JP6223664B2

JP6223664B2 - 給電線からの熱電式発電

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Publication number: JP6223664B2
Application number: JP2012164284A
Authority: JP
Inventors: リジュンガオ，; シェンイーリウ，; ジョンエム．フィフィールド，
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: JP2013027312A; CN102904487B; EP2551931B1; EP2551931A2; EP2551931A3; CN102904487A; US20130025644A1; US9590159B2

Description

本開示は、一般に熱電式発電に関する。

配電システム内の給電線は、オーム加熱によりかなりの熱を発生することがある。発生される熱は望ましくないことがある。例えば、給電線の抵抗率は温度とともに増加し、給電線の温度が増加するにつれて給電線の動作効率を低下させることがある。発生される熱は、他の機器または構造にも悪影響を及ぼすことがある。電源システムが、閉じられた空間内に設置されている場合、冷却システムを設け、給電線によって発生される熱を除去することができる。冷却システムを動作することは電力を消費し、これは、給電線を使用するシステムの全体的なエネルギー効率を低下させることがある。

熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスを使用し、電力ケーブルから発生される熱から電気を発生させる装置、方法およびシステムが開示される。ＴＥＧデバイスは、電力ケーブルの外側表面に近接して配置することができる。電力ケーブルと周囲の環境との間の温度差は、（例えばゼーベック効果により）ＴＥＧデバイスに電気を発生させる。ＴＥＧデバイスは熱を電気に変換し、これは結果として電力ケーブルのいくらかの冷却を生じる。

電力ケーブルは、異なった周囲環境および異なった周囲温度を有する複数の区域を通過することがある。給電ケーブルと異なった周囲温度との間の温度差は、異なった区域内では異なることがある。ＴＥＧデバイスの出力電圧レベルは、ＴＥＧデバイスの両端の温度差に関係することがある。したがって、異なった区域内のＴＥＧデバイスは、異なった電圧レベルの電気を出力することがある。異なった電圧レベルの電気を共通バスに発生する連結ＴＥＧデバイスは、結果としていくらかの電力を喪失することがある。本開示の実施形態は、異なったＴＥＧデバイスまたはＴＥＧデバイスのグループによって発生される電気の電圧および電流を監視し、ＴＥＧデバイスに結合された電力変換器を制御し、各々のＴＥＧデバイスまたはＴＥＧデバイスのグループをそれらの最大電力点で動作させることができ、また、ＴＥＧデバイスから受けた電気を共通電圧に変換することができる。

特定の実施形態では、装置は複数の熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスを含んでいる。ＴＥＧデバイスの各々は、電力ケーブルの外側表面と熱連通する配置となるように構成された第１表面と、電力ケーブルの周囲環境に近接して（例えば、電力ケーブルより周囲環境に近くに）配置されるように構成された第２表面とを有する。装置は、ＴＥＧデバイスに電気的に結合された端子の組も含んでいる。第１表面と第２表面との間で温度差が存在する場合、ＴＥＧデバイスは、熱を端子の組に現れる電気に変換する。装置は、電力ケーブルの外側表面に実質的に一致するように変形可能な熱伝導性ジャケットを含むことができる。装置は、電力ケーブルから離れて延びる１つまたは複数のヒートシンク突起をさらに含むこともできる。

他の特定の実施形態では、方法は、電力ケーブルの第１部分と熱連通し、かつ、電力ケーブルの第１部分が通過する第１周囲環境と熱連通する、第１熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスから第１電力を受ける工程を含んでいる。電力ケーブルの第１部分を通過する電流は、結果として、電力ケーブルの第１部分と第１周囲環境との間に第１温度差を生じることがある。第１電力は、第１最大電力点追跡デバイスによって制御することができる第１電圧で発生される。方法は、電力ケーブルの第２部分と熱連通し、かつ、電力ケーブルの第２部分が通過する第２周囲環境と熱連通する第２ＴＥＧデバイスから第２電力を受ける工程も含んでいる。電力ケーブルの第２部分を通過する電流は、結果として、電力ケーブルの第２部分と第２周囲環境との間に第２温度差を生じることがある。第２電力は、第２最大電力点追跡デバイスによって制御することができる第２電圧で発生される。方法は、第１電圧および第２電圧を第３電圧に調節する工程も含んでいる。

さらに他の特定の実施形態では、システムは、発電システムによって発生される電力を複数の区域を経て伝達するように構成された給電ケーブルを含んでいる。給電ケーブルは、複数の区域の各々の異なった周囲環境に曝露させることができる。システムは、複数の区域の第１区域内の給電ケーブルの表面に沿って配置された第１熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスを含むこともできる。第１ＴＥＧデバイスは、第１区域内の給電ケーブルと第１周囲環境との間の第１温度差に基づいて電力を発生するように構成されている。システムは、第１ＴＥＧデバイスの第１動作電圧を、第１温度差で第１ＴＥＧデバイスの最大電力点電圧に近く、またはその値となるように制御する第１最大電力点追跡デバイスを含むこともできる。システムは、複数の区域の第２区域内の給電ケーブルの表面に沿って配置された第２ＴＥＧデバイスを含むこともできる。第２ＴＥＧデバイスは、第２区域内の給電ケーブルと第２周囲環境との間の第２温度差に基づいて電力を発生するように構成されている。システムは、第２ＴＥＧデバイスの第２動作電圧を、第２温度差で第２ＴＥＧデバイスの最大電力点電圧に近く、またはその値となるように制御する第２最大電力点追跡デバイスを含むこともできる。システムは、第１動作電圧を第３電圧に変換する第１電力変換デバイスと、第２動作電圧を第３電圧に変換する第２電力変換デバイスとを含むこともできる。

説明される特徴、機能および利点は、種々の実施形態で独立して達成することができ、または、さらに他の実施形態で結合することができ、それらのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して開示される。

電力ケーブルの周囲に配置された熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスの特定の実施形態の図である。ケーブルの外側表面と周囲環境との間に配置された複数のＴＥＧデバイスを有する電力ケーブルの横断面図である。構造の複数の異なる周囲環境を経て延在する電力ケーブルを有する構造の斜視図である。異なった温度差で動作する２つの異なったＴＥＧデバイスの電力生産特性のグラフである。ＴＥＧデバイスからの電力生産を管理する方法の特定の実施形態の流れ図である。

図１は、電力ケーブル１１０に近接して配置された熱電式発電（ＴＥＧ）デバイス１１３〜１１８を含むシステム１００の図である。ＴＥＧデバイス１１３〜１１８の各々は、複数の正型ドープ−負型ドープ（Ｐ−Ｎ）熱電ペレット対を含むことができる。複数のＰ−Ｎ熱電ペレット対は、ジャケット（図１には示さず）内に収容し、ＴＥＧデバイス１１３〜１１８の１つを形成することができる。

電力ケーブル１１０は、第１周囲環境１１９および第２周囲環境１２９のような異なった周囲環境を通過することができる。例えば、電力ケーブル１１０は、電力を電力源（例えば発電システム）から構造内の異なった負荷に伝達することができる。この例では、異なった周囲環境は、異なった環境状態に暴露される構造の複数の区域に対応することができる。周囲環境の各々は、異なった周囲温度を有することができる。電力ケーブル１１０の温度は、周囲環境１１９、１２９の各々を通じてほとんど一定であってもよく、周囲環境の各々で異なってもよい。

ＴＥＧデバイス１１３〜１１５を含むＴＥＧデバイスの第１組１１２は、第１周囲環境１１９に関係してもよく（例えば、第１周囲環境１１９内に置かれてもよく）、ＴＥＧデバイス１１６〜１１８を含むＴＥＧデバイスの第２組１２２は、第２周囲環境１２９に関係してもよい（例えば、第２周囲環境１２９内に置かれてもよい）。ＴＥＧデバイスの組１１２、１２２の各々は、電力ケーブル１１０と、ＴＥＧデバイスの組が関係する周囲環境１１９、１２９との間の温度差に基づいて電気を発生することができる。ＴＥＧデバイスの組１１２、１２２の各々によって経験される温度差は異なることがあるため、ＴＥＧデバイスの組１１２、１２２の各々によって発生される電気の特性は異なることがある。例えば、ＴＥＧデバイス１１３〜１１８は、異なった温度差に応じて異なった電圧レベルで電気を発生することがある。

ＴＥＧデバイスの第１組１１２のＴＥＧデバイス１１３〜１１５は、互いに、および、第１端子１３１に（並列に、直列に、または、アレイ構成で）電気的に相互接続することができる。ＴＥＧデバイスの第１組１１２は、第１端子１３１を経て第１電力変換デバイス１３０に結合することができる。第１電力変換デバイス１３０は、第１端子１３１を経てＴＥＧデバイスの第１組１１２のＴＥＧデバイス１１３〜１１５から電気を受けることができ、この電気を、第３端子１３８を経てバス１５０に供給する前に処理（変圧、または別の変換）することができる。

第１最大電力点（ＭＰＰ）追跡デバイス１３２は、第１制御入力１６０を経て第１電力変換デバイス１３０を制御することができる。ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、第１電力変換デバイス１３０に、ＴＥＧデバイスの第１組１１２を、第１温度差でのＴＥＧデバイスの第１組１１２のＭＰＰ電圧である、またはこれに近い第１動作電圧で動作させることができる。ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、第１温度差での（図４を参照して説明するような）ＴＥＧデバイスの第１組１１２の最大電力点を決定することができる。例えば、第１ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、山登り法プロセスのようなＭＰＰ追跡プロセスを実施することができる。他の例では、ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、ＴＥＧデバイスの第１組１１２のＭＰＰを、ＴＥＧデバイスの第１組１１２の出力電流または電圧と、ＴＥＧデバイスの第１組１１２による電力出力との間の既知の関係に基づいて決定することができる。ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、検知線１６４を経て端子１３１の電圧出力を検知することができ、検知線１６２を経て端子１３１の電流出力を検知することができる。特定の実施形態では、第１ＭＰＰ追跡デバイス１３２は、第１電力変換デバイス１３０に、端子１３１に適用される有効抵抗を調節させ、ＴＥＧデバイスの第１組１１２に、ＴＥＧデバイスの第１組１１２のＭＰＰ電圧の、またはこれに近い電圧の電気を発生させる。

ＴＥＧデバイスの第２組１２２のＴＥＧデバイス１１６〜１１８は、互いに、および、第２端子１４１に（並列に、直列に、または、アレイ構成で）電気的に相互接続することができる。ＴＥＧデバイスの第２組１２２は、第２端子１４１を経て第２電力変換デバイス１４０に結合することができる。第２電力変換デバイス１４０は、第２端子１４１を経てＴＥＧデバイスの第２組１２２のＴＥＧデバイス１１６〜１１８から電気を受けることができ、この電気を、第４端子１４８を経てバス１５０に供給する前に処理することができる。

第２ＭＰＰ追跡デバイス１４２は、第２制御入力１７０を経て第２電力変換デバイス１４０を制御することができる。第２ＭＰＰ追跡デバイス１４２は、第２電力変換デバイス１４０に、ＴＥＧデバイスの第２組１２２を、第２温度差でのＴＥＧデバイスの第２組１２２のＭＰＰ電圧である、またはこれに近い第２動作電圧で動作させることができる。第２ＭＰＰ追跡デバイス１４２は、第２温度差での（図４を参照して説明するような）ＴＥＧデバイスの第２組１２２の最大電力点電圧を決定することができる。ＴＥＧデバイスの第２組１２２の最大電力点電圧は、ＴＥＧデバイス１１６〜１１８に対するＴＥＧデバイス１１３〜１１５の設計または構成の違いか、第１温度差と第２温度差との違いか、またはその両方により、ＴＥＧデバイスの第１組１１２の最大電力点電圧と異なることがある。

第２ＭＰＰ追跡デバイス１４２は、山登り法プロセスのようなＭＰＰ追跡プロセスを実施することができ、または、ＴＥＧデバイスの第２組１２２のＭＰＰを、ＴＥＧデバイスの第２組１２２の出力電流または電圧と、ＴＥＧデバイスの第２組１２２による電力出力との間の既知の関係に基づいて決定することができる。第２ＭＰＰ追跡デバイス１４２は、検知線１７４を経て端子１４１の電圧出力を検知することができ、検知線１７２を経て端子１４１の電流出力を検知することができる。ＭＰＰ追跡デバイス１３２、１４２は、ＴＥＧデバイスの異なった組１１２、１２２の動作電圧を独立して制御することができる。このように、電力変換デバイス１３０および１４０に供給される電力は、異なった電圧レベルであってもよい。

特定の実施形態では、ＴＥＧデバイスの組１１２、１２２の各々をそのＭＰＰ電圧で、またはそれに近い電圧で独立に動作させることができるとしても、電力変換デバイス１３０、１４０は、電力変換動作を実施し、バス１５０に供給される電圧を調和させることができる。例えば、第１電力変換デバイス１３０は、ＴＥＧデバイスの第１組１１２から受けた電気を、ＴＥＧデバイスの第２組１２２の第２動作電圧と実質的に等しい電圧レベルとなるように変換することができる。他の例では、第１電力変換デバイス１３０は、ＴＥＧデバイスの第１組１１２から受けた電気を、共通バス電圧レベルに変換することができ、第２電力変換デバイス１４０も、ＴＥＧデバイスの第２組１２２から受けた電気を、共通バス電圧レベルに変換することができる。一具体例では、バス１５０は、固定電圧で動作することができ、電力変換デバイス１３０、１４０は、ＴＥＧデバイス１１３〜１１８によって発生された電気と、バス１５０の固定電圧の出力電気とを受けることができる。

図２は、電力ケーブル２１０と、電力ケーブル２１０と周囲環境２３０との間の複数の熱電式発電（ＴＥＧ）デバイス２２０とを含むシステム２００の特定の実施形態の横断面図である。システム２００は、図１のシステム１００の一部の横断面であってもよい。ＴＥＧデバイス２２０の各々は、熱を電気に変換するように構成された１つまたは複数の正型ドープ−負型ドープ（Ｐ−Ｎ）熱電ペレット対を含むことができる。ＴＥＧデバイス２２０の各々は、電力ケーブル２１０の外側表面２１２と熱連通する配置となるように構成された第１表面と、周囲環境２３０に近接して（例えば、電力ケーブル２１０より周囲環境２３０に近くに）配置されるように構成された第２表面とを有することができる。電力ケーブル２１０と周囲環境２３０との間に温度差が存在することがある。例えば、電力ケーブル２１０は、電力ケーブル２１０内の電流の結果としての電力ケーブル２１０のオーム（すなわち抵抗）加熱により、周囲環境より温度が高いことがある。ＴＥＧデバイス２２０は、異なった温度差によって駆動され、熱を電気に変換することができる。

ＴＥＧデバイス２２０は、ジャケット２４０のような、スリーブまたは他の包含デバイス内に配置することができる。ジャケット２４０は、内側表面２４２および外側表面２４４を有することができる。ジャケット２４０は、ＴＥＧデバイス２２０を電力ケーブル２１０の外側表面２１２に実質的に一致させることができるように変形可能であってもよい。例えば、ジャケット２４０は、ＴＥＧデバイス２２０を電力ケーブル２１０に近接して固定するように電力ケーブル２１０の周囲に巻きつけることができる電力ケーブルラップのように構成することができる。加えて、ＴＥＧデバイス２１０の各々の内側表面は、電力ケーブル２１０の外側表面２１２に実質的に一致するように形作ることができる。例えば、図２に示すように、電力ケーブル２１０が円形横断面を有する場合、ＴＥＧデバイス２２０の各々の内側表面は、電力ケーブル２１０の外側表面２１２に一致するように湾曲させることができる。同様に、（例えばバスバーのように）電力ケーブル２１０が平坦な場合、ＴＥＧデバイス２２０の各々の内側表面は、電力ケーブル２１０の外側表面２１２に一致するように平坦であってもよい。

ジャケット２４０は、ジャケット２４０を電力ケーブル２１０の周囲に巻きつけることを容易にする開口部２４６を含むことができる。電力ケーブル２１０の一部の周囲にいったん設置されると、ジャケット２４０は、１つまたは複数の締結具２４８を使用して電力ケーブル２１０に固定することができる。このように、ＴＥＧデバイス２２０は、異なった周囲環境に渡って延在する電力ケーブル２１０の部分のような、電力ケーブル２１０の種々の部分に設置することができる。

特定の実施形態では、ジャケット２４０の内側表面２４２か、ジャケット２４０の外側表面２４４、またはその両方は、熱伝達を容易にするように熱伝導性材料で形成することができる。この実施形態では、熱伝導性内側表面２４２および熱伝導性外側表面２４４は、電力ケーブル２１０の外側表面２４４と周囲環境２３０との間の温度差をＴＥＧデバイス２２０に伝達し、電力の発生を容易にする。ジャケット２４０の内側表面２４２か、電力ケーブル２１０の外側表面２１２、またはその両方は、電気絶縁性材料を含むことができる。特定の実施形態では、ジャケット２４０の外側表面２４４がヒートシンク突起２１８または他の突起を含み、またはジャケット２４０の外側表面２４４をヒートシンク突起２１８または他の突起に結合し、ジャケット２４０の外側表面２４４の有効表面積を増加させることができる。ヒートシンク突起２１８は、ジャケット２４０の外側表面２４４と周囲環境２３０との間の熱伝達を改善することができる。例えば、増加した有効表面積は、ジャケット２４０の外側表面２４４がより低い温度を達成することを可能にし、ＴＥＧデバイス２２０の両端間の温度差を増加させることができる。

電力ケーブル２１０の各々の区間に沿ったＴＥＧデバイス２２０は、電気的に接続することができる。例えば、ＴＥＧデバイス２２０は、互いに直列、並列、またはアレイにて電気的に接続することができる（例えば、ＴＥＧデバイス２２０のいくつかがチェーンを形成するように共に直列に接続され、別個のチェーンが互いに並列に接続される）。ＴＥＧデバイス２２０からの電気は、電気端子２２４および２２６を経てバス（図２に示さず）に伝導することができる。

ＴＥＧデバイス２２０による熱の電気への変換は、電力ケーブル２１０の熱的負担を減少させることができる（すなわち、電力ケーブルを冷却することができる）。電力ケーブル２１０の抵抗は、電力ケーブル２１０の温度が上昇するにつれて増加することがあるため、電力ケーブル２１０の温度を低下させることは、電気の流れに対する電力ケーブルの抵抗を減少させるのを助け、電力ケーブル２１０の効率を改善することができる。加えて、熱のいくらかを電気に変換することは、電力ケーブル２１０の近くに配置された他の部品へ悪影響を及ぼすことがある熱を除去する。

図１を参照して説明したように、電気端子２２４および２２６は、最大電力点（ＭＰＰ）追跡デバイスによって制御される電力変換器に結合することができる。例えば、ＭＰＰ追跡デバイスは、ＴＥＧデバイス２２０に電気的に結合し、端子２２４、２２６での出力電流および電圧を検知することができる。ＭＰＰ追跡デバイスは、電力変換器を制御し、ＴＥＧデバイス２２０に、温度差でのＴＥＧデバイス２２０の最大電力点に近い端子２２４、２２６に現れる電圧および電流を発生させることができる。電力変換器は、端子２２４、２２６に現れる電圧および電流を受け、この電圧および電流を変換器出力に現れる出力電圧および出力電流に変換するように構成することができる。例えば、変換器出力は、共通バス電圧であってもよい。図１を参照して説明したように、電力ケーブル２１０が異なった周囲環境を通過するにつれて、電力ケーブル２１０の周囲に配置されたＴＥＧデバイスの別個の組が存在してもよい。ＭＰＰ追跡デバイスは、ＴＥＧデバイスの別個の組に結合された電力変換器を独立して制御し、ＴＥＧデバイスの組の各々がＭＰＰ電圧またはそれに近い電圧で動作できるようにすることができる。

図３は、構造の複数の異なった周囲環境を経て延在する電力ケーブル３１０を有する構造の斜視図である。説明の目的のため、かつ、特定の非限定的な例として、構造は、飛行機３００として図３に例示されているが、構造は、電力が複数の周囲環境間で電力ケーブルを経て伝達される他の形式の可動または非可動構造を含むことができる。例えば、構造は、船舶（例えば、船、または潜水艦）、宇宙飛行体（例えば、人工衛星、打ち上げ用ロケット、または宇宙ステーション）、陸上車両（例えば、自動車、列車）、または他の形式の飛行機（例えば、ヘリコプター）を含むことができる。他の例では、構造は、ビルディング、橋、タワー等のような非移動構造であってもよい。

図３では、電力ケーブル３１０（例えば、給電ケーブル）は、飛行機３００のエンジン３２０から翼３２２を経て胴体３２４中に延在する。エンジン３２０は、飛行機３００のための推力を提供するのに加えて、発電機に結合し、電力ケーブル３１０によって運ばれる電力を発生することができる。他の発電構成を使用することもできる。例えば、発電機は、エンジン３２０以外の原動機、例えば補助ディーゼルエンジンによって駆動することができる。図３に例示されている実施形態は、給電ケーブル３１０が多数の別個の周囲環境を経てたどることができる経路の単なる１つの特定の例である。

胴体３２４内の発電機と負荷または格納デバイスとの間で、電力ケーブル３１０が、異なった周囲環境３３０、３４０および３５０を通過する。電力ケーブル３１０は、周囲環境３３０、３４０および３５０の各々内で、１つまたは複数の熱電式発電（ＴＥＧ）システム３３２、３４２、３５２に近接して設置することができる。ＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２の各々は、図１のＴＥＧデバイス１１３〜１１８または図２のＴＥＧデバイス２２０のような１つまたは複数のＴＥＧデバイスと、図１のＭＰＰデバイス１３２、１４２のような１つまたは複数の最大電力点（ＭＰＰ）追跡デバイスと、図１の電力変換デバイス１３０、１４０のような１つまたは複数の電力変換デバイスとを含むことができる。

電力ケーブル３１０は、オーム加熱により、周囲環境３３０、３４０、３５０の各々内で比較的一定の温度を保つことができる。しかしながら、周囲環境３３０、３４０、３５０は、異なった周囲温度を有することがある。例えば、第１周囲環境３３０は、エンジン３２０のハウジングに近接してもよく、またはこのハウジング内であってもよい。したがって、第１周囲環境３３０は、比較的高い周囲温度を有することがある。結果として、電力ケーブル３１０と第１周囲環境３３０との間の温度差は比較的小さいことがある。第２周囲環境３４０は、翼３２２の一部を含むことができる。高い高度での飛行機３００の動作中、翼３２２の外側の空気はかなり冷たいことがある。このように、第２周囲環境３４０の温度は比較的低いことがある。結果として、電力ケーブル３１０と第２周囲環境３４０との間の温度差は比較的大きいことがある。第３周囲環境３５０は、客室または荷物室のような、飛行機３００の胴体３２４の一部内であってもよい。客室および荷物室は、気候制御できるため、第３周囲環境３５０は、第１周囲環境３３０の温度と第２周囲環境３４０の温度との間の温度を有することがある。このように、電力ケーブル３１０と第３周囲環境３５０との間の温度差は、第１周囲環境３３０の温度差と第２周囲環境３４０の温度差との間の温度差であることがある。

ＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２のＴＥＧデバイスは、ＴＥＧデバイスの両端間の温度差に基づいて異なった特性を有する電気を発生することがある。例えば、少なくとも部分的に、第１および第２周囲環境３３０、３４０の温度差の違いにより、第１周囲環境３３０内の第１ＴＥＧシステム３３２のＴＥＧデバイスは、第２周囲環境３４０内の第２ＴＥＧシステム３４２のＴＥＧデバイスによって発生される電気と異なった特性を有する電気を発生することがある。さらに、ＴＥＧデバイスの各々は、少なくとも部分的に、温度差の違いにより、異なった最大電力点（ＭＰＰ）電圧を有することがある。

ＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２の各々は、ＭＰＰ追跡デバイスを含み、ＴＥＧシステムのＭＰＰ電圧を決定することができる。飛行機３００の動作中、電力ケーブル３１０の温度か、周囲環境３３０、３４０、３５０の温度、またはこれらの組合せは、変化することがある。各々のＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２のＭＰＰ追跡デバイスは、ＴＥＧシステムの電力変換デバイスを制御し、ＴＥＧシステムのＴＥＧデバイスの動作電圧を連続的にまたは時々調節し、動作電圧をＴＥＧデバイスの各々のＭＰＰ電圧に、またはＭＰＰ電圧近くに維持することができる。このように、ＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２の各々を他のＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２から独立して制御し、ＭＰＰで動作させることができる。ＴＥＧシステム３３２、３４２、３５２の各々の電力変換デバイスは、ＴＥＧシステムのＴＥＧデバイスによる電力出力を、バス電圧のような共通電圧に変換することができる。

図４は、熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスの電力生産特性のグラフ４００である。グラフ４００は、異なった動作状況での、２つのＴＥＧデバイスまたは単一のＴＥＧデバイスに関する独立した最大電力点追跡を例示している。グラフ４００は、横軸に電圧４１０をプロットし、縦軸に電流４２０をプロットしている。

第１ＴＥＧデバイスＴＥＧ１は、第１温度差ΔＴ_１で動作し、第２ＴＥＧデバイスＴＥＧ２は、第２温度差ΔＴ_２で動作している。電力−電圧（Ｐ−Ｖ）曲線４３０は、ＴＥＧ１の電力出力を表し、Ｐ−Ｖ曲線４５０は、ＴＥＧ２の電力出力を表している。Ｐ−Ｖ曲線４３０、４５０は、一般に、ＴＥＧ１によって発生される電力がＴＥＧ２によって発生される電力より大きいことを示しており、これは、ＴＥＧデバイスの特性の作用か、温度差ΔＴ_１およびΔＴ_２の違いの作用か、またはこれらの組合せであることがある。

グラフ４００は、ＴＥＧ１に関する電流−電圧関係を表す電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線４３２と、ＴＥＧ２に関する電流−電圧関係を表すＩ−Ｖ曲線４５２も含んでいる。ＴＥＧ１の開路電圧４３６および短絡電流４３４は、Ｉ−Ｖ曲線４３２およびＰ−Ｖ曲線４３０の終点を規定し、ＴＥＧ２の開路電圧４５６および短絡電流４５４は、Ｉ−Ｖ曲線４５２およびＰ−Ｖ曲線４５０の終点を規定する。

Ｐ−Ｖ曲線４３０および４５０は、ＴＥＧデバイスの各々に関する最大電力発生が異なった電圧で達成されることを示している。例えば、ＴＥＧ１のＰ−Ｖ曲線４３０は、ＴＥＧ１のＭＰＰ電圧４４０に関係付けられた最大電力点（ＭＰＰ）４３８を有し、ＴＥＧ２のＰ−Ｖ曲線４５０は、ＴＥＧ２のＭＰＰ電圧４６０に関係付けられたＭＰＰ４５８を有する。ＴＥＧ１のＭＰＰ４３８およびＴＥＧ２のＭＰＰ４５８は、異なったＭＰＰ電圧４４０、４６０で生じる。したがって、ＴＥＧ２のＭＰＰ電圧４６０でのＴＥＧ１の動作は、ＴＥＧ１のＭＰＰ電圧４４０でのＴＥＧ１の動作より効率的ではないことがあり、逆もまた同様である。

図１のシステム１００、図２のシステム２００、または図３の飛行機３００のような、異なったＰ−Ｖ曲線を有する複数のＴＥＧデバイスを含むシステムの効率を改善するために、ＴＥＧデバイスの各々は、その対応するＭＰＰ電圧で動作することができる。例えば、第１ＭＰＰ追跡デバイスは、第１電力変換デバイスを制御してＴＥＧ１をＴＥＧ１のＭＰＰ電圧４４０で動作させることができ、第２ＭＰＰ追跡デバイスは、第２電力変換デバイスを制御してＴＥＧ２をＴＥＧ２のＭＰＰ電圧４６０で動作させることができる。ＴＥＧデバイスによって発生される電気を、図１の電力変換デバイス１３０、１４０のような電力変換デバイスに供給し、図１のバス１５０のような電力バスに供給される電圧を、バス電圧４７０に調節することができる。バス電圧４７０が、図４においてＴＥＧ装置のＭＰＰ電圧４４０、４６０と異なるように例示されているとしても、いくつかの実施形態、またはいくつかの状況では、バス電圧４７０は、ＭＰＰ電圧４４０、４６０の一方と等しくてもよい。例えば、バス電圧４７０は、例えばバスによってサポートされるシステムの特定の設計に基づいて、ＭＰＰ電圧とは独立して特定することができる。このように、バス電圧４７０は、ＭＰＰ電圧４４０、４６０のいずれかまたは両方より高くてもよく、あるいは、いくつかの特別な状況では、ＭＰＰ電圧４４０、４６０の一方または両方と等しくてもよい。したがって、ＴＥＧデバイスの各々は、ピーク効率（例えばＭＰＰ）で動作することができ、不適合な電圧で電力をバスに供給することによる損失は、最小化することができる。

グラフ４００は、一般に、Ｉ−Ｖ曲線４３２および４５２を線形として表している。ＴＥＧデバイスのＩ−Ｖ曲線が線形である場合、ＭＰＰ電圧は、開路電圧の５０％で生じることがある。この状況では、ＭＰＰ電圧は、現在の動作状況（例えば温度差）の下で、ＴＥＧデバイスの開路電圧の２分の１に選択することができる。例えば、ＴＥＧ１のＭＰＰ電圧４３８は、第１温度差ΔＴ_１でのＴＥＧ１動作の開路電圧４３６の０．５倍に決定することができる。例えば、周囲環境がより熱くまたはより冷たくなることにより、あるいは、電力ケーブルのオーム加熱の変化により、第１温度差ΔＴ_１が変化すると、ＴＥＧ１の開路電圧４３６は、新たな温度差ΔＴ_ｎｅｗにて決定することができ、ＴＥＧ１のＭＰＰ電圧は、新たな温度差での開路電圧の２分の１に決定することができる。

いくつかのＴＥＧデバイスのＩ−Ｖ曲線は非線形であることがある。さらに、特定のＴＥＧデバイスのＩ−Ｖ曲線は、異なった温度差で異なった形をとることがある。これらの状況では、ＭＰＰは、ＴＥＧデバイスの開路電圧との簡単な関係を持たないことがある。このようなＴＥＧデバイスのためのＭＰＰ電圧を選択するために、ＭＰＰ追跡デバイスは、他のＭＰＰ追跡アルゴリズムを使用し、動作状況（例えば温度差）の特定の組の下でＭＰＰを識別することができる。例えば、山登り法プロセスを使用し、ＭＰＰを追跡することができる。山登り法プロセスは、特定の温度差でのピーク電力が観測されるまで、特定の温度差でのＴＥＧデバイスの動作電流または電圧を反復的に修正し、ＴＥＧデバイスによる電力出力を測定（または計算）することができる。ピーク電力は、第１の小さい変更が電力出力の増加を結果として生じ、第２の小さい変更が電力出力の減少を結果として生じる場合に観測されると考えられる。ＭＰＰ追跡デバイスは、ＭＰＰ追跡プロセスを連続的に、時々（例えば、決められた間隔で）、または、制御入力（例えば、温度または温度差の測定された変化）に応じて実行することができる。

図５は、熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスからの電力生産を管理する方法５００の特定の実施形態の流れ図である。方法５００は、図１のシステム１００、図２のシステム２００、または図３の飛行機３００のような、電力ケーブルに近接して配置されたＴＥＧデバイスを使用して電気を発生するシステムによって実行することができる。最大電力点追跡デバイスは、１つまたは複数の電力変換デバイスを制御し、１つまたは複数のＴＥＧデバイスを動作させ、ＴＥＧデバイスの最大電力点電圧で、またはこれに近い電圧で電気を発生させることができ、ＴＥＧデバイスの各々から受けた電力は、共通電圧、例えば共通バス電圧に変換することができる。

方法５００は、５０２で、電力ケーブルの第１部分および電力ケーブルの第１部分が通過する第１周囲環境と熱連通する第１ＴＥＧデバイスから第１電力を受ける工程を含むことができる。電力ケーブルの第１部分を通過する電流は、結果として電力ケーブルの第１部分と第１周囲環境との間に第１温度差を生じさせることがある。第１電力は、第１最大電力点追跡デバイスによって制御することができる第１電圧で発生される。例えば、第１ＴＥＧデバイスは、図１のＴＥＧデバイスの第１組１１２を含むことができ、ＴＥＧデバイスの第１組１１２による電力出力は、図１の第１電力変換デバイス１３０によって受けることができ、第１電力変換デバイス１３０は、図１の第１最大電力点追跡デバイス１３２によって制御される。

方法５００は、５０４で、電力ケーブルの第２部分および電力ケーブルの第２部分が通過する第２周囲環境と熱連通する第２ＴＥＧデバイスから第２電力を受ける工程を含むことができる。電力ケーブルの第２部分を通過する電流は、結果として電力ケーブルの第２部分と第２周囲環境との間に第２温度差を生じさせることがある。第２電力は、第２最大電力点追跡デバイスによって制御することができる第２電圧で発生される。例えば、第２ＴＥＧデバイスは、図１のＴＥＧデバイスの第２組１２２を含むことができ、ＴＥＧデバイスの第２組１２２による電力出力は、図１の第２電力変換デバイス１４０によって受けることができ、第２電力変換デバイス１４０は、図１の第２最大電力点追跡デバイス１４２によって制御される。

第１電圧は、第２電圧と異なることがある。例えば、第１最大電力点追跡デバイスは、第２電圧を制御する第２最大電力点追跡デバイスから独立して第１電圧を制御することができる。このように、第１最大電力点追跡デバイスは、第１電圧を、第２最大電力点追跡デバイスが第２電圧に設定する電圧レベルとは異なる電圧レベルに設定することができる。他の例では、第１温度差は、第２温度差と異なることがある。例示するために、電力ケーブルの第１部分の第１温度は、電力ケーブルの第２部分の第２温度と異なることがある。加えてまたは代わりに、第１周囲環境の第１周囲温度は、第２周囲環境の第２周囲温度と異なることがある（また、電力ケーブルの第１部分の第１温度は、電力ケーブルの第２部分の第２温度と異なることがあり、または、ほぼ等しいこともある）。さらに他の例では、ＴＥＧデバイスは、ＴＥＧデバイスの異なった動作環境に基づくか、ＴＥＧデバイスの設計に基づくか、またはその両方に基づく、異なった電力出力特性を有することがある。例えば、第１ＴＥＧデバイスは、実質的に線形の電圧−電流関係を有することがあり、第２ＴＥＧデバイスは、実質的に非線形の電圧−電流関係を有することがある。他の例では、最大電力点追跡デバイスは、ＴＥＧデバイスの設計および動作に応じて、電圧を異なって制御することができる。例示するために、第１ＴＥＧデバイスが、実質的に線形の電圧−電流関係を有する場合、第１最大電力点追跡デバイスは、第１電圧を、第１ＴＥＧデバイスの開路電圧の２分の１に等しくなるように制御することができる。第１ＴＥＧデバイスが実質的に非線形の電圧−電流関係を有する場合、第１最大電力点追跡デバイスは、山登り法プロセスまたは他のＭＰＰ追跡プロセスを使用して第１電圧を制御することができる。

方法５００は、５０６で、第１電圧および第２電圧を第３電圧に調節する工程を含むこともできる。例えば、第１電圧および第２電圧の一方または両方は、図１の第１電力変換デバイス１３０または第２電力変換デバイス１４０のような電力変換デバイスを使用して共通バス電圧に調節することができる。

したがって、異なった区域内のＴＥＧデバイスは、異なった電圧レベルの電気を出力することがあり、これらの異なった電圧レベルは、個々のＴＥＧデバイスのＭＰＰ電圧、またはそれに近い電圧であることがある。ＴＥＧデバイスに結合された電力変換器は、電気が共通バスに供給される前に、電気を共通電圧に変換する。

ここに記載された実施形態の例示は、種々の実施形態の構造の一般的な理解を与えることを意図している。これらの例示は、ここに記載されている構造または方法を利用する装置およびシステムの要素および特徴のすべての完全な説明の代わりとなることを意図していない。多くの他の実施形態は、本開示を検討すれば当業者には明らかであろう。構造的および論理的な置換および変更は、本開示の範囲から逸脱することなしに行うことができるように、他の実施形態は、本開示から利用することができ、本開示から得ることができる。例えば、方法工程は、図に示したのとは異なる順序で実行することができ、あるいは、１つまたは複数の方法工程を省くことができる。したがって、本開示および図面は、限定より例示としてみなされるべきである。

さらに、特定の実施形態がここに例示され、記載されているとしても、同じまたは同様の結果を達成するように設計されたどのような後続の配置も、示された特定の実施形態の代わりに用いることができることを認識すべきである。本開示は、種々の実施形態の任意のおよびすべての後続の適応または変更形態をカバーすることを意図している。上記実施形態の組合せと、ここに特に記載されていない他の実施形態とは、本記載を検討すれば当業者には明らかであろう。

本開示の要約は、請求項の範囲または意味を解釈または制限するために使用されないという理解の下に提出されている。加えて、上記の詳細な説明では、本開示を簡素化するために、種々の特徴は、共にグループ化され、または単一の実施形態で記載されている。本開示は、請求されている実施形態が各請求項に明確に列挙されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が表すように、請求されている主題は、開示されている実施形態のいずれかの特徴のすべてではないものを意図することができる。

１００システム
１１０電力ケーブル
１１２ＴＥＧデバイスの第１組
１１３ＴＥＧデバイス
１１４ＴＥＧデバイス
１１５ＴＥＧデバイス
１１６ＴＥＧデバイス
１１７ＴＥＧデバイス
１１８ＴＥＧデバイス
１１９第１周囲環境
１２２ＴＥＧデバイスの第２組
１２９第２周囲環境
１３０第１電力変換デバイス
１３１第１端子
１３２第１ＭＰＰ追跡デバイス
１３８第３端子
１４０第２電力変換デバイス
１４２第２ＭＰＰ追跡デバイス
１４８第４端子
１５０バス
１６０第１制御入力
１７０第２制御入力
１７２検知線
１７４検知線
２００システム
２１０電力ケーブル
２１２外側表面
２１８ヒートシンク突起
２２０ＴＥＧデバイス
２２４電気端子
２２６電気端子
２３０周囲環境
２４０ジャケット
２４２内側表面
２４４外側表面
２４６開口部
２４８締結具
３００飛行機
３１０電力ケーブル
３２０エンジン
３２２翼
３２４胴体
３３０周囲環境
３３２ＴＥＧシステム
３４０周囲環境
３４２ＴＥＧシステム
３５０周囲環境
３５２ＴＥＧシステム

Claims

電力ケーブルの第１部分および電力ケーブルの第１部分が通過する第１周囲環境と熱連通する第１熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスから第１電力を受ける工程であって、電力ケーブルの第１部分を通過する電流が、結果として電力ケーブルの第１部分と第１周囲環境との間に第１温度差を生じさせ、第１電力が、第１最大電力点追跡デバイスによって制御される第１電圧で発生される、工程と、
電力ケーブルの第２部分および電力ケーブルの第２部分が通過する第２周囲環境と熱連通する第２ＴＥＧデバイスから第２電力を受ける工程であって、電力ケーブルの第２部分を通過する電流が、結果として電力ケーブルの第２部分と第２周囲環境との間に第２温度差を生じさせ、第２電力が、第２最大電力点追跡デバイスによって制御される第２電圧で発生される、工程と、
第１電圧および第２電圧を第３電圧に調節する工程と
を含む方法であって、
第１最大電力点追跡デバイスは、第１電力変換器を制御し、第１ＴＥＧデバイスに、第１温度差に基づく第１ＴＥＧデバイスの最大電力点、またはそれに近い電力で第１電力を出力させ、第２最大電力点追跡デバイスは、第２電力変換器を制御し、第２ＴＥＧデバイスに、第２温度差に基づく第２ＴＥＧデバイスの最大電力点、またはそれに近い電力で第２電力を出力させ、第３電圧は、第１電力変換器および第２電力変換器に結合されたバスのバス電圧である、方法。
第１温度差は第２温度差と異なっている、請求項１に記載の方法。
電力ケーブルの第１部分の第１温度は、電力ケーブルの第２部分の第２温度と異なっている、請求項２に記載の方法。
第１周囲環境の第１周囲温度は、第２周囲環境の第２周囲温度と異なっている、請求項２に記載の方法。
第１最大電力点追跡デバイスは、第１電圧を、第２電圧を制御する第２最大電力点追跡デバイスから独立して制御する、請求項１に記載の方法。
第１ＴＥＧデバイスは、実質的に線形の電圧−電流関係を有し、第１最大電力点追跡デバイスは、第１電圧を、第１ＴＥＧデバイスの開路電圧の２分の１に等しくなるように制御する、請求項１に記載の方法。
第１ＴＥＧデバイスは、実質的に非線形の電圧−電流関係を有し、第１最大電力点追跡デバイスは、山登り法プロセスを使用して第１電圧を制御する、請求項１に記載の方法。
電力発生システムによって発生される電力を、複数の区域を経て伝達する給電ケーブルであって、複数の区域の各々で異なった周囲環境に曝露されている、給電ケーブルと、
複数の区域の第１区域内で給電ケーブルの表面に沿って配置された第１熱電式発電（ＴＥＧ）デバイスであって、給電ケーブルと第１区域内の第１周囲温度との間の第１温度差に基づいて電力を発生する、第１ＴＥＧデバイスと、
第１ＴＥＧデバイスの第１動作電圧を、第１温度差での第１ＴＥＧデバイスの最大電力点電圧近く、またはこの最大電力点電圧となるように制御する第１最大電力点追跡デバイスと、
複数の区域の第２区域内で給電ケーブルの表面に沿って配置された第２ＴＥＧデバイスであって、給電ケーブルと第２区域内の第２周囲温度との間の第２温度差に基づいて電力を発生する、第２ＴＥＧデバイスと、
第２ＴＥＧデバイスの第２動作電圧を、第２温度差での第２ＴＥＧデバイスの最大電力点電圧近く、またはこの最大電力点電圧となるように制御する第２最大電力点追跡デバイスと、
第１動作電圧を第３電圧に変換する第１電力変換器と、
第２動作電圧を第３電圧に変換する第２電力変換器と
を備えるシステムであって、
第１最大電力点追跡デバイスは、第１電力変換器を制御し、第１ＴＥＧデバイスに、第１温度差に基づく第１ＴＥＧデバイスの最大電力点、またはそれに近い電力で第１電力を出力させ、第２最大電力点追跡デバイスは、第２電力変換器を制御し、第２ＴＥＧデバイスに、第２温度差に基づく第２ＴＥＧデバイスの最大電力点、またはそれに近い電力で第２電力を出力させ、第３電圧は、第１電力変換器および第２電力変換器に結合されたバスのバス電圧である、システム。