WO1999058820A1

WO1999058820A1 - Generateur d'energie

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Publication number: WO1999058820A1
Application number: PCT/JP1999/002473
Authority: WO
Inventors: Satarou Yamaguchi
Original assignee: Yyl Corporation
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 1999-11-18
Also published as: CN1272902A; CN1257343C; EP0997613A1; EP0997613A4; EP0997613B1; DE69932989T2; US6269645B1; DE69932989D1

Description

明細書

技術分野

本発明は発電装置に関し、さらに詳しくは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に関するものである。

背景技術

近年においても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術は広く研究されているが、熱電効果を利用したエネルギー変換は、火力発電や原子力発電など主要なエネルギー変換システムには十分利用されていないのが実情である。

この理由について、以下において簡単に説明する。第 1図は、熱電変換素子内のエネルギーフローを模式的に示した図である。なおこの図は、越後の「熱電変換技術の何処が問題か」と題する論文 (エネルギー資源学会、 1 9 9 5年 7月， 4 3ページ）に掲載されたものである。また、図中の幅はエネルギー流束の大きさに比例して画かれている。

第 1図に示されるように、加熱熱流束 q_H の過半はもともと熱電変換に関係のない無効な伝熱熱流束 q_HCに費やされ、有効なペルチヱ吸熱 q_HPはむしろ脇役になっている。ここで、性能指数を z、高温端温度を T_H とした時、 Z · T_H ^ 1の場合についてみると、伝熱熱流束 q_HCはペルチェ吸熱 q _HPの約 2倍にもなり、しかもペルチェ放熱を差し引いた正味のペルチヱ熱（q_HP— q_LP) のうちの約半分はジュール熱となる。従って、実質的に電力に変換されるのは熱 Pとなるため、変換効率が低くなり温度が低いとさらに低くなる。

ここで例えば、低温端の温度 Tし = 3 0 0 °C. T_H = 1 3 0 0 °C である時は、最大効率は 1 3. 7 %であり、材料が飛躍的に進歩して z - T„ ^ 2になったと仮定しても最大効率は 2 2. 0 %程度となるに過ぎない。この点が熱電発電における最大の問題点であり、熱電発電単独では、ガスタービンや燃料電池等他の発電設備に対抗しうる競争力は期待できないことが技術開発上の最大の阻害要因とされている。

第 2図は、各種熱電材料の性能指数特性を示す図である。ここで、縦軸は性能指数を、横軸は温度を表す。第 2図より、熱電材料のェネルギー変換効率は最大でも 1 0 %程度であることがわかる。従つて、熱電素子の材料開発にも今後更なる研究開発期間を要する。第 3図は、充塡スクッテルダイト合金の熱伝導率の温度依存性を示す図である。第 3図に示されるように、 LaFe ₃ CoSb _{1 2} や CeFe ₃ CoS b i ₂ という組成を持つ充塡スクッテルダイト合金は、電気的特性が優れている 2元のスクッテルダイト合金 CoSb ₃ と比較すると、熱伝導率は 1桁も小さくなり、室温においてはガラス状のシリカ（S i O

2 ) と同程度の値を示す。

第 4図は、充填スクッテルダイト合金のほぼ最適化した試料における無次元性能指数 Z Tの温度依存性を示す図である。ここで第 4 図の黒丸は、単一の放物線的なバンドと音響フォノン散乱を仮定し、測定した室温でのキヤリァ濃度を基に計算したものである。また、この計算には、高温での熱伝導率の測定値も反映されている。

ここで、無次元性能指数 Z Tの値に理論的上限はなく、無次元性能指数 Z Tが 3〜 4程度の材料の実現可能性もあるが、かかる材料は現時点では見出されていない。

なお、上記の第 3図及び第 4図は、「パリティ」 Vo l. 12 No. 10 1 997- 10に掲げられたものである。

一方、熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する技術として、従来よりガスタービンと蒸気夕一ビンを結合した発電システムも研究されており、発電効率の向上を図るコンバインドサイクル発電方式が各種提案されている。

これは、蒸気タービンでは最高温度（水の臨界圧における温度）力 5 6 6 °Cであり、燃焼ガスの温度は概ね 1 5 0 0 °C程度以上であるため、熱機関としては 1 5 0 0で〜 5 6 6 °Cではェンタルピーが利用されていない。従って、コンバインドサイクル発電方式は、発電効率を減少させているこのような一因に着目したシステムであると言える。

なお、コンバインドサイクル発電方式（単に「コンバインドシステム」ともいう。）における軸構成は、排熱回収サイクルにおいて一台のガスタービンと一台の蒸気タービンとを同一の軸に直結した一軸型と、ガスタービンと蒸気タービンとを別の軸で運転する多軸型とがあり、利用目的や運転方法、設置条件に応じて各種の形式が選定される。

第 5図は従来の排熱回収型のコンバインドサイクル発電方式を説明する図である。第 5図に示されるように、この従来の排熱回収型のコンバインドサイクル発電方式は、ガス夕一ビン 1 9 と、ガスタービン 1 9に接続された排熱回収ボイラ 2 1 と、排熱回収ボイラ 2 1 に接続された蒸気タービン 2 3 と、蒸気タービン 2 3に接続された復水器 2 5 と、復水器 2 5 と排熱回収ポイラ 2 1 との間に接続された給水ポンプ 2 7 とを備えたものである。

ここで、「電気工学ハンドブック」の 1 0 2 6ページにも記載されているように、ガスタービン 1 9が高温化する程コンバインドシステム全体の熱効率の上昇割合は大きくなる。

第 5図に示されたシステムにおいては、ガスタービン 1 9を約 1 5 0 0 °C程度の高温ガスのエネルギーを利用して回すと共に、排ガスを利用して蒸気を生成することによって蒸気タービンも稼動させることができるため、総合的に発電効率が上昇する。

また、熱電変換効率の向上を目指した蒸気タービン機関として、タービンの中間段落から全蒸気を取り出して再加熱し、再びタービンに送るという再熱サイクルを利用したシステムが、従来より考案されている。第 6図は、この再熱サイクル等を利用した実際の火力発電所のシステムにおける熱平衡図である。

第 6図に示されるように、ボイラ 2 9で生成された高温高圧水蒸気は高圧タービン 3 1を回した後再熱器で再び加熱され、中圧タービン 3 3に導かれる。また、各タービンのブレードでは、外に対する仕事をしたことで一部の水蒸気が水になる。そして、これらの水蒸気や水は復水器 3 5で冷却されて低温低圧の水に戻り、給水加熱器 3 7に導かれる。給水加熱器 3 7では、復水器 3 5から供給された水が加熱され、再度給水ポンプ 3 9で圧縮されてボイラ 2 9へ供給される。なお、現在における火力発電所の発電効率は概ね 3 9 % 程度となっている。

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術は、以上のように様々な角度からその向上が図られているが、以下においては、火力発電におけるエネルギー変換システムへの利用がなされた熱電変換技術を説明する。

第 7図は、従来の熱電変換素子を説明する図である。第 7図に示されるように、 N型半導体素子としてのカーボン 3と P型半導体素子としての B₄ C (ボロンカーバイド） 5 とが共に、 P— N接合電極としての W若しくは M oなどから成る集熱金属板 1に接合され、カーボン 3及びボロン力一バイド 5の集熱金属板 1 と対向する他端には電極 7がそれぞれ設けられる。そして、二つの電極 7に生ずる電位差により出力電圧が得られる。なお、二つの電極 7にはそれぞれ貫通孔が形成され、この貫通孔に水管 9が通される。

このような熱電変換素子によれば、例えば集熱金属板 1の温度が 1 5 0 0でで電極 7の温度が 3 0 °Cの場合に最大 8 %の熱効率が得られ、集熱金属板 1の温度が 1 5 0 0てで電極 7の温度が 6 0 0 °C の場合には最大 4 %の熱効率が得られる。

第 8図は、第 7図に示された熱電変換素子が組み込まれた従来の火力発電装置の構成を示す図である。第 8図の斜線部に示されるように、ボイラ 1 1の燃焼室を囲繞するように第 7図に示された熱電変換素子 1 3が縦列に付設される。ここで、熱電変換素子 1 3は集熱金属板 1が燃焼室内を向くように配置されるとともに、給水管 1 7を介してボイラ 1 1に供給された水が、第 7図に示された水管 9 内を通って水蒸気が生成される。そして、この水蒸気はボイラ 1 1 の出口 1 5より蒸気タービンへ供給される。なお、ボイラ 1 1で生じた燃焼ガスは煙突 1 2から排出される。

発明の開示

本発明は、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が従来より高い発電装置を提供することを目的とするものである。

本発明の目的は、燃焼ガス或いは水蒸気の熱エネルギーを利用して発電を行う発電装置であって、温度の異なる少なくとも二つの部位に、それぞれ熱電変換素子を備えた発電装置を提供することによって達成される。

また本発明の目的は、加圧された水を燃焼室内にて加熱し蒸気を生成するボイラと、該ボイラに接続され、蒸気の仕事によって発電を行うタービンと、該タービンに接続され、タービンから出た蒸気を冷却することにより蒸気を凝縮し復水する復水器と、タービンで仕事をしつつある蒸気の一部を用いて、復水器からボイラへ供給される水を予熱する給水加熱器と、ボイラの燃焼室を囲繞するよう付設され、燃焼室の内部の温度と給水加熱器若しくは復水器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第一の熱電変換素子と、給水加熱器に付設され、タービンから供給された蒸気の一部の温度と復水器から供給された水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子とを備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、給水加熱器とボイラとの間に設けられ、ボイラへ供給される加圧された水を予熱する予熱手段と、該予熱手段に付設され、上記加圧された水を予熱するために燃焼室から供給された燃焼ガスの温度と予熱手段に供給された上記加圧された水の温度との差を利用して電力を生成する第三の熱電変換素子とをさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、燃焼室内に供給される空気を予熱する空気予熱器と、該空気予熱器に付設され、空気予熱器へ供給された空気の温度と該空気を予熱するために燃焼室から供給された燃焼ガスの温度との差を利用して電力を生成する第四の熱電変換素子とをさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、燃焼室へ供給される燃料の温度と空気予熱器で予熱された空気あるいは給水加熱器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第五の熱電変換素子をさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、上記第一の熱電変換素子が、燃焼室の内部に面して設けられた第一の電極と、一端が第一の電極に接合された N型半導体と、一端が第一の電極に接合された P型半導体と、 N 型半導体及び P型半導体の他端に設けられた第二の電極と、第二の電極を貫くよう給水加熱器からタービンへ架設された水管と、該水管と第二の電極との間に狭装された保温材とを備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、液体の L N Gを気化してボイラに供給する気化器と、気化器に付設され、 L N Gの温度と L N Gを気化するために気化器に導かれた水の温度との差を利用して電力を生成する第三の熱電変換素子とをさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、動作圧力域が異なる複数の蒸気タービンを有する発電装置であって、燃焼室内にて圧縮水を加熱し水蒸気を生成するボイラと、ボイラの燃焼室を囲繞するよう付設され、燃焼室の内部の温度といずれか一- ^の蒸気夕ービンから排出される水もしくは水蒸気の温度との差を利用して電力を生成する第一の熱電変換素子とを備えた発電装置を提供することによって達成される。また、本発明の目的は、蒸気タービンに接続され、蒸気タービンから出た水蒸気を冷却することにより水蒸気を凝縮し復水する復水器と、蒸気タービンで仕事をしつつある水蒸気の一部を用いて、復水器からボイラへ供給される水を予熱する給水加熱器と、蒸気タービンから出た水蒸気の温度と復水器もしくは給水加熱器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子とをさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。また、本発明の目的は、いずれか一つの蒸気タービンから排出され第一の熱電変換素子から熱を奪った水もしくは水蒸気は、再度給水加熱器に導かれた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、第二の熱電変換素子に熱を与えた水蒸気は、復水器へ導かれた発電装置を提供することによって達成される。また、本発明の目的は、第二の熱電変換素子が、 P b T eもしくは C 0 S b系の材料からなる発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、蒸気タービンから出た水蒸気の温度と自然環境に存在する水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子をさらに備えた発電装置を提供することによって達成される。

また、本発明の目的は、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電装置であって、ガスタービンに供給されるガスの温度と蒸気タービンから排出された水の温度との差を利用して電力を生成する熱電変換素子を備えた発電装置を提供することによって達成される。

そして、本発明の主たる利点は、従来の発電装置の各部間に生じている温度差を利用して電力を生成する熱電変換素子が備えられることにより、装置全体での発電効率が従来より高められることにある。これは本来エネルギー損失を伴わない過程であるためである。また、本発明の別な利点は、ガス夕一ビンのような可動部を有しない熱電変換素子が備えられることにより、保守の負担を増加させることなく装置全体の運転発電効率を高めることができることにあな

図面の簡単な説明

第 1図は熱電変換素子内のエネルギーフローを模式的に示した図、第 2図は各種熱電材料の性能指数特性を示す図、

第 3図は充塡スクッテルダイト合金の熱伝導率の温度依存性を示す図、

第 4図は充塡スクッテルダイト合金のほぼ最適化した試料における無次元性能指数 Z Tの温度依存性を示す図、

第 5図は従来の排熱回収型のコンバインドサイクル発電方式を説明する図、

第 6図は再熱サイクル等を利用した実際の火力発電所のシステムにおける熱平衡図、

第 7図は従来の熱電変換素子を説明する図、

第 8図は第 7図に示された熱電変換素子が組み込まれた従来の火力発電装置の構成を示す図、

第 9図は本発明の実施の形態 1 に係る発電装置の全体構成を示す図、

第 1 0図は第 9図に示されたボイラの構成を示す図、

第 1 1図は第 1 0図に示された熱電変換素子の構成を示す図、第 1 2図は熱流束及び温度の面から見たトッビングの原理を示す図、

第 1 3図は第 1 1図に示された水管の構造を示す図、

第 1 4図は第 9図に示された給水加熱器の構造を示す図、第 1 5図は第 9図に示された予熱装置の全体構成を示す図、第 1 6図は熱電変換素子を組み込んだ気化器の構成を示す図、第 1 7図は本発明の実施の形態 2に係る発電装置の全体構成を示す図、第 1 8図は本発明の実施の形態 2に係るコンバインドサイクル発電方式を採用した発電装置におけるエネルギー変換を説明する図、第 1 9図は本発明の実施の形態 3に係る発電装置の全体構成を示す図である。

発明を実施するための最良の態様

以下において、本発明に係る発電装置を図面を参照して詳述する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

熱力学における「ェクセルギー」は「有効エネルギー」とも呼ばれ、ェントロピー概念を組み込んだ利用可能なエネルギーを表現したものである。ここで、熱機関はそれが熱源を持ち環境との温度差で熱サイクルを作り仕事をするため、その時ェクセルギー Wは以下のように定義される。

W = Q · ( T„ 一 Τ。） Ζ Τ _Η

= Q ' V c

ここで、 Qは熱量であり、熱源の温度は T _H 、環境温度は T。であり、 7? c はカルノーサイクルの効率である。

熱機関の最大効率がカルノーサイクル効率で決まるため、ェクセルギ一は熱機関の最大仕事を与えるものである。従って、これは熱電変換技術の解析にも大きな威力を発揮する。それは、熱電素子の電気出力 Eが以下のように書かれるからである。

E = Q * 77 C · V E = W · 7} E

ここで ? _E は素子の効率である。即ち、熱電素子の出力はェクセルギ一に素子の性能指数及び外部回路等によって決定される効率を乗じた形になる。従って、熱電変換素子を有効に利用するためにはェクセルギ一流束の大きな部分で利用することが本質的に重要なことであり、エネルギー（熱）流束が大きい部分とは必ずしも一致しないことに着目すべきである。以下において、このような原理に基いた実施の形態を説明する。

[実施の形態 1 ] 第 9図を参照すると、本発明の実施の形態 1 に係る発電装置は、ボイラ 3 9 と、ボイラ 3 9に接続された過熱器 4 0 と、過熱器 4 0 に接続された夕一ビン 4 1 と、タービン 4 1 に接続された復水器 3 5 と、復水器 3 5に接続された給水ポンプ 3 4 と、タービン 4 1 及び給水ポンプ 3 4に接続された給水加熱器 4 3 と、給水加熱器 4 3に接続された給水ポンプ 3 6 と、タービン 4 1および給水ポンプ 3 6に接続された給水加熱器 4 5 と、給水加熱器 4 5に接続された給水ポンプ 3 8 と、給水ポンプ 3 8に接続された予熱装置 4 7と、給水加熱器 4 3から復水器 3 5へ復水を供給するポンプ 4 4 と、給水加熱器 4 5から給水加熱器 4 3へ復水を供給するポンプ 4 6 とを備えたものである。

このような発電装置において、給水ポンプ 3 4 , 3 6 , 3 8により給水加熱器 4 3 , 4 5及び予熱装置 4 7を経て加熱された純水は、ボイラ 3 9内の水管に入り、燃焼ガスと熱交換して高温高圧の飽和蒸気となり、更に過熱器 4 0を経て高温となる。この高温高圧の過熱蒸気はタービン 4 1に送られ、タービン 4 1の羽根に衝突して発電機（図示していない。）に直結してあるタービン軸を回転させる。タービン 4 1を出た蒸気は復水器 3 5に入り、冷却水により冷却されて凝縮復水し、復水ポンプ 3 4によりくみ上げられて再び給水加熱器 4 3へ送られる。

本発明の実施の形態に係る発電装置は、第 9図におけるボイラ 3 9 と、給水加熱器 4 3， 4 5及び予熱装置 4 7に、それぞれ熱電変換素子を組み込んだことを特徴とする。これにより、発電装置の各部で失われるェクセルギーを回収し、発電装置全体の発電効率をさらに向上させることができる。なお、上記 4箇所の全てではなく、少なくともいずれか 2箇所に熱電変換素子を組み込むことによっても所定の効果が得られることはいうまでもない。

以下において、組み込まれた熱電変換素子による熱電変換技術について順次説明する。第 1 0図は、第 9図に示されたボイラ 3 9の構成を示す図である。第 9図に示されるように、ボイラ 3 9はその燃焼室内で燃料 1 4を燃焼させ多大な熱を発生させるものであるが、この燃焼室を囲繞するように熱電変換素子 4 9が付設される。

第 1 1図は第 1 0図に示された熱電変換素子 4 9の構成を示す図である。第 1 1図に示されるように、熱電変換素子 4 9は、 S i C などのアーマー材からなる集熱金属板 1 と、一端が集熱金属板 1 に接合され他端に電極 7が取り付けられた N型 S i G eから成る N型熱電材料 5 0及び P型 S i G eから成る P型熱電材料 5 1 とを備えたものである。なお、この熱電変換素子 4 9に利用できる半導体としては S i G eの他にポロン系の材料が考えられる。

また、電極 7には貫通孔が設けられ，この貫通孔には水管 9が通される。

このような熱電変換素子は、第 1 0図に示されるように、集熱金属板 1がボイラ 3 9の燃焼室の内側に対向する向きに配置される。これにより、ボイラ 3 9内で発生した熱によって集熱金属板 1の温度は 1 2 5 0 °C程度となる。また、電極 7内を貫通する水管 9には予熱装置 4 7から供給された水が流れ、ボイラ 3 9内で生じた熱を受けて 5 6 6 °C， 2 5 0気圧の水蒸気 1 6が発生されるため、電極 7の温度は 6 5 0 °C程度となる。なお、このようにしてボイラ 3 9 で発生された水蒸気 1 6を用いてタービン 4 1が運転され、回転型発電機 4 2によって発電される。

以上より、第 1 1図に示された二つの電極 7の間には起電力が生じるため、例えば、第 1 0図に示されるように複数の熱電変換素子 4 9を配線 4 4によって直列接続することにより、出力電圧を得ることができる。なお、第 1 0図においては熱電変換素子 4 9が燃焼ガスの流路にそって直列に配置されるが、それに限られるものでなく、燃焼室の周りに付設される限りどのような配置であっても同様の効果を得ることができる。また、第 1 0図における熱電変換素子 4 9の斜線部は N型熱電材料 5 0を示す。

以下において、上記の熱電変換システムの原理について第 1 2図を参照しつつ説明する。上記のような構造を有する発電装置では、発電に預からない熱流束は熱伝導で熱電変換素子 4 9の低温側の電極 7へ伝わるので、この限りにおいてエネルギー損失が発生しない。しかも、タービン 4 1は同じ温度 ·圧力の蒸気を得るので回転型発電機 4 2での効率は低下しない。従って、従来のシステムで生じていたこの温度領域でのェクセルギー損失の一部を回収することができる。

このような手法を、トッピング（Toppi ng) と言い、第 1 2図に熱流束及び温度の面から見た原理を示す。第 1 2図に示されるように、ボイラ 3 9での炎及び燃焼ガスの温度は例えば 1 3 0 0 °C以上であるとする。一方、水蒸気の温度は 2 5 0気圧以上加圧しても 5 6 6。C程度である。従って、タービン 4 1は 5 6 6 °Cからおおよそ水の 5 0 °C以下で熱サイクルを形成する。ここで、炎の温度 1 3 0 0 °Cから高温端蒸気温度 5 6 6 °Cまではエネルギーは失われないが、ェントロピ一は増大しェクセルギ一が減少するため、最終的にはシステム全体の効率を下げることになる。そこで、発電に預からなかったエネルギーは水蒸気を生成し回転型発電機 4 2によってエネルギー変換を行うこととする。

このようなシステムによる総合エネルギー変換効率 £ _{e f f} は、以下のように書ける。

ε e _f r = ε ι + ε 2 ( 1 - ε ι

ここで、 _{ε ι} は熱電変換効率であり、 e ₂ はタービン発電機の効率である。これは恒等式としてそれぞれの変換効率より高いのでシステム全体の効率を向上させることが原理的に可能になる。即ち、トッピングによって 3〜 5 %の効率の改善が図られる。

より具体的には、第 1 1図に示された熱電変換素子の熱電変換効率 e , は、最適動作で約 0 . 0 5 6 となる。また、例えば熱源の温度 Τ _Η が 1 1 0 0 °C、熱電変換素子の電極 7の温度が 6 0 0でのとき熱電変換効率は 0 . 0 7 9 6 となり、電極 7の温度をさらに下げることによって熱電変換効率 S！を実効的に向上させることができる。

なお、ボイラ 3 9内の温度をより高温にすることによつても、ボイラ 3 9のェクセルギー効率の改善が期待できる。

次に、第 1 1図に示された水管 9の構造を第 1 3図を参照して説明する。水管 9は炭素鋼からなり、外径〜 8 0 m m , 厚さ〜 9 m m , 熱伝導率〜 3 5 W/m Z Kとされる。また、第 1 3図（a ) に示されるように、水管 9の外側には順に、伝熱管 5 2、電気絶縁材 5 4、低温電極 5 6、 P型及び N型の熱電材料から成る半導体 5 8、高温電極 6 0、電気絶縁材 5 4、アーマー材 6 2が巻装される。

なお他に、第 1 3図（b ) に示されるように、水管 9の外側へ順に、内部ケ一シング 5 7 a、保温材 5 5、外部ケーシング 5 7 bを巻装した構造も考えられる。また、第 1 3図（ c ) に示されるように、水管 9の外側へ順に、耐火れんが 5 3、高温保温材 5 9、保温材 5 5、ケーシング 5 7を巻装した構造も考えられる。

さらには、第 1 3図（d ) に示されるように、複数の水管 9がフィン 6 1で繫がれており、それらの周りが保温材 5 5 とケーシング 5 7で巻装されている構造も考えられる。

以上のような構造を有することにより、第 1 1図に示された熱電変換素子において集熱金属板 1 と電極 7との温度勾配を容易に維持することができるため、より効率的に電気エネルギーを得ることができる。

また、上記において熱電変換素子 4 9における低温側の電極 7の水管 9には予熱装置 4 7から排出された水が供給されるが、給水加熱器 4 3， 4 5あるいは復水器 3 5から排出された水を直接供給するものも同様に考えられる。なお、上記のような熱電変換技術は、現在ゴミを利用した発電、あるいは火力発電の排水部等での利用も検討されている。

次に、第 9図に示された給水加熱器 4 3 , 4 5への熱電変換技術の適用について説明する。第 1 4図は給水加熱器 4 3の構造を示す図であり、給水加熱器 4 5 も同様な構造である。第 1 4図に示されるように、給水加熱器 4 3の内部には仕切板 6 3が設けられ、仕切板 6 3には熱電変換素子 4 9が備えられる。

給水加熱器 4 3は復水器 3 5からの低温低圧（常温、 0. 03気圧程度）の水とタービン 4 1からの高温高圧の水（ボイラ 3 9からの蒸気を入れることもある。）を熱交換し、最終的に混合してェネルギー回収を行う装置である。従って、給水加熱器 4 3 , 4 5は良いエネルギー回収装置であり、原理的にはエネルギー損失はない。しかし、温度 ·圧力の異なった媒体を混合するとその過程でェント口ピーが生産されるので、ェクセルギー損失が生じ、効率の低下を招来する。

このことから、上記のように給水加熱器 4 3 , 4 5において熱電変換素子 4 9を組み込む意義が生じる。即ち、 2種類の異なる温度の水を混合する前に、その温度差を利用して発電を行う構造を取るのである。

具体的には、第 1 1図に示された熱電変換素子の集熱金属板 1には、ボイラ 3 9から導かれた 3 0 0 °C前後の高温加熱蒸気から熱が供給され、電極 7からは復水器 3 5より供給された常温の水によつて熱が奪われる。

上記のような方法によれば、発電が行われた分だけ水の熱量は減少するが、電気エネルギーが発生するので最終的には発電装置全体での総合変換効率がさらに 1〜 2 %向上される。

さらに、上記の給水加熱器 4 3 , 4 5は動作媒体が液体であるため、熱伝達率が気体の場合より高くなり、そのため熱電装置の小型化が実現できてコストを低減できる。なお、利用する熱電半導体としては B 1丁 6ゃ？ 13丁 6などの中温材料が望ましい。

また、第 1 4図において復水は出口 6 5を通して復水器 3 5へ導かれるが、第 9図に示されるように、給水加熱器 4 5においては出口 6 5を通して復水が給水加熱器 4 3へ導かれる。

次に、第 9図に示された予熱装置 4 7への熱電変換技術の適用について説明する。第 1 5図は、予熱装置 4 7の全体構成を示す図である。第 1 5図に示されるように、予熱装置 4 7は、重油と予熱された空気とが混合される混合室 6 7と、混合室 6 7に接続された重油燃焼室 6 9と、重油燃焼室 6 9から排出された燃焼ガスが導かれる過熱器 7 1 と、過熱器 7 1を通った燃焼ガスが導かれる再熱器 7 3と、第 9図に示された給水ポンプ 3 8から供袷された 1 5 °Cの給水を飽和蒸気温度以下に予熱してボイラ 3 9に供給する節炭器 7 5 と、供給された 1 5 °Cの空気を 2 5 0 °Cに予熱する空気予熱器 7 7 と、空気予熱器 7 7から排出された燃焼ガスを浄化する排ガス浄化装置 7 9 と、排ガス浄化装置 7 9に接続された煙突 8 1 と、熱電変換素子 4 9 とを備えたものである。

なお、これらの熱電変換素子 4 9は、第 1 1図に示された熱電変換素子 4 9 と同様な構成を有するが、これらについては後に説明する。

以下において、予熱装置 4 7における重油燃焼プロセスについて説明する。最初に、 1 5 °Cの重油と 2 5 0 °Cの予熱された空気が混合室で混合され、 5 0 0 °Cの混合ガスが生成される。そして、この混合ガスは、燃焼室 6 9での 1 5 0 0 °Cの熱分解燃焼と白熱燃焼 (理論燃焼温度 2 0 0 0 °C ) とを経て、 1 0 0 0〜 1 3 0 0でで燃焼室 6 9から排出される。

さらに、燃焼室 6 9から排出された燃焼ガスは過熱器 7 1 と再熱器 7 3を通り 5 0 0 °Cで節炭器 7 5に導かれる。ここで、 5 0 0 °C の燃焼ガスは節炭器 7 5に供給された 1 5 °Cの給水に熱を供給した後、 3 0 0 °Cとなって空気予熱器 7 7に導かれる。

そして、この 3 0 0での燃焼ガスは、空気予熱器 Ί 7に供給された 1 5 °Cの空気を 2 5 0 °Cに予熱した後、 2 0 0〜 1 6 0 °Cとなつて排ガス浄化装置 7 9に入る。そして、この燃焼ガスは排ガス浄化装置 7 9で浄化され煙突 8 1を通って外部へ排出される。

なお、空気予熱器 7 7で 2 5 0 °Cに予熱された空気は混合室 6 7 に導かれる。

次に、上記予熱装置 4 7の 3箇所に組み込まれた熱電変換素子 4 9について説明する。まず混合室 6 7に熱電変換素子 4 9が組み込まれるが、この熱電変換素子 4 9は、その高温側の集熱金属板 1 に空気予熱器 7 7から供給された 2 5 0 °Cの空気より熱が供給され、低温側の電極 7では 1 5 °Cの重油により熱が奪われる。従って、この熱電変換素子 4 9は、予熱された空気の温度と重油の温度との差を利用して、失われるェクセルギーを回収する意義を有するものであり、発電装置全体の発電効率を向上させるものである。

なお、図示していないが上記重油に熱を供給するために、給水加熱器 4 3 , 4 5から排出された水を利用することも考えられ、この場合には熱電変換素子 4 9の高温側の集熱金属板 1へ給水加熱器 4 3 , 4 5から排出された水より熱が供給される。

次に、節炭器 7 5に熱電変換素子 4 9が組み込まれるが、この熱電変換素子 4 9は、その高温側の集熱金属板 1へ再熱器 7 3を通つた 5 0 0 ^eCの燃焼ガスより熱が供給され、低温側の電極 7では 1 5 °Cの給水により熱が奪われる。従って、上記の熱電変換素子 4 9 と同様に、この熱電変換素子 4 9は、燃焼ガスの温度と給水の温度との差を利用して、失われるェクセルギーを回収する意義を有するものであり、発電装置全体の発電効率をさらに向上させるものである o

また、空気予熱器 7 7にも熱電変換素子 4 9が組み込まれるが、この熱電変換素子 4 9は、その高温側の集熱金属板 1 に節炭器 7 5 から供給された 3 0 0 ^eCの燃焼ガスより熱が供給され、低温側の電極 7では 1 5 °Cの空気により熱が奪われる。従って、上記の熱電変換素子 4 9 と同様に、この熱電変換素子 4 9は、燃焼ガスの温度と空気予熱器 7 7に供給された空気の温度との差を利用して、失われるェクセルギーを回収する意義を有するものであり、発電装置全体の発電効率をさらに向上させるものである。

以上が第 9図に示された発電装置の説明であるが、さらに L N G 火力発電システム、即ち液体である低温の L N G (主にメタンが構成要素であり、沸点は一 1 6 l ^eCである。）を海水などを用いた気化器でガス化し、第 9図に示されたボイラ 3 9に導いて燃焼させるシステムにおいては、上記の気化器へ熱電変換技術を適用することが同様に考えられる。

即ち、気化器の動作温度領域としては常温から一 1 7 0 °C程度である一方、 L N Gは液体で運ばれ潜熱があるうえにガス化する前の媒体温度がほぼ一定であるため熱電変換技術に利用しゃすい。

第 1 6図は熟電変換素子を組み込んだ気化器の構成を示す図である。第 1 6図に示されるように、この気化器は、液体の L N Gが供給される気化室 8 4 と、気化室 8 4の下に設けられ給水加熱器 4 3 , 4 5や復水器 3 5から排出された加熱水が通される配管 8 2と、気化室 8 4 と配管 8 2との間に設けられた熱電変換素子 4 9 とを備える o

なお、熱電変換素子 4 9は第 1 1図に示された熱電変換素子と同様な構成を有するが、 B i T e系や B i S b系の材料を用いることが望ましい。

上記のような気化器においては、気化室 8 4内の液体 L N Gが配管 8 2内を通る加熱水から熱を奪って気化し、 L N Gガスが生成される。

このような気化器に付設された熱電変換素子 4 9においては、高温側の集熱金属板 1に配管 9内を通る加熱水から熱を受け、低温側の電極 7からは一 1 7 0 °C程度の L N Gにより熱が奪われる。これより、この熱電変換素子 4 9は、加熱水と液体 L N Gとの間の温度差によって流出するェクセルギーを回収して電力を生成する。

以上のような気化器への熱電変換技術の適用は、加熱水の温度と液体 L N Gとの間で熱サイクルを想定するので温度差は高温域で動作する場合に比べて大きくないが、ェクセルギ一の利用の観点からは見劣りしないことなど、固有の有利さがある。なお、上記のように、気化器へ既存の B i T e系材料からなる熱電変換素子を組み込むことによって、火力発電所の総合効率は 0 . 4 %程度改善される。なお、液体 L N Gを気化する為に気化器へ常温の海水等を導くことも考えられるが、給水加熱器 4 3 , 4 5や復水器 3 5から排出された水を利用した方が受熱量を多くでき、気化器の小型化によるコストの低減を図ることができる。また、組み込まれた熱電変換素子 4 9によって生成される起電力も増大する利点がある。

以上のように本実施の形態 1に係る発電装置によれば、従来失われていたェクセルギーを回収することができるため、更なる発電効率の向上を実現することができる。即ち、高速回転するガスタービンを用いたコンバインドサイクル発電方式を採用した発電装置に匹敵する効率を達成できるとともに、設備コストゃ維持管理費を特段に低減することができる。

また、本実施の形態 1 に係る発電装置によれば、付設する熱電変換素子の個数を増減することにより、必要な出力に応じた発電装置を得ることができる。

[実施の形態 2 ]

第 1 7図を参照すると、本発明の実施の形態 2に係る発電装置は、第 5図に示された従来の排熱回収型のコンバインドサイクル発電方式と同様な方式を採用したものであるが、ガスタービンの燃焼器 8 3に熱電変換素子 4 9が付設された点で相違するものである。

この熱電変換素子 4 9は、第 1 1図に示された熱電変換素子 4 9 と同様な構造を有し、高温側の集熱金属板 1には燃焼器 8 3内で発生した熱が供給され、低温側の電極 7からは給水ポンプ 2 7より供給された給水により熱が奪われる。

従って、この熱電変換素子 4 9は、燃焼器 8 3内の温度と給水ポンプ 2 7から供給された給水の温度との差を利用して、失われるェクセルギーを回収するものであり、排熱回収型のコンバインドサイクル発電方式を採用した発電装置全体の発電効率をさらに向上させる意義がある。

なお、上記実施の形態 2に係る発電装置においては、熱電変換素子 4 9の低温側の電極 7に、給水ポンプ 2 7からではなく復水器 2

5から直接復水を供給するものも同様に考えられる。

第 1 8図は本発明の実施の形態 2に係るコンバインドサイクル発電方式を採用した発電装置におけるエネルギー変換を説明する図である。第 1 8図に示されるように、ガスタービンの燃焼器 8 3内の炎の温度は 1 1 0 0で前後であり、蒸気タービン 2 3に作用する蒸気の最高温度は 5 6 6 °C程度である。また、蒸気タービン 2 3は、

5 6 6 °Cカヽら 2 0 0 °C乃至 5 0 °C以下で熱サイクルを形成する。ここで、ガスタービン 1 9単独で発電機を稼動させた場合の熱効率は 0 . 1 8〜 0 . 3 1程度であり、蒸気タービン 2 3の熱効率は 0 . 3 9程度となる。なお、このようにガスタービン 1 9自体の熱効率は蒸気タービン 2 3の熱効率より低いものの、動作温度範囲が異なる為に目的に応じて利用されている。

ここで、上記のようにガスタービンの燃焼器 8 3に付設された熱電変換素子 4 9が、燃焼器 8 3内の温度と蒸気タービン 2 3における水蒸気の温度との差を起因として流出されるェクセルギ一を回収し電力を生成する。なお、より具体的には燃焼器 8 3の出口とガスタービン 1 9のブレードとの間に熱電変換素子 4 9が付設されるのが望ましい。

従って、本発明の実施の形態 2に係る発電装置によれば、コインドサイクル発電方式において従来失われていたェクセルギーを回収することができるため、更に発電効率の向上を実現することができる。

なお、熱電変換素子 4 9の熱効率はガスタービン 1 9の熱効率より低いが、以下の利点がある。即ち、熱電変換素子 4 9による発電では燃料のガス化が不要であり、熱エネルギー源として石炭のような固体も利用できる。また、静止機器で構成できるのでメインテナンスも容易である。さらには、ガス夕一ビン 1 9の動作温度が将来より高温になった時には、タービンブレードの機械強度が大きな問題となるが、熱電変換素子 4 9による発電ではこのような問題は生じない。

[実施の形態 3 ]

第 1 9図を参照すると、本発明の実施の形態 3に係る発電装置は、動作圧力域が異なる高圧タービン 3 1、中圧タービン 3 3、低圧タービン 3 4を備えるものであって、第 6図に示された発電装置と同様な構成を有するが、ポイラ 8 5には熱電変換素子 4 9が付設され、その低温側の電極 7には中圧夕一ビン 3 3から排出された水及び水蒸気が供給される点で相違するものである。

なお、ボイラ 8 5に付設された熱電変換素子 4 9は、第 1 1図に示された熱電変換素子 4 9 と同様な構造を持つ。また、水管 9内で生成された水蒸気は給水加熱器 8 7へ導かれ、復水器 3 5から供給された復水を予熱する。

ここで、ボイラ 8 5に付設された熱電変換素子 4 9が、ボイラ 8 5内の温度と中圧タービン 3 3から排出される水または水蒸気の温度との差を起因として流出されるェクセルギーを回収し電力を生成する。

従って、本発明の実施の形態 3に係る発電装置によれば、動作圧力域が異なる複数の蒸気タービンを有する発電装置において従来失われていたェクセルギーを回収することができるため、更に発電効率の向上を実現することができる。

なお、本実施の形態 3に係る発電装置においては、熱電変換素子 9の低温側の電極 7へ中圧タービン 3 3から排出された水又は水蒸気が供給されるが、低圧タービン 3 4から排出された水又は水蒸気を供給するものも同様に考えられる。

また、熱電変換素子 4 9の高温側の集熱金属板 1には中圧タービン 3 3あるいは低圧タービン 3 4から排出された高温高圧の水を供給し、低温側の電極 7には復水器 3 5または給水加熱器 8 7から排出される水を供給するものも同様に考えられる。なおこの場合、低温側の電極 7に供給された水は、再度給水加熱器 8 7に導くようにする。

またさらには、低温側の電極 7へ海水や川の水等の自然環境に存在する水を供給するのも有効である。即ち、このような構成とすれば、電極 7の温度を安定して自然環境の水の温度に保つことができる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃焼ガス或いは水蒸気の熱エネルギーを利用して発電を行う発電装置であって、

温度の異なる少なくとも二つの部位に、それぞれ熱電変換素子を備えた発電装置。

2 . 加圧された水を燃焼室内にて加熱し蒸気を生成するボイラと、該ボイラに接続され、前記蒸気の仕事によって発電を行うタービンと、

該タービンに接続され、前記タービンから出た蒸気を冷却することにより前記蒸気を凝縮し復水する復水器と、

前記タービンで仕事をしつつある前記蒸気の一部を用いて、前記復水器から前記ボイラへ供給される水を予熱する給水加熱器と、前記ボイラの前記燃焼室を囲繞するよう付設され、前記燃焼室の内部の温度と前記給水加熱器若しくは前記復水器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第一の熱電変換素子と、前記給水加熱器に付設され、前記タービンから供給された前記蒸気の一部の温度と前記復水器から供給された前記水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子とを備えた発電装置。

3 . 前記給水加熱器と前記ボイラとの間に設けられ、前記ボイラへ供給される前記加圧された水を予熱する予熱手段と、

該予熱手段に付設され、前記加圧された水を予熱するために前記燃焼室から供給された燃焼ガスの温度と前記予熱手段に供給された前記加圧された水の温度との差を利用して電力を生成する第三の熱電変換素子とをさらに備えた請求の範囲第 2項に記載の発電装置。

4 . 前記燃焼室内に供給される空気を予熱する空気予熱器と、該空気予熱器に付設され、前記空気予熱器へ供給された空気の温度と該空気を予熱するために前記燃焼室から供給された燃焼ガスの温度との差を利用して電力を生成する第四の熱電変換素子とをさらに備えた請求の範囲第 3項に記載の発電装置。

5 . 前記燃焼室へ供給される燃料の温度と前記空気予熱器で予熱された空気あるいは前記給水加熱器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第五の熱電変換素子をさらに備えた請求の範囲第 4項に記載の発電装置。

6 . 前記第一の熱電変換素子は、前記燃焼室の内部に面して設けられた第一の電極と、

一端が前記第一の電極に接合された N型半導体と、

一端が前記第一の電極に接合された P型半導体と、

前記 N型半導体及び前記 P型半導体の他端に設けられた第二の電極と、

前記第二の電極を貫くよう前記給水加熱器から前記タービンへ架設された水管と、

該水管に巻装された保温材とを備えた請求の範囲第 2項に記載の

7 . 液体の L N Gを気化して前記ボイラに供給する気化器と、前記気化器に付設され、前記 L N Gの温度と前記 L N Gを気化するために前記気化器に導かれた水の温度との差を利用して電力を生成する第三の熱電変換素子とをさらに備えた請求の範囲第 2項に記載の発電装置。

8 . 動作圧力域が異なる複数の蒸気タービンを有する発電装置であつヽ

燃焼室内にて圧縮水を加熱し水蒸気を生成するボイラと、前記ボイラの前記燃焼室を囲繞するよう付設され、前記燃焼室の内部の温度といずれか一つの前記蒸気タービンから排出される水もしくは水蒸気の温度との差を利用して電力を生成する第一の熱電変換素子とを備えた発電装置。

9 . 前記蒸気タービンに接繞され、前記蒸気タービンから出た水蒸気を冷却することにより前記水蒸気を凝縮し復水する復水器と、前記蒸気タービンで仕事をしつつある前記水蒸気の一部を用いて、前記復水器から前記ボイラへ供給される水を予熱する給水加熱器と、前記蒸気タービンから出た水蒸気の温度と前記復水器もしくは前記給水加熱器から排出された水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子とをさらに備えた請求の範囲第 8項に記載の発電装置。

1 0 . 前記いずれか一つの蒸気タービンから排出され前記第一の熱電変換素子から熱を奪った水もしくは水蒸気は、再度前記給水加熱器に導かれた請求の範囲第 9項に記載の発電装置。

1 1 . 前記第二の熱電変換素子に熱を与えた前記水蒸気は、前記復水器へ導かれた請求の範囲第 9項に記載の発電装置。

1 2 . 前記第二の熱電変換素子は、 P b T eもしくは C o S b系の材料からなる請求の範囲第 9項に記載の発電装置。

1 3 . 前記蒸気タービンから出た水蒸気の温度と自然環境に存在する水の温度との差を利用して電力を生成する第二の熱電変換素子をさらに備えた請求の範囲第 8項に記載の発電装置。

1 4 . ガスタービンと蒸気夕一ビンとを組み合わせた発電装置であっし、

前記ガスタービンに供給されるガスの温度と前記蒸気タービンから排出された水の温度との差を利用して電力を生成する熱電変換素子を備えた発電装置。