JP2013201873A - 熱電発電装置および熱電発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を高めること。
【解決手段】実施形態による熱電発電システムは、両面の温度差により発電する熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールの両面の各々に温度が互いに異なる流体を流す第１の流路と第２の流路とがそれぞれ配置される熱電発電装置と、前記第１の流路を流れる第１の流体を、前記第１の流体の圧力、もしくは高低差を利用して前記第１の流路に供給する第１の供給路と、前記第２の流路を流れる、前記第１の流体より温度が低い第２の流体を、高低差を利用して前記第２の流路に供給する第２供給路とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、熱電発電装置および熱電発電システムに関する。

熱電発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差をつけることで生じる電力を取り出す、非化石燃料による環境にやさしい発電機である。

特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報 特開２０１１−１８１７６７号公報

一般に、熱電発電装置に供給する熱源として、高温熱流体および低温熱流体を用いる場合、それらを流すための動力が必要となる。動力の生成のために、熱電発電装置にポンプ等の補機類を設けると、それを駆動するために電力消費が生じ、発電効率が低下する。

発明が解決しようとする課題は、発電効率の高い熱電発電装置および熱電発電システムを提供することである。

実施形態による熱電発電システムは、両面の温度差により発電する熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールの両面の各々に温度が互いに異なる流体を流す第１の流路と第２の流路とがそれぞれ配置される熱電発電装置と、前記第１の流路を流れる第１の流体を、前記第１の流体の圧力、もしくは高低差を利用して前記第１の流路に供給する第１の供給路と、前記第２の流路を流れる、前記第１の流体より温度が低い第２の流体を、高低差を利用して前記第２の流路に供給する第２供給路とを具備する。

本発明の一実施形態に係る熱電発電システムの概略構成を示す概念図。 高温チャンバーと低温チャンバーとの間に設けられる複数の熱電変換モジュールの配置の一例を示す図。 熱電発電装置を温泉地の温泉旅館近傍に設置した場合の熱電発電システムの概略構成の一例を示す図。 図３とは異なる熱電発電システムの概略構成の別の例を示す図。 第２の実施形態に係る熱電発電装置が適用される設備の概略構成の一例を示す図。 タービンの排気蒸気の流路に配置される熱電発電装置の構成例を示す図。 余熱利用施設内に配置される熱電発電装置の構成例を示す図。 第３の実施形態に係る熱電発電装置が適用される設備の概略構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図４を参照して、第１の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る熱電発電システムの概略構成を示す概念図である。

第１の実施形態に係る熱電発電システムは、例えば温泉地など、熱電発電に好適な熱流体を得られる場所に設置されるものであり、基本的な要素として熱電発電装置１、切替装置２、および制御装置３を有する。制御装置３には、熱電発電システムから出力される電力を使用する機器として、例えばテレビ装置４、照明機器５、表示装置６などが接続される。

熱電発電装置１は、高温熱流体を流す直方体形の高温チャンバー（チャンバー型流路）１１Ａと低温熱流体を流す直方体形の低温チャンバー（チャンバー型流路）１１Ｂとを交互に複数台配置し、熱電変換モジュール収納部（スロット）１２に収納される熱電変換モジュール（図示せず）を隣接するチャンバー間にそれぞれ挟んだ構造を有する。外気温に触れる面積の大きい最外側には、低温チャンバー１１Ｂが配置される。

なお、本例では、複数のチャンバーを水平方向に複数台設置しているが、さらに鉛直方向にも複数台設置するようにしてもよい。その場合、設置面積あたりの出力と発電量を増加させることができる。また、本例では、熱流体が水平方向に流れるように各チャンバーを設置しているが、熱流体が鉛直方向もしく一定の勾配をもって流れるように設置するようにしてもよい。その場合、設置面積をさらに小さくすることができる。

図１中の矢印は、熱電発電装置１内を流れる熱流体の流れの向きを示している。図１から分るように、高温チャンバー１１Ａ内を高温熱流体が流れる方向と、低温チャンバー１１Ｂ内を低温熱流体が流れる方向とは、対向流を成している。

高温チャンバー１１Ａの片方の端部下側には、高温熱流体を取り込むための配管３１Ａが設けられ、高温チャンバー１１Ａのもう片方の端部上側には、高温熱流体を排出するための配管４１Ａが設けられる。一方、低温チャンバー１１Ｂの片方の端部下側には、低温熱流体を取り込むための配管３１Ｂが設けられ、低温チャンバー１１Ｂのもう片方の端部上側には、低温熱流体を排出するための配管４１Ｂが設けられる。

このようにすると、各チャンバー内の熱流体が常に満杯の状態となるため、発電性能を向上させることができる。また、隣接するチャンバー内の熱流体の流れが対向流を構成していることから、熱電変換モジュールの両面の温度差が熱流体の供給側から排出側まで長手方向で極力均一になるようにすることができ、発電性能を向上させることができる。

切替装置２は、所望の電流および電圧が得られるように熱電変換モジュールの各々を電気的に直列接続および並列接続する組合せの切り替えを行うためのリレー回路である。直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とを切り替えることにより、出力される電流および電圧を変更することができる。

制御装置３は、切替装置２を通じて得られる電力の蓄電および直流／交流変換を行うための制御盤である。この制御装置３は、蓄電装置としてのバッテリや、バッテリに対する電力の充放電の制御を行うチャージコントローラ、直流から交流への変換を行うインバータなどを備えている。制御装置３の出力は、例えばテレビ装置４、照明機器５、表示装置６などの負荷に供給される。

このような構成により、熱電発電システムは、独立した電源として現場の照明や機器へ電力供給したり、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行ったりする用途に用いることが可能となる。

なお、第１の実施形態に係る熱電発電装置１の構成は、図１に示した構成に限らず、後述する第２の実施形態や第３の実施形態に示される構成であってもよい。

図２は、高温チャンバー１１Ａと低温チャンバー１１Ｂとの間に設けられる複数の熱電変換モジュールの配置の一例を示す図である。

図２に示されるように、高温チャンバー１１Ａおよび低温チャンバー１１Ｂの壁面には、複数の熱電変換モジュール１３が所定の間隔で貼り付けられている。

熱電変換モジュール１３は、配線１４により、例えばチャンバー長手方向へ電気的に直列接続される。なお、直列接続される熱電変換モジュール１３の個数は、所望の電圧が得られるよう事前に決定される。そして、直列接続される熱電変換モジュールの個数（占有長さ）とチャンバーの長さの関係で、１段当たりの直列回路数が決まる。配線１４の４つの端部は切替装置２側のそれぞれの接点につながれ、切替装置２側での接点の操作により直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とが決定される。図２の例では、切替装置２側につながれる配線１４の端部が４つとなっているが、４つ以外の数となるように構成してもよい。

また、図２の例では、熱電変換モジュール１３の配列を２段としているが、段数は１段でも３段以上としてもよい。また、図２の例では、上段の熱電変換モジュール１３と下段の熱電変換モジュール１３とを電気的に分離させて２つの直列接続を構成しているが、分離させずに、上段と下段とを合わせて１つの直列接続を構成してもよい。また、図２の例では、チャンバー長手方向に隣接する熱電変換モジュール同士が接続されているが、上段と下段の隣接する熱電変換モジュール同士が接続される構成が含まれていてもよい。

図３は、熱電発電装置１を温泉地の温泉旅館近傍に設置した場合の熱電発電システムの概略構成の一例を示す図である。

熱電発電装置１は、温熱源（源泉）５０Ａや冷熱源（山水、河川水、ダム貯水など）５０Ｂよりも低い位置に、旅館の温泉タンク又は浴槽５３Ａや貯水槽５３Ｂよりも高い位置に設置される。すなわち、本実施形態では、温泉の湧出力（圧力）や高低差（位置エネルギーの差）を利用することにより、ポンプ等の補機類を新設することなく、熱流体が重力によって熱電発電装置１に供給され、かつ、当該熱電発電装置１から排出されるように構成されている。

温熱源５０Ａからは高温熱流体である温泉水が流路（供給路）５１Ａを通じて配管３１Ａから熱電発電装置１に入り、熱交換を行った後、配管４１Ａから出て、流路（排出路）５２Ａを通じて温泉タンク又は浴槽５３Ａへ送られる。一方、冷熱源５０Ｂからは低温熱流体である水が流路（供給路）５１Ｂを通じて配管３１Ｂから熱電発電装置１に入り、熱交換を行った後、配管４１Ｂから出て、流路（排出路）５２Ｂを通じて貯水槽５３Ｂへ送られる。

このように構成することにより、ポンプ等の補機類を新設しなくても、温泉の湧出力（圧力）や高低差（位置エネルギーの差）により、温泉水や山水を継続的に熱電発電装置１に供給し、かつ、熱電発電装置１から排出させることができる。また、旅館において停電により商用電源が使用できないときでも、熱電発電装置１から常に発電される電力を使用することができる。

図４は、図３とは異なる熱電発電システムの概略構成の別の例を示す図である。

図４の熱電発電システムは、高温熱流体を供給する部分の形態が図３の熱電発電システムと異なる。図４の熱電発電システムでは、温熱源（例えば１００℃以上の蒸気泉）５４Ａから噴出する温泉ガスが熱交換器５５Ａへ送られて熱変換が行われ、新たな温熱源（温泉水等）５６Ａとして流路５１Ａに供給される。温熱源５６Ａは、温熱源５４Ａからの温泉ガスを凝縮して得られる温泉水でもよいが、当該温泉ガスと熱交換して温熱を得る別の水であってもよい。

一方で、温熱源（例えば１００℃以上の蒸気泉）５４Ａから噴出する温泉ガスそのものも、噴出力を利用して流路５７Ａを通じて流路５１Ａに供給され、温泉水等と混合される。流路５１Ａは、温泉ガスを温泉水又は熱交換水に混合させたものを熱電発電装置１に供給する。

このように構成することにより、温泉水が湧出する源泉が無くても蒸気泉があれば、図３の熱電発電システムと同様の効果を得ることができる。また、温泉水に温泉ガスを混合させることにより、熱流体の体積が増し、流路５１Ａを流れる熱流体の圧力が増大し、流量が増加するため、発電効率を一層向上させることができる。

なお、図４の例では、温泉ガスを温泉水又は熱交換水に混合させたものを熱電発電装置１に供給する場合を例示したが、熱交換器５５Ａや温熱源（温泉水等）５６Ａを用いずに、温熱源（例えば１００℃以上の蒸気泉）５４Ａから噴出する温泉ガスのみを、その噴出力を利用して流路５１Ａを通じて熱電発電装置１に供給するようにしてもよい。

また、熱交換機５５Ａとして、熱電発電装置１と同様な別の熱電発電装置を設けるようにしてもよい。この場合、この熱電発電装置からも電力を得ることができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。

また、冷熱源５０Ｂを、山水を最初に貯める主貯水槽とし、貯水槽５３Ｂを、主貯水槽よりも低い位置で当該主貯水槽から流れてくる水を受けて貯める複数の中間貯水槽のうちの１つとして構成してもよい。この場合、流路５１Ｂ−熱電発電装置１−流路５２Ｂの経路は、主貯水槽と中間貯水槽とを結ぶ流路の一部を利用した構成となる。なお、熱電発電装置１は、主貯水槽と中間貯水槽とを結ぶ流路の間に設けられる限り、中間貯水槽よりも低い位置に設置されていても、位置エネルギーの関係により水は熱電発電装置１から中間貯水槽へと難なく届く。

第１の実施形態によれば、ポンプ等の補機類を新設しなくても、温泉水の湧出力や温泉ガスの噴出力、高低差（位置エネルギーの差）などを利用することにより、温泉水や山水を継続的に熱電発電装置１に供給し、かつ、熱電発電装置１から排出させることができ、発電効率を向上させることができる。また、旅館において停電により商用電源が使用できないときでも、熱電発電装置１から常に発電される電力を使用することができる。

（第２の実施形態）
図５〜図７を参照して、第２の実施形態について説明する。

図５は、第２の実施形態に係る熱電発電装置が適用される設備の概略構成の一例を示す図である。

第２の実施形態に係る熱電発電装置１は、例えば清掃工場において熱電発電に好適な熱流体を得られる場所に設けられる。なお、第２の実施形態に係る熱電発電装置１の構成は、図１に示した構成に限らず、後述する別の構成であってもよい。

図５の例では、ごみピット６０Ａから適量のごみが焼却炉６０Ｂに搬入されて焼却されると、ボイラー６１の水から蒸気が発生し、発生した蒸気が蒸気ヘッダ６２へ供給される。蒸気ヘッダ６２からは、発電機Ｇを駆動するタービン６３等へと蒸気が供給され、タービン６３等に使用されない余剰蒸気は余熱利用施設６４へ供給される。

ここで、余熱利用施設６４内に熱電発電装置１が配置されていてもよい。この場合、熱電発電装置１の高温熱流体用の流路（図示せず）は、タービン６３等に使用されない余剰蒸気が流れる余熱利用施設６４内の流路６４Ａの一部を利用した形態をとる。なお、熱電発電装置１の低温熱流体用の流路（図示せず）は、空気もしくは水を流す構造を有するものとする。

タービン６３に供給される蒸気は、タービン６３に動力を与えた後、排出され、復水器６５（高圧コンデンサなど）へと供給される。

ここで、タービン６３の駆動に使用された後の排気蒸気が流れる流路、例えばタービン６３からの排気蒸気が復水器６５へ供給される流路６３Ａ（パイプなど）に、熱電発電装置１が配置されていてもよい。この場合、熱電発電装置１の高温熱流体用の流路（図示せず）は、流路６３Ａの一部を利用した形態をとる。なお、熱電発電装置１の低温熱流体用の流路（図示せず）は、空気もしくは水を流す構造を有するものとする。

熱電発電装置１を通過した蒸気は、復水器６５で水に戻されて、復水タンク６６に溜り、適量の水が給水タンク６７からボイラー６１へ供給される。

ここで、流路６３Ａに熱電発電装置１を配置する代わりに（あるいは、流路６３Ａに熱電発電装置１を配置すると共に）、復水器６５から復水タンク６６に温水が流れる流路６５Ａ（パイプなど）に熱電発電装置１（図示せず）を配置するようにしてもよい。この場合、熱電発電装置１の高温熱流体用の流路（図示せず）は、流路６５Ａの一部を利用した形態をとる。なお、熱電発電装置１の低温熱流体用の流路（図示せず）は、空気もしくは水を流す構造を有するものとする。

図６は、流路６３Ａもしくは流路６５Ａ（パイプなど）に配置される熱電発電装置１の構成例を示す図である。

熱電発電装置１は、低温熱流体として大気（空気）を用いる空冷式として構成してもよいし、水を用いる水冷式として構成してもよい。

空冷式の場合、熱電発電装置１を構成する熱電変換モジュール１３の両面のうち、片方の面は、高温の蒸気が流れる流路６３Ａもしくは流路６５Ａの表面に貼り付けられ、もう片方の面は、空冷フィン７１を備えた熱伝導材などに貼り付けられる。

水冷式の場合、熱電発電装置１を構成する熱電変換モジュール１３の両面のうち、片方の面は、高温の蒸気が流れる流路６３Ａもしくは流路６５Ａの表面に貼り付けられ、もう片方の面は、施設内で使用される冷却水を取り込む導入口７２を備えた配管などに貼り付けられる。

図７は、余熱利用施設６４内に配置される熱電発電装置１の構成例を示す図である。

熱電発電装置１は、例えば余熱利用施設６４内の通路の脇に配置される。熱電発電装置１は、例えば図１に示したような構成を有し、高低差（位置エネルギーの差）を利用することにより、ポンプ等の補機類を新設することなく、熱流体が重力によって熱電発電装置１に供給され、かつ、当該熱電発電装置１から排出されるように構成されている。

図７の例では、余剰蒸気は余熱利用施設６４内のコンプレッサ室８０に設置されているボイラー用ブロータンク８０Ａに溜められる。ここで蒸気が水になった後は、そのまま排水ピット８３Ａに廃棄されるのではなく、高低差を利用して、流路８１Ａを通じて熱電発電装置１に入り、熱交換をした後、再び高低差を利用して、熱電発電装置１から流路８２Ａを通じて排水ピット８３Ａへ送られる。

一方、この施設では冷水（井戸水）を場内で利用するために循環しており、冷水取出口８０Ｂから冷水を取り出せるようになっている。冷水取出口８０Ｂから取り出された冷水は、高低差を利用して、流路８１Ｂを通じて熱電発電装置１に入り、熱交換をした後、再び高低差を利用して、熱電発電装置１から流路８２Ｂを通じてマンホール８３Ｂへ送られる。

第２の実施形態によれば、清掃工場などの施設に設置されている既存の設備を利用することにより、ポンプ等の補機類を新設しなくても、高低差により高温熱流体や低温熱流体を継続的に熱電発電装置１に供給し、かつ、熱電発電装置１から排出させることができ、発電効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
図８を参照して、第３の実施形態について説明する。

図８は、第３の実施形態に係る熱電発電装置が適用される設備の概略構成の一例を示す図である。

第３の実施形態に係る熱電発電装置１は、例えば発酵槽で原料から発酵ガスを発生させるバイオガスプラントなどの施設において熱電発電に好適な熱流体を得られる場所に設けられる。この場合、熱電発電装置１の高温熱流体用の流路（図示せず）は、発酵ガスが流れる流路の一部を利用した形態をとる。なお、熱電発電装置１の低温熱流体用の流路（図示せず）は、空気もしくは水を流す構造を有するものとする。

図８の例では、発酵槽９０で発酵する発酵ガスは、ブロワーＢにより流路９１を通じて高温熱流体として熱電発電装置１へ送り込まれ、熱交換を行った後、脱臭槽９２へ供給された後、外部へ排出される。

熱電発電装置１は、低温熱流体として大気（空気）を用いる空冷式として構成してもよいし、水を用いる水冷式として構成してもよい。空冷式の場合、熱電発電装置１は、流路９１と繋がった円筒状の筒体を有し、その周囲に熱電変換モジュール１３を備える。図８に示されるように熱電変換モジュール１３の片方の面は、高温の蒸気が流れる流路９１と繋がった筒体の表面に取り付けられ、もう片方の面には、空冷フィン９３を備えた熱伝導材などが取り付けられる。

第３の実施形態によれば、バイオガスプラントなどの施設に設置されている既存の設備を利用することにより、追加の補機類を新設しなくても、高温熱流体や低温熱流体を継続的に熱電発電装置１に供給し、かつ、熱電発電装置１から排出させることができ、発電効率を向上させることができる。

上述した各実施形態によれば、熱電発電装置の発電効率を高めることが可能となる。

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…熱電発電装置、２…切替装置、３…制御装置、４…テレビ装置、５…照明機器、６…表示装置、１１Ａ…高温チャンバー、１１Ｂ…低温チャンバー、１２…熱電変換モジュール収納部（スロット）、１３…熱電変換モジュール、１４…配線、３１Ａ，３１Ｂ，４１Ａ，４１Ｂ…配管、５０Ａ…温熱源、５０Ｂ…冷熱源、５１Ａ，５１Ｂ…流路（供給路）、５２Ａ，５２Ｂ…流路（排出路）、５３Ａ…温泉タンク又は浴槽、５３Ｂ…貯水槽、５４Ａ，５６Ａ…温熱源、５５Ａ…熱交換器、５７…流路、６０Ａ…ごみピット、６０Ｂ…焼却炉、６１…ボイラー、６２…蒸気ヘッダ、６３…タービン、６３Ａ…流路、６４…余熱利用施設、６４Ａ…流路、６５…復水器、６５Ａ…流路、６６…復水タンク、６７…給水タンク、７１…空冷フィン、７２…導入口、８０…コンプレッサ室、８０Ａ…ボイラー用ブロータンク、８１Ａ，８１Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ…流路、８３Ａ…排水ピット、８３Ｂ…マンホール、９０…発酵槽、９１…流路、９２…脱臭槽、９３…空冷フィン、Ｂ…ブロワー、Ｇ…発電機。

Claims (10)

1. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールの両面の各々に温度が互いに異なる流体を流す第１の流路と第２の流路とがそれぞれ配置される熱電発電装置と、
   前記第１の流路を流れる第１の流体を、前記第１の流体の圧力、もしくは高低差を利用して前記第１の流路に供給する第１の供給路と、
   前記第２の流路を流れる、前記第１の流体より温度が低い第２の流体を、高低差を利用して前記第２の流路に供給する第２供給路と
   を具備することを特徴とする熱電発電システム。
2. 前記第１の流体は、温泉ガス、温泉水、及び、温泉ガス又は温泉水と熱交換した熱交換水のうちの少なくともいずれか１つであり、
   前記第１の流体の圧力は、温泉の噴出力、湧出力であり、
   前記第２の流体は、山水、河川水、もしくは貯水であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
3. 前記第１の供給路は、温泉ガスを温泉水に混合させたものを前記第１の流路に供給することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
4. 前記第１の供給路は、温泉ガスを、当該温泉ガスを凝縮して得られる温泉水に混合させたものを前記第１の流路に供給することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
5. 前記第１の供給路は、温泉ガスを当該温泉ガスと熱交換して温熱を得る別の水に混合させたものを前記第１の流路に供給することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
6. 前記第２の供給路もしくは前記第２の流路は、水を貯める第１の貯水槽とこの第１の貯水槽よりも低い位置で水を貯める第２の貯水槽とを結ぶ流路の一部を利用していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電システム。
7. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールの両面の各々に温度が互いに異なる流体を流す第１の流路と第２の流路とがそれぞれ配置される熱電発電装置であって、
   前記第１の流路は、ボイラーを備えた施設において当該ボイラーから発生する余剰蒸気が流れる流路の一部もしくは排気蒸気が流れる流路の一部を利用したものであり、
   前記第２の流路は、空気もしくは水を流す構造を有することを特徴とする熱電発電装置。
8. 前記第２の流路は、空冷フィンを用いて構成されることを特徴とする請求項７に記載の熱電発電装置。
9. 前記第２の流路は、前記施設で循環する水を流すものであることを特徴とする請求項７に記載の熱電発電装置。
10. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールの両面の各々に温度が互いに異なる流体を流す第１の流路と第２の流路とがそれぞれ配置される熱電発電装置であって、
    前記第１の流路は、発酵槽で原料から発酵ガスを発生させる施設において当該発酵槽から発生する発酵ガスを別の槽へ供給する流路の一部を利用したものであり、
    前記第２の流路は、空気もしくは水を流す構造を有することを特徴とする熱電発電装置。

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