JP6127655B2 - 熱電発電装置および熱電発電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電素子を利用して未利用廃熱から発電する熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法に関する。

熱電モジュールを用いた熱源から熱を受けて発電する熱電発電技術を利用して工場廃熱等から電気を生み出す発電システムは、省エネルギーやＣＯ_２排出削減の観点からも未利用廃熱の活用方法として期待されている。

熱電モジュールを用いて未利用廃熱から発電する技術として、例えば特許文献１は、外側に水冷ジャケットが装備してある炉内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の断熱材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるようにしてある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的に連結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の水冷ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電モジュールの高温側と上記断熱材を非接触とすることが開示されている。特許文献１に記載の技術では、断熱材から伝熱する主として放射熱が熱電モジュールの高温側で受けられるように構成することで、水冷ジャケットを備える工業炉においてワークに加わる熱に比して炉体を通して水冷ジャケット内の冷却水に伝わる熱量が非常に大きいために無駄にしていたエネルギーを効率よく回収できる。

また、特許文献２には、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電する少なくとも１つの熱電変換モジュールを有し、１または複数の受熱部の熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、受熱面は熱源から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有するようにしたことが開示されている。特許文献２に記載の技術では、熱源から受ける熱量に応じた適切な複数の放射率を有する受熱面を備えることにより、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。受熱面と冷却面との温度差を大きくできるので、高い発電効率を達成することができる。

特開２００２−１７１７７６号公報 特許第４７５１３２２号

製鉄所での未利用熱源として、連続鋳造中の鋳片や圧延のために加熱炉で加熱した鋳片（以下、赤熱スラブともいう）が考えられる。しかし、上記特許文献１に記載の技術は、水冷ジャケットがない炉には適用できないという問題だけでなく、製鉄所の赤熱スラブ等の高温廃熱（１０００℃）に適用した場合、熱電モジュールの高温側が耐熱温度を超えて損傷するという問題があった。

また、上記赤熱スラブの温度は鋳造条件や加熱条件によって変わるとともに赤熱スラブの移動に伴って熱電モジュールの受ける熱は大きく変動することになる。しかしながら、上記特許文献２に記載の技術では、熱源温度が変動する際には発電量低下または熱電変換モジュール損傷の問題があった。具体的には、熱源の最高温度に合わせて放射率を設定すると、最高温度以下では熱電変換モジュールの高温側の温度が低下するため発電量が低下する。一方、熱源の平均温度等の最高温度以下で設計すると、設計温度以上の熱源条件では熱電変換モジュール高温側の温度が耐熱温度を超え、熱電変換モジュールが損傷するという問題があった。

一方で、熱電モジュールの高温側材質の放射率の代わりに熱伝導率や厚みを選定する手法も考えられるが、上記特許文献２の放射率を選定する場合と同様の課題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量を最大限に保つことが可能な、新規かつ改良された熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、熱電モジュールと熱源との間に設けられ、熱電モジュールが熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、熱源の温度および熱電変換素子の温度に基づいて、熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部と、を備え、熱電モジュールと開口調整部材との間には、熱源からの輻射熱による熱電モジュールの温度分布を緩和する緩衝部材が設けられることを特徴とする、熱電発電装置が提供される。

開口調整部材は、熱電モジュールの加熱面に対して所定の角度を有するように回転可能な複数の羽板が、当該羽板の回転軸に対して直交する方向に並べて配置させることで構成してもよい。このとき、開口制御部は、各羽板の角度を熱源の測定温度および熱電変換素子の測定温度に基づいて変更させる。

さらに、熱源が一方向に移動するとき、開口調整部材の各羽板は、熱源の移動方向に並べて配置され、開口制御部は、熱源の移動方向に羽板を回転させる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、熱電モジュールと熱源との間に設けられ、熱電モジュールが熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部とを備え、熱電モジュールと開口調整部材との間には、熱源からの輻射熱による熱電モジュールの温度分布を緩和する緩衝部材が設けられている熱電発電装置の熱電発電制御方法が提供される。かかる熱電発電制御方法は、熱源の温度を測定するステップと、熱電モジュールの熱電変換素子の温度を取得するステップと、熱源の温度および熱電変換素子の温度に基づいて、熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材の開口度合を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量を最大限に保つことが可能な熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置の構成を示す説明図である。 同実施形態に係る熱電発電装置の熱電モジュール、開口調整部材および緩衝部材の構成を示す概略側面図である。 開口調整部材を設けない場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度との関係を示すグラフである。 熱電モジュールの高温側板に耐火物を施工した場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度および発電量との関係を示すグラフである。 開口調整部材の羽板の開口角度θが９０°の場合と６０°の場合とについて緩衝部材の厚みを変化させたときの素子加熱面温度を示すグラフである。 緩衝部材の厚みが５ｍｍの場合と２０ｍｍの場合とについて開口角度を変化させたときの素子加熱面温度を示すグラフである。 開口調整部材の羽板の開口角度の変化に応じた熱電モジュールが受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。 同実施形態に係る熱電発電装置による熱電発電処理を示すフローチャートである。 同実施形態に係る熱電発電装置により図８の熱電発電処理を実行したときのスラブ温度と素子加熱面温度および熱電モジュールによる発電量との関係を示すグラフである。 熱電モジュール、緩衝部材および本発明の第２の実施形態に係る開口調整部材の概略構成を示す側面図である。 同実施形態に係る開口調整部材の概略構成を示す斜視図である。 開口調整部材の開口度合の変化に応じて熱電モジュールが受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
［熱電発電装置の概略構成］
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る熱電発電装置１００の構成を示す説明図である。図２は、本実施形態に係る熱電発電装置１００の熱電モジュール１１０、開口調整部材１２０および緩衝部材１３０の構成を示す概略側面図である。図３は、開口調整部材１２０を設けない場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度との関係を示すグラフである。図４は、熱電モジュール１１０の高温側板１１６に耐火物を施工した場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度および発電量との関係を示すグラフである。

本実施形態では、製鐵所の鋳片の連続鋳造設備において連続鋳造機の後に設置された赤熱スラブの保温カバーに熱電発電装置１００の熱電モジュールを設置して電力を回収する場合を説明する。なお、図１および図２においては本実施形態に係る熱電発電装置１００の熱電モジュール１１０、開口調整部１２０および緩衝部材１３０についてこれらの構成をわかりやすく説明するために、赤熱スラブ５や連続鋳造設備のロール１０に対する実際のサイズよりも誇張して図示している。

連続鋳造機からロール１０によって搬送されてきた赤熱スラブ５は、保温カバー２０により保温しながら搬送される。このとき、保温カバー２０の内部は赤熱スラブ５から輻射熱を受ける。本実施形態に係る熱電発電装置１００は、この赤熱スラブ５の輻射熱を利用して発電するものである。

熱電発電装置１００は、熱電モジュール１１０と、コントローラ１４０と、蓄電池１５０とを備える。また、本実施形態に係る熱電発電装置１００は、熱電モジュール１１０が赤熱スラブ５の輻射熱により損傷するのを防止するとともに熱電モジュール１１０による発電量を最大に維持するために、開口調整部材１２０を備えている。

熱電モジュール１１０は、異なる金属または半導体に温度差を設けると電圧が発生するゼーベック効果を利用して発電するモジュールであり、例えば図１に示すように保温カバー２０の上面内部に設けられる。熱電モジュール１１０は、熱電モジュール１１０は、図２に示すように、ゼーベック効果を利用して発電する熱電変換素子１１２と、熱電変換素子１１２の冷却面に設けられた低温側板１１４と、熱電変換素子１１２の加熱面に設けられた高温側板１１６とからなる。熱電変換素子１１２には、例えばＢｉ−Ｔｅ系の金属材料を用いることができる。低温側板１１４および高温側板１１６は、例えば銅板からなる。低温側板１１４は、冷却面を所定の温度に略一定に保持するため、例えばその内部を水冷してもよい。高温側板１１６は、赤熱スラブ５からの輻射熱に応じてその温度は変化する。熱電変換素子１１２は、低温側板１１４と接する冷却面と高温側板１１６と接する加熱面との温度差に応じて発電する。熱電変換素子１１２により発電された発電電流は、コントローラ１４０へ出力される。

また、熱電モジュール１１０には熱電変換素子１１２の温度を測定する温度計１１５が設けられている。温度計１１５は、１または複数設けられており、例えば熱電変換素子１１２の中央部に１つ設けられる。温度計１１５は、熱電変換素子１１２の温度が管理温度以下であるかを確認するために、また、開口調整部材１２０の開口調整のために設けられている。温度計１１５は、測定した温度をコントローラ１４０へ出力する。

本実施形態に係る熱電モジュール１１０には、当該熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５との間に開口調整部材１２０が設けられる。熱電モジュール１１０を高温状態で連続的に使用すると熱電変換素子１１２が損傷する可能性があることから、熱電モジュール１１０は熱電変換素子１１２の機能を維持できる管理温度以下で使用される。例えば熱電モジュール１１０にＢｉ−Ｔｅ系の熱電変換素子１１２を用いる場合、管理温度は約２００℃とされる。熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５とを直接対向させた場合（すなわち開口調整部材１２０を設けない場合）、図３に示すように、熱電変換素子１１２の最高温度はスラブの温度に応じて変化し、スラブの温度が高いほど熱電変換素子１１２の最高温度も高くなる。図３の例ではスラブの温度が８２０℃を超えると熱電変換素子１１２の最高温度が管理温度である２００℃を超えてしまい、熱電モジュール１１０が損傷する可能性がある。

一方で、熱電変換素子１１２の冷却面と加熱面との温度差が大きくなるほど発電量は大きくなるため、なるべく熱電変換素子１１２の加熱面の温度を高くするのが望ましい。例えば赤熱スラブ５の最大温度が１０００℃となった場合でも熱電変換素子１１２の最高温度が２００℃となるように発電モジュール１１０の高温側板１１６の表面側に耐火物を設けると、図４に示すように赤熱スラブ５の温度が１０００℃であるときの熱電変換素子１１２の最高温度を管理温度（２００℃）以下とすることができるため、熱電変換素子１１２の損傷を防止することができる。しかし、赤熱スラブ５の温度が１０００℃より低くなると熱電モジュール１１０の発電量は低下してしまう。

そこで、本実施形態に係る熱電発電装置１００では、開口調整部材１２０を熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５との間に設けることで、赤熱スラブ５の温度が変化しても熱電変換素子１１２の温度を管理温度以下に維持しつつ発電量を最大にする。

開口調整部材１２０は、図２に示すように複数の羽板１２２から構成されている。各羽板１２２は、例えばステンレス鋼からなる板状部材であり、その一端は赤熱スラブ５の幅方向（ｙ方向）に延びる回転軸１２４に回転可能にそれぞれ支持されている。各回転軸１２４の両端は、後述する緩衝部材１３０に固定された支持部１２６によって支持されている。赤熱スラブ５の搬送方向（ｘ方向）に並ぶ各羽板１２２は、１つの連結部材１２８によって連結されている。連結部材１２８は、例えばステンレス鋼からなるワイヤであって、各羽板１２２の回転軸１２４に支持されている端部と対向する端部中央部分を連結する。連結部材１２８を赤熱スラブ５の搬送方向（ｘ方向）に移動させることで、当該連結部材１２８に連結された各羽板１２２を同時に回転させ、所望の開口角度（θ）となるように各羽板１２２を傾斜させることができる。このような開口調整部材１２０を設けることにより、熱電モジュール１１０が赤熱スラブ５側に露出する開口度合が調整可能となる。

緩衝部材１３０は、熱電モジュール１１０と開口調整部材１２０との間に設けられ、熱電モジュール１１０の急激な温度上昇を緩和する。緩衝部材１３０は、赤熱スラブ５からの輻射熱が熱電モジュール１１０に到達するまでにその熱を緩衝部材１３０内で拡散させて、熱電変換素子１１２の加熱面での温度分布を緩和する。緩衝部材１３０は、熱源に応じて最高温度を管理温度以下とするように熱伝導率や厚みを考慮して選定される。さらに腐食や割れに強いこと、低コストであること等も考慮してもよい。これらを勘案すると、緩衝部材１３０には例えば鉄板を用いるのがよい。また、赤熱スラブ５からの輻射熱を熱電モジュール１１０側へ伝達するため、緩衝部材１３０と熱電モジュール１１０の高温側板１１６との間に高熱伝導性グリースを塗布してもよい。

緩衝部材１３０の厚さｄは、熱電モジュール１１０の熱電変換素子１１２の最高温度に対しての影響は小さいため、任意に設定することができる。図５および図６に、緩衝部材１３０の厚さｄを変化させたときの熱電変換素子１１２の加熱面の最高温度（以下、「素子加熱面温度」ともいう。）との関係を示す。ここで、スラブ温度は９８０〜１０００℃、熱電モジュールのサイズは幅１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍとする。また、開口調整部材１２０の羽板１１２にはステンレス鋼からなる板厚１ｍｍ、長さ３０ｍｍ、幅１５０ｍｍの板を９枚用いた。開口角度（θ）は、羽板１２２の平面と当該羽板１２２が固定されている緩衝部材１３０の下面とがなす角度を表している（図７参照）。

図５では、開口調整部材１２０の羽板１２２の開口角度θが９０°の場合と６０°の場合とについて緩衝部材１３０の厚みｄを変化させたときの素子加熱面温度を示す。図５より、開口角度θが９０°、６０°いずれの場合も、緩衝部材１３０が設けられていない場合（すなわち、緩衝部材１３０の厚みｄが０ｍｍのとき）と比較して緩衝部材１３０を設けた場合には素子加熱面温度は格段に下がることがわかる。また、緩衝部材１３０が設けられていればその厚みｄを変化させても略一定の値となる。図６では、緩衝部材１３０の厚みｄが５ｍｍの場合と２０ｍｍの場合とについて開口角度θを変化させたときの素子加熱面温度を示す。図６より、緩衝部材１３０の厚みが５ｍｍ、２０ｍｍいずれの場合も、素子加熱面温度はほぼ同じ温度で、開口角度θが全開状態である９０°に近くなるほど高くなることがわかる。これより、緩衝部材１３０は厚みｄを変化させても素子加熱面温度に大きく影響しないといえる。

なお、緩衝部材１３０は必ずしも設けなくともよい。本実施形態の緩衝部材１３０には開口調整部材１２０が固定されているが、緩衝部材１３０を設けない場合には、開口調整部材１２０を熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５との間に設置するために金網等の別の部材を設ける等の対応が必要となる。

コントローラ１４０は、熱電モジュールから得られる電圧の管理および開口調整部材１２０の開口調整を行う制御部である。コントローラ１４０は、熱電モジュール管理部１４２と、温度取得部１４４と、開口制御部１４６とからなる。

熱電モジュール管理部１４２は、熱電モジュールから得られる電圧を管理する。熱電モジュール管理部１４２は、熱電モジュール１１０から発電電流を受けて蓄電池１５０に蓄電するために電圧調整し、蓄電池１５０に蓄電する。このとき熱電モジュール管理部１４２は熱電モジュール１１０により発電された電力を記憶部（図示せず。）に記録してもよい。

温度取得部１４４は、温度計１１５により測定された熱電モジュール１１０の熱電変換素子１２２の温度を取得する。熱電モジュール１１０には熱電変換素子１２２の温度を測定する温度計１１５が１または複数設けられている。温度取得部１４４は、取得した温度のうち最も高い温度を熱電変換素子１１２の最高温度として開口制御部１４６へ出力する。

開口制御部１４６は、温度取得部１４４より取得した熱電変換素子１１２の最高温度に基づいて、開口調整部材１２０の開口度合を制御する。開口制御部１４６は、赤熱スラブ５の輻射熱により熱電モジュール１１０が管理温度を超える高温状態となって連続的に使用されると熱電変換素子１１２が損傷する恐れがあることから、開口調整部材１２０の羽板１２２を回転させて熱電モジュール１１０が受ける輻射熱を調整し、熱電モジュール１１０が管理温度を超えないようにする。本実施形態において開口調整部材１２０の開口度合は、羽板１２２の開口角度で表すことができる。

図７は、開口調整部材１２０の羽板１２２の開口角度θの変化に応じた熱電モジュール１１０が受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。開口調整部材１２０の羽板１２２は搬送方向（ｘ方向）に連結部材１２８を当該方向へ移動させることで、当該連結部材１２８に連結された各羽板１２２を同期させて回転軸１２４周りに約１８０°回転させることができる。開口調整部材１２０の開口度合は、図７に示すように、全開、全閉、およびこれらの中間の３つの状態に大別される。ここで、羽板１２２の平面と当該羽板１２２が固定されている緩衝部材１３０の下面とがなす角度を開口角度θとすると、開口角度θは０°〜１８０°の値を取り得る。また、緩衝部材１３０を平面視した際に搬送方向（ｘ方向）において隣接する羽板１２２間で当該羽板１２２が存在しない部分、すなわち羽板１２２によって覆われない部分を開口長さＬとする。

まず、全開状態では開口角度θは９０°となる。このとき、開口長さＬは最大であり、熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５との間には緩衝部材１３０がほぼあるのみであるため、熱電モジュール１１０は開口調整部材１２０の下方にある赤熱スラブ５からの輻射熱を最も受けやすい。一方、全閉状態では、開口角度θは約０°または約１８０°となる。このとき、開口長さＬはほぼゼロとなり、赤熱スラブ５からの輻射熱は羽板１２２によって緩和され熱電モジュール１１０に到達するので、開口調整部材１２０はその下方にある赤熱スラブ５からの輻射熱を最も受けにくい状態となる。なお、本実施形態において全閉状態は連結部材１２８を搬送方向に最大限移動させて各羽板１２２を寝かせた状態をいう。このとき僅かに開口部分が存在しても熱電モジュール１１０に急激な温度変化を与えるものでない。

そして、中間状態では、開口角度θは全閉状態の角度（約０°）から全開状態（９０°）までの間の角度、および全開状態（９０°）から全閉状態の角度（約１８０°）までの間の角度を取り得る。このとき、開口長さＬは開口角度θに応じて変化するが、全開状態より小さく全閉状態より大きい値となる。開口長さＬが大きいほど、すなわち開口角度θが全開状態の角度に近いほど、輻射熱を通過させる領域は全開状態に近くなり、熱電モジュール１１０が受ける輻射熱は多くなる。一方、開口長さＬが小さいほど、すなわち開口角度θが全閉状態の角度に近いほど、輻射熱を通過させる領域は全閉状態に近く、熱電モジュール１１０が受ける輻射熱は少なくなる。

このように、開口角度θに応じて赤熱スラブ５からの輻射熱を通過させる領域は変化する。開口制御部１４６は、熱電変換素子１１２の最高温度に基づいて開口調整部材１２０の羽板１２２の開口角度θを変化させて、熱電変換素子１１２が管理温度以上とならないように制御する。開口制御部１４６による開口調整部材１２０の制御方法については以下で説明する。

［熱電発電装置の開口調整］
図８に、本実施形態に係る熱電発電装置１００による熱電発電処理の流れを示す。図８に示すように、熱電発電処理が開始されると、赤熱スラブ５の輻射熱を受けて熱電モジュール１１０による発電処理が実行される（Ｓ１０２）。発電処理は、熱電モジュール１１０の低温側板１１４と接する冷却面と高温側板１１６と接する加熱面との温度差に応じて発電する。熱電変換素子１１２により発電された発電電流は、コントローラ１４０の熱電モジュール管理部１４２へ出力され、蓄電池１５０に蓄電される。

一方、ステップＳ１０２の発電処理が実行されると、当該処理と並行して開口調整部材１４０の開口度合の調整が行われる。まず、熱電モジュール１１０の下方を通過するスラブ５の温度が取得される（Ｓ１１２）。スラブ５の温度は、例えば保温カバー２０内部の、熱電モジュール１１０に対してスラブ搬送方向上流側に備えられた温度計により測定される。当該スラブ５の温度を受けて、開口制御部１４６による開口調整部材１２０の開口度合の調整制御が行われる（Ｓ１１４）。開口制御部１４４は、予め取得された図３に示すような開口調整部材１２０がない場合におけるスラブ温度と素子加熱面温度との関係に基づいて、熱電モジュール１１０の熱電変換素子１１２の素子加熱面温度が管理温度を超えないように開口調整部材１２０の開口度合、すなわち開口角度θを変化させる。

例えば、ステップＳ１１２で測定されたスラブ５の温度が９００℃であり、管理温度が２００℃であるとき、開口調整部材１２０がない場合には素子加熱面温度が管理温度を超えることになる。このとき開口制御部１４６は、素子加熱面温度が管理温度を超えないように開口調整部材１２０の羽板１２２の開口角度θを全開状態から全閉状態となるように、連結部材１２８を操作して羽板１２２の開口角度θを変更する。このとき、開口制御部１４６は、羽板１２２の傾斜方向がスラブ５の移動方向となるように羽板１２２を回転させて開口角度θを変更するのがよい。このように羽板１２２の向きを調整することで、羽板１２２の傾斜方向をスラブ５の移動方向と反対とする場合よりも、熱源であるスラブ５からの輻射熱をより多く受けることができる。

その後、開口制御部１４６は温度取得部１４４より熱電変換素子１１２の加熱面の最高温度を取得し、熱電モジュール１１０の温度（素子加熱面温度）が管理温度を超えていないか否かを確認する（Ｓ１１６）。そして、ステップＳ１１４の処理に戻り、ステップＳ１１６の確認結果から開口調整部材１２０をフィードバック制御する。ステップＳ１１６での確認結果より素子加熱面温度が管理温度より高い場合には、現在の羽板１２２の開口角度θをさらに全閉状態に近づけるように変更する。一方、素子加熱面温度が管理温度より低い場合には、素子加熱面温度が管理温度に近づくように、現在の羽板１２２の開口角度θを全開状態に近づけるように変更する。また、素子加熱面温度が管理温度であるとき、または管理温度とほぼ同一とみなせる所定の温度の範囲内であれば、熱電モジュール１１０が損傷しない状態で最大限に発電を行っている状態である。この場合には、現在の開口角度θを維持する。

ステップＳ１１４およびＳ１１６の処理は、発電を終了する指示を受けるまで継続される（Ｓ１１８）。ステップＳ１１６にて熱電モジュール１１０の温度を確認した後、コントローラ１４０に発電終了指示が入力されれば、ステップＳ１０２で開始した熱電モジュール１１０による発電処理が終了され（Ｓ１０４）、発電熱電処理が終了される。発電終了指示を受けるまでは、ステップＳ１１２〜Ｓ１１８の処理が繰り返し行われる。

［実施例］
図９に、本実施形態に係る熱電発電装置１００により図８の熱電発電処理を実行したときのスラブ温度と素子加熱面温度および熱電モジュール１１０による発電量との関係を示す。図９より、スラブ５の温度が変化しても、素子加熱面温度は管理温度（２００℃）以下で、かつほぼ管理温度付近で維持されていることがわかる。そして、素子加熱面温度がほぼ管理温度付近に維持されていることで、熱電モジュール１１０による発電量も安定して約０．２４Ｗ／ｃｍ^２に維持されている。この発電量は、図４に示した開口調整部材１２０を設けず、熱電変換素子保護のために緩衝材として耐火物を施工した場合のスラブ温度が１０００℃のときの発電量にあたる。このように、本実施形態に係る熱電発電装置１００による熱電発電処理によって１０００℃より低い温度においても高い発電量を維持できることがわかる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、図１０〜図１２に基づいて、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電装置に設けられる開口調整部材２２０の構成について説明する。本実施形態に係る熱電発電装置は図１に示す第１の実施形態に係る熱電発電装置１００の開口調整部材１２０を図１０〜図１２に示す開口調整部材２２０に変更したものであり、その他の構成および機能は第１の実施形態と同様である。以下では、主として本実施形態に係る開口調整部材２２０の構成について説明する。なお、図１０は、熱電モジュール１１０、緩衝部材１３０および本実施形態に係る開口調整部材２２０の概略構成を示す側面図である。図１１は、本実施形態に係る開口調整部材２２０の概略構成を示す斜視図である。図１２は、開口調整部材２２０の開口度合の変化に応じて熱電モジュール１１０が受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。

本実施形態に係る開口調整部材２２０は、第１の実施形態の開口調整部材１２０と同様、緩衝部材１３０を介して熱電モジュール１１０の高温側板１１６側に設けられている。開口調整部材２２０は、複数の格子を高さ方向（ｚ方向）に積層して形成されており、例えば図１１に示すように、３枚の格子２２２、２２４、２２６からなる。開口調整部材２２０の各格子２２２、２２４、２２６は、熱電変換素子１１２の加熱面の最高温度を管理温度以下とするために、輻射率や開口率を考慮して選定される。さらに、腐食や割れを防止すること、コストを勘案してもよい。これらを考慮すると、開口調整部材２２０は鉄板等で形成するのが好ましい。格子としては、例えば格子幅１．５ｍｍ、開口幅１．５ｍｍ、格子厚み１ｍｍの鉄格子を用いることができる。

このような開口調整部材２２０では、図１２に示すように、各格子の位置をずらすことで、開口調整部材２２０の開口度合を調整する。開口調整部材２２０の開口度合も、全開、全閉、およびこれらの中間の３つの状態に大別される。ここで、搬送方向（ｘ方向）において格子２２２、２２４、２２６が存在しない部分、すなわちいずれの格子２２２、２２４、２２６の格子幅部分によっても覆われない部分を開口長さＬとする。

まず、全開状態では格子２２２、２２４、２２６はずれることなく積層されている。このとき、開口長さＬは最大であり、熱電モジュール１１０と赤熱スラブ５との間には緩衝部材１３０がほぼあるのみであるため、熱電モジュール１１０は開口調整部材２２０の下方にある赤熱スラブ５からの輻射熱を最も受けやすい。一方、全閉状態では、いずれかの格子２２２、２２４、２２６の格子幅部分によって熱電モジュール１１０が覆われるように、各格子２２２、２２４、２２６はずらして配置される。このとき、開口長さＬはほぼゼロとなり、赤熱スラブ５からの輻射熱は羽板１２２によって緩和され熱電モジュール１１０に到達するので、開口調整部材１２０はその下方にある赤熱スラブ５からの輻射熱を最も受けにくい状態となる。なお、このとき僅かに開口部分が存在しても熱電モジュール１１０に急激な温度変化を与えるものでない。

そして、中間状態では、格子２２２、２２４、２２６は少なくともいずれか１つが全開状態からずらして配置される。開口長さＬは各格子２２２、２２４、２２６はの位置に応じて変化するが、全開状態より小さく全閉状態より大きい値となる。開口長さＬが大きいほど輻射熱を通過させる領域は全開状態に近くなり、熱電モジュール１１０が受ける輻射熱は多くなる。一方、開口長さＬが小さいほど輻射熱を通過させる領域は全閉状態に近く、熱電モジュール１１０が受ける輻射熱は少なくなる。

このように、各格子２２２、２２４、２２６をずらすことで開口調整部材２２０の開口度合を変化させることで、熱電モジュール１１０が受ける輻射熱を調整することができる。コントローラ１４０は、図８に示した熱電発電処理に基づき開口調整部材２２０の開口度合を調整することで、熱電変換素子１１２が管理温度以上とならないように、かつ管理温度付近に維持するよう制御することができる。これにより、第１の実施形態と同様、熱電モジュール１１０の損傷を防止することができるとともに、熱電モジュール１１０による発電量を最大限にすることができる。

なお、本実施形態に係る開口調整部材２２０を構成する格子は３枚であったが、本発明はかかる例に限定されず、開口調整部材２２０を構成する格子の数、格子幅、開口面積、格子厚み等は適宜設定することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００ 熱電発電装置
１１０ 熱電モジュール
１２０、２２０ 開口調整部材
１３０ 緩衝部材
１４０ コントローラ
１４２ 熱電モジュール管理部
１４４ 温度取得部
１４６ 開口制御部
１５０ 蓄電池
２２２、２２４、２２６ 格子

Claims (4)

1. 冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、
   前記熱電モジュールと熱源との間に設けられ、前記熱電モジュールが前記熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、
   前記熱源の温度および前記熱電変換素子の温度に基づいて、前記熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように前記開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部と、
   を備え、
   前記熱電モジュールと前記開口調整部材との間には、前記熱源からの輻射熱による前記熱電モジュールの温度分布を緩和する緩衝部材が設けられることを特徴とする、熱電発電装置。
2. 前記開口調整部材は、前記熱電モジュールの加熱面に対して所定の角度を有するように回転可能な複数の羽板が、当該羽板の回転軸に対して直交する方向に並べて配置されてなり、
   前記開口制御部は、前記各羽板の角度を前記熱源の測定温度および前記熱電変換素子の測定温度に基づいて変更させることを特徴とする、請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記熱源が一方向に移動するとき、
   前記開口調整部材の各羽板は、前記熱源の移動方向に並べて配置され、
   前記開口制御部は、前記熱源の移動方向に前記羽板を回転させることを特徴とする、請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、前記熱電モジュールと熱源との間に設けられ、前記熱電モジュールが前記熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、前記開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部とを備え、前記熱電モジュールと前記開口調整部材との間には、前記熱源からの輻射熱による前記熱電モジュールの温度分布を緩和する緩衝部材が設けられている熱電発電装置の熱電発電制御方法であって、
   前記熱源の温度を測定するステップと、
   前記熱電モジュールの前記熱電変換素子の温度を取得するステップと、
   前記熱源の温度および前記熱電変換素子の温度に基づいて、前記熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように前記開口調整部材の開口度合を制御するステップと、
   を含むことを特徴とする、熱電発電制御方法。
   

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