JP5826588B2 - 熱電併給装置および熱電併給方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、熱電併給装置および熱電併給方法に関する。

熱電発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差をつけることで生じる電力を取り出す、非化石燃料による環境にやさしい発電機である。工場排水や温泉などの熱源からエネルギーを回収し、独立電源として現場の照明や機器へ電力供給したり、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行ったりする用途に用いることができる。熱電発電装置の実用化のためには、素子性能向上のための材料技術、信頼性向上のためのモジュール化技術、システム内の伝熱性能向上のための熱交換技術などが重要とされている。

特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報 特開２０１０−１３５６４３号公報

一般に、熱電発電装置は、熱源の規模や形態に合わせて、その都度、設計しなければならないため、時間やコストが増大する傾向がある。特に、熱源が固体の場合には、熱源そのものに熱電変換モジュールを貼り付けて排熱を回収することが考えられるが、熱源と熱電変換モジュールを低い熱抵抗で熱的に接触させたり、熱電変換モジュールの通過熱量を上げるための冷却機構を工夫したりするなどの措置が必要となり、熱源条件に合わせて、受注毎に設計しなければならないケースが多い。このような熱源への直接接触方式では、伝熱特性のばらつきが生じ、熱電発電システムの発電性能の低下を招くため、その対策に多大な時間やコストがかかる。

本発明が解決しようとする課題は、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能な熱電併給装置および熱電併給方法を提供することである。

実施形態によれば、高温熱源からの熱を非接触で受けて集熱しつつ熱輸送も同時にする少なくとも１つの集熱兼熱輸送部と、前記集熱兼熱輸送部に熱的に接合されて当該集熱兼熱輸送部により集熱した熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部に熱的に接合される少なくとも１つの熱輸送部と、前記熱輸送部に熱的に接合される熱浴部と、一方の面が前記熱浴部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合され、両面との温度差により発電する熱電変換部と、前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する熱交換部とをもつ。

本発明によれば、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能となる。

第１の実施形態における熱電併給装置の構成例を示す図。 第１の実施形態における熱電併給装置のヒートパイプ式真空管集熱器の原理を説明する図。 第１の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態における水冷式熱電併給装置の構成例を示す図。 第２の実施形態における水冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャート。 第３の実施形態における空冷式熱電併給装置の構成例を示す図。 第３の実施形態における空冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャート。 第３の実施形態における熱電併給装置の集熱部の構成例を示す図。 第３の実施形態における熱電併給装置の発電部の構成例を示す図。 第４の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャート。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における熱電併給装置の構成例を示す図である。
図２は、第１の実施形態における熱電併給装置のヒートパイプ式真空管集熱器の原理を説明する図である。
図１に示した熱電併給装置は、高温輻射熱の放射機器、炉、太陽熱などの輻射熱源である高温熱源１１からヒートパイプ式の真空管集熱器１２で非接触で受けた輻射熱を高温熱浴部１３に供給して熱電変換部１４の一方の面に伝熱し、また、オンサイトで得られる冷熱源１６からの冷熱媒体を流路１８を介して熱電変換部１４の他方の面側のヒートシンク１５に供給し、熱電変換部１４の一方の面と他方の面との温度差により発電を行ないつつ、高温熱浴部１３からの熱が熱電変換部１４の一方の面と他方の面に向かって通過することによるヒートシンク１５での熱交換により、流路１８内で温まった冷熱媒体を流路１８内のバルブ１７の開閉により貯湯タンク２４に貯湯することを特徴としている。
また、図２に示すように、ヒートパイプ式の真空管集熱器１２は、例えば外側ガラスと内側ガラスとの間の真空層１２ｃを有する二重ガラス構造の真空管１２ａ内にヒートパイプ１２ｆを当該ヒートパイプの一端が真空管１２ａの開口部から突出するように挿入し、真空管１２ａの内壁面に集熱層である選択吸収膜１２ｄを取り付け、この選択吸収膜１２ｄとヒートパイプ１２ｆとの間に集熱板であるアルミ伝熱フィン１２ｅを設け、真空管１２ａの開口部をシリコンガスケット１２ｈで封止したものである。また、ヒートパイプ１２ｆ内には熱媒液１２ｇが真空封入されている。

この真空管集熱器１２では、高温熱源からの輻射熱を選択吸収膜１２ｄで吸収して真空管１２ａ内の真空層１２ｃに閉じ込める。そして、真空管集熱器１２は、この熱をアルミ伝熱フィン１２ｅを介してヒートパイプ１２ｆに伝導させ、このヒートパイプ１２ｆに真空封入された熱媒液１２ｇを気化して蒸気とする。

ヒートパイプ１２ｆの突出部は図１に示す高温熱浴部１３に熱的に接合される。高温熱浴部１３は、銅、アルミ、カーボンなどの高熱伝導材料やこれらの複合材や金属との複合材料で構成される。この高温熱浴部１３は、固体ブロックとして顕熱蓄熱する形式でもよく、当該ブロックの内部に潜熱蓄熱材を保有するチャンバー(chamber)形式でもよい。

ヒートパイプ１２ｆ内で蒸気となった熱媒液１２ｇは、高温熱浴部１３との熱交換により凝縮（再度液化）し、このときの凝縮熱によって高温熱浴部１３を加熱する。この現象を繰り返し行うことで、高温熱浴部１３が顕熱蓄熱して温度が上昇する。また、高温熱浴部１３内に潜熱蓄熱材がある場合には当該潜熱蓄熱材が溶融して蓄熱が行なわれる。

図１に示されるように、ヒートパイプ式の真空管集熱器１２は高温熱源１１の周囲、近傍に置かれ、当該高温熱源１１からの輻射熱を非接触で受ける。この輻射熱は、ヒートパイプ式の真空管集熱器１２で非接触で集熱されて高温熱浴部１３へ供給される。

また、高温熱浴部１３は、高熱伝導性グリースや高熱伝導性シート材、はんだ等で熱電変換部１４の一方の面に熱的に接合され、この熱電変換部１４に高温の熱を供給する。長時間の保温効果を高めるためには、高温熱浴部１３内に潜熱蓄熱材や顕熱蓄熱材を備え、高温保持が出来るような構成とすることが望ましい。

一方、熱電変換部１４の他方の面は、水や不凍液などの冷熱媒体を通すためのヒートシンク１５に熱的に接合される。
冷熱源１６は、例えばＬＮＧ（液化窒素ガス）プラントでＬＮＧを気化させる際に得られる冷熱を冷熱媒体との熱交換により当該冷熱媒体に蓄熱し、この冷熱媒体を流路１８を介して例えば金属チャンバータイプのヒートシンク１５内に供給することで熱電変換部１４の他方の面を冷却する。

このようにして、熱電変換部１４の前述した一方の面である高温熱浴部１３側の面と、他方の面であるヒートシンク１５側の面との間に温度差をつけて熱通過させることで、熱電変換部１４による熱電発電を行なう。

熱電変換部１４で発電された電力はＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）コントローラ２１に供給され、この電力がバッテリ２３に蓄電されたり、インバータ２２を介して負荷へ供給されたりする。

この熱電併給装置は、冷熱源１６から流路１８への冷熱媒体の供給の有無を制御するなどして熱電併給を制御するための熱電併給制御装置２０を備える。この熱電併給装置では、一定時間において、熱電併給制御装置２０により、冷熱源１６から流路１８への冷熱媒体の新たな供給を停止し、流路１８内の冷熱媒体の冷却を抑制し、高温熱浴部１３からの熱が熱電変換部１４の一方の面から他方の面に向かって通過することによるヒートシンク１５での熱交換により、流路１８内の冷熱媒体の温度を上昇させ、熱電併給制御装置２０により流路１８内のバルブ１７を開くことにより、冷熱媒体を貯湯タンク２４に貯湯する。この貯湯後は、熱電併給制御装置２０により、冷熱源１６から流路１８への冷熱媒体の供給を再開し、熱電変換部１４の他方の面が再び冷却され、前述したような熱電変換部１４による発電が再びなされる。これにより、発電と給湯が継続される。

また、熱電併給装置の設置個所が寒冷地であれば、この寒冷地で貯めた雪を熱電変換部１４の低温側の面である他方の面に接触させることで当該他方の面の温度を低温に維持したり、雪解け水や湧水を熱電変換部１４の低温側の面のヒートシンク１５に供給したりすることで冷熱源を実現してもよい。

この熱電併給装置では、高温熱源１１からの輻射熱を真空管集熱器１２により熱輸送する為、熱輸送にかかる動力は必要としない。一方、冷熱源１６は、ＬＮＧの気化用に循環している冷水や位置エネルギーで流れている湧水などを利用する場合は、冷熱媒体循環のための動力は不要である。冷熱媒体の流量がどうしても足りない場合などは、系全体のエネルギーバランスを考慮して、低消費電力のポンプなどを必要に応じて組み込んでも良い。

ヒートシンク１５に冷熱媒体を流せないような場合には、熱電変換部１４の低温側の面にタンクを設置して、この中に冷水や雪などの冷熱媒体を供給し、これらが熱電変換部１４を通過する熱により溶けたり所望の温度まで上昇するまで必要に応じてタンク内を手動で攪拌して、タンク内の例熱媒体が溶けたり所望の温度まで上昇したりした際に貯湯タンク２４へ移すことで給湯し、その後に手動で前述した冷水や雪などの冷熱媒体をヒートシンク１５に再度供給することとして熱電変換部１４での発電と給湯とを継続させる。

熱電変換部１４は、複数個の熱電変換モジュールが高温熱浴部１３の表面上に適当な間隔で並べて貼り付けられてなる。各熱電変換部モジュールの一方の面は、高温熱浴部１３に接合される。これらは、接触熱抵抗を小さくするために高熱伝導性のシートやグリース、半田などの蝋材を使って熱的に接合される。各熱電変換モジュールの他方の面は、一方の面との温度差をとるためにヒートシンク１５に接合される。その際、高温側と同様に、接触熱抵抗を小さくするために高熱伝導性のシートやグリース、半田などの蝋材を使って熱的に接合される。

シートやグリースを界面に挟む場合は、複数の締め付け用冶具（図示せず）が取り付けられてもよい。当該締め付け用冶具が取り付けられることにより、高温熱浴部１３とヒートシンク１５とが各熱電変換モジュールを両側から圧接するため、密着状態が保たれる。

一般に、圧接構造のもとでは、熱電変換モジュールの厚みにばらつきがあると、熱伝達の低下を招くが、例えば、高熱伝導性のシートやグリースなどの高熱伝導性材料を挟み込むことにより、各熱電変換モジュールと高温熱浴部１３とヒートシンク１５との密着性を高めて、接触熱抵抗を低減させることができる。

上記高熱伝導性材料は、シリコーン樹脂ベースの高熱伝導シートであってもよいし、熱伝導グリースであってもよいし、モジュール表面がアルミナ板などで絶縁されていれば蝋材（はんだ）であってもよい。このような高熱伝導性材料を設けることにより、各熱電変換モジュールの厚みのばらつきを緩和し、高温熱浴部１３とヒートシンク１５の各熱電変換モジュールに対する面圧を極力均一にすることができ、熱伝達を向上させることが可能となる。

また、高温熱浴部１３やヒートシンク１５は、例えば、炭素鋼、ステンレス、チタン、銅、アルミなどの金属からなる。また、ヒートシンク１５の内壁面には、流体と流路の内壁面との熱伝達を促進するために、熱伝達を促進するフィン構造もしくはナノメートルオーダーの微細構造を適用してもよい。また、腐食性の流体を流す場合や炭素鋼を用いる場合などは、内壁面ないし外壁面に亜鉛めっきなどの防食処理を施すことが望ましい。

また、高温熱浴部１３の表面温度が２００℃以下のケースでは、熱電変換部１４の熱電変換モジュールとしてＢｉＴｅ系を採用すると、効率と出力を高めることができる。また、ＢｉＴｅ系と同様の低温排熱の温度環境で熱電変換性能が良く、環境に優しい熱電変換材料である、Ｆｅ２ＶＡｌ系のホイスラー合金を使用してもよい。

また、熱電変換モジュールには、熱流体の温度帯域に応じて異なる材料を採用するようにしてもよい。例えば、熱流体の温度帯域に合わせて、２種類以上の材料系の素子ないしモジュールを、高熱伝導性材料を介して重ね合わせ、該当する温度帯域にて熱電変換性能が高まる素材を形成し、それぞれの素子ないしモジュールにおいて温度差を適度に配分することで出力を高めるようにしてもよい。

また、熱電変換モジュールは、配線を通じて所望の電圧や電流が得られるように、直並列の組合せで回路を構成することが望ましい。複数個の熱電変換モジュールで構成された複数の直列回路の端部は、切替装置（図示せず）のそれぞれの接点につながれており、切替装置側での接点の操作により、直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とを決定する。各熱電変換モジュールにおいて発生した電力は、配線を通じて切替装置へ送られ、所定の電圧・電流で制御装置へ送られ、蓄電や直流／交流変換がなされた後、各種の負荷により使用される。

次に、図１に示した構成の熱電併給装置による熱電併給動作の手順について説明する。図３は、第１の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、冷熱源１６から流路１８への冷熱媒体の新たな供給がなされており、流路１８のバルブ１７は閉じられているものとする。そして、高温熱源１１からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器１２により非接触で集熱され（ステップＳ１）、この集熱された熱が高温熱浴部１３により蓄熱される（ステップＳ２）。そして、高温熱浴部１３により蓄熱された熱が熱電変換部１４の一方の面に伝熱され、また、冷熱源１６から流路１８に供給された冷熱媒体がヒートシンク１５に供給されることで、熱電変換部１４の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ（ステップＳ３）、この発電された電力がＭＰＰＴコントローラ２１に供給され、この電力がバッテリ２３に蓄電されたり、インバータ２２を介して負荷へ供給されたりする（ステップＳ４）。

そして、熱電併給制御装置２０が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、冷熱源１６による冷熱媒体の新たな供給を停止させることで流路１８内の冷熱媒体の温度の低下を抑制した上で、高温熱浴部１３から熱電変換部１４の一方の面に伝熱された熱のうち電力変換に供しない熱が当該熱電変換部１４の他方の面に向かって通過してヒートシンク１５内の冷熱媒体との熱交換がなされることにより（ステップＳ５）、冷熱媒体の温度が上昇する。そして、熱電併給制御装置２０は、流路１８の冷熱媒体の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際に流路１８のバルブを開いて、当該冷熱媒体を貯湯タンク２４に供給し、さらに、冷熱源１６から流路１８への冷熱媒体の新たな供給を再開させる（ステップＳ６）。

以上のように、第１の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源１１からの熱を集熱器１２で非接触で集熱して、この熱と冷熱源からの冷熱により熱電変換部１４による発電を行なうとともに、熱電変換部１４の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部１４の他方の面に向かって通過してヒートシンク１５内の冷熱媒体との熱交換がなされることにより、冷熱媒体の温度を上昇させ、この温度が上昇した冷熱媒体の熱、つまり熱電変換部１４を通過した熱を有効に利用する構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率を効果的に高めつつ、様々な形態の熱源に適用可能な熱電併給装置を提供することができる。

具体的には、第１に、高温熱源から非接触で受熱したエネルギーを基に発電するため、対象とする熱源の形状や種類の選定範囲や発電部側の設計自由度が大きいという効果が得られる。また、第２に、真空管集熱器で集めた熱を高温熱浴部を介して熱電変換部に供給するので、高温熱源から熱電変換部へ熱輸送するための循環ポンプなどのエネルギーを気にする必要がなく、伝熱効率を高めることが出来る。また、第３に、オンサイトで温熱と冷熱を熱電変換部に同時に供給出来るため、熱電変換部の一方の面と他方の面との温度差を大きくして熱電変換による発電量を高めることが出来る。また、第４に、熱エネルギーを熱と電気の両方の形態で回収することでエネルギー回収効率を例えば５０％以上に高められる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態における熱電併給装置の構成は図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
図４は、第２の実施形態における水冷式熱電併給装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器で高温熱源からの輻射熱を受けて不凍液に蓄熱し、この不凍液を熱電変換部の高温側に循環させ、また、冷水を熱電変換部の低温側に供給して熱電変換での発電を行ないつつ、熱電変換部の高温側から低温側に通過した熱をもとに冷水との熱交換を行なってお湯を作り出すことを特徴とする。

本実施形態では、熱電変換部１４の一方の面に伝熱板１３ａを熱的に接合し、この伝熱板１３ａに対して、エリスリトールなどの糖類や溶融塩などの潜熱蓄熱槽１３ｂを熱的に接合し、熱電変換部１４の他方の面に水冷ジャケット１５ａを熱的に接合する構成としている。

本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器１２に対して、不凍液ヘッダ部３０が熱的に接合されている。不凍液ヘッダ部３０には潜熱蓄熱槽１３ｂの沸点より低い沸点をもつ不凍液が流れており、この不凍液は、真空管集熱器１２からの熱を受けた不凍液ヘッダ部３０との熱交換により温度が上昇し、流路１８ａを流れて熱電変換部１４側の潜熱蓄熱槽１３ｂに供給されて不凍液ヘッダ部３０に戻る。

水冷ジャケット１５ａには、流路１８ｂを介して冷水タンク３２からの冷水などの冷熱媒体が供給される。冷熱媒体は冷水に限らず、雪などであってもよい。熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を開くことにより、冷水を冷水タンク３２内に新たに供給し、この冷水を流路１８ｂを介して水冷ジャケット１５ａに供給できるようになっている。また、冷水タンク３２にはバルブ３３を介して貯湯タンク３４が取り付けられ、熱電併給制御装置２０によりバルブ３３を開くことで、冷水タンク３２内で温められた温水を貯湯タンク３４に移すことができるようになっている。

真空管集熱器１２は、図４に示すように、集熱した熱をヘッダ部３０で不凍液と熱交換してもよいし、不凍液をＵ字管に通して集熱してもよい。本実施形態では、不凍液に顕熱蓄熱した熱を潜熱蓄熱槽１３ｂに供給して蓄熱し、これを熱電変換部１４の高温側熱源とする。

また、冷水タンク３２から水冷ジャケット１５ａに冷水を供給して、熱電変換部１４の他方の面を低温として、熱電変換部１４の低温側熱源とし、熱電変換部１４の両面の温度差により発電を行なう。

また、本実施形態では、温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングで熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を一旦閉じて、冷水タンク３２に冷水が新たに供給されないようにした上で、真空管集熱器１２により集熱して熱電変換部１４の一方の面から他方の面に通過した熱が水冷ジャケット１５ａ内の冷水に移り、冷水が貯湯タンク３４に貯湯する基準となる所望の温度まで上昇したりするまで、必要に応じて冷水タンク３２内の冷水を攪拌しつつ、この冷水を冷水タンク３２と水冷ジャケット１５ａとの間の流路１８ｂにて循環させる。

熱電併給制御装置２０は、流路１８ｂの冷水の温度を温度センサを用いて測定し、この温度が所定の温度に達した際にバルブ３３を開いて、冷水タンク３２内の水を貯湯タンク３４に供給し、さらに、水道管の蛇口３１を再び開いて、冷水タンク３２から流路１８ｂへの冷水新たな供給を再開させる。

図５は、第２の実施形態における水冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を開いた状態で、冷水タンク３２から流路１８ｂへの冷水の新たな供給がなされており、冷水タンク３２と貯湯タンク３４との間のバルブ３３は閉じられているものとする。そして、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器１２により非接触で集熱され（ステップＳ１１）、この集熱された熱が不凍液ヘッダ部３０を介して流路１８ａ内の不凍液により蓄熱される（ステップＳ１２）。

そして、この蓄熱された熱が熱電変換部１４の一方の面における潜熱蓄熱槽１３ｂを介して伝熱板１３ａに伝熱され、また、冷水タンク３２から流路１８ｂに供給された冷水が水冷ジャケット１５ａに供給されることで、熱電変換部１４の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ（ステップＳ１３）、この発電された電力が図示しないＭＰＰＴコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする（ステップＳ１４）。

そして、熱電併給制御装置２０が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、水道管の蛇口３１を閉じて冷水タンク３２への冷水の新たな供給を停止させることで流路１８ｂ内の水の温度の低下を抑制した上で、伝熱板１３ａから熱電変換部１４の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部１４の他方の面に向かって通過して水冷ジャケット１５ａ内の冷水との熱交換がなされることにより（ステップＳ１５）、冷水の温度が上昇する。

そして、熱電併給制御装置２０は、流路１８ｂの水の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際にバルブ３３を開いて、冷水タンク３２内の水を貯湯タンク２４に供給し、さらに、水道管の蛇口３１を開いて冷水タンク３２への冷水の新たな供給を再開させる（ステップＳ１６）。

以上のように、第２の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源からの熱を集熱器１２で非接触で集熱して、この熱と冷水からの冷熱により熱電変換部１４による発電を行なうとともに、熱電変換部１４の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部１４の他方の面に向かって通過して水冷ジャケット１５ａ内の冷水との熱交換がなされることにより、冷水の温度を上昇させ、この温度が上昇した水の熱、つまり電力変換に用いられずに熱電変換部１４を通過した熱を有効に利用する構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率を効果的に高めつつ、様々な形態の熱源に適用可能な熱電併給装置を提供することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図６は、第３の実施形態における空冷式熱電併給装置の構成例を示す図である。
本実施形態では、ヒートパイプ式の真空管集熱器で高温熱源からの輻射熱を受けて不凍液に蓄熱し、この不凍液を熱電変換部の高温側に循環させ、また、熱電変換部の低温側を空冷フィンで冷却することにより、第３の実施形態で説明したような冷熱媒体の循環無しで発電を行なうことを特徴とする。

本実施形態では、熱電変換部１４の一方の面に伝熱板１３ａを熱的に接合し、この伝熱板１３ａに対して、エリスリトールなどの糖類や溶融塩などの潜熱蓄熱槽１３ｂを熱的に接合し、熱電変換部１４の他方の面に空冷フィン３５を熱的に接合する構成としている。

本実施形態では、第２の実施形態と同様に、不凍液に顕熱蓄熱した熱を潜熱蓄熱槽１３ｂに供給して蓄熱し、これを熱電変換部１４の高温側熱源とする。

また、空冷フィン３５からの放熱により熱電変換部１４の他方の面を低温として、熱電変換部１４の低温側熱源とし、熱電変換部１４の両面の温度差により発電を行なう。

この場合は、真空管集熱器１２により集熱されて熱電変換部１４の一方の面から他方の面に通過した熱は空冷フィン３５から温風として取り出される。よって、大気の温度を上昇させるため、熱電併給装置の設置個所が密閉空間であれば、暖房などの効果を得ることができる。

図７は、第３の実施形態における空冷式熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器１２により集熱され（ステップＳ２１）、この集熱された熱が不凍液ヘッダ部３０を介して流路１８ａ内の不凍液により蓄熱される（ステップＳ２２）。

そして、この蓄熱された熱が熱電変換部１４の一方の面における潜熱蓄熱槽１３ｂを介して伝熱板１３ａに伝熱され、また、伝熱板１３ａに伝熱された熱が熱電変換部１４の一方の面を介して他方の面へ通過した熱を空冷フィン３５により放熱することにより（ステップＳ２３）、熱電変換部１４の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ（ステップＳ２４）、この発電された電力が図示しないＭＰＰＴコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする（ステップＳ２５）。

以上のように、第３の実施形態における熱電併給装置では、高温熱源からの熱を集熱器１２で非接触で集熱して、この熱と空冷フィン３５による冷却により熱電変換部１４による発電を行なうとともに、電力変換に用いられずに熱電変換部１４を通過した熱を空冷フィン３５からの熱として取り出す構成としたので、高温排熱や冷温排熱、未利用熱などのエネルギー利用効率を効果的に高めつつ、様々な形態の熱源に適用可能な熱電併給装置を提供することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図８は、第４の実施形態における熱電併給装置の集熱部の構成例を示す図である。
本実施形態では、図８（ａ）に示すように、地面に対して例えば３０度の傾斜角による傾斜面をもたせた架台を設け、この架台の傾斜面に対し、図８（ｂ）に示すように複数本または１本のヒートパイプ式の真空管集熱器１２を架台４１の傾斜面に対し並べて設置し、かつ高熱伝導性の蓄熱ブロック４２を傾斜面に設置し、真空管集熱器１２の突出部を蓄熱ブロック４２に挿入するようにして、両者を熱的に接合させる。蓄熱ブロック４２は板状の部材であってもよい。

この蓄熱ブロック４２には熱輸送用の１本または複数本のヒートパイプ４３の一端が挿入されて、蓄熱ブロック４２とヒートパイプ４３とが熱的に接合される。ヒートパイプ４３はヒートプレートであってもよい。本実施形態では、一つの蓄熱ブロック４２に対して挿入する真空管集熱器１２の本数と、同じ蓄熱ブロック４２に挿入するヒートパイプ４３の数を異ならせることができる。これにより、真空管集熱器１２により集熱する熱の量に対する、ヒートパイプ４３により輸送する熱の量との間の調整の自由度を高くすることができる。

真空管集熱器１２で集められた熱は、蓄熱ブロック４２に一時的に蓄熱される。この熱はヒートパイプ４３で蓄熱ブロック４２との接合部である一端から他端に熱輸送されるので、このヒートパイプ４３の他端からの熱を所望の形態で利用することができる。例えば、お湯を沸かしたければ、水槽にヒートパイプ４３の他端を挿入すればよいし、蒸気やガスを作りたい場合には水や液体を少量ずつヒートパイプ４３の他端に接触させればよい。

図９は、第４の実施形態における熱電併給装置の発電部の構成例を示す図である。
本実施形態では、図９（ａ）に示すように、地面に設置した支柱５１の上端に熱浴ブロック５２を設置した上で、図８に示した熱輸送用のヒートパイプ４３の他端にアルミなどの高熱伝導材である熱浴ブロック５２を熱的に接合し、この熱浴ブロック５２に熱電変換部１４の一方の面を熱的に接合し、熱電変換部１４の他方の面にフィン付き水槽５３を熱的に接合し、熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を開くことで冷水をフィン付き水槽５３に供給する構成としたものである。また、熱電変換部１４は、図９（ｂ）に示すように熱浴ブロック５２上に格子状に複数並べて設けられる。

フィン付き水槽５３は、第１の実施形態で説明したヒートシンクのように、金属材料で構成された流路中に冷熱媒体を流すチャンバー構造を有して、チャンバー内壁面に伝熱性能を向上させるための加工が施してもよいし、内壁面に防食処理を施してもよいし材料としてＢｉＴｅ系もしくはＦｅ２ＶＡｌ系のホイスラー合金を使用してもよい。

真空管集熱器１２で集められた熱は、蓄熱ブロック４２に一時的に蓄熱される。この熱はヒートパイプ４３で熱輸送されて熱浴ブロック５２に集熱されて、この熱浴ブロック５２が高温になる。

これにより、熱電変換部１４の一方の面が高温となり、水道管の蛇口３１を開けた状態として冷水をフィン付き水槽５３の中に注水することで熱電変換部１４の他方の面が低温となり、熱電変換部１４の両面の温度差により発電を行なう。

また、フィン付き水槽５３からの熱を必要とする時間または任意のタイミングで熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を閉じると、フィン付き水槽５３の温度の低下が抑制され、熱浴ブロック５２から熱電変換部１４の一方の面から他方の面に向かって通過した熱により、フィン付き水槽５３内の冷水の温度が上昇して温水となる。この温水を図示しないタンクに移すなどすることで、熱電変換部１４を通過した熱を有効利用する事ができる。また、前述のように熱浴ブロック５２から熱電変換部１４を通過した熱は、フィン付き水槽５３のフィンから放熱され、この熱を温熱として利用することもできる。

図１０は、第４の実施形態における熱電併給装置による熱電併給動作の一例を示すフローチャートである。
まず、初期状態として、熱電併給制御装置２０により水道管の蛇口３１を開いた状態で、フィン付き水槽５３への冷水の新たな供給がなされているものとする。そして、高温熱源からの輻射熱がヒートパイプ式の真空管集熱器１２により集熱され（ステップＳ３１）、この集熱された熱が蓄熱ブロック４２により蓄熱される（ステップＳ３２）。

そして、この蓄熱された熱がヒートパイプ４３を介して熱浴ブロック５２に伝熱されて、この伝熱された熱が熱電変換部１４の一方の面に伝熱される（ステップＳ３３）。

また、フィン付き水槽５３に冷水が供給されることで熱電変換部１４の一方の面と他方の面との温度差を生じさせて、熱電変換による発電がなされ（ステップＳ３４）、この発電された電力が図示しないＭＰＰＴコントローラに供給され、この電力がバッテリに蓄電されたり、インバータを介して負荷へ供給されたりする（ステップＳ３５）。

そして、熱電併給制御装置２０が、例えば温水を必要とする所定の時間、または任意のタイミングにおいて、水道管の蛇口３１を閉じてフィン付き水槽５３内の水の温度の低下を抑制した上で、熱電変換部１４の一方の面に伝熱された熱が当該熱電変換部１４の他方の面に向かって通過してフィン付き水槽５３内の冷水との熱交換がなされることにより、冷水の温度が上昇する（ステップＳ３６）。

この後は、熱電併給制御装置２０は、フィン付き水槽５３内の水の温度を温度センサを用いて測定し、この測定した温度が所定の温度に達した際に、貯湯タンクとの間のバルブを開いてフィン付き水槽５３内の水を貯湯タンクに供給し、さらに、水道管の蛇口３１を開いてフィン付き水槽５３への冷水の新たな供給を再開させればよい。

以上のように、第４の実施形態における熱電併給装置では、真空管集熱器１２側の蓄熱ブロック４２と熱電変換部１４側の熱浴ブロック５２との間を熱輸送用のヒートパイプ４３で熱的に接合するようにしたので、ヒートパイプ４３の本数を変えずに真空管集熱器１２の本数を多数に増やすことで、蓄熱ブロック４２を更に高温化することができる。よって、他の実施形態と比較して、使用温度域や発電量の調整の自由度を大幅に向上させることができ、熱輸送のための電源を要することなく、拡張性および汎用性の高い熱電併給装置が実現可能となる。

本実施形態では、真空管集熱器１２側の蓄熱ブロック４２と熱電変換部１４側の熱浴ブロック５２との間を熱輸送用のヒートパイプ４３により１対１で熱的に接合する構成としたが、これに限らず、例えば１つの熱浴ブロック５２に対し、複数の蓄熱ブロック４２を設け、これらの蓄熱ブロック４２と熱浴ブロック５２とを熱輸送用のヒートパイプ４３で熱的に接合する構成としてもよい。つまり、真空管集熱器１２、蓄熱ブロック４２および熱輸送用のヒートパイプ４３を熱的に接合してユニット化し、複数のユニットを熱浴ブロック５２に対して熱的に接合するようにしてよい。これにより、温度帯域や発電面積の調整に係る自由度を向上させることができる。

これらの各実施形態によれば、エネルギー利用効率を効果的に高めることが可能になる熱電併給装置および熱電併給方法を提供することができる。
発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…高温熱源、１２…ヒートパイプ式真空管集熱器、１３…高温熱浴部、１３ａ…伝熱板、１３ｂ…潜熱蓄熱槽、１４…熱電変換モジュール、１５…ヒートシンク、１５ａ…水冷ジャケット、１６…冷熱源、１７，３３…バルブ、１８…流路、２０…熱電併給制御装置、２１…ＭＰＰＴコントローラ、２２…インバータ、２３…バッテリ、２４，３４…貯湯タンク、３２…冷水タンク、３５…空冷フィン、４１…架台、４２…集熱ブロック、４３…ヒートパイプ、５１…支柱、５２…熱浴ブロック、５３…フィン付き水槽。

Claims (3)

1. 高温熱源からの熱を非接触で受けて集熱しつつ熱輸送も同時にする少なくとも１つの集熱兼熱輸送部と、
   前記集熱兼熱輸送部に熱的に接合されて当該集熱兼熱輸送部により集熱した熱を蓄熱する蓄熱部と、
   前記蓄熱部に熱的に接合される少なくとも１つの熱輸送部と、
   前記熱輸送部に熱的に接合される熱浴部と、
   一方の面が前記熱浴部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合され、両面との温度差により発電する熱電変換部と、
   前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換する熱交換部とを備えたことを特徴とする熱電併給装置。
2. 前記集熱兼熱輸送部に前記蓄熱部を熱的に接合して当該蓄熱部に前記熱輸送部を熱的に接合してなるユニットを前記熱浴部に対して熱的に複数ユニット分接合したことを特徴とする請求項１に記載の熱電併給装置。
3. 高温熱源からの熱を少なくとも１つの集熱兼熱輸送部により非接触で受けて集熱しつつ熱輸送も同時に行ない、
   前記集熱および輸送した熱を蓄熱部により蓄熱し、
   前記蓄熱した熱を少なくとも１つの熱輸送部により熱浴部に熱輸送し、
   一方の面が前記熱浴部に熱的に接合され、他方の面が前記集熱した熱の温度より低い温度の冷熱媒体に熱的に接合される熱電変換部の両面との温度差により発電し、
   前記熱電変換部の一方の面で受けて当該熱電変換部の前記他方の面に通過した熱を当該他方の面と前記冷熱媒体との間で熱交換することを特徴とする熱電併給方法。

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