JP5862300B2

JP5862300B2 - 熱電発電方法

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Publication number: JP5862300B2
Application number: JP2011290467A
Authority: JP
Inventors: 伸行紫垣; 壁矢　和久; 和久壁矢; 高志黒木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: JP2013141355A

Description

本発明は、熱源物質の廃熱を利用した熱電発電技術に関するものであり、例えば、鉄鋼製造プロセスにおけるスラブヤードや圧延後の製品ヤードのような、高温の鋼材を長時間保管するヤードにおいて、鋼材（廃熱）を熱源として発電することができる熱電発電方法及び装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止を目的として、鉄鋼製造プロセスなどのようなＣＯ_２を多量に発生する製造プロセスにおける更なる省エネルギー化が求められている。省エネルギー対策の一つとして廃熱回収があり、特に鉄鋼製造のような大量生産プロセスにおいては、廃熱として捨てられるエネルギーが大きいため、廃熱回収により得られる省エネルギー効果は非常に大きい。
従来、廃熱回収方法の一つとして、熱電素子を用いた廃熱利用熱電発電が知られている。この熱電発電は、ゼーベック効果を利用して温度差から直接電力を回収する方法であり、近年では熱電素子の特性向上により、一部実用化もされている。例えば、特許文献１には、自動車等の排気ガスの熱エネルギーを用いて熱電発電をする方法が示されている。

しかしながら、例えば鉄鋼製造分野においては、廃熱回収への熱電発電の適用は十分には進んでいない。その理由としては、熱電素子のコストが高いことに加えて、鉄鋼製造プロセスの廃熱自体が安定な熱源として利用しにくいため熱電素子の最適設計ができず、十分な発電効率や稼働率が得られないことが挙げられる。熱電素子の発電効率や稼働率が十分でないと、結果的に単位発電量あたりのコストが嵩むことになり、費用対効果の点で熱電発電の適用が著しく困難になる。

鉄鋼製造プロセスで生じる高温鋼材の廃熱回収を考えた場合、廃熱が安定な熱源として利用できないのは、鋼材温度が材質造り込みを目的として時々刻々と変化することと、鋼材がコイルやシート単位で製造されるバッチプロセスであることが主な理由である。また、製造ライン上で粉塵や蒸気等に晒される場所が多いことによる配置上の制約なども、熱電発電の適用が難しい要因の一つである。
熱電発電に用いる熱源の温度ばらつきの影響を緩和する技術として、例えば、可動フィンにより流体の流れを制御する方法が特許文献２に示されている。

特開２００４−２０８４７６号公報特開２００８−１０４３１７号公報

しかし、鉄鋼製造プロセスの廃熱は、室温から１０００℃以上の高温まで温度範囲が広く、廃熱の伝熱形態も様々であるため、特許文献２に開示されるような方法の適用は難しい。よって、鉄鋼製造プロセスの廃熱を利用して熱電発電を行う場合には、熱源の温度ばらつきによる熱電素子の温度変動を予め考慮しておく必要がある。

一方で、熱電素子は、その効率を最大化するための適正温度が素子によって決まっている。図９に、熱電素子の性能を示す無次元性能指数ＺＴ（Ｚ：性能指数）の温度依存性のグラフを示す。熱電素子には、低温用（１００℃程度）から高温用（７００℃程度）まで様々な種類があるが、図９のように、何れの素子についてもＺＴはある温度域でピーク値を取る傾向があり、その温度域以外ではＺＴが低下して素子の発電効率が低下する。また、各熱電素子には、耐熱性の観点から決まる適用温度の上限もある。したがって、上記のように温度が変化する鋼材からの廃熱回収では熱電素子の選定が難しく、鋼材側の温度条件が変わった場合など、期待された発電効率が得られなくなる懸念がある。

ところで、温度変化が比較的小さい熱源（鋼材）を考えた場合、例えば、スラブヤードや圧延後の製品ヤードなどの鋼材保管ヤードでは、比較的長い時間、緩やかな温度降下で鋼材が空冷保持されるので、準安定的な熱源であると言える。このような鋼材保管ヤードについては、設備配置上の制約も少ないため、熱電発電を適用できる可能性が十分にある。しかしながら、保管されるスラブやコイルのような鋼材のヤード受け入れ温度についても、上工程のプロセス的要因で変動するケースがある。また、鋼材のサイズも製品毎に異なるため、結果として上述したと同様の理由により、十分な熱電発電効率が得られないことが懸念される。

したがって本発明の目的は、鉄鋼製造プロセスにおける高温鋼材などのような熱源物質の廃熱を利用して効率的かつ安定的な発電を行うことができる熱電発電方法及び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］保管ヤードに保管された熱源物質を熱源として熱電発電を行う方法であって、
保管ヤードに、受熱面となる壁面に熱電素子（ｅ）が組み込まれ、熱源物質に対して接近・離間可能な可動壁（ａ）を設け、
熱源物質（ｓ）が段積みされたスラブであり、可動壁（ａ）を、熱電素子（ｅ）が組み込まれた壁面が段積みされたスラブ側面と対面した状態とし、
熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ _c を求め、熱源物質（ｓ）に対して、距離Ｘ _c をおいた位置で可動壁（ａ）を対面させた状態で、熱電素子（ｅ）による熱電発電を行うとともに、
温度計により測定される熱源物質面の温度分布の中から測定最大値Ｔ _ss・max を求め、この測定最大値Ｔ _ss・max を用いて、可動壁（ａ）と熱源物質（ｓ）との距離Ｘに応じた熱電素子（ｅ）の表面温度Ｔ _h・max を求め、この表面温度Ｔ _h・max と熱電素子（ｅ）の耐熱温度Ｔ _p を比較してＴ _h・max ＞Ｔ _p となる距離Ｘがある場合に、Ｔ _h・max ≦Ｔ _p となる任意の距離Ｘを限界接近距離Ｘ _p として設定し、距離Ｘ _c に関わりなく、限界接近距離Ｘ _p を超えて可動壁（ａ）を熱源物質（ｓ）に接近させないことを特徴とする熱電発電方法。

［2］上記［1］の熱電発電方法において、可動壁（ａ）と対面する熱源物質面の温度Ｔ_ss及び有効放熱面積Ａに基づき、可動壁（ａ）と熱源物質（ｓ）との距離Ｘに応じた熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηを計算により求め、この計算結果から、熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ_cを求めることを特徴とする熱電発電方法。
［3］上記［2］の熱電発電方法において、温度計により経時的に変化する熱源物質面の温度Ｔ_ssを逐次測定し、この測定温度に基づいて、熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ_cを逐次求め、可動壁（ａ）を熱源物質（ｓ）に対して接近・離間させることで距離Ｘ_cに位置させることを特徴とする熱電発電方法。

［4］上記［2］又は［3］の熱電発電方法において、温度計により測定される熱源物質面の温度に部位による温度分布がある場合、その平均値を熱源物質面の温度Ｔ_ssとすることを特徴とする熱電発電方法。

本発明によれば、保管ヤードに保管された高温鋼材などのような熱源物質の廃熱を安定的に熱電素子に供給することができ、熱電素子の効率を最大限に発揮させることができる。このため従来では殆ど顕熱回収がなされていなかった鉄鋼製造プロセスなどにおける高温鋼材などの廃熱を利用して効率的な発電を行うことができ、エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明法を鋳造されたスラブ（鋼材）の保管ヤードに適用した場合の一実施形態を示す斜視図図２に示す熱電発電方法において、可動壁の運用方法を示す説明図熱源物質から熱電素子への輻射伝熱の計算方法を説明するための図面熱源物質に熱電素子を接近させた時の影響を説明するための図面本発明装置の一実施形態を示す説明図本発明において、発生電力Ｐ及び熱電交換効率ηが最大となる熱源物質と可動壁（熱電素子）との距離Ｘ_cを求めるための計算方法を示すフロー図熱源物質と可動壁（熱電素子）との距離Ｘと発生電力Ｐとの関係を示すグラフ熱源物質の温度が変化した場合における熱源物質と可動壁（熱電素子）との距離の調整方法を説明するための図面各種の熱電素子について温度と無次元性能指数ZTとの関係を示すグラフ

本発明は、保管ヤードに保管された高温鋼材などのような熱源物質を熱源として熱電発電を行う方法及び装置であり、保管ヤードに、受熱面となる壁面に熱電素子ｅが組み込まれ、熱源物質に対して接近・離間可能な可動壁ａが設けられ、熱源物質ｓに対して所定の距離をおいた位置で可動壁ａを対面させた状態で、熱電素子ｅによる熱電発電を行うものである。通常、可動壁ａは、保管ヤード内における熱源物質ｓの保管及び移動スペースの外周部に設置される。
熱源物質ｓの種類や温度に特別な制限はない。熱源物質ｓの代表例は、常温を超える顕熱を保有する鋼材、好ましくは高温の鋼材であり、例えば、スラブ、熱延コイル、管体、厚板などが挙げられる。また、熱源物質ｓの保管ヤードとは、一般に高温のスラブや熱延コイル等を保管し、空冷するためのヤードであり、通常は屋根が設置されている。熱源物質ｓが高温鋼材である場合、保管ヤード内での鋼材表面温度は、鋼材の種類やプロセス的な要因により様々であるが、例えば、スラブの場合には、通常は２００〜７００℃程度である。

図１は、本発明の一実施形態を示す斜視図であり、鋳造されたスラブ（熱源物質）の保管ヤードに本発明を適用したものである。
可動壁ａは、パネル状の本体１とその下端部に設けられる走行機構部２（車輪など）からなり、前記本体１の少なくとも片側の壁面（本実施形態では壁面の全面）に複数の熱電素子ｅが組み込まれ、対面する熱源物質ｓの熱を受熱できるようにしてある。可動壁ａは、走行機構部２を介して保管ヤード内に敷設されたレール３に沿って移動可能であり、これにより保管ヤード内の熱源物質ｓに対して接近・離間可能としてある。熱電素子ｅは温度差により発電を行うため、上記熱電素子ｅの冷却側については、水冷又は空冷するための機構（図示せず）が設けてある。

一般に保管ヤード内では、図示するように複数の熱源物質ｓ（スラブ）が段積み状態で空冷されるものであり、可動壁ａは、そのような保管ヤード内における熱源物質ｓの保管及び移動スペースの外周部に設置され、走行機構部２を介してレール３に沿って移動することにより、段積み状態の熱源物質ｓに対して接近・離間することができる。可動壁ａは、熱源物質ｓの上面及び下面に対面させて配置することも可能であるため、ここで言う外周部とは、熱源物質ｓの上面側や下面側を含むものとする。
可動壁ａの運用（使用）方法としては、図２に示すように、保管ヤードへの熱源物質ｓの受け入れ時には（図２（ア））、クレーン４による搬送時の荷揺れ等を考慮して、可動壁ａを退避位置に移動しておく。そして、熱源物質ｓをヤードに受け入れた後、可動壁ａを熱源物質ｓに接近させ（図２（イ））、熱源物質ｓと所定の距離をおいた状態で熱電発電を行う。

さきに述べたように、熱電素子は、その効率を最大化するための適正温度が素子によって決まっている（図９参照）。一方、熱源物質ｓは、ヤード受け入れ温度が上工程のプロセス的要因で変動する場合があり、また、熱源物質ｓのサイズによって、ヤード受け入れ温度や保管ヤードでの温度降下量が異なり、この点が、熱電素子が十分な熱電発電効率で発電する阻害要因になる。
これに対して、本発明では、熱源物質ｓと可動壁ａとの距離を、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となるように設定して可動壁ａの位置を決め、熱源物質ｓの熱による発電を行うことができ、これにより熱源物質ｓの温度と熱電素子ｅの特性に応じた効率的な熱電発電を行うことができる。すなわち、本発明では、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηを最大とするための熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cを求め、熱源物質ｓに対して、距離Ｘ_cをおいた位置で可動壁ａを対面させた状態で、熱電素子ｅによる熱電発電を行うことが好ましい。

ここで、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cは、例えば、以下のような手法で求める。
熱源物質ｓと熱電素子ｅとの距離が一定以上（例えば、熱源物質ｓが段積みスラブ側面であれば２００ｍｍ程度の距離）離れている場合、熱源物質ｓから熱電素子ｅの表面（受熱面）への熱移動は輻射伝熱が支配的となる。熱電素子の表面温度Ｔ_hは、図３に示すように、熱源物質の表面温度Ｔ_ss、熱電素子の冷却側温度Ｔ_c、熱源表面の放射率ε_ss、熱電素子表面の放射率ε_ms、及び熱電素子の特性値（熱抵抗Ω_sys等）から計算で求められる。そして、熱電素子の表面温度Ｔ_h（高温側）と冷却側温度Ｔ_c（低温側）との温度差ΔＴ（＝Ｔ_h−Ｔ_c）により、熱電素子の性能指数Ｚに応じた発生電力Ｐが得られる。熱電素子表面に入射する輻射熱流束と熱電素子内部の熱流束との釣り合い式は、以下のようになる。

ここで、放射係数Γ_hcは、熱電素子表面と熱源物質との距離Ｘから求められる。
すなわち、放射係数Γ_hcは、下記の計算式に従い、熱源物質の有効放熱面積Ａ_ｓ、熱源物質表面の放射率ε_ss、熱電素子表面積Ａ_ｍ、熱電素子表面の放射率ε_ms、及び、熱源物質の有効放熱面積Ａ_ｓと熱電素子表面積Ａ_ｍとの位置関係から幾何学的に求まる形態係数Ｆ_ｈｃ（このＦ_ｈｃは、本発明が対象とするような位置関係が単純な系では、面積比などを用いて既知のグラフから簡単に求めることができる。）により計算される。

ここで、熱源物質の有効放熱面積Ａ_ｓは、熱電素子ｅの受熱面と平行な面に対する熱源物質ｓの投影面積である。例えば、熱源物質ｓが段積みされたスラブであり、その側面と熱電素子ｅの受熱面が平行である場合には、［スラブ厚さ×段積み数×スラブ長さ］が熱電素子ｅの受熱面と平行な面に対する熱源物質ｓの投影面積であり、これが有効放熱面積Ａ_ｓとなる。また、電流Ｉも、熱電素子の性能指数Ｚ、内部抵抗r_e、及び温度条件から一義的に求められる。したがって、熱電素子の冷却側温度Ｔ_cを一定とした場合、上記釣り合い式を用いて、距離Ｘに応じた熱電素子の表面温度Ｔ_hが計算できる。
ある温度条件が与えられた際における最適な熱電素子の発生電力Ｐ及び熱電変換効率ηは、内部抵抗ｒ_eと外部負荷抵抗Ｒ_eとの比を以下とした際に得られ、それぞれ性能指数Ｚを含む関数として以下のように表される。

（i）発生電力Ｐ

（ii）熱電変換効率η

例えば、発生電力Ｐの最大化を図る場合、発生電力Ｐが温度によって変化するため、発生電力Ｐが最大となる温度条件を与えることにより、発生電力Ｐの最大値Ｐ_maxが得られる。よって、発生電力Ｐが最大となる温度条件になるような熱源物質ｓと可動壁ａ間の距離Ｘ_cを求める必要がある。輻射伝熱を考える場合、一般に熱源に近づくほど輻射熱を受け易くなり、熱電素子ｅの表面温度Ｔ_hが上昇して温度差ΔＴが大きくなる。発生電力ＰはΔＴの２乗で大きくなるため、熱電素子ｅを熱源（熱源物質ｓ）に近接させてΔＴを大きくするのが効果的である。しかし、一方で、熱電素子ｅの性能指数Ｚは、図９に示されるように温度に対してピーク特性を持つ温度依存性があり、ピーク温度以上では性能指数Ｚは急激に低下する。よって、熱電素子ｅと熱源との距離が近過ぎてΔＴが熱電素子特性のピーク温度を超えるまで大きくなると、逆に性能指数Ｚの低下の影響により発生電力Ｐが低下する。このため、距離Ｘを変化させた条件毎に発生電力Ｐを計算し、発生電力Ｐが最大値Ｐ_maxとなる距離Ｘ_cを求め、熱電素子ｅを組み込んだ可動壁ａを距離Ｘ_ｃまで熱源物質ｓ（熱源）に近接させる。
熱電変換効率ηについても同様の方法で、熱電変換効率ηが最大値η_maxとなる距離Ｘ_cを求める。但し、熱電変換効率の場合には、上記式のように熱電発電効率ηを与える内部抵抗ｒ_eと外部負荷抵抗Ｒ_eとの比率自体が温度依存性を有する。そのため、可変抵抗を用いて温度に応じた負荷調整を行う必要がある。

以上述べたように、本発明では、可動壁ａと対面する熱源物質側面の温度Ｔ_ss及び有効放熱面積Ａ_ｓに基づき、可動壁ａと熱源物質ｓとの距離Ｘに応じた熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は変換効率ηを計算により求め、この計算結果から、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cを求めることが好ましい。
熱源物質の外面（側面など）の温度Ｔ_ssの測定は、接触式又は非接触式の温度計で測定する。特に熱源物質の外面に近接することが難しい環境下では、非接触式温度計（放射温度計）を用いた測定が好ましい。

一般に、保管ヤード内の熱源物質ｓの温度は経時的に変化する。上記式のように、発生電力Ｐ及び熱電変換効率ηには温度依存性があり、温度差ΔＴが経時的に変化する場合、発生電力Ｐ及び熱電変換効率ηも変化し、これに伴い、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cも変化することになる。したがって、温度計により経時的に変化する熱源物質面の温度Ｔ_ssを逐次測定し（例えば、一定時間毎に測定する）、この測定温度に基づいて、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_ｃを逐次求め、可動壁ａを熱源物質ｓに対して接近・離間させることで両者の距離を調整し、可動壁ａが熱源物質ｓ対して距離Ｘ_ｃを保つようにすることが好ましい。

図１のように段積みされた高温鋼材が熱源である場合、段積みされるタイミングや段積み後の空冷条件等により、熱源物質面の温度Ｔ_ssが部位（位置）により温度分布（ばらつき）を有する場合がある。そのような熱源物質面からの輻射伝熱を計算する場合、厳密には温度分布と熱電素子表面との位置関係を考慮しつつ、領域を細かく分けて領域毎に計算する必要がある。しかし、輻射伝熱の場合には、熱源からの距離がある程度離れてくると、平均的な輻射入熱という形で捉えることができるので、温度分布が比較的小さい熱源については、平均温度で取り扱うことにより計算を簡略化できる。すなわち、温度計により測定される熱源物質面の温度に部位による温度分布がある場合、その平均値を熱源物質面の温度Ｔ_ssとすることが好ましい。例えば、熱電素子に併設する形で複数の放射温度計を一定間隔ごとに設置し、これらの放射温度計で熱源物質の外面（側面など）の温度をそれぞれ測定し、得られた温度データを平均化して求める。

図４のように、熱電素子ｅを熱源物質ｓに接近させた場合、輻射伝熱が１次元的になるため、局所的な温度の影響を受け易い。よって、熱源物質ｓに局所的に高温部がある場合に可動壁ａを近接させると、高温部に近接した熱電素子ｅのみが高温となり、熱電素子ｅの耐熱温度を超えて破損を生じるおそれがある。このような事態を避けるためには、以下のようにすることが好ましい。まず、温度計により測定される熱源物質面の温度分布の中から測定最大値Ｔ_ss・maxを求める。次いで、この測定最大値Ｔ_ss・maxを用いて（すなわち、この測定最大値Ｔ_ss・maxが熱源物質面全体の温度であるとして）可動壁ａと熱源物質ｓとの距離Ｘに応じた熱電素子ｅの表面温度Ｔ_h・maxを求める。この表面温度Ｔ_h・maxは、想定される熱電素子の表面温度Ｔ_ｈの最大値である。この表面温度Ｔ_h・maxと熱電素子ｅの耐熱温度Ｔ_ｐを比較し、Ｔ_h・max＞Ｔ_ｐとなる距離Ｘがある場合に、Ｔ_h・max≦Ｔ_ｐとなる任意の距離Ｘを限界接近距離Ｘ_ｐとして設定する。したがって、Ｔ_h・max＝Ｔ_ｐとなる距離Ｘを限界接近距離Ｘ_ｐとして設定してもよい。そして、距離Ｘ_ｃに関わりなく、限界接近距離Ｘ_ｐを超えて可動壁ａを熱源物質ｓに接近させないようにする。

以上のような本発明の熱電発電方法の実施に供される本発明の装置は、受熱面となる壁面に熱電素子ｅが組み込まれ、熱源となる熱源物質ｓに対面でき且つ熱源物質ｓに対して接近・離間可能な可動壁ａを備える熱電発電装置である。
この熱電発電装置は、さらに、熱源物質面の温度を測定する温度計ｂと、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cを求める演算手段ｃと、この演算手段ｃで求められた距離Ｘ_cの位置に可動壁ａを移動させる制御手段ｄを備えることができる。

図５は、本発明装置の一実施形態を示すもので、ｃ1が演算装置（演算手段ｃ）、ｄ1が可動壁の制御装置（制御手段ｄ）である。
温度計ｂが可動壁ａに設置され、この温度計ｂにより測定された熱源物質面の温度情報が演算装置ｃ1に出力される。演算装置ｃ1では、この温度情報と予め得られている情報（熱源物質の有効放熱面積Ａ_ｓなど）に基づき、上述したような手順で限界接近距離Ｘ_ｐと距離Ｘ_cが求められ、それに対応する信号が制御装置ｄ1に出力される。制御装置ｄ1では、可動壁ａを熱源物質ｓに対して距離Ｘ_c又は限界接近距離Ｘ_ｐの位置まで移動（接近・離間）させる。

さらに、この熱電発電装置は、上述したような本発明法を実行するために、以下のような構成及び機能を備えることが好ましい。
（i）演算手段ｃは、可動壁ａと対面する熱源物質面の温度Ｔ_ss及び有効放熱面積Ａ_ｓに基づき、可動壁ａと熱源物質ｓとの距離Ｘに応じた熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηを計算により求め、この計算結果から、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cを求める機能及びこの機能を実行するための手段を備える。
（ii）演算手段ｃは、経時的に変化し、温度計ｂにより逐次測定される熱源物質面の温度Ｔ_ssに基づいて、熱電素子ｅの発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cを逐次求める機能及びこの機能を実行するための手段を備え、制御手段ｄは、可動壁ａを熱源物質ｓに対して接近・離間させることで距離Ｘ_cに位置させる機能及びこの機能を実行するための手段を備える。

（iii）演算手段ｃは、温度計ｂにより測定される熱源物質面の温度に部位による温度分布がある場合、その平均値を熱源物質面の温度Ｔ_ssとして用いる機能及びこの機能を実行するための手段を備える。
（iv）演算手段ｃは、温度計ｂにより測定される熱源物質面の温度分布の中から測定最大値Ｔ_ss・maxを求め、この測定最大値Ｔ_ss・maxを用いて、可動壁ａと熱源物質ｓとの距離Ｘに応じた熱電素子ｅの表面温度Ｔ_h・maxを求め、この表面温度Ｔ_h・maxと熱電素子ｅの耐熱温度Ｔ_pを比較してＴ_h・max＞Ｔ_pとなる距離Ｘがある場合に、Ｔ_h・max≦Ｔ_pとなる任意の距離Ｘを限界接近距離Ｘ_pとして設定する機能及びこの機能を実行するための手段を備え、制御手段ｄは、距離Ｘ_cに関わりなく、限界接近距離Ｘ_pを超えて可動壁ａを熱源物質ｓに接近させない機能及びこの機能を実行するための手段を備える。

図６は、本発明において、発生電力Ｐ及び熱電交換効率ηが最大となる熱源物質ｓ（鋼材）と可動壁ａとの距離Ｘ_cを求めるための計算方法をフロー図で示したものである。まず、熱源物質ｓと熱電素子ｅとの距離Ｘを仮定し、これと熱源物質ｓの表面温度Ｔ_ss及び寸法・段積み条件に関するInputデータに基づき、さきに述べた熱流束釣り合い式を用いて熱電素子ｅの高温側温度Ｔ_hを計算する。ここでは、熱源物質ｓの表面温度Ｔ_ssとして、熱源物質面の平均温度を用いるものとする。熱電素子ｅの低温側温度Ｔ_cは一定に保たれるので、Ｔ_hとＴ_cの温度差ΔＴから発生電力Ｐ及び効率ηが算出される。このような計算を、仮定した距離Ｘ毎にそれぞれ行い、計算で求められる発生電力Ｐ及び効率ηからそれらが最大となる距離Ｘ_cを求める。

図７は、熱源物質ｓの側面温度：７００℃、側面サイズ：３ｍ×３ｍ、熱電素子ｅの受熱面サイズ：０．１ｍ×０．１ｍとした場合における、熱源物質ｓと可動壁ａ（熱電素子）との距離Ｘと発生電力Ｐとの関係（計算結果）の一例を示したものである。熱電素子はＢｉ−Ｔｅ系とし、性能指数Ｚは一般的な文献値と近似するように温度の関数として与えた。また、距離Ｘが変化する時の放射係数Γ_hcについては、輻射伝熱に関する形態係数の文献値を用いて計算した。距離Ｘは、１．１ｍから０．２ｍピッチで小さくしたケースを仮定してそれぞれ計算を行っている。図７によれば、発生電力Ｐは距離Ｘ＝０．３ｍで最大化しており、この位置が距離Ｘ_cに相当する位置となる。また、図７のグラフ中に、熱電素子ｅの高温側温度Ｔ_hを併記した。例えば、熱電素子の耐熱温度が２００℃である場合には、図中の鎖線で示す距離Ｘが熱電素子の高温側温度Ｔ_hが２００℃になる距離Ｘであるので、例えば、この距離Ｘを限界近接距離Ｘ_pとして設定し、この限界接近距離Ｘ_pを超えて可動壁ａを熱源物質ｓに接近させないようにする。

図８に、熱源物質ｓの表面温度が経時的に変化する場合における熱源物質ｓと可動壁ａとの距離Ｘ_cの調整（設定）方法を示す。熱源物質ｓが時刻ｔ０からｔ１まで段積み状態で保持される間に、熱源物質面の温度Ｔ_ssがＴ_ss(ｔ０)からＴ_ss(ｔ１)まで低下したとする。その際、熱源物質面の温度低下に伴い、熱電素子ｅの限界近接距離Ｘ_pが小さくなるため、まずは、限界近接距離Ｘ_pを温度低下に応じて変更する。次に、限界近接距離Ｘ_pよりも離れた位置において、前述の計算方法に従い、距離Ｘと発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηとの相関を求め、発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる距離Ｘ_cをそれぞれ計算する。そして、図８のようにＸ_cの時間変化分だけ可動壁ａの位置を調整し、継続して熱電発電を行う。このような方法により、熱源物質面の温度が経時的に変化する場合においても、熱電素子温度が耐熱温度を超えないように保護しつつ、熱電素子ｅによる発電を効率的に行うことが可能となる。

ａ可動壁
ｂ温度計
ｃ演算手段
ｄ制御手段
ｅ熱電素子
ｓ熱源物質
ｃ1 演算装置
ｄ1 制御装置
１本体
２走行機構部
３レール

Claims

保管ヤードに保管された熱源物質を熱源として熱電発電を行う方法であって、
保管ヤードに、受熱面となる壁面に熱電素子（ｅ）が組み込まれ、熱源物質に対して接近・離間可能な可動壁（ａ）を設け、
熱源物質（ｓ）が段積みされたスラブであり、可動壁（ａ）を、熱電素子（ｅ）が組み込まれた壁面が段積みされたスラブ側面と対面した状態とし、
熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ _c を求め、熱源物質（ｓ）に対して、距離Ｘ _c をおいた位置で可動壁（ａ）を対面させた状態で、熱電素子（ｅ）による熱電発電を行うとともに、
温度計により測定される熱源物質面の温度分布の中から測定最大値Ｔ _ss・max を求め、この測定最大値Ｔ _ss・max を用いて、可動壁（ａ）と熱源物質（ｓ）との距離Ｘに応じた熱電素子（ｅ）の表面温度Ｔ _h・max を求め、この表面温度Ｔ _h・max と熱電素子（ｅ）の耐熱温度Ｔ _p を比較してＴ _h・max ＞Ｔ _p となる距離Ｘがある場合に、Ｔ _h・max ≦Ｔ _p となる任意の距離Ｘを限界接近距離Ｘ _p として設定し、距離Ｘ _c に関わりなく、限界接近距離Ｘ _p を超えて可動壁（ａ）を熱源物質（ｓ）に接近させないことを特徴とする熱電発電方法。
可動壁（ａ）と対面する熱源物質面の温度Ｔ_ss及び有効放熱面積Ａ_ｓに基づき、可動壁（ａ）と熱源物質（ｓ）との距離Ｘに応じた熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηを計算により求め、この計算結果から、熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ_cを求めることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電方法。
温度計により経時的に変化する熱源物質面の温度Ｔ_ssを逐次測定し、この測定温度に基づいて、熱電素子（ｅ）の発生電力Ｐ又は熱電変換効率ηが最大となる熱源物質（ｓ）と可動壁（ａ）との距離Ｘ_cを逐次求め、可動壁（ａ）を熱源物質（ｓ）に対して接近・離間させることで距離Ｘ_cに位置させることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電方法。
温度計により測定される熱源物質面の温度に部位による温度分布がある場合、その平均値を熱源物質面の温度Ｔ_ssとすることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱電発電方法。