JP6000925B2

JP6000925B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP6000925B2
Application number: JP2013202076A
Authority: JP
Inventors: 高志黒木; 壁矢　和久; 和久壁矢; 藤林　晃夫; 晃夫藤林; 宏昌海部; 健梶原; 一也牧野; 弘邦八馬
Original assignee: JFE Steel Corp; Kelk Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kelk Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP2015070067A

Description

本発明は、鋼材等の熱源の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に関する。

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、スラブなどの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。また、特許文献３、４、５には、製鉄設備の冷却床や熱間圧延ラインにおける廃熱を熱電変換素子により電力に変換する技術が開示されている。

特開昭５９−１９８８８３号公報特開昭６０−３４０８４号公報特開平１０−２９６３１９号公報特開２００６−２６３７８３号公報特開２０１１−６２７２７号公報

しかしながら、特許文献１では、板状のスラブ連鋳ラインに適用できる旨の記載があるが、具体的な設置場所や条件の詳細についての記述が不十分で、また、実操業におけるスラブの温度変化や、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、操業条件の変動による熱源温度の変化ついては考慮されていない。

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、連続鋳造設備のように、移動する熱源に対しては適用できないという問題がある。

さらに、特許文献１〜５に示すような、鋼材等の熱エネルギーを活用した熱電発電においては、鋼材等の熱源の大きさや温度分布などに起因して発電出力のむらが生じ、効率良く発電できない場合があるが、このような場合に対応できる技術についてはこれまで提案されていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数の熱電発電モジュール群を備えた熱電発電装置において、鋼材等の熱源の発電出力のむらが生じても効率良く発電することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（７）を提供する。
（１）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
搬送される鋼材の搬送方向に前記熱電発電モジュールが複数配列されて列をなし、前記熱電発電モジュールの列が鋼材の幅方向に複数配置され、
前記列をなす熱電発電モジュールどうしが電気的接続され、前記列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されることを特徴とする熱電発電装置。
（２）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向に配列されており、
前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続は、前記搬送される鋼材の、幅方向に凸状をなす温度分布に基づいて、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする熱電発電装置。
（３）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
前記熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする熱電発電装置。
（４）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材に対峙して設けられ、前記搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
搬送される鋼材の搬送方向に前記熱電発電ユニットが複数配列されて列をなし、前記熱電発電ユニットの列が鋼材の幅方向に複数配置され、
前記列をなす熱電発電ユニットどうしが電気的接続され、前記列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されることを特徴とする熱電発電装置。
（５）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする熱電発電装置。
（６）熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
前記熱電発電ユニットが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電ユニットを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする熱電発電装置。
（７）前記冷却板は、冷却媒体流路を有し、前記冷却媒体流路に冷却媒体を通流させることにより冷却され、前記冷却板の前記冷却媒体流路は、一方向に沿って形成され、かつ、前記冷却媒体流路の方向に直交する方向中央に対して対称に複数系統有することを特徴とする（４）から（６）のいずれかに記載の熱電発電装置。

本発明によれば、発電効率が高くなるように熱電発電モジュールまたは熱電発電ユニットが電気的接続されるので、一貫した連続プロセスに本発明の熱電発電を組み込むことにより、さらなる省エネルギー化が可能となる。

熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを示す断面図である。熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを示す平面図である。従来の熱電発電装置を示す平面図である。本発明における熱電発電モジュールの接続形態の一例を示す平面図である。隣接する熱電発電モジュールの間にダイオードを接続した例を示す平面図である。本発明における熱電発電モジュールの接続形態の他の例を示す平面図である。本発明における熱電発電ユニットの接続形態の一例を示す平面図である。本発明における熱電発電ユニットの接続形態の他の例を示す平面図である。本発明における熱電発電ユニットの接続形態のさらに他の例を示す平面図である。熱電発電ユニットに用いる冷却板の好ましい例を示す平面図である。冷却板の冷却媒体流路が１系統の場合と、２系統を対称に設けた場合とを比較した実験を説明するための図である。第１実施例における熱電発電モジュールおよび熱電発電ユニットの配置を説明するための図である。第１実施例におけるｃａｓｅ１の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。第１実施例におけるｃａｓｅ２の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図および熱電発電ユニット内の熱電発電モジュールを拡大して示す平面図である。第１実施例におけるｃａｓｅ３の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。第１実施例におけるｃａｓｅ４の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。第１実施例におけるｃａｓｅ５の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。第２実施例における温度分布Ａの熱電発電ユニットの配置および各ゾーンにおける熱電発電ユニットの温度を説明するための図である。第２実施例における温度分布Ｂの熱電発電ユニットの配置および各ゾーンにおける熱電発電ユニットの温度を説明するための図である。第２実施例におけるｃａｓｅ１１の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。第２実施例におけるｃａｓｅ１２の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。第２実施例におけるｃａｓｅ１３の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。第２実施例におけるｃａｓｅ１５の熱電発電ユニットの接続形態を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
本発明に係る熱電発電装置は、熱源からの熱エネルギーを用いて、熱電発電モジュール群により熱電発電を行うものである。

熱源としては、鋳造および圧延工程などにおけるスラブあるいは熱鋼板（スラブは処理工程により粗バー、熱鋼板、鋼板、熱鋼帯、鋼帯、ストリップ、厚板など呼び方が変わるが、以下鋼材と呼称する）の熱エネルギーを用いる。

以下、連続鋳造後の鋼材について記述するが、保持炉、誘導炉、加熱炉等の入側、出側の鋼材、仕上圧延前などにおいても同様に適用可能であることはいうまでもない。

本実施形態では、熱電発電手段として、両側に電極を備えたＰ型およびＮ型の半導体を接合した半導体（熱電素子）を、複数対接合してなる熱電発電モジュールを用いる。熱電発電モジュールの電極の両側には絶縁材を配置してもよい。

また、本実施形態では、一または複数の熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、この熱電発電ユニットを一または複数配置することにより熱電発電装置を構成する。

例えば、図１の断面図に示すように、複数の熱電発電モジュール１を熱源側（高温側）の受熱板２と低温側の冷却板３で挟むようにして熱電発電ユニット４を構成する。冷却板３は、熱電素子で発電するために必要な温度差を生じさせるためのものである。熱電発電ユニット４としては、図２の平面図に示すように、例えば縦横４個ずつ１６個の熱電発電モジュール１をマトリックス状に配置して構成されたものを用いることができる。

冷却板３としては、冷媒流路を有し、冷却水等の冷却媒体で冷却する構造のものを用いることができる。また、受熱板２および／または冷却板３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、これらを熱電発電モジュールの電極の両側に配置する絶縁材の代替として用いてもよい。

熱電発電は、温度差を生じさせるために片側を冷却する。そのため、受熱板２は材質にもよるが、熱電素子の高温側温度よりも数度から数十度、場合によっては数百度程度高い温度となる。受熱板２の材料としては、そのような温度で、耐熱性や、耐久性を持つものであれば用いることができ、例えば、一般の鉄鋼材料を用いることができる。

このような熱電発電装置においては、複数配列された熱電発電モジュールにより熱源としての鋼材からの熱エネルギーを電力に変換して発電を行うが、従来は、実操業における熱源の温度分布等を考慮せずに熱電発電モジュールどうしの電気的接続を行っていたため、発電の効率は必ずしも高くなかった。すなわち、従来は、例えば図３に示すように、熱源の温度分布等にかかわらず、単に熱電発電モジュール１どうしを順に直列に電気的接続していくのみであり、出力が低い熱電発電モジュール律速となり、効率的な発電を行うことはできなかった。なお、符号８は配線、１０は熱源としての移動する鋼材である。

そこで、本実施形態では、連続鋳造後等の搬送されている鋼材を熱源として用いて熱電発電装置により発電するに際し、熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。例えば、熱源としての鋼材の温度分布に起因する熱電発電出力をモニタリングあるいは予測するか、または鋼材の温度もしくは温度分布自体をモニタリングあるいは予測して、その結果に基づいて発電出力が大きくなって効率的な発電が行えるように、複数の熱電発電モジュールの接続を調整する。すなわち、本実施形態の熱電発電装置は、熱源に応じて、複数の熱電発電モジュールを所望の直流電圧と発電出力が得られるように直列、並列に接続し、配置して構成されたものである。

予測される温度分布から、熱電発電モジュールの配置や配線を適切に行い、出力低下を抑える例について説明する。
搬送されている鋼材の搬送方向での温度変動が小さいことがわかっているため、熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしが電気的接続されるようにすることにより出力低下を抑えることができる。例えば、図４に示すように、搬送されている鋼材１０に対して、搬送方向に４個の熱電発電モジュール１が配列され、幅方向に１６個の熱電発電モジュールが配列されるように４つの熱電発電ユニット４−１、４−２、４−３、４−４を配置して熱電発電装置を構成した場合に、符号Ａ〜Ｐで示す鋼材搬送方向に沿った列ごとに熱電発電モジュール１どうしを直列接続する。符号８は熱電発電モジュールどうしを接続する配線である。

予測される温度分布から、熱電発電モジュールの配置や配線を適切に行い、出力低下を抑える他の例について説明する。
搬送される鋼材は、通常、幅方向で凸状の温度分布を有しており、そのため、幅端部における熱電発電モジュールの熱電発電出力は、幅中央部の熱電発電モジュールの熱電発電出力と比較して小さくなる。したがって、出力の低い幅端部の熱電発電モジュールを含んで熱電発電モジュールどうしを直列に接続すると、出力が低い部分が律速となって全体の発電出力が小さくなる。このため、出力が高い部分どうし、中間的な部分どうし、低い部分どうしを接続することにより出力低下を抑える。これにより、出力の低い部分が律速となって全体の発電出力が低くなることなく、平均的に効率よく発電可能となる。例えば図４の例では、幅方向両端部の列ＡとＰを接続し、順次列ＢとＯ、ＣとＮ、・・・・、ＨとＩというように鋼材１０の幅方向中央に対して対称となるように電気的接続する。この場合には、鋼材の幅方向端部側の熱電発電ユニット４−１と４−４が接続され、鋼材の幅方向中央側の熱電発電ユニット４−２と４−３が接続されることとなる。また、搬送方向の熱電発電モジュールの配列にかかわらず（例えば、熱電発電モジュールを鋼材の幅方向にのみ配列した場合）、鋼材の幅方向に配列した熱電発電モジュールについて、出力が高い部分どうし、中間的な部分どうし、低い部分どうしを接続することにより、同様の効果を得ることができる。

上記の場合も含め、一般的に、搬送している鋼材の温度分布は、幅中央に対して対称となっていることが多いため、幅中央に対して対称になるように熱電発電モジュールを電気的接続することが好ましい。

また、図５に示すように、隣接する熱電発電モジュール１の間にダイオード５を接続してもよい。これにより、一部の熱電発電モジュールが故障したような場合に、発電できなくなる事態を防止することができる。

図６は、鋼材１０の搬送方向に、熱電発電ユニットを２つ並べた例を示す。すなわち、図４の熱電発電ユニット４−１〜４−４に隣接して、熱電発電ユニット４−５〜４−８を設け、熱電発電ユニット４−１と４−５とを直列に接続し、４−２と４−６とを直列に接続し、４−３と４−７とを直列に接続し、４−４と４−８とを直列に接続して、鋼材１０の搬送方向に８個の熱電発電モジュール１を配列している。そして、電線を端子ボックスに入れることなく、熱電発電ユニットどうしで接続している。これにより熱電発電ユニット間の接続が簡略化され好ましい。

熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向および幅方向に複数配列する際においても、熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。例えば、熱源としての鋼材の温度分布に起因する熱電発電出力をモニタリングあるいは予測するか、または鋼材の温度もしくは温度分布自体をモニタリングあるいは予測して、その結果に基づいて発電出力が大きくなって効率的な発電が行えるように、複数の熱電発電ユニットの接続を調整する。

例えば、図７に示すように、温度変動の小さい鋼材１０の搬送方向に配列された熱電発電ユニット４どうしが電気的接続されるようにすることにより出力低下を抑えることができる。また、鋼板１０の幅方向の温度分布を考慮して、例えば図８に示すように、鋼材１０の搬送方向および幅方向に複数配列した熱電発電ユニットを幅方向に対称に３ゾーンに分け、幅方向中央部の第１ゾーン１０ａに存在する熱電発電ユニット４ａどうしを直列に接続し、その外側の第２ゾーン１０ｂに存在する熱電発電ユニット４ｂどうしを直列に接続し、幅方向端部の第３ゾーン１０ｃに存在する熱電発電ユニット４ｃどうしを直列に接続することにより、出力低下を抑えることができる。

また、鋼材の幅方向に温度分布が存在する場合には、幅方向の位置によって温度が異なり、最適電流も異なる。この場合には、鋼板１０の幅方向の温度の異なるゾーンに存在する熱電発電ユニットどうしを直列に接続すると、出力が低下してしまう。この場合には、鋼材の幅方向に複数のゾーンに分け、各ゾーンにおいて、複数の熱電発電ユニットを並列接続し、その際の接続する熱電発電ユニットの数をゾーンごとに調整して電流を合わせ、その上でこれらを直列接続するようにすることにより、電流値の相違による出力低下を抑制することができる。

例えば、図９に示すように、鋼材１０の搬送方向および幅方向に熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向に１２個、幅方向に１１個マトリックス状に配列し、鋼材１０を幅方向に、幅方向中央部の第１ゾーン１０ｄ、その外側の第２ゾーン１０ｅ、幅方向端部の第３ゾーン１０ｆの３ゾーンに分け、第１ゾーン１０ｄにおいて熱電発電ユニット４ｄが５列、第２ゾーン１０ｅにおいて熱電発電ユニット４ｅが２列ずつ合計４列、第３ゾーン１０ｆにおいて熱電発電ユニット４ｆが１列ずつ合計２列配置されていて、第１ゾーン１０ｄの熱電発電ユニット４ｄが２．８Ａ−６．２Ｖ、第２ゾーン１０ｅの熱電発電ユニット４ｅが２．１Ａ−４．６Ｖとする。この場合に、第１ゾーン１０ｄにおいて、熱電発電ユニット４ｄを３つずつ並列に接続して複数の第１並列接続ブロック４１を形成し、第２ゾーン１０ｅにおいて、熱電発電ユニット４ｅを４つずつ並列に接続して複数の第２並列接続ブロック４２を形成すると、電圧はそれぞれ６．２Ｖ、４．６Ｖで変わらないが、第１並列接続ブロック４１に流れる電流は２．８×３＝８．４Ａとなり、第２並列接続ブロック４２に流れる電流は２．１×４＝８．４Ａとなって両者の電流が同じになる。したがって、第１並列接続ブロック４１と第２並列接続ブロック４２とを直列に接続しても電流値の相違による出力低下は生じない。熱電発電モジュールの接続においても、同様の手法を採用することにより、出力低下を抑制することができる。

このように熱電発電ユニットの電気的接続を発電効率が高くなるように選択する際には、各熱電発電ユニットにおける熱電発電モジュールの電気的接続の態様は任意である。ただし、熱電発電ユニットにおいても、その中の熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することが好ましい。そして、上述したように、鋼材の搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしを電気的接続する態様や、熱電発電モジュールの列が鋼材の幅方向に複数配置されており、その列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続する態様、熱電発電モジュールが鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける熱電発電モジュールの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続する態様等種々の態様により出力低下を抑制することが好ましい。

熱電発電ユニットは、熱変形による熱電発電モジュールの熱接触抵抗増大に起因する出力低下を抑制するため、適正な大きさとすることが好ましい。具体的には、熱電発電ユニットの大きさを１ｍ^２以下とすることが好ましい。これにより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。より好ましくは、２．５×１０^−１ｍ^２以下である。

次に、熱電発電ユニットの冷却板の冷却手法について説明する。
上述したように熱電発電の発電出力は温度により変動するが、実際は、熱電発電モジュールの低温側と高温側の温度差が重要である。したがって、熱電発電ユニットの冷却板内の温度分布が極力小さくなるようにすることが好ましい。

冷却板は、冷却媒体流路を有し、冷却媒体流路に冷却媒体を通流させることにより冷却される構造が一般的である。また、冷却媒体としては一般的に冷却水が用いられる。この場合に、図１０に示すように、冷却板３の冷却媒体流路１１は、一方向に沿って形成され、かつ冷却媒体流路１１の方向に直交する方向中央に対して対称に、第１の流路１１ａと第２の流路１１ｂの２系統を有する。このような冷却板３を有する熱電発電ユニットは、冷却媒体流路１１の方向を鋼材の搬送方向に一致させて配置されることが好ましい。これにより、搬送方向に沿って配列された複数の熱電発電モジュールに対する冷却媒体の温度の変動を少なくすることができ、また、冷却媒体流路を１系統にした場合よりも、鋼材の幅方向の両端部間の冷却水の温度差を小さくすることができる。このため、発電効率をより高めることができる。なお、図１０では２系統の冷却媒体流路の入口を中央側にし、出口を端部側にしたが、逆でもよい。また、冷却媒体流路として２系統を対称に設けた例を示したが、これに限らず例えば４系統を対称に設けてもよい。

実際に、冷却媒体流路が１系統の場合と、２系統を対称に設けた場合とを比較した結果について説明する。図１１（ａ）は冷却媒体流路が１系統の場合、（ｂ）は２系統を対称に設けた場合である。冷却板の一方の端部に冷却媒体流路の方向に沿って熱電発電モジュールを配列した電気ラインＩと、冷却板の他方の端部に冷却媒体流路の方向に沿って熱電発電モジュールを配列した電気ラインIIとで温度差の差分を比較した。１系統の場合は冷却板の一方の端部から冷却水を入れて他方の端部に排出するものとし、２系統の場合はそれぞれ冷却板の中央部から入れて端部に排出するものとした。また、冷却水の入り口温度を２５℃とし、出口温度を３０℃とした。その結果を表１に示す。表１では、低温側の温度（Ｔｃｊ）としてグリス＋接触抵抗分の１０℃を上乗せした値を用い、高温側の温度（Ｔｈｊ）は鋼材からの距離２２０ｍｍの解析値を用いた。表１に示すように、冷却媒体流路が１系統の場合に比べ、２系統を対称に設けた場合のほうが、電気ラインＩおよび電気ラインIIの温度差（ΔＴｊ）の差分が小さい値となることが確認された。

熱電発電装置からの出力はパワーコンディショナにより制御されて所定の電圧にされるが、熱電発電モジュールの直列接続回路数は、パワーコンディショナの直流入力の上限、下限を考慮して決定すればよい。また、熱電発電モジュールの接続回路を複数の部分に分け、部分毎にパワーコンディショナを接続して複数並列運転することが好ましい。電圧が異なる複数の出力が得られているので、個別に、入力電圧を昇圧し、出力電圧をそろえればよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では搬送されている鋼材を熱源とした例について示したが、これに限るものではなく、温度変動が生じる熱源であれば有効に適用可能である。また、上記実施形態では、予め熱電発電出力または温度もしくは温度分布を実測ないし予測し、それに基づいて熱電発電モジュールの電気的接続を選択したが、これに限らず、リアルタイムに電発電出力または温度もしくは温度分布を検出して、それに基づいて自動的に熱電発電モジュールの電気的接続を選択するようにしてもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。
（第１実施例）
ここでは、熱源として搬送している鋼材を用いた。熱源の温度は幅中央温度が９５０℃、幅端温度が８５０℃である。４×４個の計１６個の熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを用い、熱電発電モジュールを幅方向に２４個、搬送方向に２４個設置されるように、熱電発電ユニットを幅方向に６個、搬送方向に６個設置して熱電発電装置を構成した。具体的には、図１２に示すように、鋼材の幅方向の熱電発電ユニットのうち、中央の２列の熱電発電ユニットＡは、全ての熱電発電モジュールが９５０℃に対応する熱電発電モジュールＡからなる。また、両端部の２列の熱電発電ユニットＣは、全ての熱電発電モジュールが８５０℃に対応する熱電発電モジュールＢからなる。さらに、中間の２列の熱電発電ユニットＢは、端部側の２列が熱電発電モジュールＢ、中央側の２列が熱電発電モジュールＡからなる。

ｃａｓｅ１は、温度分布から、鋼材の幅中央温度が９５０℃で、幅端が８５０℃で、熱電発電モジュール単体当り、熱電発電モジュールＡで６．２Ｖ−２．８Ａ、熱電発電モジュールＢで４．６Ｖ−２．１Ａを発電すると予測し、図１３に示すように、同じ電圧、電流の熱電発電モジュールどうしを電気的接続した。

ｃａｓｅ２ではｃａｓｅ１とは異なり、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、熱電発電ユニットの列を配線で接続し、搬送方向に配列されている熱電発電ユニットについて直列に接続するようにした。熱電発電ユニット内の熱電発電モジュールの接続は任意とした。

ｃａｓｅ３では、図１５に示すように、熱電発電ユニット内で配線を完結させず、搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしを直列に接続した。

ｃａｓｅ４では、図１６に示すように、搬送方向に配列されて直列に接続された熱電発電モジュールの列を幅中央から対称に配線で接続した。

ｃａｓｅ５では、図１７に示すように、搬送方向に配列されて直列に接続された熱電発電ユニットの列を幅中央から対称に配線で接続した。

比較のため、比較例であるｃａｓｅ６として、図３に示すような鋼材幅方向に熱電発電モジュールが電気的接続された熱電発電ユニットを設置した。

これらについて発電出力を比較した。比較例であるｃａｓｅ６では、熱電発電モジュールを鋼材の幅方向に直列に接続しているため、温度が低い幅方向端部における低い電流が律速となり、発電出力が７．６２ｋＷの発電となった。

これに対して、本発明例では、ｃａｓｅ１、３、４で７．７８ｋＷ、ｃａｓｅ２で７．７０ｋＷ、ｃａｓｅ５で７．７３ｋＷと、比較例であるｃａｓｅ６よりも高くなり、高い発電効率が得られることが確認された。

（第２実施例）
ここでは、熱源として搬送している鋼材（スラブ）を用い、鋼材の上方に４×４個の計１６個の熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを鋼板幅方向に６個、鋼板搬送方向に８４個、合計５０４個マトリックス状に配置した。鋼材を幅方向に中央の第１ゾーン、その外側の第２ゾーン、端部の第３ゾーンの３ゾーンに分け、各ゾーンに２列ずつ熱電発電ユニットを配列し、熱電発電ユニットの温度分布を以下のＡ、Ｂとし、熱電発電ユニットの接続を以下のｃａｓｅ１１〜１５のようにした場合について、発電量を計算した。

温度分布Ａは、図１８に示すように、中央の第１ゾーンの熱電発電ユニットで３０−２５０℃（低温部が３０℃で高温部が２５０℃、以下同じ）、第２ゾーンの熱電発電ユニットで３０−２００℃、端部の第３ゾーンの熱電発電ユニットで３０−１００℃である。このときの最適電流は、第１ゾーンで２．８Ａ、第２ゾーンで２．１Ａ、第３ゾーンで１．２Ａである。また、温度分布Ｂは、図１９に示すように、中央の第１ゾーンで３０−２５０℃、第２ゾーンで３０−１００℃、端部の第３ゾーンで３０−３５℃である。第３ゾーンの熱電発電ユニットは低温部と高温部との温度差が小さく、ほとんど発電に寄与しないため、電気的接続を行わなかった。このときの最適電流は、第１ゾーンで２．８Ａ、第２ゾーンで１．２Ａである。

また、熱電発電ユニットの接続形態に関して、ｃａｓｅ１１は、図２０に示すように、第１ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうし、第２ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうし、第３ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうしを直列に接続した場合である。

ｃａｓｅ１２は、図２１に示すように、熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向に直列に接続し、かつ全てのゾーンの熱電発電ユニットを直列に接続した場合である。

ｃａｓｅ１３は、図２２に示すように、熱電発電ユニットを鋼材の幅方向に直列に接続し、かつ全てのゾーンの熱電発電ユニットを直列に接続した場合である。

ｃａｓｅ１４は、５０４個の熱電発電ユニットを、鋼材の搬送方向に３分割し、分割した各ブロックの熱電発電ユニットをそれぞれ直列に接続した場合である。

ｃａｓｅ１５は、温度分布Ａの場合、第１ゾーンの２５０℃では最適電流が２．８Ａ、第２ゾーンの２００℃では最適電流が２．１Ａ、第３ゾーンの１００℃では最適電流が１．２Ａであることから、図２３に示すように、第１ゾーンでは熱電発電ユニットを３つずつ並列に接続して第１並列接続ブロックを５６個（２８個×２）形成し、第２ゾーンでは熱電発電ユニットを４つずつ並列に接続して第２並列接続ブロックを４２個（２１個×２）形成し、第３ゾーンでは熱電発電ユニットを７個ずつ並列に接続して第３並列接続ブロックを２４個（１２個×２）形成し、各並列接続ブロックの電流を８．４Ａに揃え、各並列接続ブロックを直列に接続した。温度分布Ｂの場合、第１ゾーンでは熱電発電ユニットを３つずつ並列に接続して第１並列接続ブロックを５６個（２８個×２）形成し、第２ゾーンでは熱電発電ユニットを７個ずつ並列に接続して第３並列接続ブロックを２４個（１２個×２）形成し、各並列接続ブロックの電流を８．４Ａに揃え、各並列接続ブロックを直列に接続した。

その結果を表２に示す。熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、温度もしくは温度分布に基づいて発電効率が高くなるように選択したｃａｓｅ１１および１５では、温度分布Ａの場合の出力が７８．８ｋＷ、温度分布Ｂの場合の出力が５２．９ｋＷとなったが、この点を考慮していないｃａｓｅ１２〜１４では温度分布Ａの場合で７３．４ｋＷ、温度分布Ｂの場合で４７．５ｋＷとなり、温度分布Ａでは７％程度、温度分布Ｂでは１０％程度の出力減となった。

なお、温度分布Ｂで、第３ゾーンの熱電発電ユニットを接続した場合には、第３ゾーンの熱電発電ユニットは単なる抵抗体（１．２Ω）となり、ｃａｓｅ１１では約４３．４ｋＷ、ｃａｓｅ１２、１３では約３５．６ｋＷと、切り離した場合よりも出力が低下した。

本発明によれば、鋼材等の熱源から発生する熱を、効率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化に貢献する。

１熱電発電モジュール
２受熱板
３冷却板
４熱電発電ユニット
５ダイオード
８配線
１０鋼材
１１冷却媒体流路
１１ａ第１の流路
１１ｂ第２の流路

Claims

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
搬送される鋼材の搬送方向に前記熱電発電モジュールが複数配列されて列をなし、前記熱電発電モジュールの列が鋼材の幅方向に複数配置され、
前記列をなす熱電発電モジュールどうしが電気的接続され、前記列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されることを特徴とする熱電発電装置。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向に配列されており、
前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする熱電発電装置。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
前記熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする熱電発電装置。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材に対峙して設けられ、前記搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
搬送される鋼材の搬送方向に前記熱電発電ユニットが複数配列されて列をなし、前記熱電発電ユニットの列が鋼材の幅方向に複数配置され、
前記列をなす熱電発電ユニットどうしが電気的接続され、前記列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されることを特徴とする熱電発電装置。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする熱電発電装置。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源である搬送される鋼材からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、
一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、
前記熱電発電ユニットが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電ユニットを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする熱電発電装置。
前記冷却板は、冷却媒体流路を有し、前記冷却媒体流路に冷却媒体を通流させることにより冷却され、前記冷却板の前記冷却媒体流路は、一方向に沿って形成され、かつ、前記冷却媒体流路の方向に直交する方向中央に対して対称に複数系統有することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。