JP5786435B2 - 熱電発電装置およびそれを用いた熱電発電方法 - Google Patents

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装置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、これまで廃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、上記の接触熱抵抗が大きくなって、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り、また、一旦設置すると、熱源との接触状態が変えられないという問題がある。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。

上記した問題に対し、接触熱抵抗を低減するため、上記した以外の方法でモジュールに圧力を付与することも検討されている。しかしながら、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するおそれがあるだけでなく、熱源の温度変動が大きい場合には、１モジュールあたりの発電量が小さくなって、十分な発電量が得られない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、特にスラグヤードにおいて発生する顕熱や廃熱を回収する際に、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備える熱電発電装置を、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。

発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、スラグの温度に応じて、熱電発電ユニットの接触状態を調整することによって、高効率な熱電発電を行うことができることを知見し、新たな製鉄所廃熱利用の熱電発電装置を開発した。
本発明は上記知見に立脚するものである

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少なくとも高温面側に設置した絶縁材および保護板と、該熱電発電モジュールの低温面側に配置された圧力調整手段とを具えた熱電発電ユニット、並びに熱源に接する受熱板を備え、
上記圧力調整手段が、上記熱源の温度に応じて、上記熱電発電ユニットと上記受熱板との接触面積を制御する機能を有し、上記受熱板と上記保護板とが直接に接することを特徴とする熱電発電装置。

２．前記１に記載の熱電発電装置を、熱電発電ユニット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、熱源の温度に応じて、熱電発電モジュールの低温面側に配置された圧力調整手段の押圧力を調整し、受熱板に対する熱電発電ユニットの接触面積を制御することを特徴とする熱電発電方法。

３．前記熱電発電ユニットの高温面側に押圧力が付加される環境下が、溶融スラグを排さいするスラグヤードであることを特徴とする前記２に記載の熱電発電方法。

４．前記２または３において、受熱板に対する押圧力を２MPa以下に制御することを特徴とする熱電発電方法。

５．前記２〜４のいずれかにおいて、受熱板に対する押圧力を0.5〜２MPaとしたことを特徴とする熱電発電方法。

本発明の熱電発電装置を用いることで、熱電発電ユニットと熱源に接する受熱板とを、発電効率の良い接触状態に保持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、熱電発電ユニット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ユニットの断面図である。 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。 受熱板と接するスラグ温度と時間との関係を示したグラフである。 熱電発電ユニットに接する受熱面面積と時間との関係を示したグラフである。 発明例と比較例の発電量推移と時間との関係を示したグラフである。 比較例として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は絶縁材、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。さらに、９は受熱板である。
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材４と、低温側の絶縁材の外側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は高温側に設けることも、また低温側と高温側の両方に設けることもできる。
圧力調整手段５を作動させることにより、図２に示したように、熱電発電ユニットの高温面側に適切な押圧力を付与し、加えて熱源との所望の接触面積を確保することができる。

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、単に圧力調整手段を配置しただけでは、本発明のように熱源の温度変動が大きい場合、１モジュールあたりの発電量が小さくなり、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、低温面の絶縁材側に圧力調整手段５を設配する。そして、この圧力調整手段５により、熱源の温度に応じて、熱電発電ユニットと受熱板の接触圧力を変えることで、熱源との所望の接触面積を確保し、所期した発電量を得るのである。
具体的には、熱源の温度が下がるに連れて、接触面積を減らしていく、すなわち接触しているユニットを、その接触圧力（押圧力）を調整することにより減らしてゆくことが重要である。かような操作を行うことによって、個々の熱電発電ユニットの発電効率が上がり、その結果、効率の良い熱電発電を行うことができるのである。

かかる圧力調整手段５としては、熱電発電ユニットの絶縁材に所定の圧力を付与することができる手段であれば、特に限定されないが、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、上記した絶縁材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。なお、高温面側の保護板７は、受熱板９とすることもできる。
これらの保護板７（受熱板９）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、銅板等は、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。
なお、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、上記した絶縁材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６は絶縁材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、上記したモジュールの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て、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１m²以下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好ましい。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。より好ましくは、0.5〜２MPaである。なお、スラグを大量に排さいした際にも、スラグの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ような深さに設置することができる。

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１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、熱電発電ユニットは、熱電発電モジュール（性能10kW/ｍ² 、大きさ2.5×10^-3ｍ²(５mm×50mm×50mm)）を格子状に並べた。圧力調整装置により、スラグの温度に応じて保護板として用いた受熱板（鉄板）とモジュールとの接触圧力を制御した。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(100m²)下に、上記した熱電発電ユニットを設置し、発明例とした。なお、受熱板に押圧している熱電発電ユニットの押圧力は、２MPaであった。また、押圧力：０MPaの熱電発電ユニットは、本実施例では接していないものとした。
一方、上記した熱電発電モジュールをーつーつ固定用治具で圧着して、押圧力は、２MPaで、熱電発電ユニットと同じ配置とし、圧力調整装置は用いないものを比較例とした。

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：30トン/回、スラグ温度：1000〜1600℃である。その後、数時間かけて冷却する。

なお、図４に、受熱板と接するスラグ温度と時間との関係を示したグラフ、図５に、発明例と比較例のユニットに接する受熱板の受熱面面積と時間との関係を示したグラフ、図６に、発明例と比較例の発電量と時間との関係を示したグラフ、および図７に、比較例の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をそれぞれ示す。
上記の各場合について、発電効果を調べた結果、発明例では627MWの発電量を確認した。一方、比較例は、165MWの発電量となった。

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、多くの発電量を得ることができることが分かる。

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 絶縁材
５ 圧力調整装置
６ 熱伝導シート
７ 保護板
８ 熱電発電ユニット
９ 受熱板

Claims (5)

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少なくとも高温面側に設置した絶縁材および保護板と、該熱電発電モジュールの低温面側に配置された圧力調整手段とを具えた熱電発電ユニット、並びに熱源に接する受熱板を備え、
   上記圧力調整手段が、上記熱源の温度に応じて、上記熱電発電ユニットと上記受熱板との接触面積を制御する機能を有し、上記受熱板と上記保護板とが直接に接することを特徴とする熱電発電装置。
2. 請求項１に記載の熱電発電装置を、熱電発電ユニット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、熱源の温度に応じて、熱電発電モジュールの低温面側に配置された圧力調整手段の押圧力を調整し、受熱板に対する熱電発電ユニットの接触面積を制御することを特徴とする熱電発電方法。
3. 前記熱電発電ユニットの高温面側に押圧力が付加される環境下が、溶融スラグを排さいするスラグヤードであることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電方法。
4. 請求項２または３において、受熱板に対する押圧力を２MPa以下に制御することを特徴とする熱電発電方法。
5. 請求項２〜４のいずれかにおいて、受熱板に対する押圧力を0.5〜２MPaとしたことを特徴とする熱電発電方法。

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