JP5832698B2 - 熱電発電装置および熱電発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の輻射による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、例えば、鋼材の輻射による熱エネルギーを利用する取組みが推進されている。

熱エネルギーを利用する方法としては、例えば、特許文献１には、受熱装置を高温物体に対峙して配置し、高温物体の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。
また、特許文献２には、廃熱として処理されている熱エネルギーに、熱電素子モジュールを接触させて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。

特開昭５９−１９８８８３号公報 特開昭６０−３４０８４号公報

しかしながら、特許文献１では、スラブ連鋳ラインに適用できる旨の記載があるものの、実操業におけるスラブの温度分布や、スラブ量の変動による放出熱量（熱エネルギー）の変動など、操業中の熱源のばらつきについては全く考慮されていない。また、特許文献２では、モジュールを、熱源に対して固定する必要があるため、スラブ連鋳ラインのように、移動する熱源に対しては、モジュールが設置できないという問題がある。

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、熱源が流動する連続鋳造ラインやスラブ連鋳ラインなどの鋼材の製造ラインにおいて、操業中の熱源の発生状態にばらつきがある場合であっても、発生する熱エネルギーを、安定して電気エネルギーに変換して回収することができ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、熱エネルギーの放出状態に応じ、熱源と熱電発電ユニットの距離などを効果的に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、特に、鋼材の製造ラインにおける、効率的な熱利用が可能な熱電発電装置を、それを用いた熱電発電方法と共に開発した。
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．鋼材の輻射による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電ユニットを備える熱電発電装置において、
上記熱電発電ユニットを、上記鋼材に対峙し、かつ上記熱電発電ユニットの出力に応じて設置し、さらに上記熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールまたは熱電素子を、該熱電発電ユニットの出力に応じ、出力の低い低温部より出力の高い高温部で密に配置する熱電発電装置。

２．前記熱電発電ユニットを、該熱電発電ユニットの出力に応じ、出力の高い高温部より出力の低い低温部で近接させて設置する前記１に記載の熱電発電装置。

３．前記熱電発電装置が、熱反射材を備える前記１または２に記載の熱電発電装置

４．前記熱電発電ユニットを、さらに、該熱電発電ユニットの温度および／または鋼材の温度に応じて設置する前記１乃至３のいずれかに記載の熱電発電装置。

５．前記移動手段が、鋼材の温度、熱電発電ユニットの温度、および該熱電発電ユニットの出力のうち少なくとも一つを測定して求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと該鋼材との距離を制御する移動手段である前記１乃至４のいずれかに熱電発電装置。

６．前記熱電発電装置が、さらに、熱電発電ユニットの一体移動を行う移動手段を備える前記１乃至５のいずれかに記載の熱電発電装置。

７．前記１乃至６のいずれかに記載の熱電発電装置を用い、鋼材の熱を受熱して熱電発電を行う熱電発電方法。

本発明によれば、熱電発電ユニットと熱源（鋼材）とを、発電効率の良い距離等に保持することができるため、発電効率が向上し、従来に比べて、製造ラインから発生する熱エネルギーを高いレベルで回収することができる。

本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の設置例を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の他の設置例を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の他の設置例を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニットの断面図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の設置場所を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の他の設置場所を示す図である。 (ａ)および(ｂ)は、熱電発電ユニットに距離調整機構および温度センサを取付けた場合の設置例を示す図である。 鋼材と熱電発電ユニットとの距離に対する発電出力比の関係を表したグラフである。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの他の配置例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの他の配置例を示す断面図である。 (ａ)および(ｂ)は、本発明に従う反射材付きの熱電発電装置の設置例を示す図である。

以下、本発明を、具体的に説明する。
図１は、本発明の熱電発電装置の一実施形態を説明する模式図である。図中、１は熱電発電ユニットおよび２は鋼材（熱源）である。
本発明において、熱電発電装置は、鋼材２に対峙して、熱電発電ユニットの出力に応じて配置された熱電発電ユニット１を具備している。

本発明における鋼材は、製鉄所や加工工場などで、加熱され、６００〜１３００℃程度の温度になったものであれば、特に制限はないが、連続鋳造機における熱間スラブや、熱間圧延装置におけるスラブ、粗バー、熱延鋼帯、および鍛接管設備における板材や管材、並びにその他鋼管、棒鋼、線材および軌条などの条鋼など（以下、単に鋼材と呼称する）が、好適例である。

また、本発明の熱電発電装置は、鋼材の幅方向および長手方向に少なくとも一つの、熱電発電ユニットを具備している。
具体的には、図２および３に示すように、鋼材の長手方向に並べることができる。すなわち、図２に示したように、鋼材の移動方向（すなわち鋼材の温度が低下していく方向）に対し近接していくような傾斜を持たせて設置することができる。さらに、図３に示したように、熱電発電ユニットを多面的に設置することもできる。
なお、上記熱電発電ユニットは、以下に示すような、鋼材に対峙する受熱手段と、少なくとも一つの熱電発電モジュールと、放熱手段とを有する。

受熱手段は、材質にもよるが、熱電素子の高温側温度プラス数度から数十度、場合によっては数百度程度の温度になる。それ故、受熱手段は、その温度で、耐熱性や、耐久性を持つものであればよい。例えば、銅や銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス、カーボンの他、一般の鉄鋼材料を用いることができる。

他方、放熱手段は、従来公知のものでよく、特別の制限はないが、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、冷媒流路を有した水冷板等が好ましい形態として例示される。

本発明に用いられる熱電発電モジュール５は、図４に示すように、熱電素子３であるＰ型およびＮ型の半導体を数十〜数千対の電極で接続した熱電素子群が二次元的に配列されており、さらにその両側に配置した絶縁材６とからなる。また、上記熱電発電モジュール５は、両側もしくは片側に熱伝導シートや保護板を具備していても良い。さらにその保護板がそれぞれ、受熱手段７や放熱手段８を兼ねていても良い。
受熱手段および／または放熱手段である冷却板自体が絶縁材であったり、表面に絶縁材が被覆されたりしている場合は、絶縁材の代替としても良い。本発明の一実施形態に伴う熱電発電ユニット１は、熱電発電モジュールと、その外側に設けた受熱手段７および放熱手段８とからなる。

本発明では、受熱手段と熱電発電モジュールの間や、放熱手段と熱電発電モジュールの間、そして絶縁材と保護板の間などに、部材同士の熱接触抵抗を低減し、熱電発電効率の一層の向上を図るために、前述した熱伝導シートを設けることができる。この熱伝導シートは、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、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程度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。
また、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。

本発明では、鋼材に対峙し、熱電発電ユニットの出力に応じて設置された熱電発電ユニットを有している。
図５に示すように、かかる熱電発電ユニットを、連続鋳造装置のスラブ切断装置１４の上流側やスラブ切断装置の下面およびスラブ切断装置出側のいずれかの位置（図中Ａ）、または図６に示すように、鍛接管ラインの加熱炉から成形鍛接機に至るまでの鋼板搬送路や、管材搬送路（図中Ｂ乃至Ｃ）に、それぞれの鋼材の温度に応じて設置することで、実操業における熱源の温度変動等に対応して、効率的な発電をすることができる。なお、図５中、９は取鍋、１０はタンディッシュ、１１は鋳型、１２はスラブ冷却装置、１３は矯正ロール等ローラー群、１４はスラブ切断装置、１５は温度計、１６は熱電発電装置および１７はダミーバーテーブルである。また、図６中、１８は鋼板、１９は管材、２０は加熱炉、２１は成形鍛接機、２２は熱間レデューサ、２３はロータリーホットソー、２４はクーリングベット、２５はサイザー、２６はストレートナーである。
また、熱電発電ユニットを、調整用スラブを回収する、いわゆるダミーバーテーブル１７下面に、取り付けることも、設備の構造物を増やさないという点で好ましい。

ここに、鋼材の温度は、サイズ、品種に応じて、ある程度同様であるため、サイズや品種ごとに、あらかじめ熱電発電ユニットの設置場所を設定しておくこともできる。また、熱電発電ユニット毎の出力電力実績だけでなく、鋼材の温度などから予測される出力電力予測値から、サイズ、品種に応じてあらかじめ熱電発電ユニットの設置位置を設定しても良い。加えて、設備導入時に、熱電発電ユニットと熱源である鋼材との距離や、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を決定しておいても良い。
なお、本発明における熱電発電装置（熱電発電ユニット）の設置は、鋼材の上方に限らず下方や側面にも設置することができ、設置箇所も１箇所に限らず、複数箇所でも良い。

本発明では、図５に示すように、熱電発電装置１６の上流側に温度計１５を設置し、この温度計の測定値に応じて、熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御することができる。かかる機能を有することで、例えば、製品ロットの切り替えなど、鋼材に温度変動などがあった場合でも、その温度変動などに適格に対応して熱電発電を行うことができるので、熱電発電の効率が一層向上する。

なお、前述した温度計は、放射温度計などの非接触型が好ましいが、ラインが断続的に止まる場合には、止まる都度、熱電対を接触させて測ることもできる。測定の頻度としては、温度計をラインに設置して自動で定期的に測定することが望ましいが、製造条件が変更された場合に、作業者が手動で測定することとしても良い。
そして、鋼材の温度と、最も熱電発電の効率のよい距離との関係をあらかじめ求めておけば、上記の温度計の測定値に応じて、熱電発電ユニットと鋼材との距離を、その温度変動に応じて適切に制御することができる。

本発明では、熱電発電ユニットと鋼材との温度差に起因する熱電発電ユニットの出力に応じて設置することが肝要である。すなわち、発電出力が大きくなるように熱電発電ユニットと熱源である鋼材との距離を調整する。その際、実測出力を用いても良いし、鋼材や熱電発電ユニットの温度などから予測される出力値を用いても良い。
鋼材に対峙させて熱電発電ユニットを設置する場合、熱源と熱電発電ユニットとの距離に特別の限定はないが、１０〜１０００ｍｍ程度の範囲が好ましい。

例えば、連続鋳造機での熱間スラブの温度が９５０℃の場合は、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを７０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットと、熱間スラブとの距離を３４０ｍｍに、また熱間スラブの温度が９００℃の場合は、上記距離を１６０ｍｍに制御すると、効率の良い熱電発電を行うことができる。
他方、鍛接管設備での管材の温度が１１５０℃の場合は、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットと、管材等との距離を１５０ｍｍに、また管材の温度が１０００℃の場合は、上記距離を６０ｍｍに制御すると、最も効率の良い熱電発電を行うことができる。

図７(ａ)および(ｂ)に示すように、熱電発電ユニットに、距離調整手段である上下および横方向の独立した２方向に移動可能な距離調整機構、および温度センサを取付けて、鋼材や管材から受熱している熱電発電ユニットが最適温度範囲（２５０〜２８０℃）に入っているか否かをモニタし、外れた場合には、上下および横方向の独立した２方向に移動可能な距離調整機構を用いて、鋼材と熱電発電ユニットとの距離を手動または自動で調整することができる。すなわち、本発明において、熱電発電ユニットは、鋼材の温度／形状や雰囲気（熱電発電ユニットが対峙した位置や温度測定に適した位置およびそれぞれの近傍）の温度に応じて設置することもできる。

図８に、鋼材から熱電発電ユニットまでの距離と、定格出力時の発電出力比を１とした場合の発電出力比との関係を、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュール間隔および鋼材の温度をパラメータとして調査した結果として示す。本発明では、このような関係を求めることで、熱電発電ユニットの出力が大きくなるように熱電発電ユニットと熱源である鋼材との距離や、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を調整する。その際、実測出力を用いても良いし、鋼材の温度などから予測される出力値を用いても良い。

上述したように熱電発電ユニットの出力は、定格出力となるように設定するのが好ましいが、熱電素子が壊れないように、熱電発電ユニットの耐熱温度上限を考慮して設定する必要がある。耐熱温度上限を考慮した場合は、発電出力比の目標を適宜下げることができるが、０．７程度までとすることが好ましい。

本発明では、熱電発電ユニットを、熱電発電ユニットの出力に応じ、出力の高い高温部より出力の低い低温部で近接させて設置した熱電発電装置とすることが好ましい。かかる装置は、特に、温度の変更があまりない連続ラインに向いている。というのは、鋼材の幅方向（鋼材の進行方向に直角な方向）の温度分布を、あらかじめ測定して、上記の距離に反映することで、単に平坦に熱電発電ユニットを設置した場合に比べて、熱電発電ユニットの発電効率を最適化することができるからである。

そして、熱電発電ユニットの出力と、最も熱電発電の効率のよい熱電発電ユニット−鋼材間の距離との関係をあらかじめ求めておき、鋼材の中央部、すなわち出力の高い高温部においては、熱電発電ユニットを遠くに設置し、鋼材の端部、すなわち出力の低い低温部においては、幅方向の熱電発電ユニットを近くに設置すれば、熱電発電ユニット個々が効率の良い熱電発電を行うことができる。
例えば、図１の中央部分は、ユニット１と鋼材２との距離を３４０ｍｍに、鋼材２の端部分は、ユニット１との距離を１６０ｍｍに制御すると、効率良く熱電発電が行える。
ここに、幅方向の温度分布は、鋼材の板厚〜板厚の２倍程度の位置で急激に低下する場合が多いので、特に、鋼材端部であって鋼材の板厚〜板厚の２倍程度に相当する部分については、上記したように熱電発電ユニット−鋼材間の距離を制御することが好ましい。

通常、鋼材の端部は温度が低く、図１に示すような実施形態は、熱電発電ユニットの設置箇所の形状を、楕円を半割したような形状とすることができるので、熱源を包み込む効果があり、熱流の挙動が変化するため保温効果に優れるという特長を有し、その結果、熱エネルギーの回収効果に優れた熱電発電装置とすることができる。
この実施形態に対し、熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御する手段を付加すれば、実操業における熱源の温度変動等があった場合でも、適切に熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御して、一層効率良く発電できる熱電発電装置とすることができる。

さらに、本発明における熱電発電装置は、熱電発電ユニットの出力に応じて、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールまたは熱電素子の配置密度を、出力の低い低温部に対して出力の高い高温部を密とすることもできる。かかる配置もまた、温度の変更があまりない連続ラインに向いている。というのは、鋼材の幅方向（鋼材の進行方向に直角な方向）の温度分布を、あらかじめ測定して、上記した配置密度に反映することで、単に一定間隔で熱電発電ユニットを設置した場合に比べ、熱電発電ユニットの発電効率が一層向上するからである。

図９Ａ乃至Ｃに示すように、鋼材２の直上部、すなわち出力の高い高温部においては、熱電発電ユニット１中の熱電発電モジュール５を密に配置する、または熱電素子を密に配置した熱電発電モジュール５ａを配置し、鋼材２の端部、すなわち出力の低い低温部においては、幅方向の熱電発電ユニット１中の熱電発電モジュール５を疎に配置する、または熱電素子を疎に配置した熱電発電モジュール５ｂを配置すれば、個々の熱電発電ユニット１の発電効率を、効果的に向上させた熱電発電装置とすることができる。

例えば、熱電発電ユニットの中央部分は、熱電モジュール５の配置を７０ｍｍ間隔とし、端部分は７８ｍｍ間隔とすると、効率良く熱電発電が行える。また、前掲図８に示したように、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュール間隔をパラメータとして、最適な熱電発電モジュール間隔を調査して設定しても良い。
さらに、熱電発電モジュールまたは熱電素子の配置密度を変更する実施形態は、ユニット中の熱電モジュールまたは熱電素子の配置を粗密にしても良いし、ユニット自体を粗密に配置しても良い。

また、上記の熱電発電モジュールまたは熱電素子の配置密度を変更する実施形態は、特に、鋼材の上方向に設備の設置裕度が無く、横方向に裕度がある場合に向いている。なお、この実施形態も、熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御する手段を付加すれば、実操業における熱源の温度変動等があった場合でも、適切に熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御し、さらに効率良く発電できる熱電発電装置とすることができる。

本発明における、熱電発電ユニットの出力に応じとは、鋼材の温度に対応して、熱電発電ユニットの位置を変更したり、熱電発電モジュールまたは熱電素子の配置密度を変更したりすることも含まれるが、熱電発電ユニットを初期位置に設置した際などに、ユニット間の出力差があった場合、出力が小さいユニットを出力が大きくなるように動かす、具体的には、鋼材に対して近接して設置するという対応も含まれる。また、温度に応じとは、単に鋼材の温度を基準とするだけではなく、鋼材の温度分布や形態係数も基準にすることを含む。

本発明における熱電発電装置は、図１０(ａ)および(ｂ)に示すように、さらに、熱を集約する熱反射材を備えることができる。図中、２７は熱反射材であり、１は熱電発電ユニットである。かかる熱反射材２７を用いることによって、個々の熱電発電ユニットに対する集熱効率が上がり、さらに効率の良い熱電発電を行うことができる。
なお、熱反射材は、図１０(ａ)に示したように、鋼材２の両脇（図中、鋼材の進行方向は、図面奥から手前である。）に、設置するのが、集熱効率の点で好ましい。

例えば、図１０(ａ)に示したように、熱電発電ユニット１にバランスよく熱を集めることで、熱電発電ユニットを通常の平面設置とした熱電発電装置を用いても、個々の熱電発電ユニットの発電効率を一層向上させることができる。さらに、図１０(ｂ)に示したように、任意の箇所に集約した熱エネルギーを、熱電発電ユニット１に照射することができる。この実施形態の利点は、熱電発電ユニットの設置面積が限られている場合や、所望の面積の熱電発電ユニットが入手できない場合、熱電発電ユニットが上下できない場合などでも、熱反射材２７を適切に動かすことで効率の良い熱電発電を行うことができるところにある。すなわち、熱反射材２７は、駆動部を設けて外部信号により角度を変えて、上記の集熱箇所を変更することもできる。

また、熱反射材２７の設置場所は、上掲した図１０(ａ)および(ｂ)のように鋼材２の両サイドが考えられるが、熱電発電ユニットの設置位置に応じて、鋼材の下部や上部に設置することもできる。

本発明における熱反射材の形状は、平面や、曲面、またＶ字やＵ字の断面を持つものであっても良い。なお、熱反射材は平面〜凹面を持つものが良いが、凹面の熱反射材への入射角によって焦点における収差が変化するので、所定の入射角に対して最も収差が少なくなるように最適な熱反射材形状（曲率）を有するよう一の熱反射材または複数の熱反射材面群を配置することが好ましい。

本発明では、上記熱反射材は、保温板を兼ねることができる。勿論、熱反射材の外側に、さらに、熱反射材を覆うように、保温板を設置しても良い。
また、上掲した図１０では、別途設置する場合の保温板を記載してはいないが、反射材全体を覆う形や、熱電発電ユニットおよび反射材の設置場所を開口部とする形の保温板とすることができる。
なお、熱反射材を用いた実施形態は、熱電発電ユニットの任意の箇所に集熱をさせることができるので、以下に述べるように、熱電発電装置の設置裕度が一層向上するという利点がある。

本発明における熱反射材としては、熱エネルギー（赤外線）を反射できるものであれば特に定めはなく、鏡面仕上げをした鉄などの金属や耐熱タイル等に錫メッキを施したものなど、設置場所、物品の調達のし易さ等を考慮して、適宜選択することができる。

すなわち、本発明における鋼材の温度や、熱電発電ユニットの温度・出力のうち少なくとも１つに応じて設置された熱電発電ユニットとは、距離設定されたユニットのみならず、上述したような熱反射材によって、距離や角度の変更を行うことができるユニットが含まれる。

本発明で、鋼材の側面や下面に熱電発電ユニットを設置する場合は、鋼材からの熱による対流影響から、熱電発電装置と鋼材の側面や下面での距離：ｄsを、熱電発電装置と鋼材の上面での距離：ｄuと比して、ｄs≦ｄuの関係を満足するように設置することが好ましい。なお、本発明では、熱源と熱電発電ユニットとの距離を、同一装置内であっても、適宜変えることができる。

熱電発電ユニットを全面に設置しない場合は、熱源の熱を外部に放出させないよう板（保温板）を設置すると、効率的な熱電発電を行うことができる。保温板の材質は、鉄やインコネルなどの金属（合金）やセラミックス等、一般的に高温物の保温板として使用されているものであって、設置場所の温度に耐えられるものであれば、特に制限はないが、板の放射率は小さいものとし、熱源からの放射熱が、板に吸収されることを低減して、熱電発電ユニットへ向かうようにすることが好ましい。

本発明は、熱電発電ユニットの一体移動を行う移動手段を備えることができる。
この移動手段を用いることによって、熱電発電ユニットとスラブ等との距離を制御することができる。距離制御は、パワーシリンダを用いて行うことが好適である。
上記の移動手段としては、熱電発電ユニットを一体で上下に昇降移動できるものも挙げられる。また、前後左右に移動できるものであっても、特に問題はなく使用できる。

また、本発明では、複数の熱電発電ユニットを有する熱電発電装置としても良く、このように複数の熱電発電ユニットを有する場合は、少なくとも一つの熱電発電ユニットに移動手段を有することができる。
なお、上記移動手段は、鋼材の温度や、熱電発電ユニットの温度・出力のうち少なくとも１つをモニタリングし、求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御する距離制御手段とすることもできる。

さらに、操業開始もしくは終了時などの非定常状態においては、鋼材の高さ変動などに起因する装置の破損を防ぐため、上記移動手段を用いて、熱電発電ユニットを発電領域から退避位置に移動させたり、再度発電領域に移動させたりすることができる。

上記した実施形態は、それぞれ任意に組み合わせることができる。例えば、距離の調整だけで、最適な熱電発電効率を得ようとした場合に、熱電発電ユニットが極端に大きな曲率の楕円弧状の設置となるときなどには、熱反射材を用いる実施形態などを組合せて、その曲率を緩和することもできる。
もちろん、本発明は、全ての実施形態を同時に備えることにしても良いのは言うまでもない。

本発明に従う熱電発電方法は、鋼材の輻射による熱エネルギーを、電気エネルギーに変換するものである。それ故、例えば、図５および６に示すような製造ラインにおいて、図１乃至３、７、９および１０に示したような形態の熱電発電装置、すなわち、その熱電発電ユニットは、熱電発電ユニットの温度および／または出力に応じて設置することを必須要件として、鋼材の温度に応じて設置したり、熱電発電ユニットの温度および／または出力に応じ、出力の高い高温部より出力の低い低温部で近接させて設置したり、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールまたは熱電素子を、鋼材の温度や、熱電発電ユニットの温度・出力のうち少なくとも１つに応じて出力の低い低温部より出力の高い高温部で密に配置したり、熱反射材を備えたり、熱電発電ユニットの一体移動が可能な移動手段を有したりしている。さらに、上記移動手段は、鋼材の温度や、熱電発電ユニットの温度・出力のうち少なくとも１つをモニタリングし、求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと鋼材との距離を制御する距離制御手段としてもよい。
なお、本発明に従う熱電発電方法を実施する際には、前述した複数の実施形態にかかる熱電発電装置を併せて用いることもできる。

本発明に従う熱電発電装置の効果を確認するために、スラブ上方に約１ｍ²の面積を有する熱電発電装置を用い、熱電発電ユニットを図５に示したＡの位置に設置し、それぞれの熱電発電ユニットの出力を確認する試験を実施した。なお、熱間スラブ（以下、単にスラブという）は幅：９００ｍｍ、厚み：２５０ｍｍとした。

発明例１として、スラブの温度を９５０℃とし、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを用い、幅方向のほとんどでほぼ定格出力どおりの出力となるようスラブとの距離を４９５ｍｍとした。
その結果、定格出力に対し、幅方向のほとんどでほぼ定格出力どおり発電ができた。幅端では８１％の発電出力となった。なお、幅端の鋼板温度は９０８℃であった。

発明例２として、スラブの温度を８５０℃とし、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを用い、幅方向のほとんどでほぼ定格出力どおりの出力となるようスラブとの距離を２２０ｍｍとした。
その結果、定格出力に対し、幅方向のほとんどでほぼ定格出力どおり発電ができた。幅端部（幅端からおよそ８０ｍｍ以内の範囲、以下、端部分という）では８３％程度の発電出力となった。なお、端部分の鋼板温度は８２５℃であった。

発明例３として、スラブの温度を９５０℃とし、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを用い、幅方向全体でほぼ定格出力が得られるよう、中央部分は、ユニットと鋼材の距離を４９５ｍｍに、他方、端部分は距離を４００ｍｍとした。
その結果、幅方向全体でほぼ定格出力が得られた。なお、端部分の鋼板温度は９０８℃であった。

発明例４として、スラブの温度を８５０℃とし、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを用い、幅方向全体でほぼ定格出力が得られるよう、中央部分はユニットと鋼材の距離を２２０ｍｍに、他方、端部分は距離を１００ｍｍとした。
その結果、幅方向全体でほぼ定格出力が得られた。なお、端部分の鋼板温度は８２５℃であった。

発明例５として、スラブの温度を９５０℃とし、幅方向全体でほぼ定格出力が得られるようユニットと鋼材の距離を４９５ｍｍとし、熱電発電ユニットの中央部分は、熱電モジュールの配置を８０ｍｍ間隔とし、端部分は９０ｍｍ間隔とした。
その結果、幅方向全体でほぼ定格出力が得られた。なお、端部分の鋼板温度は９０８℃であった。

発明例６として、スラブの温度を９５０℃とし、幅方向全体でほぼ定格出力が得られるようユニットと鋼材との距離を４００ｍｍとし、熱電発電ユニットの中央部分は、熱電モジュールの配置を７３ｍｍ間隔とし、端部分は８０ｍｍ間隔とした。
その結果、幅方向全体でほぼ定格出力が得られた。更に、熱電モジュールの個数が１６８個から１８４個に増え、総出力も１．２倍と大きくなった。なお、端部分の鋼板温度は９０８℃であった。

発明例７として、幅方向全体でほぼ定格出力が得られるよう図１０(a)に示す構成とし、熱電発電ユニットに熱を集約する熱反射材を配置する試験を実施した。なお、スラブは上記発明例１と同じ温度分布のものを用いた。
その結果、熱電発電ユニットはほぼ定格出力を得ることができた。

比較例としては、スラブの温度が９５０℃の場合に、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを６０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットとスラブとの距離を４９５ｍｍとした。その結果、定格出力に対し、端部分で４２％、その他の幅方向は５３％の出力しか得られなかった。

さらに、発明例９として、スラブの温度が９５０℃の場合に、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを６０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを、スラブが安定して搬送される状態となった時点で、熱電発電ユニットとスラブとの距離を１００ｍｍに移動させた。
その結果、定格出力に対し、端部分で９２％、その他の幅方向は定格出力が得られた。また、熱電発電ユニットを、熱電発電ユニットの温度に応じて設置したときも、ほぼ同様の結果が得られた。

なお、以上の実施例は、連続鋳造ラインにおける鋼材（スラブ）の温度に応じて、熱電発電ユニットの設置場所を設定する場合を示したが、その他の鋼材である粗バーや熱延鋼帯、および鍛接管設備における板材や管材などの温度に応じたり、またそれぞれの熱電発電ユニットの出力に応じたり、さらには設置場所を移動する実施形態を付加しても同様の結果が得られることを確認している。

本発明によれば、鋼材から発生する熱を、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 熱電発電ユニット
２ 鋼材
３ 熱電素子
４ 電極
５、５ａ、５ｂ 熱電発電モジュール
６ 絶縁材
７ 受熱手段
８ 放熱手段
９ 取鍋
１０ タンディッシュ
１１ 鋳型
１２ スラブ冷却装置
１３ 矯正ロール等ローラー群
１４ スラブ切断装置
１５ 温度計
１６ 熱電発電装置
１７ ダミーバーテーブル
１８ 鋼板
１９ 管材
２０ 加熱炉
２１ 成形鍛接機
２２ 熱間レデューサ
２３ ロータリーホットソー
２４ クーリングベット
２５ サイザー
２６ ストレートナー
２７ 熱反射材

Claims (7)

1. 鋼材の輻射による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電ユニットを備える熱電発電装置において、
   上記熱電発電ユニットを、上記鋼材に対峙し、かつ上記熱電発電ユニットの出力に応じて設置し、さらに上記熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールまたは熱電素子を、該熱電発電ユニットの出力に応じ、出力の低い低温部より出力の高い高温部で密に配置する熱電発電装置。
2. 前記熱電発電ユニットを、該熱電発電ユニットの出力に応じ、出力の高い高温部より出力の低い低温部で近接させて設置する請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記熱電発電装置が、熱反射材を備える請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記熱電発電ユニットを、さらに、該熱電発電ユニットの温度および／または鋼材の温度に応じて設置する請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電発電装置。
5. 鋼材の温度、熱電発電ユニットの温度、および該熱電発電ユニットの出力のうち少なくとも一つをモニタリングし、求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと該鋼材との距離を制御する距離制御手段を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電発電装置。
6. 前記熱電発電装置が、さらに、熱電発電ユニットの一体移動を行う移動手段を備える請求項１乃至５のいずれかに熱電発電装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の熱電発電装置を用い、鋼材の熱を受熱して熱電発電を行う熱電発電方法。

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