JPH1141959A

JPH1141959A - 熱電発電システム

Info

Publication number: JPH1141959A
Application number: JP9192099A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Kagawa; 修三香川
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】熱源の温度変動に拘わらず、高い発電効率を
確保すると共に、過熱による熱電素子の性能劣化を防止
する。【解決手段】熱輸送管４０は、主管４１と、該主管か
ら分岐して再び主管に合流する複数の枝管４２とを具え
ており、熱媒体を循環させる循環ポンプ４６は出力を可
変のものを使用する。熱輸送管の主管には熱源１０と枝
管の間の管路に温度検知器６２が配備され、熱輸送管の
枝管には開閉式の弁装置６５が配備される。温度検知器
の出力信号に応じて弁装置の開閉と循環ポンプの出力を
指令する流量制御部６４が、温度検知器、夫々の弁装置
及び循環ポンプに電気的に接続されている。熱輸送管に
は、さらにバイパス管４３が設けられており、バイパス
管の管路には開閉式の弁装置６６が配備され、該弁装置
は流量制御部に電気的に接続されており、管路の一部は
強制的に冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュールに
よる発電システムの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電モジュールは、一般的には、ｐ型熱
電素子とｎ型熱電素子が電極板を介して電気的に直列と
なるように接合されたもので、ｐｎ素子対の接合部間に
温度差を与えると電位差が発生する。この現象はゼーベ
ック効果として知られており、熱電モジュールは各種熱
源を利用した熱電発電装置に広く利用されている。

【０００３】この熱電発電装置として、図５に示す如
く、熱輸送管(40)を、管径の大きな主管(41)と、該主管
から分岐し管径の小さな複数の枝管(42)から構成し、熱
送管(40)の内部を循環する熱媒体オイルにより熱電モジ
ュール(30)の高温側接触部(31)を加熱すると共に、冷却
装置(50)の導管(51)を流通する冷却水により熱電モジュ
ール(30)の低温側接触部(32)を冷却し、熱電モジュール
の高温側接触部と低温側接触部との間に温度差を生じさ
せて熱電発電を行なうものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】熱電モジュールによる
発電量は熱電素子対の温度差のほぼ２乗に比例するた
め、発電効率を高めるには、高温側接触部(31)の温度を
高くし、低温側接触部(32)の温度を低くして、熱電素子
対の温度差をできるだけ大きくすることが望ましい。

【０００５】ところで、熱電素子の熱起電力特性と最高
使用温度は、熱電素子の材料によって異なる。例えば、
Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料の場合、室温〜約３００℃の温度
範囲で良好な熱電特性を示すが、３００℃を越えると、
素子材料の劣化を招く。それゆえ、良好な熱電特性と高
い発電効率を得るには、熱電モジュールの高温側接触部
の温度を約２８０〜２９０℃の範囲で操業することが望
まれる。

【０００６】しかし、熱電発電装置の熱源は、工業炉又
は焼却炉などの廃ガスが用いられることが多く、これら
の熱源では温度の変動を避けることができない。このた
め、約２８０〜２９０℃の温度範囲での操業を計画して
も、熱源の温度変動により、熱電素子の温度が３００℃
を越えることもあり、熱電素子が過熱されて劣化する問
題がある。かかる不都合を避けるために、Ｂｉ−Ｔｅ系
熱電材料を用いた熱電モジュールの場合、高温側接触部
の温度を約２００〜２５０℃の低温域で操業するように
設計すると、熱電素子の劣化は防止できても、低温側接
触部との温度差が小さくなる結果、発電効率が著しく低
下する。

【０００７】また、熱源(10)の温度が下がったとき、熱
電モジュール(30)の発電量は熱電素子対の温度差のほぼ
２乗に比例して減少するが、図５に示される構成の熱電
発電装置では、全ての熱電モジュール(30)について発電
量が一律に温度差のほぼ２乗に比例して低下するため、
熱電モジュール全体としての発電効率の低下が非常に大
きくなる問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、主管(41)と、該主管から分岐して再び主
管に合流する複数の枝管(42)とを具えた熱輸送管(40)の
内部に封入された熱媒体を循環ポンプ(46)により循環さ
せ、枝管(42)から熱電モジュール(30)の高温側接触部(3
1)へ熱を供給し、低温側接触部(32)との間に生じた温度
差により熱電発電を行なう熱電発電システムにおいて、
熱輸送管の主管(41)には熱源(10)と枝管(42)の間の管路
に温度検知器(62)を配備し、熱輸送管の枝管(42)には開
閉式の弁装置(65)を配備すると共に、温度検知器(62)の
出力信号に応じて弁装置(65)の開閉を指令する流量制御
部(64)を、温度検知器(62)と夫々の弁装置(65)に電気的
に接続したものである。なお、熱媒体を循環させる循環
ポンプ(46)は出力が可変のものを使用し、該循環ポンプ
を流量制御部(64)に電気的に接続さし、循環ポンプ(46)
の出力を温度検知器(62)の出力信号に応じて調節可能に
することが望ましい。

【０００９】熱輸送管(40)には、バイパス管(43)を設け
て、バイパス管(43)の管路には流量制御部(64)に接続さ
れた開閉式の弁装置(66)を配備すると共に、管路の一部
は強制的に冷却されるようにすることが望ましい。バイ
パス管(43)の管路の冷却は、熱電モジュールの低温側接
触部(32)を冷却するのに使用される冷却装置(50)の導管
(51)を用いて行なうことが望ましい。

【００１０】

【作用及び効果】本発明の熱電発電システムは上記のよ
うに構成したから、温度検知器(62)からの出力信号に応
じて、枝管(42)に設けた弁装置(65)の開閉が行われる。
例えば、熱源(10)から供給される熱媒体の温度が低下し
たとき、一の枝管の弁装置が閉じられることにより、熱
媒体が熱電モジュールとの熱交換によって奪われる熱量
を少なくすることができる。この結果、熱媒体は、全て
の熱電モジュールと熱交換される場合と比べて、熱源へ
戻される時の温度が高くなっており、その温度差分だ
け、熱源を通過した後の温度を高くすることができる。

【００１１】また、循環ポンプ(46)の出力が調節される
ことにより、熱源(10)を通る熱媒体の流量が適正量に調
節されるので、熱源(10)の温度が変動しても熱媒体の温
度を所定の温度範囲に維持することができる。つまり、
熱源(10)の温度が低下したときは、一の枝管の弁装置を
閉じると共に、熱媒体循環ポンプ(46)の出力を下げるこ
とにより、熱媒体は、熱源(10)での流速が遅くなり滞留
時間が長くなるから、弁装置を閉じる前と比べて温度を
高くすることができる。また、熱源(10)の温度が上昇し
たときは、閉じられた弁装置を開けると共に、循環ポン
プの出力を上げることにより、熱媒体は、熱源(10)での
流速が速くなり滞留時間が短くなるから、弁を開く前と
比べて温度を低くすることができる。

【００１２】このように、熱源から供給される熱量が低
下した場合には、一部の枝管の弁装置を閉じて、その枝
管にある熱電モジュールの発電作業を中断させて、熱源
を通る流量を調節することにより、残りの熱電モジュー
ルに対しては常に所定温度の熱媒体が供給されるように
しているので、稼働中の熱電モジュールは常に最大の発
電効率を達成できる。

【００１３】また、既に全ての弁装置が開状態であるに
も拘わらず、熱源から所定温度以上の熱媒体が供給され
るとき、バイパス管の管路に設けられた弁装置が開い
て、熱媒体の一部はバイパス管へ移送される。バイパス
管の下流側は冷却装置の導管と熱接触しており、熱媒体
は強制的に冷却されてから他の熱媒体と合流するので、
熱源へ戻されるときの温度は下がっている。この温度降
下分だけ、熱源を通過した後の熱媒体の温度上昇は抑え
られることになり、熱電素子の性能劣化は抑制される。

【００１４】上記したように、本発明の熱電発電システ
ムでは、熱電素子の特性に応じた最高使用温度に近い温
度で熱媒体を供給できるから、低温接触部との間で温度
差を大きくすることが可能となり、発電効率の向上を達
成できる。この場合、供給熱量が必要以上に多すぎると
きでも熱電素子の過熱による性能劣化を招くことはな
く、また、供給熱量が不足する場合でも、その熱量に応
じた最適個数の熱電モジュールの組合せで発電作業が行
われる。このように、熱源から供給される熱量に変動が
あっても、熱電素子の性能劣化の懸念なく、常に高い発
電効率で発電作業を行なえる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の熱電発電システムの具体
的構成について、図面を参照して詳細に説明する。図１
は本発明の熱電発電システムの構成の模式図である。熱
電モジュールを用いた熱電発電システムでは、熱電モジ
ュール(30)は高温側接触部(31)と低温側接触部(32)を有
しており、高温側接触部(31)に熱輸送管(40)の枝管(42)
が熱接触し、低温側接触部(32)に冷却装置(50)の導管(5
1)が熱接触し、熱電モジュールの高温側接触部(31)と低
温側接触部(32)との間に生じた温度差により発生した熱
起電力は、例えばインバータ(図示せず)に送られて、適
正電圧の交流電力に変換される。

【００１６】熱輸送管(40)は、主管(41)と、主管(41)か
ら分岐して再び主管に合流する複数の枝管(42)を具えて
おり、熱媒体を循環させる循環ポンプ(46)が管路中に配
備される。循環ポンプ(46)は、後述するように出力調節
可能なものが望ましい。熱輸送管(40)の主管(41)には、
熱源(10)と枝管(42)の間の管路に温度検知器(62)が配備
され、熱輸送管(40)の夫々の枝管(42)には開閉式の弁装
置(65)が配備される。また、温度検知器(62)の出力信号
に応じて弁装置(65)の開閉と循環ポンプ(46)の出力を指
令する流量制御部(64)が、温度検知器(62)、夫々の弁装
置(65)及び循環ポンプ(46)に電気的に接続されている。
弁装置(65)は、ソレノイドで作動する電磁弁を用いるこ
とが望ましい。熱輸送管(40)の熱媒体には、当該分野で
周知な各種の合成系有機熱媒体油を使用することができ
る。

【００１７】熱輸送管(40)の枝管(43)にはバイパス管(4
3)を設け、バイパス管(43)の管路には開閉式の弁装置(6
6)が配備され、弁装置(66)は流量制御部(64)に電気的に
接続されており、管路の下流側部分は、冷却装置(50)の
導管(51)により強制的に冷却される。

【００１８】熱電モジュール(30)は一例として、図２に
示されるように、一対の電極板(33)(33)の間に接合され
たｐ型熱電素子(34)とｎ型熱電素子(35)が平板状に縦横
に並べられ、隣り合う電極板どうしが半田(36)により電
気的に直列接続されたものが好適に使用される。電極板
(33)(33)の上には、樹脂、セメント又はセラミックから
なる基板が接合され、高温側接触部(31)と低温側接触部
(32)を構成している。電気的直列回路の基端と終端とな
る熱電素子には、例えばインバータへ接続するリード線
(37)が取り付けられる。

【００１９】図３は、熱電モジュール(30)の高温側接触
部(31)と熱輸送管(40)の枝管(42)との熱接触状態の一例
を示している。熱輸送管の枝管(42)は、熱電モジュール
との熱接触部を、図示の如く蛇行した管形態に形成し、
熱電モジュールとの接触面積を大きくして熱交換効率を
高めるようにしている。また、熱伝導率の良い金属に埋
め込んだ構造であれば、熱交換効率がより向上する。

【００２０】なお、熱電素子の材料は特に限定されるも
のでなく、熱源の温度に応じて、約３００〜約６００℃
の温度で良好な熱電特性を示すＰｂ−Ｔｅ系の熱電材
料、室温〜約３００℃の温度で良好な熱電特性を示すＢ
ｉ−Ｔｅ系の熱電材料などを使用することができる。例
えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料では、ｐ型熱電素子とし
て、(Ｂｉ₂Ｔｅ₃)_1-X(Ｓｂ₂Ｔｅ₃)_Xであり、ｘが０.７
〜０.８５のもの、ｎ型熱電素子として、(Ｂｉ₂Ｔｅ₃)
_1-X(Ｂｉ₂Ｓｅ₃)_Xであり、ｘが０.０５〜０.１５のもの
を用いることができる。

【００２１】冷却装置(50)は、図１に示されるように、
内部を冷却水が循環する導管(51)と、冷却水を冷却する
冷却塔(54)を具えており、導管(51)には、冷却水を循環
させる循環ポンプ(57)が配備される。図３は、熱電モジ
ュール(30)の低温側接触部(32)と冷却装置(50)の導管(5
1)との熱接触状態の一例を示している。冷却装置(50)の
導管(51)は、前述の熱輸送管の場合と同様、熱電モジュ
ールとの熱接触部を、図示の如く蛇行した管形態に形成
し、熱電モジュールとの接触面積を大きくして熱交換効
率を高めるようにしている。なお、冷却装置(50)は、水
冷方式に限らず、必要に応じて空冷方式にすることも可
能である。

【００２２】図４は、本発明の熱電発電システムにおい
て、熱媒体温度を２８０〜２９０℃の温度範囲に調節す
る過程を記載したフローチャート図であり、その過程を
以下に説明する。

【００２３】まず、熱輸送管の内部を流れる熱媒体の温
度が、温度検知器(62)により測定される。その温度に応
じて、開くべき弁装置の個数が決定される。例えば、図
１に示されるように、５本の枝管(a)(b)(c)(d)(e)と１
本のバイパス管(f)を使用したシステムにおいて、熱媒
体の測定温度が２８５℃であったとき、(a)の枝管にあ
る弁装置を「閉」、(b)〜(e)の４本の枝管にある弁装置
を「開」と決定する。次に、熱源(10)の温度が変動し
て、所定時間(例えば５分)経過後における熱媒体の温度
測定結果が２６０℃であったとする。この場合、設定温
度よりも低くなったので、(b)の枝管の弁装置が閉じら
れると共に、循環ポンプ(46)の出力も下げられる。この
結果、(c)〜(e)の３本の枝管にある弁装置のみが開状態
となる。(b)の枝管の弁装置が閉じられたことにより、
熱媒体が熱源へ戻された時は、それまで(b)の熱電モジ
ュールとの熱交換によって奪われていた熱量分だけ温度
が高くなる。また、循環ポンプ(46)の出力が下がること
により、熱源(10)を通る熱媒体の流量も少なくなる。こ
の結果、熱媒体が熱源を通過した後の温度は、(b)の熱
電モジュールと熱交換されていた場合と比べて上昇す
る。次の温度測定結果が２７０℃であったとする。これ
は、設定温度よりも低いので、さらに(c)の枝管にある
弁装置が閉じられ、循環ポンプの出力も下げられる。こ
の結果、(d)(e)の２本の枝管にある弁装置のみが開状態
になり、熱源(10)を通る熱媒体の流量はさらに少なくな
り、熱源で加熱される熱媒体の温度は上昇する。次の温
度測定結果が２８５℃であったとする。これは、設定温
度の範囲内であるので、弁装置の開閉状態に変化は起こ
らない。さらに次の温度測定結果で２９０℃を越えて設
定温度よりも高くなったとすると、(c)の枝管にある弁
装置が開けられ、循環ポンプの出力も上げられる。(c)
の枝管の弁装置が開けられると、(c)の熱電モジュール
と再び熱交換が行われるため、熱媒体が熱源へ戻された
時は、(c)の熱電モジュールとの熱交換によって新たに
奪われた熱量分だけ温度が低くなる。また、循環ポンプ
(46)の出力が上がることにより、熱源(10)を通る熱媒体
の流量も多くなる。この結果、熱媒体が熱源を通過した
後の温度は、(c)の熱電モジュールと熱交換が行われて
いなかった場合と比べて下降する。

【００２４】また、(a)(b)(c)(d)(e)の５本の枝管の弁
装置が全て開状態のとき、温度測定結果が２９５℃だっ
たとする。この場合は、バイパス管(43)にある弁装置(6
6)が開けられ、循環ポンプ(46)の出力もさらに上げられ
る。また、バイパス管を通る熱媒体は冷却装置(50)の導
管(51)により冷却された後、他の枝管を通過した熱媒体
と合流するので、熱源へ戻される熱媒体の温度は下が
る。次の温度測定結果で熱媒体の温度が２８０℃よりも
低くなったときは、バイパス管が閉じられ、同時に循環
ポンプの出力も下げられるので、熱源を通る熱媒体の流
量は少なくなって熱媒体の温度は上昇し、次の温度測定
結果での判断に委ねられる。

【００２５】例えば、熱電モジュールの高温側接触部の
温度が２８５℃、低温側接触部の温度が３０℃、温度差
が２５５℃のとき、熱電モジュール１個当たりの発電量
をＱとしたとき、低温側接触部の温度はそのままで、高
温側接触部の温度が２６０℃まで下がると、温度差は２
３０℃となり、発電量は温度差の２乗に比例すると考え
るとき、発電量は０.８１Ｑとなる。このように、温度
差では約１０％の低下でも発電量では約２０％も低下す
ることになる。このとき、熱電モジュール１０個を使用
したときを考えると、１０個の熱電モジュールが全て作
動状態にあるとき、総発電量は８１Ｑである。これに対
し、本発明のシステムでは、１個の熱電モジュールの稼
働を停止する代わりに、残り９個の熱電モジュールの高
温側接触部の温度を２８５℃に維持すると、低温側接触
部との温度差は２５５℃のままであるので、熱電モジュ
ール１個当たりの発電量Ｑに変わりはなく、総発電量は
９０Ｑとなる。このように、全ての熱電モジュールを稼
働させている場合に比べて、発電効率の向上を達成でき
る。

【００２６】本発明のシステムでは、温度検知器からの
出力信号に応じて、枝管に設けた弁装置の開閉が行われ
ると共に循環ポンプの出力が調節され、熱源を通る熱媒
体の流量が調節されるので、熱源の温度が変動した場合
でも、稼働中の個々の熱電モジュールへ供給される熱媒
体の温度を所定の温度範囲に維持することができる。こ
のため、熱源の温度変動があった場合、全ての熱電モジ
ュールを稼働させておく場合に比べて、システム全体に
おける発電効率の向上を達成できる。また、本発明のシ
ステムでは、熱電モジュールの高温側接触部の操業温度
を熱電素子の最高使用温度に近い温度に設定することが
でき、低温側接触部との温度差を大きくできるので、個
々の熱電モジュールについて高い発電効率を得ることが
できる。また、熱源の温度変動により熱媒体の温度が所
定以上に上昇した場合にも、熱媒体をバイパス管へ逃が
すことにより、熱電素子の温度上昇を妨げることがで
き、熱電素子の性能劣化を防止できる。

【００２７】熱媒体を用いた熱電モジュールによる熱電
発電システムについて説明したが、本発明のシステム
は、内部に作動流体が封入された熱電モジュールによる
熱電発電システムにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電発電システムの概要を説明する模
式図である。

【図２】熱電モジュールの概略構成を一部破断して示す
斜視図である。

【図３】熱電モジュールと、熱輸送管及び冷却装置との
熱接触状態を説明する斜視図である。

【図４】本発明の熱電発電システムにおける使用状態を
説明するフローチャートである。

【図５】従来のの熱電発電システムの概要を説明する模
式図である。

【符号の説明】

(10) 熱源 (30) 熱電モジュール (31) 高温側接触部 (32) 低温側接触部 (40) 熱輸送管 (41) 主管 (42) 枝管 (43) バイパス管 (50) 冷却装置 (65)(66) 弁装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温側接触部(31)及び低温側接触部(32)
を有する複数の熱電モジュール(30)と、主管(41)及び該
主管から分岐して再び主管に合流する複数の枝管(42)を
具え、主管及び枝管の内部に封入された熱媒体を循環ポ
ンプ(46)により循環させて枝管(42)から熱電モジュール
の高温側接触部(31)へ熱を供給する熱輸送管(40)と、熱
電モジュールの低温側接触部(32)を冷却する冷却装置(5
0)を具え、熱電モジュールの高温側接触部(31)と低温側
接触部(32)との間に生じた温度差により熱電発電を行な
う熱電発電システムであって、熱輸送管の主管(41)には
熱源(10)と枝管(42)の間の管路に温度検知器(62)、熱輸
送管の枝管(42)には開閉式の弁装置(65)が配備され、温
度検知器(62)の出力信号に応じて弁装置(65)の開閉を指
令する流量制御部(64)が、温度検知器(62)及び弁装置(6
5)に接続されていることを特徴とする熱電発電システ
ム。
【請求項２】熱媒体を循環させる循環ポンプ(46)は出
力が可変であり、該循環ポンプは流量制御部(64)に電気
的に接続されており、循環ポンプ(46)の出力は温度検知
器(62)の出力信号に応じて調節可能である請求項１に記
載の熱電発電システム
【請求項３】熱輸送管(40)には、バイパス管(43)が設
けられており、バイパス管(43)の管路には開閉式の弁装
置(66)が配備され、弁装置(66)は流量制御部(64)に接続
されており、管路の一部は強制的に冷却されるようにし
ている請求項１又は２に記載の熱電発電システム。