JP6107989B2

JP6107989B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP6107989B2
Application number: JP2016038134A
Authority: JP
Inventors: 高志黒木; 壁矢　和久; 和久壁矢; 藤林　晃夫; 晃夫藤林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: JP2016165217A

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。
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が、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適用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において、操業中の熱源の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熱電発電ユニットを備える熱電発電装置を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、熱電発電ユニットの距離など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、新たな製鉄所における熱利用が可能な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．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具える熱電発電装置において、
上記熱電発電ユニットが、上記鋼材に対峙し、かつ上記鋼材の温度に応じて設置されており、
さらに、前記鋼材の温度を測定する温度計と、
予め求めた熱電発電効率のよい距離と鋼材温度との関係に基づいて、前記温度計で測定された鋼材温度に応じて前記熱電発電ユニットと前記鋼材との距離を制御する手段、とを有することを特徴とする熱電発電装置。

２．前記熱電発電ユニットを、鋼材の温度分布に応じ、高温部より低温部で近接させて設置することを特徴とする前記１に記載の熱電発電装置。

３．前記熱電発電ユニットを、鋼材の温度分布に応じ、低温部より高温部で密に設置することを特徴とする前記１または２に記載の熱電発電装置。

４．前記鋼材の両脇に、熱反射材を備えることを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。

本発明によれば、熱電発電ユニットと熱源とを、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装置の配置例を示す図である。本発明に従う熱電発電装置の他の配置例を示す図である。ａおよびｂは、本発明に従う熱反射材を備えた熱電発電装置の配置例を示す図である。本発明に従う熱電発電装置の設置例を示す図である。本発明に従う熱電発電装置の設置場所を示す図である。

以下、本発明を、具体的に説明する。
本発明に用いる熱電発電ユニット７の基本構成を図１に示す。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。また、４は絶縁材、５は熱伝導シート、６は保護板、そして、７で熱電発電ユニットを示す。
本発明に用いる熱電発電ユニット７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とからなる。

発明者らは、様々な製造プロセスから発生する熱エネルギーを回収する技術を検討してきたが、前述したように、単に、熱源に対峙して熱電発電装置を配置しただけでは、実操業における熱源の温度変動等に効果的な対応が出来ないため、効率的な熱電発電は難しい。

これに対し、本発明では、後述するように、鋼材の製造ラインの上流側に温度計を設置し、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等で、鋼材に温度変動等があった場合でも、その温度変動等に適格に対応して、熱電発電を行うことができ、結果的に、熱電発電の効率が向上する。

例えば、鋼材の温度が１１００℃の場合は、熱電発電ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、また鋼材の温度が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。

また、図２に示すように、熱電発電ユニットを、鋼材に対峙して設置すると共に、上記鋼材の温度分布に応じて設置することが好ましい。
具体的には、熱電発電ユニットを、高温部に対して低温部では近接し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大規模な連続鋳造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、鋼材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き、上掲図２に示したように、鋼材の中央部、すなわち高温部においては、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２の中央部分は、ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、端部分は距離を２５０ｍｍに制御すると、効率良く熱電発電が行える。

通常、鋼材の端部は温度が低いので、上掲図２に示したように、外側が楕円弧状に下がった形状となる。この実施形態は、熱電発電ユニットの設置箇所の横幅を狭めることができるため、特に、鋼材の上方向に設備の設置裕度があって、横方向に裕度がない場合などに、有利に用いることができる。さらに、この実施形態は、熱電発電ユニットの設置箇所の形状を、楕円の半割形状とすることができるので保温効果に優れるという特長を有し、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。
なお、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、図３に示すように、本発明における熱電発電装置は、熱電発電ユニットの設置密度を、鋼材の温度分布に応じ、低温部に対して高温部を密とすることもできる。かかる装置もまた、温度の変更があまりない大規模な連続鋳造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、上記した設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。

上記設置密度を変更した具体的な例としては、上掲図３に示したように、鋼材の中央部、すなわち高温部においては、熱電発電ユニットを密に設置し、鋼材の端部、すなわち低温部においては、幅方向の熱電発電ユニットを疎にすれば、個々の熱電発電ユニットの発電効率を、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、図３の中央部分は、ユニット中の熱電モジュールの配置を６０ｍｍ間隔とし、端部分は８０ｍｍ間隔とすると、効率良く熱電発電が行える。
なお、上記の実施形態は、ユニット中の熱電モジュール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、この実施形態は、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。

ここに、本発明に従う熱電発電ユニットの設置場所は、図２および３に示したように鋼材の上方に設けることが望ましいが、後述するように、鋼材の側面や、ローラー群の下部の隙間などに設置することもできる。

本発明における熱電発電装置は、図４ａおよびｂに示すように、鋼材の両脇に、鋼材の熱を集約する熱反射材を備えることができる。図中、８は熱反射材であり、その他の番号は、図１と同じものを意味している。また、鋼材の進行方向は、図面の奥から手前である。
かかる熱反射材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果が上がり、効率の良い熱電発電を行うことができる。また、この実施形態は、熱電発電ユニットの任意の箇所に集熱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。

例えば、図４ａに示したように、熱電発電ユニットにバランスよく熱を当てることで、熱電発電ユニットを通常配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最適化することができる。また、図４ｂに示したように、任意の箇所に集約した熱エネルギーを、熱電発電ユニットに当てることもできる。本発明形態の利点は、熱電発電ユニットの接地面積が少ない場合や、大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８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。

なお、本発明における熱反射材としては、赤外線を反射できるものであれば特に定めはないが、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。また、熱反射材８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、本発明における熱反射材の形状は、平面だけでなく曲率を持った楕円状の面など、曲面を有するものであっても構わない。

上記した実施形態は、任意に組み合わせることができる。例えば、前述したように、熱電発電ユニットの設置距離だけで最適な熱電発電効率を得ようとすると、極端に大きな曲率の楕円弧状の配置としなければならない場合などには、熱電発電ユニットの設置密度を変更する実施形態を組合せて、その曲率を緩くすることもできる。
もちろん、全ての実施形態の機能を同時に備えていても良いことは言うまでもない。

本発明では、上掲図１に示したように、上記した絶縁材４と、上記した保護板６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５を設けることができる。これらの熱伝導シート５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。

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。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３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。

本発明に従う熱電発電装置は、熱電発電ユニット17と鋼材との距離を制御できることが重要であるが、図５に示すように、鋼材の製造ラインの上流側に温度計16を設置し、この温度計の測定値に応じて、鋼材に対峙して設置された熱電発電ユニット17と鋼材との距離を制御することができる構成としても良い。なお、熱電発電ユニット17の配置は、常法に従えばよいが、例えば、図２に示した配置になるものが好ましい。
かかる構成とすることで、鋼材に、例えば、製品ロットの切り替え等で温度変動等があった場合でも、その温度変動等に適格に対応して、熱電発電を行うことができ、結果的に、熱電発電の効率が向上する。なお、図中、９は取鍋、10はタンディッシュ、11は鋳型、12はローラーエプロン、13は矯正ロール等ローラー群、14は切断テーブル、15は切断機、16は温度計、17は熱電発電ユニット、18はローラー群の脇、19はローラー群の下部の隙間である。

上記温度計は、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、上述したように、予備試験等で最も熱電発電の効率のよい距離と鋼材温度との関係を、あらかじめ求めておけば、温度計の測定値に応じて、熱電発電ユニット17と鋼材との距離を、適切に制御することができるのである。なお、熱電発電ユニット17は、鋼材の温度によっては、ローラー群の脇18、ローラー群の下部19に設置することもできる。

ここで、距離を制御する手段としては、熱電発電ユニットを上下に昇降できるものであれば特に問題はなく、パワーシリンダなどを用いることが好適である。なお、距離を制御する手段が手動であっても構わない。

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するものであるが、上記熱エネルギー源、すなわち熱源となる加熱された鋼材の具体的な例としては、前述したような連続鋳造機での熱スラブ（図５参照）などの鋼材や、図６に示す鍛接管ラインの加熱された鋼管などが挙げられるが、棒鋼、線材、軌条などの条鋼も本発明を適用するのに好適な鋼材である。それ故、本発明を設置するラインは、例えば、上記した連続鋳造ラインや条鋼などの製造ラインなどである。

〔実施例１〕
発明例１は、鋼材温度が１１００℃の場合、熱電発電ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、鋼材温度が１０００℃の場合、上記距離を６０ｍｍに、それぞれ制御した。一方、比較例１は、上記距離を２７５ｍｍに固定し、保温板を設置しなかった。
それぞれ、１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、鋼材温度が１１００℃で0.5時間、鋼材温度が１０００℃で0.5時間の熱電発電を行った。
その結果、発明例１では、５ｋＷの発電することができたのに対し、比較例１では、鋼材温度が変化した際に発電量が低下して、２ｋＷの発電量となった。

〔実施例２〕
発明例２は、図２に示したように、中央部分は、熱電発電ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、端部分はその距離を２５０ｍｍに制御した。一方、比較例２は、単純に熱電発電ユニットを平面的に配置した。
それぞれ、１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、鋼材温度が１１００℃で１時間の熱電発電を行った。
その結果、発明例２では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例２では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例３〕
発明例３は、熱電発電ユニット中の熱電モジュールの配置を、図３の中央部分で６０ｍｍ間隔とし、端部分で８０ｍｍ間隔とした。比較例３は、単純に熱電発電ユニットを平面的に配置した。
それぞれ、１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、鋼材温度が１１００℃で１時間の熱電発電を行った。
その結果、発明例３では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例３では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例４〕
発明例４は、図４ａに示したように、熱電発電ユニットを平面的に配置し、さらに熱を集約する熱反射材を配置した。比較例４は、熱反射材が無く、単純に熱電発電ユニットを平面的に配置した。
それぞれ、１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、鋼材温度が１１００℃で１時間の熱電発電を行った。
その結果、発明例４では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例４では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例５〕
発明例５は、鋼材の直上において、鋼材温度が１１００℃の場合、熱電発電ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、鋼材温度が１０００℃の場合、その距離を６０ｍｍに制御した。さらに、熱電発電ユニットの端においては、上記距離を、それぞれ、２５０ｍｍ、５０ｍｍに制御した。
１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを用い、鋼材温度が１１００℃で0.5時間、鋼材温度が１０００℃で0.5時間の熱電発電を行ったところ、発明例５では、６ｋＷの発電量を実現した。

〔実施例６〕
発明例６は、熱電発電ユニット中の熱電モジュールを中心部では６０ｍｍ間隔に配置し、端部分では８０ｍｍ間隔配置とし、さらに、鋼材温度が１１００℃の場合、ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、また鋼材温度が１０００℃の場合は、その距離を６０ｍｍに制御した。
１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを用い、鋼材温度が１１００℃で0.5時間、鋼材温度が１０００℃で0.5時間の熱電発電を行ったところ、発明例６では、６ｋＷの発電量を実現した。

〔実施例７〕
発明例７は、鋼材温度が１１００℃の場合、熱電発電ユニットと鋼材との距離を２７５ｍｍに、鋼材温度が９８０℃の場合、その距離を５０ｍｍに制御した。さらに、熱電発電ユニットの端部における上記距離を、それぞれ、２５０ｍｍ、４５ｍｍに制御した。加えて、熱電発電ユニット中の熱電モジュールを６０ｍｍ間隔に配置し、端部分は８０ｍｍ間隔に配置した。
１ｍ²の面積を有する熱電発電ユニットを用い、鋼材温度が１１００℃で0.5時間、鋼材温度が９８０℃で0.5時間の熱電発電を行ったところ、発明例７では、７ｋＷの発電量を実現した。

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熱電素子
２電極
３熱電発電モジュール
４絶縁材
５熱伝導シート
６保護板
７熱電発電ユニット
８熱反射材
９取鍋
10 タンディッシュ
11 鋳型
12 ローラーエプロン
13 矯正ロール等ローラー群
14 切断テーブル
15 切断機
16 温度計
17 熱電発電ユニット
18 ローラー群の脇（鋼材の側面）
19 ローラー群の下部の隙間

Claims

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複数具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、かつ上記鋼材の幅方向における温度に応じ、高温部より低温部で近接させて設置することを特徴とする熱電発電装置。
さらに、前記鋼材の温度を測定する温度計と、
予め求めた熱電発電効率のよい距離と鋼材温度との関係に基づいて、前記温度計で測定された鋼材温度に応じて前記熱電発電ユニットと前記鋼材との距離を制御する手段、
とを有することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記熱電発電ユニットを、鋼材の温度分布に応じ、低温部より高温部で密に設置することを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
前記鋼材の両脇に、熱反射材を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。