JP5954246B2 - 熱電発電装置およびそれを用いた熱電発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間スラブ（以下、単にスラブという）の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電発電装置およびそれを用いた熱電発電方法に関するものである。

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用し、熱電発電素子を用いて熱を直接電力に変換することも知られている。
近年、製鉄工場等の製造設備では、例えば、上記のような熱電発電素子を用いた発電により、これまで廃熱として棄ててきたエネルギー、例えば、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機によって製造されているスラブの輻射による熱エネルギーを利用する取組みが推進されている。

熱エネルギーを利用する方法として、例えば、特許文献１には、受熱装置を高温物体に対峙して配置し、高温物体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。
他方、特許文献２には、廃熱として処理されている熱エネルギーに、熱電素子モジュールを接触させて電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。

特開昭５９−１９８８８３号公報 特開昭６０−３４０８４号公報

しかしながら、特許文献１では、スラブ連鋳ラインに適用できる旨の記載があるものの、実操業におけるスラブの温度分布や、スラブ量の変動による放出熱量（熱エネルギー）の変動など、操業中の熱源のばらつきや、ダミーバーテーブルを用いる場合については全く考慮されていない。
また、特許文献２では、モジュールを熱源に対して固定する必要があるため、移動する熱源に対しては、モジュールが適切に設置できないという問題がある。

さらに、従来の熱電発電方法では、スラブの後端などが熱源になる場合、スラブの高さ変動が生じやすい、そのため、装置の破損を防ぐ必要があり、熱電素子モジュールを熱源の遠方にしか設置することができない。そして、熱源の遠方に設置したのでは、高温物体の熱エネルギーを効率的に熱電発電装置に伝えられず、効果的な電気エネルギーの変換ができないという問題が残っていた。

本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、各種の製造プロセス、特に、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機において、ダミーバーテーブルの移動がある場合であっても、スラブから発生した熱エネルギーを、安定して電気エネルギーに変換して回収することができる熱電素子モジュールの集合体である熱電発電ユニットを備える熱電発電装置を、それを用いた熱電発電方法と共に提供することを目的とする。

発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、スラブとダミーバーテーブルの位置に応じて、熱源と熱電発電ユニットとの距離を効果的に調整することにより、高効率な熱電発電を行うことができることを知見し、特に、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機における効率的な熱利用が可能な熱電発電装置を、それを用いた熱電発電方法と共に開発した。
本発明は上記知見に立脚するものである

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機において、スラブの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電ユニットを備える熱電発電装置であって、
上昇位置にあるダミーバーテーブルの下方におけるスラブとの対峙位置への上記熱電発電ユニットの移動、およびダミーバーテーブルの下降域からの退避位置への上記熱電発電ユニットの移動、を司る移動手段を有する熱電発電装置。

２．前記移動手段が、さらに、熱電発電ユニットとスラブとの距離を制御する昇降運動機能を有する前記１に記載の熱電発電装置。

３．前記熱電発電装置が、熱電発電ユニットのスラブ側にグラスファイバーシートを具える前記１または２に記載の熱電発電装置。

４．前記熱電発電装置が、熱電発電ユニットのスラブ側およびその対向側にグラスファイバーシートを有する前記１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。

５．前記熱電発電ユニットのスラブ側に、該熱電発電ユニットの受け部を設けた前記１〜４のいずれかに記載の熱電発電装置。

６．前記１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置を用いる熱電発電方法であって、スラブの熱を受熱して熱電発電を行う際には、熱電発電ユニットをスラブとの対峙位置に移動する一方で、ダミーバーを用いる際には、ダミーバー下部からダミーバー脇の退避位置へ熱電発電ユニットを退避させる熱電発電方法。

７．前記６に記載の熱電発電方法を行うに際し、スラブとの対峙位置またはダミーバー脇の退避位置への移動を、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機のシーケンスにそれぞれ取り込んで制御する熱電発電方法。

本発明によれば、熱電発電ユニットと熱源とを、発電効率の良い距離に保持することができるため、発電効率が向上し、従来に比べて、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機に流れているスラブから発生する熱エネルギーを高いレベルで回収することができる。

本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニットの設置場所を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の設置図である。 (ａ)および(ｂ)は、ダミーバーテーブル上昇時の熱電発電ユニット位置を説明する図である。 (ａ)および(ｂ)は、ダミーバーテーブル下降時の熱電発電ユニット退避位置を説明する図である。 スラブと熱電発電ユニットとの距離に対する発電出力比の関係を表したグラフである。

以下、本発明を、具体的に説明する。
本発明では、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機におけるスラブを熱源とする。
また、本発明の熱電発電装置は、スラブの幅方向および長手方向であって、ダミーバーテーブル下方（スラブとの対峙位置）に熱電発電ユニットを具備している。そして、その熱電発電ユニットは、スラブに対峙する側に受熱手段、そして少なくとも一つの熱電発電モジュールおよびスラブと反対側の面に放熱手段を有する。
図１は、本発明の熱電発電ユニットの一実施形態を説明する模式図である。図中、１は取鍋、２はタンディッシュ、３は鋳型、４はスラブ冷却装置、５は矯正ロール等ローラー群、６はスラブ、７はスラブ切断装置、８はダミーバーテーブル、９は熱電発電ユニットおよび１０はダミーバーレシーバーである。

本発明における熱電発電装置は、熱源であるスラブ６に対峙して配置された熱電発電ユニット９と、熱電発電ユニットの移動手段とを具備している。なお、スラブ６はテーブルローラーの上面にある。また、本発明では、熱電発電ユニットは一つの熱電発電装置中に複数設けられていて、例えば、７列×８列の５６個から成る発電ユニット群（以下、複数であっても単に熱電発電ユニットという）を具えていることが、スラブの大きさや発電の効率の観点から好ましい。

また、上記受熱手段は、材質にもよるが、熱電素子の高温側温度プラス数度から数十度、場合によっては数百度程度の温度になる。それ故、受熱手段は、その温度で、耐熱性や、耐久性を持つものであればよい。例えば、銅や銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス、カーボンの他、一般の鉄鋼材料を用いることができる。

他方、放熱手段は、従来公知のものでよく、特別の制限はないが、特に、冷媒流路を有した水冷板等が好ましい形態として例示される。

本発明における熱電発電ユニットは、通常、複数の熱電発電モジュールからなるが、この熱電発電モジュールは、熱電素子であるＰ型およびＮ型の半導体を数十〜数千対の電極で接続した熱電素子群が二次元的に配列されており、さらにその両側に配置した絶縁材とからなる。
また、上記熱電発電モジュールは、両側もしくは片側に熱伝導シートや保護板を具備していても良い。さらにその保護板がそれぞれ、受熱手段や放熱手段を兼ねていても良い。受熱手段、および放熱手段である冷却板自体が絶縁材であったり、表面に絶縁材が被覆されたりしている場合は、絶縁材の代替としても良い。

本発明では、受熱手段と熱電発電モジュールの間や、放熱手段と熱電発電モジュールの間、そして絶縁材と保護板の間などに、部材同士の熱接触抵抗を低減し、熱電発電効率の一層の向上を図るために、上述した熱伝導シートを設けることができる。この熱伝導シートは、所定の熱伝導率を有しており、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば、特に制限はないが、グラファイト製のシート等が例示される。

なお、本発明に従う熱電発電モジュール１個の大きさは、１×１０^−２ｍ^２以下とすることが好ましい。モジュールの大きさを上記程度とすることで熱電発電モジュールの変形を抑制することができるからである。より好ましくは、２．５×１０^−３ｍ^２以下である。
また、熱電発電ユニット１個の大きさは、１ｍ^２以下とすることが好ましい。ユニットを１ｍ^２以下とすることで熱電発電モジュールの相互間や、熱電発電ユニット自体の変形を抑制することができるからである。より好ましくは、２．５×１０^−１ｍ^２以下である。

図２は、本発明に従う熱電発電装置の一例をスラブの進行（上手）方向から示す図である。図中、５は矯正ロール等ローラー群、６はスラブ、８はダミーバーテーブル、９は熱電発電ユニット、１１は移動手段（架台および台車）、１２は台車移動レール、１３はケーブルベア（登録商標）および１４はグラスファイバーシートである。

本発明における熱電発電装置は、上記熱電発電ユニットの一体移動が可能な移動手段１１を有しており、この移動手段によって、ダミーバー脇の退避位置から、ダミーバーテーブル８を回避しつつ、熱電発電ユニットをスラブの上面（スラブへの対峙位置）に移動することができる。

次に、本発明における熱電発電ユニットの稼働手順を、以下図を用いて説明する。
図３(ａ)および(ｂ)は、ダミーバーテーブル上昇時の熱電発電ユニット位置を説明する図である。図中、５は矯正ロール等ローラー群、６はスラブ、７はスラブ切断装置、８はダミーバーテーブル、９は熱電発電ユニット、１０はダミーバーレシーバー、１１は移動手段（架台および台車）、１２は台車移動レールおよび１５は受け部である。

また、図４(ａ)および(ｂ)は、ダミーバーテーブル下降時の熱電発電ユニット退避位置を説明する図である。図中、５は矯正ロール等ローラー群、６はスラブ、７はスラブ切断装置、８はダミーバーテーブル、９は熱電発電ユニット、１０はダミーバーレシーバー、１１は移動手段（架台および台車）および１２は台車移動レールである。

本発明において、発電中は、スラブの進行方向から見た図３(ａ)に示したようにダミーバーテーブル８の下に熱電発電ユニット９が配置されている（スラブへの対峙位置）。なお、スラブを、スラブの進行方向に対し横から見ると、図３(ｂ)に示したようにダミーバーテーブル８の下に熱電発電ユニット９が配置されている。

一方、ダミーバーテーブルが下降しているときは、スラブの進行方向から見た図４(ａ)示したように、ダミーバーテーブル８の端が、スラブの直上まで降りていて、それを避けるように、移動手段１１によって、熱電発電ユニットは、上記ダミーバーテーブルの下降域脇の退避位置（以下、）に退避している。なお、スラブを、スラブの進行方向に対し横から見ると、図４(ｂ)に示したようにダミーバーテーブル８の端がスラブに近接している。

また、本発明では、移動手段１１に、熱電発電ユニットを一体で上下に昇降移動する機能を付加することもできる。スラブの温度に応じて、最適な発電状態を維持することができるからである。なお、この昇降移動装置は、パワーシリンダを用いて行うことが、位置決め精度等の観点から好適である。

本発明では、熱電発電装置が、図２に示したように、熱電発電ユニットのスラブ側、および／またはその対向側にグラスファイバーシート１４を具えることができる。スラブの輻射熱等スラブから発生する熱を最も有効に利用することができるからである。

また、熱電発電ユニットのスラブ側に、図３（ａ）の符号１５に示したように、該熱電発電ユニットの受け部を設けることができる。熱電発電ユニットのたわみを防止できるからである。なお、本発明における受け部とは、図３（ａ）に示したように、伸縮性の棒に車輪を付けて台で受ける、という構成を有するものでなくても、上述した「たわみ」を防止できれば特にその形状や構成に制限はない。また、熱電発電ユニットが昇降移動する場合には、受け部自身が伸縮しても良いし、受け部の台が上下しても良い。

本発明では、スラブの温度が、サイズや品種に応じて、ある程度同じであるため、サイズや品種ごとに、あらかじめ、熱電発電ユニットの設置場所を設定しておくことができる。また、熱電発電ユニット毎の出力電力実績からおよび／または温度などから予測される出力電力予測値から、サイズ、品種に応じてあらかじめ熱電発電ユニットの設置位置を設定しても良い。加えて、設備導入時に、熱電発電ユニットと熱源であるスラブとの距離や、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を決定しておいても良い。

上述した熱電発電ユニットの出力を測定した例として、図５に、スラブからの熱電発電ユニットの距離と、定格出力時の発電出力比を１とした場合の発電出力比との関係を、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュール間隔およびスラブの温度をパラメータとして調査した結果として示す。
同図より、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを７０ｍｍ間隔に設置した熱電発電ユニットを具備した熱電発電装置を用いると、スラブの温度が９５０℃の場合は、熱電発電ユニットとスラブとの距離を３４０ｍｍに、また、９００℃の場合は、１６０ｍｍに移動させ、設置すると、発電出力比が１となり、効率の良い熱電発電を行うことができることが分かる。
すなわち、本発明では、図５のような関係を求めて、図中の発電出力比が１（定格出力）になるように距離を設定することが好ましい。

上述したように熱電発電ユニットの出力は、定格出力となるように設定するのが好ましいが、熱電素子が壊れないように、熱電発電ユニットの耐熱温度上限を考慮して設定する必要がある。耐熱温度上限を考慮した場合は、発電出力比の目標を適宜下げることができるが、０．７程度までとすることが好ましい。

本発明では、前記した移動手段を用いることで、パワーコントローラーが壊れた場合などの非定常状態においては、送電系統の装置の破損を防ぐため、熱電発電ユニットを発電領域（対峙位置）から退避位置に移動することができる。

さらに、本発明の熱電発電装置では、熱電発電装置の上流側および/または下流側に距離センサを取り付け、距離センサの値を利用して、熱電発電ユニットの位置を、フィードフォワードおよび/またはフィードバック制御により設定してもよい。

本発明に従う熱電発電方法は、スラブの熱を受熱して熱電発電を行う際に、上述した本発明に従う熱電発電装置のいずれかを用いる、すなわち熱電発電ユニットをスラブとの対峙位置に移動する一方で、ダミーバーを用いる際には、ダミーバーテーブルの下降域脇の退避位置に、熱電発電ユニットを退避させることを特徴とする。
具体的には、図３，４に示したように、スラブの熱を受熱して熱電発電を行う際には、熱電発電ユニットをスラブとの対峙位置に移動する一方で、ダミーバーを用いる際には、ダミーバーテーブル下降域から該下降域脇の退避位置へ熱電発電ユニットを退避させる。

なお、本発明では、上述した熱電発電方法を行うに際し、スラブとの対峙位置またはダミーバー脇の退避位置への移動を、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機のシーケンスにそれぞれ取り込んで、連続鋳造装置と一体制御とすることもできる。

本発明に従う熱電発電装置の効果を確認するために、図２に示した熱電発電ユニット（グラスファイバーシートなし）を具備した熱電発電装置であって、熱電発電ユニットの出力を確認する試験を実施した。
なお、熱電発電ユニットは、５０ｍｍ角の熱電発電モジュールを７０ｍｍ間隔に設置し、この熱電発電ユニットを５６個（７列×８列）備えた熱電発電装置を用い、熱電発電ユニットを図１に示したように設置した。

スラブ温度：９５０℃のダミーバー下方挿入型の連続鋳造機ラインにおいて、まず、図４に記載されたように、ダミーバーテーブル下降域脇の退避位置に、上記した熱電発電ユニットを退避させ、ダミーバーを用いた鋳造を開始する。ついで、ダミーバーが切断、回収位置に到達した後、ダミーバーテーブルを図３に記載されたように、熱電発電ユニットをスラブとの対峙位置へ移動した。
図３の状態で、スラブ温度：９５０℃にて２０分以上発電を行うと、ほぼ定格出力（定格出力の９５％以上）を得ることができ、それを鋳造が終了するまで継続的に出力（発電）可能である。
引続き、連続鋳造を終了させ、再び、ダミーバーを用いた鋳造を開始するに際しては、ダミーバーテーブル下降域脇の退避位置に熱電発電ユニットを退避させ、熱電発電ユニットとダミーバーテーブルの間に干渉がないことを確認した。

以上の実施例の結果から、本発明に従う熱電発電装置の効果が確認できた。なお、以上の実施例では、グラスファイバーシートおよび熱電発電ユニットの受け部を用いていないが、本発明の効果が得られることを確認している。

本発明によれば、鋼材から発生する熱を、効果的に電力へと変換できるので、製造工場における省エネルギーに貢献する。

１ 取鍋
２ タンディッシュ
３ 鋳型
４ スラブ冷却装置
５ 矯正ロール等ローラー群
６ スラブ
７ スラブ切断装置
８ ダミーバーテーブル
９ 熱電発電ユニット
１０ ダミーバーレシーバー
１１ 移動手段（架台および台車）
１２ 台車移動レール
１３ ケーブルベア
１４ グラスファイバーシート
１５ 受け部

Claims (7)

1. ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機において、スラブの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電ユニットを備える熱電発電装置であって、
   上昇位置にあるダミーバーテーブルの下方におけるスラブとの対峙位置への上記熱電発電ユニットの移動、およびダミーバーテーブルの下降域からの退避位置への上記熱電発電ユニットの移動、を司る移動手段を有する熱電発電装置。
2. 前記移動手段が、さらに、熱電発電ユニットとスラブとの距離を制御する昇降運動機能を有する請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記熱電発電装置が、熱電発電ユニットのスラブ側にグラスファイバーシートを具える請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記熱電発電装置が、熱電発電ユニットのスラブ側およびその対向側にグラスファイバーシートを有する請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。
5. 前記熱電発電ユニットのスラブ側に、該熱電発電ユニットの受け部を設けた請求項１〜４のいずれかに記載の熱電発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置を用いる熱電発電方法であって、スラブの熱を受熱して熱電発電を行う際には、熱電発電ユニットを上昇位置にあるダミーバーテーブルの下方におけるスラブとの対峙位置に移動する一方で、ダミーバーを用いる際には、ダミーバーテーブルの下降域からの退避位置へ熱電発電ユニットを退避させる熱電発電方法。
7. 請求項６に記載の熱電発電方法を行うに際し、スラブとの対峙位置またはダミーバー脇の退避位置への移動を、ダミーバー下方挿入型の連続鋳造機のシーケンスにそれぞれ取り込んで制御する熱電発電方法。

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