記載されている。
特許文献３には、製鉄所などで発生するスラグ顕熱回収方法が記載されている。
特許文献４には、溶融スラグをスラグ冷却水槽内に投入して冷却する際に、高温となった冷却水の熱エネルギーを、スラグ冷却水槽内に配置した熱電素子を組み込んだ熱交換装置により、直接、電力に置換して回収する方法が記載されている。
特許文献５には、スラグ冷却水の熱により熱電素子エレメントを加熱して熱電発電を行うスラグ冷却コンベアに関する技術が記載されている。

特開昭６０−３４０８４号公報特開２００９−２０６３３２号公報特開２００９−２２７４８９号公報特開平６−１１７７８１号公報特開２００２−３１０５７２号公報

ここに、顕熱や廃熱の熱電発電への適用においては、高温側および低温側の熱交換部と熱電発電モジュールとの間の接触熱抵抗が大きく影響する。特に、高温側と低温側の温度差に起因して、熱電発電モジュールに変形が生じて接触熱抵抗が増大した場合、モジュールの熱電発電効率が大幅に低下してしまう。

しかしながら、特許文献１では、温度差によるモジュールの変形については全く考慮されていない。特許文献２では、モジュール一つ一つを固定用治具で圧着しているため、モジュールの変形に対しては強いものの、モジュールの設置のための手間と設置コストがかかるという問題がある。特許文献３では、熱を水蒸気で回収する方法が示されているが、熱を電気に直接変換するものではないため、エネルギーの変換効率の点で問題がある。
さらに、特許文献４および５に記載の技術においては、通常、スラグ冷却水の温度は50〜80℃であり、例え、高温側温度の冷却水が最大加熱されたとしても高々100℃であるため、熱電変換モジュールの電極間の温度差を大きくとることが出来ない。その結果、熱電変換モジュールの変換効率を上げられないという問題があった。
また、接触熱抵抗を低減するため、モジュールに圧力を付与することも検討されているが、単純にモジュールに圧力を付与すると、熱電発電モジュールが破損してしまうという問題があった。

本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、各種の製造プロセスにおいて発生する顕熱や廃熱を回収するに際し、熱電発電モジュールを設置して、プロセス内の熱源温度とプロセス周辺の雰囲気温度との温度差を利用し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電発電ユニットを、それを用いた熱電発電方法と共に提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．熱エネルギーの電気エネルギーへの変換を司る熱電発電モジュールと、該熱電発電モジュールの高温面および低温面にそれぞれ設置した絶縁基板と、該熱電発電モジュールの低温面側および／または高温面側に配置され、該熱電発電モジュールの高温面に対する押圧力を0.3〜２MPaに制御し、絶縁基板に該押圧力を付与する圧力調整手段とをそなえることを特徴とする熱電発電ユニット。

２．前記熱電発電モジュールの高温面側および／または低温面側にそれぞれ、保護板を設けたことを特徴とする前記１記載の熱電発電ユニット。

３．前記熱電発電モジュールの高温面側および低温面側の絶縁基板と、前記保護板との間に熱伝導シートを挿入したことを特徴とする前記１または２記載の熱電発電ユニット。

４．前記熱電発電モジュールの低温面側に、該低温面を冷却するための冷却手段を設置したことを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の熱電発電ユニット。

５．前記熱電発電モジュールの大きさを、１×10^-2m²以下としたことを特徴とする前記１〜４のいずれかに記載の熱電発電ユニット。

６．前記熱電発電モジュールを複数個具備した熱電発電ユニットの大きさを、１m²以下としたことを特徴とする前記１〜５のいずれかに記載の熱電発電ユニット。

７．前記１〜６のいずれかに記載の熱電発電ユニットを、熱電発電モジュールの高温面側に押圧力が付加される環境下に設置して、熱電発電を行うに際し、該熱電発電モジュールの高温面に対する押圧力を0.3〜２MPaに制御することを特徴とする熱電発電方法。

８．前記７において、モジュールに対する押圧力を0.5〜２MPaとしたことを特徴とする熱電発電方法。

本発明の熱電発電モジュールでは、モジュールと熱源とを高い接触状態に保持したままで発電することができるため、発電効率が向上し、従来に比べ、格段に高いレベルでの顕熱/廃熱の回収を実現することができる。
また、本発明に従う熱電発電方法によれば、高い作業性の下で、熱電発電モジュールの破損のおそれなしに、効果的にスラグ排さい場下等の熱を電気エネルギーに変換することができる。

本発明に従う熱電発電モジュールの断面図である。本発明に従う熱電発電モジュールを組込んだ熱電発電ユニットの配置例を示す図である。本発明に従う熱電発電モジュールを組込んだ熱電発電ユニットの敷設例を示す図である。

以下、本発明を、図１〜３を用いて具体的に説明する。
図中、１は熱電素子、２は電極であり、これらで熱電発電モジュール３を構成する。４は絶縁基板、５は圧力調整手段である。また、６は熱伝導シート、７は保護板、そして、８で熱電発電ユニットを示す。
本発明の熱電発電ユニット８の基本構成は、図１に示したとおり、両側に電極２を備えたＰ型およびＮ型の熱電素子１と、その両側に配置したセラミックス製の絶縁基板４と、低温側の絶縁基板に設けられた圧力調整手段５とからなる。なお、圧力調整手段５は高温側に設けても、また低温側と高温側の両方に設けても良い。
図１に示したように、圧力調整手段５を作動させることにより、熱電発電モジュールの高温面側に適切な押圧力を付与することができる。

発明者らは、様々な製造プロセスから発生する顕熱や廃熱を回収する技術を検討してきたが、前述したように、熱電発電モジュールを用いて、直接に顕熱や廃熱を回収しようとした場合、図１に示した電気的に絶縁された絶縁基板４の内、上部（高温側）に位置する絶縁基板４の変形が生じ易く、このような変形が生じた場合、所望の接触面積が得られず、接触熱抵抗が増加し、十分な発電量が得られないことを知見した。

そこで、本発明の熱電発電ユニット８では、低温側または高温側の絶縁基板側に圧力調整手段５を設配したのである。
すなわち、この圧力調整手段５により、熱電発電ユニット８の絶縁基板４の変形を抑え、熱源との所望の接触面積を確保し、接触熱抵抗を低下させて、所期した発電量を得るのである。

かかる圧力調整手段５としては、熱電発電モジュールの絶縁基板に所定の圧力を付与することができれば、特にその種類は制限されないが、バネ型ブロック、油圧ピストン等を用いることが、圧力付与の均一性、安定性等の面から特に好適である。また、弾力があり、熱伝導のよい高熱伝導材を用いることもできる。

本発明ではさらに、図１に示したように、上記した絶縁基板４の外側の少なくとも一方に保護板７を設けることができる。これらの保護板７は、本発明の熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができる板であれば、金属板でもセラミックス板でも、後述するシート状或いはホイル状のものでも問題はないが、鉄板、銅板等が高い熱伝達能力（ヒートシンク機能）も併せ持っているため好適である。
また、本発明では、熱電発電モジュールのヒートシンクとして、一般的なフィンを有するもの（図示省略）も用いることができる。

また、本発明では、図１に示したように、上記した絶縁基板４と、上記した保護板７との間に、熱電発電効率の一層の向上を図るために、熱伝導シート６を設けることができる。これらの熱伝導シート６は、所定の熱伝導率を有しており、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば、特に制限はないが、グラファイトシート等が例示される。
なお、上記熱伝導シートは絶縁基板４と圧力調整手段５の間に設けても良い。

さらに、本発明では、熱電発電モジュールの発電効率をより一層高めるために、上記した低温面側に冷却手段（図示省略）を別途設けることができる。なお、この冷却手段は、圧力調整手段５に組込んで一体型とすることもできる。
かかる冷却手段としては、特段の制限はないが、フィンを具備した冷却デバイスや、接触熱伝達を活用した水冷デバイス、沸騰熱伝達を活用したヒートシンク等が例示される。

本発明に従う熱電発電モジュールの大きさは、１×10^-2m²以下とすることが好ましい。モジュールの大きさを上述とすることで熱電発電モジュールの変形を抑制することができるからである。より好ましくは、2.5×10^-3m²以下である。

本発明では、上記した熱電発電ユニットを複数個同時に用いることで、図２に示したように熱電発電ユニットを配置することができる。
この熱電発電ユニットの大きさは、１m²以下とすることが好ましい。ユニットを上述とすることで熱電発電モジュールの相互間や、熱電発電ユニット自体の変形を抑制することができるからである。より好ましくは、2.5×10^-1m²以下である。

次に、前記した熱電発電ユニットの具体的な適用例について説明する。本発明に従う熱電発電ユニットは、図３に示すように、例えば、スラグ排さい場下に敷設することができる。
その際、熱電発電ユニット中のモジュールの高温面に対する押圧力を、２MPa以下に制御することが肝要である。２MPaを超えると上記したモジュールが破損するおそれが出てくるからである。好ましくは、0.5〜２MPaである。スラグを大量に排滓した際も押圧力により熱電発電モジュールおよび熱電発電ユニットが破壊されない深さに設置してもよい。

本発明に従い、図３に示したように、熱電発電モジュールを敷設した。なお、以下の実施例は、スラグ排さいの熱を利用しているが、他の熱源、例えば、焼却後の廃材等を熱源としても良いことは言うまでもない。
また、個々のモジュールは、図２に示した熱電発電ユニット８とし、主な仕様は、以下のようにした。すなわち、熱電発電ユニットＡは一辺11個の熱電発電モジュールＡ（性能3.3kW/m²、大きさ４×10^-3m²(５mm×63mm×63mm)）を格子状に合計121個並べ、ユニットとしてのスラグ排さいとの接触面積は１m²とした。そして、熱電発電ユニットＢは一辺７個の熱電発電モジュールＢ（性能10kW/m²、大きさ2.5×10^-3m²(４mm×50mm×50mm)）を格子状に合計49個並べ、ユニットとしてのスラグ排さいとの接触面積は0.25m²とした。なお、両ユニットとも、グラファイトシートの熱伝導シート付きとした。

そして、スラグヤードの一部(300m²)下に、上記した熱電発電ユニットＡおよびＢを設置し、発明例とした。一方、上記した熱電発電モジュールＡをーつーつ固定用治具で圧着して、熱電発電ユニットＡと同じ配置とし、比較例とした。

本実施例におけるスラグ処理の操業条件は、従来公知のスラグ処理の操業条件であり、その主な処理条件は、排さい量：400トン/日、スラグ温度：1000〜1300℃である。その後、数〜数10時間かけて約200℃まで冷却する。

発明例は、以下の条件で、スラグヤードの下に設置した。
発明例ａ：熱電発電ユニットＡを用い、押圧力：0.3MPa
発明例ｂ：熱電発電ユニットＡを用い、押圧力：２MPa
発明例ｃ：熱電発電ユニットＢを用い、押圧力：0.3MPa
発明例ｄ：熱電発電ユニットＢを用い、押圧力：２MPa

上記の各場合について、作業性および発電効果を調べた。その結果を次に示す。
発明例ａ〜ｄはいずれも、比較例と比べ、設置時間が1/5以下の時間で済み、作業性が大幅に向上した。また、個々のユニットの設置コストもそれぞれ1/2となった。
また、発明例ａでは0.7MWの発電を、発明例ｂでは１MWの発電を、発明例ｃでは2.1MWの発電を、発明例ｄでは３MWの発電を確認した。さらに、１ヶ月後も同様の発電量を確認した。
一方、比較例は、試験開始当初の発電量は１MWであったが、１ヶ月後は0.6MWの発電量となった。
なお、試験終了後、比較例のユニットの取付け状態を確認すると、熱電発電モジュールの一部が変形しているのが確認された。

以上の結果より、本発明に従う熱電発電ユニットおよびそれを用いた熱電発電方法は、設置の作業性が大幅に向上すると共に設置コストも低減し、発電の安定性にも優れていることが分かる。

本発明によれば、スラグ排さいの熱等製造プロセスから発生する熱を、効果的に電力へと変換できるので、製造工場における省エネルギーに貢献する。

１熱電素子
２電極
３熱電発電モジュール
４絶縁基板
５圧力調整装置
６伝熱シート
７保護板
８熱電発電ユニット

Claims

熱エネルギーの電気エネルギーへの変換を司る熱電発電モジュールと、該熱電発電モジュールの高温面および低温面にそれぞれ設置した絶縁基板と、該熱電発電モジュールの低温面側および／または高温面側に配置され、該熱電発電モジュールの高温面に対する押圧力を0.3〜２MPaに制御し、絶縁基板に該押圧力を付与する圧力調整手段とをそなえることを特徴とする熱電発電ユニット。
前記熱電発電モジュールの高温面側および／または低温面側にそれぞれ、保護板を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱電発電ユニット。
前記熱電発電モジュールの高温面側および低温面側の絶縁基板と、前記保護板との間に熱伝導シートを挿入したことを特徴とする請求項１または２記載の熱電発電ユニット。
前記熱電発電モジュールの低温面側に、該低温面を冷却するための冷却手段を設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電ユニット。
前記熱電発電モジュールの大きさを、１×10^-2m²以下としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電発電ユニット。
前記熱電発電モジュールを複数個具備した熱電発電ユニットの大きさを、１m²以下としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電ユニット。
請求項１〜６のいずれかに記載の熱電発電ユニットを、熱電発電モジュールの高温面側に押圧力が付加される環境下に設置して、熱電発電を行うに際し、該熱電発電モジュールの高温面に対する押圧力を0.3〜２MPaに制御することを特徴とする熱電発電方法。
請求項７において、モジュールに対する押圧力を0.5〜２MPaとしたことを特徴とする熱電発電方法。