JP5611739B2 - 熱電発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、熱を電気に直接変換する熱電発電システムに関する。

最近の省エネルギー技術の一つに、機器や産業プラントで生じる熱を熱電変換モジュールを用いて回収する方法がある。たとえば、複数の熱電変換モジュールを、高温配管と低温配管との間に設置して機器や産業プラントで生じた高温水を高温配管に流し、低温水は低温配管に流し、高温配管と低温配管との温度差により発電を行うというものである。

従来の構成では、熱源部となる配管からの熱を熱電変換モジュールに伝動するために、配管に熱電変換モジュールが設置しやすい平面部を有した直方体のチャンバを取り付けた構造が採用されている。

特開２００６−２１０５６８号公報 特開２００８−９８４０３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報

しかし、熱源部である配管からの熱を熱電変換モジュールに伝導するチャンバは、構造が直方体のため、配管からの熱媒体を直接、流す場合、耐圧構造とするためにチャンバ構造を強固にする必要がある。このため、たとえば構造体の肉厚を厚くした場合、熱伝導が低下する、コスト高になる、重量が重くなるという課題がある。

本発明の実施形態は上記事情に鑑み、熱媒体の流路へのチャンバ設置を行うことなく既存の熱源部の配管を用いることができる熱電発電システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するための態様は、熱源流体が流通する既存の熱源部である配管の外周を取り囲むように取り付けられ、少なくとも外面の一部に平面を有する多面体形状の容器と、
前記容器の前記平面に取り付けられる熱電変換モジュールと、前記容器内に充填されて前記配管に接し、当該配管を流れる熱源流体からの熱を前記熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を具備し、前記容器は、２分割以上の割り型構造を有し、中心軸部分に前記既存の熱源部である配管を位置させて割り型を貼り合わせた後、その内部に前記熱伝達媒体が充填される構造であることを特徴としている。

本発明は、熱電発電システムにおいて熱源部の配管をそのまま利用し、熱電発電システムを取り付けることによる熱媒体の流路へのチャンバ設置を行わない。熱電変換モジュールへの熱の伝導に関しては、熱伝達媒体を用いて行う。すなわち、熱源部の配管からの熱を熱伝達媒体に熱伝導を行い、熱電変換モジュールへは熱伝達媒体からの熱伝導で熱を供給する。

実施形態の熱電発電システムの外観を示す構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 実施形態の熱電発電システムの内部断面を模式的に示す構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 実施形態の熱電発電システムにおいて熱伝達媒体を充填した内部断面を模式的に示す構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 実施形態の熱電発電システムで用いられる熱電変換モジュールの構成を示す説明図。 熱電変換モジュールに用いられる熱電変換素子の性能の温度依存性を示す特性図。 実施形態の他の例を示す構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 実施形態の更に他の例を示す構成図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 実施形態の更に他の例を示す構成図。 実施形態の更に他の例を示す構成図。

＜第１の実施形態＞
図１は実施形態の熱電発電システムの外観を示す構成図であり、図２は実施形態の熱電発電システムの内部断面を模式的に示す構成図であり、図３は、実施形態の熱電発電システムにおいて熱伝達媒体を充填した内部断面を模式的に示す構成図である。

各図に示すように、この熱電発電システム１は、熱源流体が流通する配管３の外周を取り囲むように取り付けられた直方体形状の容器５と、この容器５の上部平面５ａおよび下部平面５ｂに取り付けられた熱電変換モジュール７とを備えている。なお、熱電変換モジュール７の容器５への設置個数は、本実施形態では４個である。設置個数は容器５の大きさにも制約されるが、所望の発電量に応じて適宜選択される。

容器５内には、配管３内を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュール７に伝達する熱伝達媒体９が充填されている。熱伝達媒体９としては、水、油、シリコン、またはイオン液体のいずれかが好適である。

容器５は、既存の配管３の改良なしに設置ができるように、上側容器５ｃと下側容器５ｄとから成る２分割の割り型構造を有しており、中心軸部分に配管３を位置させて上側容器５ｃと下側容器５ｄとを接合部１１で溶接や接着剤等を使用して貼り合わせて構成される。容器を構成する材料は、熱伝導性が良く、かつ、腐食に強い金属が好適であり、アルミ、銅、鉄、ステンレスなどから選択される。

容器５の形状は、直方体の他に、断面六角形、断面八角形等の多面体や円筒の一部に平面を有する構造等、熱電変換モジュール７が取り付けられる平面を有するものであれば、種々の形状が考えられる。

また、割り型は２分割に限られず、３分割、４分割等、配管の形状や設置場所等に応じて複数分割のものが適用できる。

《熱電変換モジュール》
熱電変換モジュール７は、ゼーベック効果を利用して温度差を起電力に変換するもので、図４に示すように、ｐ型とｎ型の熱電変換材料７ｐ，７ｎを１対の絶縁板７ｉで挟み込んだ構造を有している。熱電変換モジュール７の内部構造は、ｐ型の熱電変換材料７ｐと、ｎ型の熱電変換材料７ｎとが交互に配列され、これらの相互間を半田材７ｓで電気的に接続したものである。本実施形態では、熱電変換材料としてビスマス−テルル(Bi-Te)系化合物を用いた。以下に熱電変換モジュール７に用いられる熱電変換材料の性能の概要を説明する。

熱電変換材料の性能指数Ｚは、次式（１）で示される。

Ｚ＝Ｓ×（σ／κ） …（１）
但し、Ｓは温度１℃当たりの熱起電力を示すゼーベック係数、σは電気伝導度、κは熱伝導率である。

式（１）から分かるように、ゼーベック係数Ｓと電気伝導度σが大きくなるにしたがって、また熱伝導率κが小さくなるにしたがって、熱電変換材料の性能指数Ｚが向上する。

図５は、横軸に温度（℃）をとり、縦軸に熱電変換材料の無次元性能指数ＺＴをとって、各種の熱電変換材料の性能を示したものである。縦軸の無次元性能指数ＺＴは、熱電変換材料の性能指数Ｚに絶対温度Ｔを乗じたものである。図中にて特性線Ａはシリコン−ゲルマニウム(Si-Ge)系材料、特性線Ｂはランタン−テルル(La-Te)系材料、特性線Ｃは鉛−錫(Pb-Sn)系材料およびテルル−セレン(Te-Se)系材料、特性線Ｄはビスマス−テルル(Bi-Te)系材料をそれぞれ示す。図５から明らかなように、９００℃以上の高温領域ではシリコン−ゲルマニウム(Si-Ge)系およびランタン−テルル(La-Te)系材料が熱電変換性能に優れ、４００〜６００℃の中間温度領域では鉛−テルル(Pb-Te)系材料が熱電変換性能に優れ、１５０℃の低い温度領域ではビスマスーテルル(Bi-Te)系材料が熱電変換性能に優れている。本実施形態で使用される熱電変換モジュール７としては、１５０℃以下の低い温度で捨てられている排出ガスなどの熱媒体が有する熱エネルギーを回収することを狙いとしていることから、ビスマス−テルル(Bi-Te)系材料が最も適している。

一方、図１、図２、図３に示すように、熱電変換モジュール７の容器５と接触する面とは異なる他面側には放熱フィン１３が多数設けられている。この放熱フィン１３により熱電変換モジュール７の他面側を冷却することにより発電効率の向上が図られている。

図２、図３は、図１に示した熱電発電システム１の内部を示したものである。熱伝達媒体９からの熱を容器５、熱電変換モジュール７に効率良く伝動する目的で、熱伝達媒体９に接する容器５の内面にはヒダ状のフィン１５が多数設けられている。このヒダ状のフィン１５により容器５の内面の表面積が拡大され、容器５への熱の伝導が高められ、熱電変換モジュール７での発電量を高めることができる。

図３は、図２に示す容器５内に熱伝達媒体９が充填された状態を示す。図３では、熱伝達媒体９の注入口は省略されている。また、熱伝達媒体９の高温化による体積膨張を考慮して、熱伝達媒体９は容器５中に一杯（満タン状態）には充填されていない。熱伝達媒体９の充填量は、使用される熱伝達媒体の物性、熱媒体の温度等により決定される。

また、図２、図３に示すように、熱電発電システム１において、少なくとも熱伝達媒体９に接する容器５の内面１９は耐腐食処理が施されている。熱伝達媒体９が容器５と接している内面１９が腐食すると、腐食面での熱伝導が低下して熱電変換モジュール７からの発電量が低下する。熱伝達媒体９にイオン液体を使用した場合、少なくとも熱伝達媒体９に接する容器面の耐食処理は亜鉛とマグネシウムの合金が施工されていることが望ましい。なお、耐食処理は、熱伝達媒体９に接する容器内面１９の他に、配管３の熱伝達媒体９と接する配管表面１７と、フィン１５の表面にも亜鉛とマグネシウムの合金を施工するのが良い。

上記構成において、配管３中を流通する熱源媒体の熱は、配管３から熱伝達媒体９、熱伝達媒体９から容器５、容器５から熱電変換モジュール７に移動する。熱電変換モジュール７には冷却フィン１３が取り付けられていて、配管３からの熱は冷却フィン１３を通して大気中に拡散される。熱電変換モジュール７に熱が伝達されると、熱の一部が電気に変換される。このように、本実施形態では、熱電発電システム１を構成する容器５を配管３に取り付けることにより、従来のような熱源流体の流路へのチャンバ設置を行うことなく、既存の熱源部である配管３をそのまま用いることで効率の良い熱電発電が可能となる。

＜第２の実施形態＞
図６には図１の熱電変換モジュールの冷却フィン１３の替わりに直方体形状を有する専用の冷却配管２１，２２を設ける水冷構造を採用したものである。冷却配管２１，２２の平面部には熱電変換モジュール７の低温側が取り付けられており、冷却配管２１，２２を流れる冷却水によって、熱電変換モジュール７の低温側が冷却されている。

この構成によれば、冷却水を冷却配管２１，２２に流通させるので、冷却フィン１３により冷却する例と比較して配管３と冷却配管２１，２２との間での温度差が大きくなり、熱電変換モジュール７に温度差がつき、熱電変換モジュール７からの発電量が大きくなるという効果がある。

＜第３の実施形態＞
図７は第３の実施形態を示しており、熱源流体が流通する配管３と並行して冷却配管２３，２４が設置されている場合の例を示す。この場合、冷却水が流通する冷却配管２３，２４の外周を取り囲むように直方体形状の容器２５，２６を取り付け、この容器２５，２６内に熱伝達媒体２７，２８を充填したものである。容器２５，２６としては、容器５と同様、上側容器と下側容器から成る２分割の割り型構造を有しており、中心軸部分に配管２３，２４を位置させて上側容器と下側容器を接合部２９，３０で溶接や接着剤等を使用して貼り合わせて構成される。容器２５，２６を構成する材料は、熱伝導性が良く、かつ、腐食に強い金属が好適であり、アルミ、銅、鉄、ステンレスなどから選択される点も容器５と同様である。容器２５の形状も、直方体の他に、断面六角形、断面八角形等の多面体や円筒の一部に平面を有する構造等、熱電変換モジュール７が取り付けられる平面を有するものであれば、種々の形状が考えられる。さらに、熱伝達媒体２７，２８も熱伝達媒体９と同様、水、油、シリコン、またはイオン液体のいずれかが好適である。

この構成によれば、冷却水が流れる冷却配管２３，２４を利用することにより、配管３と冷却配管２３、２４との間での温度差が大きくなり、熱電変換モジュール７に温度差がつき、熱電変換モジュール７からの発電量が大きくなるという効果がある。また、専用の冷却配管を設置することなく、既存の冷却配管２３，２４をそのまま利用することができる。

＜第４の実施形態＞
熱電発電システム１において、熱伝達媒体９，２７，２８が充填されている容器５中には蓄熱材を入れた状態で使用するのが良い。蓄熱材には潜熱蓄熱材を用いる。熱伝達媒体９，２７，２８中に潜熱蓄熱材を入れることで、配管３を流通する熱源流体や冷却配管２３，２４を流通する冷却水の温度が変化しても熱伝達媒体９中の温度を潜熱蓄熱材の相変化温度以上に維持することができ、熱電変換モジュール７から安定的に発電量を得ることができる。

《蓄熱材料》
蓄熱材料は、熱源の温度により選択する。熱源温度が８０〜１７０℃の領域の場合、候補材料としては、マンニトール、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・２Ｈ_２Ｏ、エリスリトール、ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１６Ｈ_２Ｏ、ＫＡｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、Ａｌ（ＮＯ_３）_３・８Ｈ_２Ｏ、Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１２Ｈ_２Ｏ、ＡｌＫ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ、Ｂａ（ＯＨ）_２・８Ｈ_２Ｏが挙げられる。

熱源温度が８０〜１００℃であれば、熱伝達媒体９，２７，２８として水、蓄熱材にＫＡｌ（ＳＯ_４）２・１２Ｈ_２ＯやＭｇ（ＮＯ_３）２・６Ｈ_２Ｏの組み合わせが好適である。

熱源温度が１００〜１２０℃であれば、熱伝達媒体９，２７，２８にシリコン、蓄熱材にエリスリトールの組み合わせが好適である。蓄熱材料と相変化温度との関係を表１に示す。

＜第５の実施形態＞
熱電発電システム１において、熱伝達媒体９，２７，２８が充填されている容器５中に炭素を入れた状態で使用するのが良い。炭素はナノカーボン状のものを用いる。熱伝達媒体９，２７，２８中に炭素を充填させることによって、炭素を含んだ熱伝達媒体９の熱伝導率を高めることができる。熱伝達媒体９，２７，２８中の熱伝導が向上することで配管３，２３，２４からの熱を効率良く熱電変換モジュール７に熱伝導することができ、熱電変換モジュール７から安定的に発電量を得ることができる。

＜その他の実施形態＞
《変形例１》
図８、図９は、曲った配管への熱電発電システム１の設置を示したものである。図８は、Ｕ字状に曲がった配管３Ａの屈曲部を熱伝達媒体９が収納された容器５１に水没させたものである。また、図９の例は横置きの配管３Ｂの屈曲部に容器５３を取り付けた例を示す。いずれの場合も既存の配管３Ａ，３Ｂへの熱電発電システム１の取り付けを行ったものである。

《変形例２》
また図示されていないが、発電した電気は直流のために、熱電発電システムとインバータ、コントローラ、パワーコンディショナ、バッテリおよびコンデンサを組合わせて直流⇒交流変換を行い、得られた電気を使用する。用途によっては、得られた直流の電気をそのまま使用しても良い。

《変形例３》
また、実施形態の熱電発電システム１を用いて、ごみ焼却場、清掃工場で生じる排熱から電気を製造し、場内の照明や換気扇の電源として使用することができる。具体的には焼却炉の冷却を行った排熱水が流通する高温配管に容器５を取り付けて使用する。また、焼却炉からの排熱回収により蒸気発電を実施した後の排熱水を高温の熱源流体とする配管に容器５を取り付けるように構成する。冷却水を冷温媒体として熱電変換モジュール７により発電を行う。または、冷却配管の代わりにフィンによる放熱で発電を行う。

《変形例４》
また、実施形態の熱電発電システム１を用いて石油精製所で生じる排熱から電気を製造し、所内の照明や換気扇の電源として使用することもできる。具体的には原油の精製で分留された精製油を常温に戻す際に発生する排熱を高温媒体に冷却水を冷温媒体として発電を行う。または、冷却媒体配管の代わりにフィンによる放熱で発電を行う。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 熱電発電システム
３ 配管
３Ａ，３Ｂ Ｕ字配管
５，２５，２６，５１，５３ 容器
７ 熱電変換モジュール
９ 熱伝達媒体
１１ 接着部材
１３ 放熱フィン
１５ フィン
１７ 腐食コーティング部（配管表面）
１９ 腐食コーティング部（容器内面）
２１，２２，２３，２４ 冷却水配管
２５，２６ 冷却水用容器
２７，２８ 冷却用熱伝達媒体

Claims (9)

1. 熱源流体が流通する既存の熱源部である配管の外周を取り囲むように取り付けられ、少なくとも外面の一部に平面を有する多面体形状の容器と、
   前記容器の前記平面に取り付けられる熱電変換モジュールと、
   前記容器内に充填されて前記配管に接し、当該配管を流れる熱源流体からの熱を前記熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を具備し、
   前記容器は、２分割以上の割り型構造を有し、中心軸部分に前記既存の熱源部である配管を位置させて割り型を貼り合わせた後、その内部に前記熱伝達媒体が充填される構造であることを特徴とする熱電発電システム。
2. 請求項１に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記容器を構成する素材は、少なくともアルミニウム、銅、鉄、ステンレスの中から前記熱伝達媒体の材質によって選択されることを特徴とする熱電発電システム。
3. 請求項１または２に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記容器の内面および前記配管の前記熱伝達媒体に接する面には、腐食コーティングがされていることを特徴とする熱電発電システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記容器における前記熱電変換モジュールの取付面に対向する内面側にフィンを設けたことを特徴とする熱電発電システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記熱電変換モジュールは、ビスマスとテルルを主成分とする熱電変換材料で構成されることを特徴とする熱電発電システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記熱伝達媒体は、少なくとも水、油、シリコン、イオン液体を含む群から選択されることを特徴とする熱電発電システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   熱伝達媒体内に蓄熱材を混入したことを特徴とする熱電発電システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記熱伝達媒体内に炭素粒子を混入したことを特徴とする熱電発電システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、
   前記配管が高温配管の場合には、前記熱電変換モジュールにおける冷温側を、冷却媒体が流れる冷温配管に取り付けたことを特徴とする熱電発電システム。

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