JP6435503B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱起電力を利用した発電装置に関する。

従来より、ボイラーや焼却炉の廃熱や燃焼エンジンの余剰な熱を用いて熱電効果により発電する発電装置が知られている。熱電効果により発電する発電装置は、複数の熱電モジュールを有し、個々の熱電モジュールの内部には複数の熱電素子を有する。個々の熱電素子は両端の温度差により熱起電力を生じ、発電機能を有する。

この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。

国際公開第２０１３／１０８２８７号 特開２０１３−５５７６９号公報

上記従来の発電装置は、熱電モジュールに故障が生じた際に、発電量が低下または停止する。発電量を維持するためには、熱電モジュールに故障が生じていないか検知し、必要に応じて修理・交換する必要がある。本発明は、熱電モジュールの故障を検知することのできる発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、発電装置は、正極側端子と、負極側端子と、正極側端子と負極側端子との間に直列に接続された複数の熱電モジュールからなる発電ユニットとを備え、複数の熱電モジュールを直列に接続する配線から引き出された電圧検知端子を有する。

上記の構成を有することにより、本発明の発電装置は熱電モジュールの故障を検知することができるため、熱電モジュールの修理や交換等の対処をすることができ、発電装置を良好に運用することができる。

実施の形態１における発電装置の模式図 実施の形態１における他の発電装置の模式図 実施の形態２における発電装置の模式図 実施の形態３における発電装置の模式図 実施の形態３における他の発電装置の模式図 実施の形態３における他の発電装置の模式図 実施の形態４における発電装置の模式図 実施の形態１における発電装置の出力特性を示す図 （ａ）熱電モジュールの斜視図、（ｂ）熱電モジュールの断面模式図

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における発電装置１０の模式図である。

図１において発電装置１０は、正極側端子１１と、負極側端子１２と、複数の熱電モジュール１３と、電圧検知端子１４と、電圧検知回路１５と、電圧検知回路１６とを有する。

正極側端子１１は、発電装置１０の正極側の電力出力端子である。負極側端子１２は、発電装置１０の負極側の電力出力端子である。複数の熱電モジュール１３は、正極側端子１１と負極側端子１２の間に直列に接続されている。直列に接続された一連の熱電モジュール１３を、発電ユニット１７と呼ぶ。電圧検知端子１４は、直列に接続された一連の熱電モジュール１３の中間付近の接続配線から引き出された端子である。発電装置１０は、正極側端子１１と電圧検知端子１４との間に電圧検知回路１５を有し、負極側端子１２と電圧検知端子１４との間に電圧検知回路１６を有する。電圧検知回路１５は熱電モジュール１３Ａと並列に設けられ、電圧検知回路１６は熱電モジュール１３Ｂと並列に設けられる。発電ユニット１７は、直列に接続された熱電モジュール１３の個数に応じた発電電圧を生じ、正極側端子１１と負極側端子１２の間に接続された電力供給先装置（図示せず）に電力を供給する。

熱電モジュール１３の斜視図を図９（ａ）に、熱電モジュール１３の断面模式図を図９（ｂ）に示す。熱電モジュール１３は、２個の基材１０１と、２個の基材１０１の間に接合された複数の熱電素子１０２と、封止材１０３と、発電した電力を出力するための配線１０４を有する。それぞれの熱電素子１０２は、両側に電極１０５が接合された熱電材料１０６を有し、両側の電極１０５はそれぞれ２個の基材１０１に接合される。複数の熱電素子１０２は電気的に直列に接続されて両端を出力することにより、熱電モジュール１３の出力電圧を得る。

熱電モジュール１３の２個の基材１０１は一般的にはセラミック基板である。熱電素子１０２には、Ｐ型半導体を用いたＰ型熱電素子とＮ型半導体を用いたＮ型熱電素子があり、温度差に対して逆方向の起電力を生ずる。すなわち、Ｐ型熱電素子は高温側が負極、低温側が正極であり、Ｎ型熱電素子は高温側が正極、低温側が負極である。熱電モジュール１３において、高温側と低温側の電極の向きを逆向きにしたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を交互に直列に接続することにより接続数に応じた起電力を得る。

発電装置１０の出力特性を示す図を図８に示す。熱起電力を用いた発電装置の発電量は、熱電変換素子間の温度差が一定であれば、出力電流を取らない場合の開放電圧Ｖ₂の５０％の値になる電圧Ｖ₁において、最も多くの電力を出力できる。従って、直列接続された正極側端子１１の電圧は、開放電圧の５０％付近の電圧に制御されて出力使用される。

個々の熱電モジュール１３は、熱起電力を発生させるために高温側に加熱する部材または低温側に冷却する部材に接触させて発電装置１０を組立てている。発電装置１０の組立て時の機械的応力や、発電のための加熱または冷却時の熱膨張係数の違い等により発生する機械的応力により、個々の熱電モジュール１３には過度のストレスが加わる場合があり、故障する場合がある。故障モードとしては断線がほとんどである。発電装置１０の運転を維持するためには、熱電モジュール１３の定期的な点検と修理・交換等の対処が必要である。

発電装置１０は、発電ユニット１７の中の熱電モジュール１３のいずれかが故障したときに、電圧検知回路１５または電圧検知回路１６により電圧の変化を検知することにより、熱電モジュール１３の故障を検知できる。

例えば、熱電モジュール１３Ａの中の１つの熱電モジュール１３が断線すると、熱電モジュール１３Ａから発生する電圧がゼロになるため、電圧検知回路１５にて検出する電圧はゼロになる。他方、熱電モジュール１３Ｂには負荷がかからなくなり、電圧検知回路１６にて検出する電圧は熱電モジュール１３Ｂの電力供給時の電圧から開放電圧にまで跳ね上がる。

以上のように、発電装置１０は、正極側端子１１と負極側端子１２との間に直列に接続された複数の熱電モジュール１３からなる発電ユニット１７を備え、複数の熱電モジュール１３を直列に接続する配線から引き出された電圧検知端子１４を有し、正極側端子１１と電圧検知端子１４との間、または、負極側端子１２と電圧検知端子１４との間に電圧検知回路１５を有することにより、複数の熱電モジュール１３のいずれかが故障したときに、故障した熱電モジュール１３を含む側の電圧検知回路１５の電圧、および、故障した熱電モジュール１３を含まない側の電圧検知回路１６の電圧が変化することにより、熱電モジュール１３が故障したことを検知することができ、これによって、熱電モジュール１３の修理または交換等の対処をすることが可能になる。

なお、電圧検知回路１５と電圧検知回路１６は、片方のみであっても熱電モジュール１３の故障を検知することができるが、両方設けることによって、故障の検出精度を高めることができるとともに、故障が生じた箇所を特定しやすくなる。

図２は、実施の形態１における他の発電装置２０の模式図である。発電装置２０において、発電装置１０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。発電装置２０が発電装置１０と異なる点は、発電装置１０では熱電モジュール１３が直列に接続されてなる発電ユニット１７に対して一個の電圧検知端子１４を有するのに対して、発電装置２０では複数の電圧検知端子２１、２２を有し、隣接する端子間に電圧検知回路２４を有する点である。

すなわち発電装置２０は、正極側端子１１に最も近い電圧検知端子２１と正極側端子１１との間に電圧検知回路２３を有し、負極側端子１２に最も近い電圧検知端子２２と負極側端子１２との間に電圧検知回路２５を有し、隣接する２つの電圧検知端子２１、２２の間に電圧検知回路２４を有する。

このように、発電装置２０は、複数の熱電モジュール１３を直列に接続する複数の配線から引き出された複数の電圧検知端子２１、２２を有し、隣接する端子間に電圧検知回路２３、２４、２５を有することにより、発電ユニット１７の中において故障した熱電モジュール１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの箇所の特定精度を向上することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２における発電装置３０の模式図である。実施の形態２における発電装置３０において、実施の形態１における発電装置１０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。

発電装置３０が、発電装置１０と異なる点は、発電装置３０は、電圧検知回路３１として発光素子３２と抵抗３３とスイッチ３４を有し、電圧検知回路３５として発光素子３６と抵抗３７とスイッチ３８を有する点である。発光素子３２、３６は熱電モジュール１３の故障を検知するための素子であり、発光ダイオードが用いられる。

発電装置３０の使用者は、必要に応じてスイッチ３４およびスイッチ３８をＯＮにし、熱電モジュール１３が故障していないかを確認できる。熱電モジュール１３Ａの中の熱電モジュール１３が故障した場合には、発光素子３２が点灯しないことで、故障を検知することができる。熱電モジュール１３Ｂの中の熱電モジュール１３が故障した場合には、発光素子３６が点灯しないことで、故障を検知することができる。これによって、熱電モジュール１３の修理または交換等の対処をすることが可能になる。

以上のように、発電装置３０において、電圧検知回路３５は発光素子３２、３６を備え、熱電モジュール１３の故障により発光素子３２、３６は点灯または消灯することにより熱電モジュール１３の故障を検知することができる。

発光素子３２、３６をより確実に点灯または消灯させるためには、抵抗と発光素子に対して直列にツェナーダイオードなどの電圧をシフトさせる素子を接続すると良い。

なお、スイッチ３４、３８としては、一操作で同時に両方のスイッチ３４、３８のＯＮ、ＯＦＦをすることのできる多極型のスイッチを用いることにより、熱電モジュール１３の故障の有無を点検する作業が容易になる。

また、スイッチ３４、３８は必ずしも設ける必要は無く、発光素子３２、３６を常時点灯させて故障を検知してもよい。電圧検知回路３１、３５に、電圧検知回路３１、３５を動作または停止させるスイッチ３４、３８を設けることにより、点検時のみに電圧検知回路３１、３５を使用することができ、発光素子３２、３６による電力消費を低減することができる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３における発電装置４０の模式図である。実施の形態３における発電装置４０において、実施の形態１における発電装置１０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。

発電装置４０が、発電装置１０と異なる点は、発電装置４０は、正極側端子１１と負極側端子１２との間に、並列に接続された複数の発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを有する点である。個々の発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、直列に接続された熱電モジュール１３を有し、直列に接続された一連の熱電モジュール１３の中間付近の接続配線から引き出された電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを有する。正極側端子１１と各電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃとの間にはそれぞれ電圧検知回路１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを有し、負極側端子１２と各電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃとの間にはそれぞれ電圧検知回路１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを有する。発電装置４０は、並列に設けられた複数の発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを有することにより、発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの数に応じた発電電流を得ることができ、大規模な発電システムに対応できる。

発電装置４０において、いずれかの熱電モジュール１３が故障したときに、対応する箇所の電圧検知回路１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃまたは電圧検知回路１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃにより電圧の変化を検知することにより、どの発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの熱電モジュール１３が故障したかを検知することができる。これによって、該当する発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの熱電モジュール１３の修理または交換等の対処をすることが可能になる。また、どの発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃのどのブロックの熱電モジュール１３が故障したかを特定することができ、速やかに対処することが可能になる。

図５は、実施の形態３における他の発電装置５０の模式図である。発電装置５０において、発電装置４０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。

発電装置５０が、発電装置４０と異なる点は、電圧検知回路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃが、それぞれ、発光ダイオード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃと、抵抗３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃと、スイッチ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃとから構成されている点である。

いずれかの熱電モジュール１３が故障した場合には、対応する箇所の発光ダイオード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃが点灯しないことで、故障を検知することができる。これによって、熱電モジュール１３の修理または交換等の対処をすることが可能になる。また、どの発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃのどのブロックの熱電モジュール１３が故障したかを特定することができ、速やかに対処することが可能になる。

なお、スイッチ３４Ａ〜３４Ｃ、３８Ａ〜３８Ｃとしては、一操作で同時に複数のスイッチ３４Ａ〜３４Ｃ、３８Ａ〜３８ＣのＯＮ、ＯＦＦをすることのできる多極型のスイッチを用いることにより、熱電モジュール１３の故障の有無を点検する作業を容易にすることができる。

図６は、実施の形態３におけるさらに他の発電装置６０の模式図である。発電装置６０において、発電装置４０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。

発電装置６０が、発電装置４０と異なる点は、正極側端子１１と負極側端子１２と各電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃから引き出された配線が接続された電圧検知部６１と受発信部６２と遠隔監視部６３を有する点である。

遠隔監視部６３は、熱電モジュール１３の故障の有無を点検する指示を無線信号により発信する。受発信部６２が故障の有無を点検する指示を無線信号により受信すると、電圧検知部６１は、正極側端子１１と各電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃとの間の電圧、および負極側端子１２と各電圧検知端子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃとの間の電圧を検知し、受発信部６２に電圧検知結果を送る。受発信部６２は、電圧検知結果を無線信号により発信し、この無線信号を遠隔監視部６３が受信する。このように、遠隔監視部６３は熱電モジュール１３の故障の有無を遠隔監視する。

以上の構成により、発電装置６０は、熱発電を用いた大規模な発電システムにおいて効率的な保守点検を行なうことが可能になる。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４における発電装置７０の模式図である。実施の形態４における発電装置７０において、実施の形態３における発電装置４０と共通する構成部品については同じ番号を付し説明を省略する。

発電装置７０は、正極側端子１１と負極側端子１２との間に、並列に接続された複数の発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを有する。個々の発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、直列に接続された複数の熱電モジュール１３を有し、直列に接続された熱電モジュール１３同士を直列に接続する接続配線から引き出された電圧検知端子７１を有する。発電装置７０は、正極側端子１１と隣接する熱電モジュール１３との接続配線から引き出された電圧検知端子７２と、負極側端子１２と隣接する熱電モジュール１３との接続配線から引き出された電圧検知端子７３を有する。電圧検知端子７１、７２、７３は、集合端子台７４の上に設けられている。

発電装置７０は、正極側端子１１と負極側端子１２との間に直列に接続された複数の熱電モジュール１３からなる発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを備え、複数の熱電モジュール１３を直列に接続する接続配線から引き出された電圧検知端子７１を有することにより、故障した熱電モジュール１３を検出することができる。

電圧検知端子７１の数は、各発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃについて少なくとも１箇所あれば、その発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃに故障した熱電モジュール１３が含まれることが検出できるが、電圧検知端子７１を複数設けることにより、故障した熱電モジュール１３を特定する際の検出精度を高めることができる。電圧検知端子７１を、各発電ユニット１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃについて１箇所設ける場合は、直列に接続された一連の熱電モジュール１３の中間付近の接続配線から引き出すとよい。

直列に接続された熱電モジュール１３同士を直列に接続する全ての接続配線に対して、それぞれ引き出された電圧検知端子７１を設けることにより、故障した熱電モジュール１３の検出精度をさらに高めることができる。

また、複数の電圧検知端子７１、７２、７３を、集合端子台７４の上に設けることにより、故障した熱電モジュール１３を特定する点検作業を容易にすることができる。

本発明の発電装置は、各種電気機器の電源となる発電装置として有用である。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ 発電装置
１１ 正極側端子
１２ 負極側端子
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ 熱電モジュール
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ 電圧検知端子
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ 電圧検知回路
１６、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 電圧検知回路
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ 発電ユニット
２１、２２ 電圧検知端子
２３、２４、２５ 電圧検知回路
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ 電圧検知回路
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 発光素子
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ 抵抗
３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ スイッチ
３５、３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ 電圧検知回路
３６、３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ 発光素子
３７、３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ 抵抗
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ スイッチ
６１ 電圧検知部
６２ 受発信部
６３ 遠隔監視部
７１、７２、７３ 電圧検知端子
７４ 集合端子台

Claims (8)

1. 正極側端子と、
   負極側端子と、
   前記正極側端子と前記負極側端子との間に直列に接続された複数の熱電モジュールからなる発電ユニットとを備え、
   前記複数の熱電モジュールを直列に接続する配線から引き出された複数の電圧検知端子と、
   前記複数の電圧検知端子を配置した集合端子台と、
   を有する発電装置。
2. 前記電圧検知端子は、全ての前記熱電モジュールからの出力の配線に対応してそれぞれ設けられた請求項１に記載の発電装置。
3. 前記電圧検知端子は、前記熱電モジュールが接続された順に対応して前記集合端子台の上に配列された請求項２に記載の発電装置。
4. 前記複数の熱電モジュールを直列に接続する複数の配線から引き出された複数の電圧検知端子を有し、
   隣接する前記複数の電圧検知端子の間に電圧検知回路を有する請求項１に記載の発電装置。
5. 前記正極側端子と前記負極側端子との間に互いに並列に接続された複数の発電ユニットを有し、
   前記複数の発電ユニットのそれぞれは直列に接続された複数の熱電モジュールを有し、
   前記複数の発電ユニットのそれぞれは、
   前記直列に接続された複数の熱電モジュールを接続する配線から引き出された電圧検知端子を有し、
   前記正極側端子とそれぞれの前記電圧検知端子との間、および、
   前記負極側端子とそれぞれの前記電圧検知端子との間に、
   電圧検知回路を有する請求項１に記載の発電装置。
6. 前記電圧検知回路は、前記電圧検知回路を動作または停止させるスイッチを備えた請求項１に記載の発電装置。
7. 前記電圧検知回路は発光素子を備え、前記熱電モジュールの故障により前記発光素子は点灯または消灯する請求項１に記載の発電装置。
8. 前記電圧検知回路にて検出した検出信号を無線発信する発信部を備えた請求項１に記載の発電装置。
   
   

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