JP6132285B2

JP6132285B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP6132285B2
Application number: JP2013122525A
Authority: JP
Inventors: 和宏小野瀬
Original assignee: Hokkaido Tokushushiryou KK
Current assignee: Hokkaido Tokushushiryou KK
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: WO2014200004A1; US20160133812A1; CN105379102A; JP2014241318A; EP3010139A1; EP3010139A4

Description

本発明は、熱電素子を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する技術に関する。

熱機関から排出される熱を利用して発電を行う技術は公知である。

その一例として、内管と外管との間に熱電変換素子からなる発電層を設け、その内管内にボイラーや内燃機関から高温の熱媒体（温水、蒸気、排ガス、等）を導入し、その内管と外管との温度差により発電を行う熱電発電モジュールを挙げることができる（特許文献１）。

特許文献１記載の技術によれば、高温の熱媒体が流れている内管の温度に対して外気と接触している外管の温度が低温になるため、両者間の温度差を利用して熱電変換により発電することができる。

特開平９−３６４３９号公報（特許第２２７５４１０号）

しかし、特許文献１記載の技術では、内筒と外筒との間の唯一層の空間に配置された発電層のみによって熱電変換がなされるため、熱エネルギ源で発生する温度差を効率良く利用して熱電発電を行うことができない。また、特許文献１記載の技術では、高温の熱媒体と外気との比較的小さい温度差により熱電変換がなされるため発電効率が良くないという根本的な問題を有している。

本発明が解決しようとする課題は、従来よりも効率良く熱電発電を行うことができる熱電発電装置を提供することにある。

［熱電発電装置（態様１）］
第１の熱媒体が流入し流出する第１の熱媒体室と、
第１の熱媒体室を画成する第１の室壁と、
第２の熱媒体が流入し流出する第２の熱媒体室と、
第２の熱媒体室を画成する第２の室壁と、
温度差により発電する第１の熱電発電層と、
温度差により発電する第２の熱電発電層と、を有し、
第２の熱媒体室は、第１の熱媒体室の中にあり、
第１の室壁と第２の室壁は、互いに非接触であり、
第１の熱媒体の温度と第２の熱媒体の温度は、互いに異なり、
第１の熱電発電層は、第１の室壁の外面又は内面に設けられ、
第２の熱電発電層は、第２の室壁の外面又は内面に設けられている。

この装置は、第１の熱媒体を第１の熱媒体室に、第２の熱媒体を第２の熱媒体室に、それぞれ流すことにより、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間に温度差を発生させるとともに、第１の熱媒体室とその外部の熱媒体との間に温度差を発生させる。第２の熱電発電層は、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間の温度差を利用して発電する。第１の熱電発電層は、第１の熱媒体室とその外部の熱媒体との間の温度差を利用して発電する。
この装置によれば、互いに温度の異なる内外の熱媒体間に配置された熱電発電層を複数層使用して熱電変換による発電を行うので、従来よりも格段に効率良く熱電発電を行うことができる。

［熱電発電装置（態様２）］
第１の熱媒体が流入し流出する第１の熱媒体室と、
第１の熱媒体室を画成する第１の室壁と、
第２の熱媒体が流入し流出する第２の熱媒体室と、
第２の熱媒体室を画成する第２の室壁と、
温度差により発電する第１の熱電発電層と、
温度差により発電する第２の熱電発電層と、を有し、
第２の熱媒体室は、第１の熱媒体室の中にあり、
第１の室壁と第２の室壁は、互いに非接触であり、
第１の熱媒体の温度と第２の熱媒体の温度は、互いに異なり、
第１の熱電発電層は、第１の室壁の外面又は内面に設けられ、
第２の熱電発電層は、第２の室壁の外面又は内面に設けられ、
第１の熱媒体室は、燃焼室であり、
第２の熱媒体室に流入する第２の熱媒体は、第１の熱媒体室の温度よりも低温の流体である、熱電発電装置。

この装置は、第１の熱媒体を第１の熱媒体室に、第２の熱媒体を第２の熱媒体室に、それぞれ流すことにより、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間に温度差を発生させるとともに、第１の熱媒体室とその外部の空間との間に温度差を発生させる。第２の熱電発電層は、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間の温度差を利用して発電する。第１の熱電発電層は、第１の熱媒体室とその外部の空間との間の温度差を利用して発電する。第１の熱媒体室は、燃焼室であり、燃焼室は極めて高温であるので、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間及び第１の熱媒体室とその外部の空間との間に大きな温度差が発生する。

したがって、この装置によれば、複数層の発電層すなわち、第１及び第２の熱電発電層を使用し、それぞれの発電層を挟む領域間に大きな温度差を発生させて熱電変換による発電を行うことができるので、従来よりも格段に効率良く熱電発電を行うことができる。

［熱電発電装置（態様３）］
第１の熱媒体が流入し流出する第１の熱媒体室と、
第１の熱媒体室を画成する第１の室壁と、
第２の熱媒体が流入し流出する第２の熱媒体室と、
第２の熱媒体室を画成する第２の室壁と、
温度差により発電する第１の熱電発電層と、
温度差により発電する第２の熱電発電層と、を有し、
第２の熱媒体室は、第１の熱媒体室の中にあり、
第１の室壁と第２の室壁は、互いに非接触であり、
第１の熱媒体の温度と第２の熱媒体の温度は、互いに異なり、
第１の熱電発電層は、第１の室壁の外面又は内面に設けられ、
第２の熱電発電層は、第２の室壁の外面又は内面に設けられ、
第１の室壁は、屋外と屋内とを区画する室壁であり、
第２の熱媒体室は、前記屋内にあり、
第２の熱媒体室に流入する第２の熱媒体の温度は、前記屋内の温度よりも低温であり、
前記屋内には、熱源となる電子機器が収容されており、
第２の熱媒体は、前記屋内の空気を冷却するための熱媒体である、熱電発電装置。

この装置は、第１の熱媒体を第１の熱媒体室に、第２の熱媒体を第２の熱媒体室に、それぞれ流すことにより、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間に温度差を発生させるとともに、第１の熱媒体室とその外部の空間との間に温度差を発生させる。第２の熱電発電層は、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間の温度差を利用して発電する。第１の熱電発電層は、第１の熱媒体室とその外部の空間との間の温度差を利用して発電する。第１の熱媒体室は、屋外と屋内とを区画する室壁であり、屋内には、熱源となる電子機器が収容されているので、第１の熱媒体室とその外部の空間との間に大きな温度差が発生する。また、第２の熱媒体は、屋内の空気を冷却するための熱媒体であるので、第１の熱媒体室と第２の熱媒体室との間にも大きな温度差が発生する。

したがって、この装置によれば、複数層の発電層すなわち、第１及び第２の熱電発電層を使用し、それぞれの発電層を挟む領域間に大きな温度差を発生させて熱電変換による発電を行うことができるので、従来よりも格段と効率良く熱電発電を行うことができる。特に寒冷地においては、屋外と屋内との温度差が大きいので、極めて効率良く熱電発電を行うことができる。

本発明によれば、互いに温度の異なる内外の熱媒体間に配置された熱電発電層を複数層使用して熱電変換による発電を行うので、従来よりも格段に効率良く熱電発電を行うことができる。

本発明によれば、互いに温度の異なる内外の熱媒体間に配置された熱電発電層を複数層使用し、それぞれの熱電発電層の内外の熱媒体間に大きな温度差を発生させて熱電変換による発電を行うことができるので、従来よりも格段に効率良く熱電発電を行うことができる。

（Ａ）：本発明の実施の形態を例示する斜視図（Ｂ）：（Ａ）のＡ−Ａ断面図本発明の別の実施の形態を例示する断面図本発明の更に別の実施の形態を例示する斜視図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
図１に示す熱電発電装置１は、第１の熱媒体室１０と、第１の室壁１１と、第２の熱媒体室２０と、第２の室壁２１と、第１の熱電発電層４５−１と、第２の熱電発電層４５−２と、を有する。

第１の熱媒体室１０は、第１の熱媒体Ｍ１が流入し流出する熱媒体室である。
第１の熱媒体室１０は、燃焼室である。
第２の熱媒体室２０は、第２の熱媒体Ｍ２が流入し流出する熱媒体室である。
第２の熱媒体室２０は、第１の熱媒体室１０の中にある。
第１の室壁１１と第２の室壁２１は、互いに非接触である。

第１の室壁１１は、第１の熱媒体室１０を画成する壁である。
第１の室壁１１は、伝熱性及び耐熱性を兼ね備えた金属でできている。この種の金属の例として、ステンレス鋼を挙げることができる。
第１の室壁１１の形状は、直方体である。
第１の室壁１１には、第１の熱媒体Ｍ１（Ｍ１−１）が流入する入口１１ａと、第１の熱媒体Ｍ１（Ｍ１−２）が流出する出口１１ｂと、が設けられている。
第１の室壁１１で囲まれた空間すなわち第１の熱媒体室１０に流入する第１の熱媒体Ｍ１（Ｍ１−１）は、燃料と空気とを含む混合流体である。
第１の熱媒体室１０から流出する第１の熱媒体Ｍ１（Ｍ１−２）は、燃焼後の流体である。
入口１１ａには、媒体供給管１２Ａが接続されている。出口１１ｂには、媒体排出管１２Ｂが接続されている。

第２の室壁２１は、第２の熱媒体室２０を画成する壁である。
第２の室壁２１は、第１の室壁１１と同じく、伝熱性及び耐熱性を兼ね備えた金属でできている。
第２の室壁２１の形状は、直方体である。
第２の室壁２１には、第２の熱媒体Ｍ２が流入する入口２１ａと、第２の熱媒体Ｍ２が流出する出口２１ｂと、が設けられている。
第２の熱媒体Ｍ２は、第１の熱媒体室１０の温度よりも低温の流体である。この流体の具体例として、地下水、海水、河川の水、水道水を挙げることができる。
入口２１ａには、媒体供給管２２Ａが接続されている。出口２１ｂには、媒体排出管２２Ｂが接続されている。両媒体供給管２２Ａ、２２Ｂは、第1の室壁１１を貫通している。第１の室壁１１の両媒体供給管２２Ａ、２２Ｂが貫通している部分と、両媒体供給管２２Ａ、２２Ｂとの間は、気密に封止されている。

第１の熱電発電層４５−１は、第１の室壁１１の外面に設けられている。第１の熱電発電層４５−１は、外気（大気）と接している。
第２の熱電発電層４５−２は、第２の室壁２１の外面に設けられている。第２の熱電発電層４５−２は、第１の熱媒体室１０の高温雰囲気と接している。

第１の熱電発電層４５−１は、第１の室壁１１の外面のほぼ全体を覆っている。第１の熱電発電層４５−１は、第１の室壁１１の外面に整然と配置された多数の発電素子５０を有している。
第２の熱電発電層４５−２は、第２の室壁２１の外面のほぼ全体を覆っている。第２の熱電発電層４５−２は、第２の室壁２１の外面に整然と配置された多数の発電素子５０を有している。
発電素子５０は、内側電極５１と、外側電極５２と、内側電極５１と外側電極５２との間に電気的に接続され、両端に生ずる温度差で発電を行う熱電変換素子５５とを有している。

第１及び第２の熱電発電層４５−１、４５−２における発電素子５０同士の電気的な接続の仕方は任意である。全ての発電素子５０を電気的に互いに並列に接続した形態、全ての発電素子５０を電気的に直列に接続した形態、直列接続と並列接続とを組み合わせた直並列接続の形態など、いずれの形態も採用可能である。第１及び第２の熱電発電層４５−１、４５−２で発電された電力は、図示しない一対の出力端子から取り出される。

上記のように構成された熱電発電装置１は、第１の熱媒体Ｍ１を第１の熱媒体室１０に、第２の熱媒体Ｍ２を第２の熱媒体室２０に、それぞれ流すことにより、第１の熱媒体室１０と第２の熱媒体室２０との間に温度差を発生させるとともに、第１の熱媒体室１０と外気との間に温度差を発生させる。第２の熱電発電層４５−２は、第１の熱媒体室１０と第２の熱媒体室２０との間の温度差を利用して発電する。第１の熱電発電層４５−１は、第１の熱媒体室１０と外気との間の温度差を利用して発電する。第１の熱媒体室１０は、燃焼室であり、燃焼室は極めて高温であるので、第１の熱媒体室１０と第２の熱媒体室２０との間及び第１の熱媒体室１０と外気との間に大きな温度差が発生する。

したがって、この熱電発電装置１によれば、第１及び第２の熱電発電層４５−１、４５−２を使用し、それぞれの発電層４５−１、４５−２を挟む領域間に大きな温度差を発生させて熱電変換による発電を行うことができるので、従来よりも格段と効率良く熱電発電を行うことができる。

この熱電発電装置１は、温暖な地域でも使用可能であるが、寒冷地の屋外に設置することにより、第１の発電層４５−１挟む領域間に大きな温度差を発生させて、より高効率に熱電変換による発電を行うことができる

［第２の実施形態］
上記の例では、第１の熱媒体室１０の中に第２の熱媒体室２０を設けた２室構造の装置について説明したが、熱媒体室の数は任意である。図２に示すように、第２の熱媒体室２０に中に更に第３の熱媒体室３０を設けた装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。

図２の熱電発電装置１（１−２）は、図１の装置構成に加えて、第３の熱媒体室３０と、第３の室壁３１と、第３の熱電発電層４５−３と、を有する。

第３の熱媒体室３０は、第３の熱媒体Ｍ３が流入し流出する熱媒体室である。
第３の室壁３１は、第３の熱媒体室３０を画成する壁である。
第３の室壁３１は、第１及び第２の室壁１１、２１と同じく、耐熱性及び耐食性を兼ね備えた金属でできている。第３の室壁３１の形状は、直方体である。第３の室壁３１には、第３の熱媒体Ｍ３が流入する入口３１ａと、第３の熱媒体Ｍ３が流出する出口３１ｂと、が設けられている。

第３の熱媒体Ｍ３は、第３の熱媒体室３０の温度よりも高温の熱媒体である。この熱媒体の具体例として、第１の熱媒体室１０から流出した第１の熱媒体Ｍ１（Ｍ１−２）を挙げることができる。

入口３１ａには、媒体供給管３２Ａが接続されている。出口３１ｂには、媒体排出管３２Ｂが接続されている。両媒体供給管３２Ａ、３２Ｂは、第１の室壁１１及び第２の室壁２１を貫通している。第１の室壁１１の両媒体供給管３２Ａ、３２Ｂが貫通している部分と、両媒体供給管３２Ａ、３２Ｂとの間は、気密に封止されている。第２の室壁２１の両媒体供給管３２Ａ、３２Ｂが貫通している部分と、両媒体供給管３２Ａ、３２Ｂとの間は、気密に封止されている。

第３の熱電発電層４５−３は、第３の室壁３１の外面に設けられている。第３の熱電発電層４５−３は、第２の熱媒体Ｍ２と接している。第３の熱電発電層４５−３は、第３の室壁３１の外面のほぼ全体を覆っている。第３の熱電発電層４５−３は、第１及び第２の熱電発電層４５−１、４５−２と同じく、第３の室壁３１の外面に整然と配置された多数の発電素子５０を有している。第３の熱電発電層４５−３は、第２の熱媒体室２０と第３の熱媒体室３０との間の温度差により発電する。第３の熱電発電層で発電された電力は、第１及び第２の熱電発電層４５−１、４５−２で発電された電力と共に取り出される。

［第３の実施形態］
また、図３に示すように、第１の熱媒体室１０の中に第２の熱媒体室２０を複数設けた装置も、本発明の技術的範囲に含まれる。
図３の熱電発電装置１（１−３）は、２つの第２の熱媒体室２０−１、２０−２と、両第２の熱媒体室２０−１、２０−２を画成する２つの第２の室壁２１−１、２１―２と、を有している。両第２の室壁２１−１、２１―２は、互いに並列に配置されている。

［その他の実施形態］
上記の例では、熱媒体室を画成する室壁の外面に熱電発電層が設けられているが、当該室壁の外面に熱電発電層を設けてもよい。

また、熱媒体室の形状は、直方体形状に限られず、球形、円柱形、筒形、等、その他の形状でもよい。

また、上記の例では、各室壁１１、２１、３１において、入口１１ａ、２１ａ、３１ａと出口１１ｂ、２１ｂ、３１ｂが互いに同軸的に配置されているが、非同軸的に配置されてもよい。

また、上記の例では、第１の熱媒体室１０が燃焼室である場合について説明したが、第２の熱媒体室２０を燃焼室とし、第１の熱媒体室１０に水など低温の熱媒体を供給するように構成してもよい。

また、上記の例では、熱媒体室を画成する室壁１１、２１、３１のみに熱電発電層４５−１、４５−２、４５−３が設けられているが、室壁１１、２１、３１だけでなく、媒体供給管１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂの外面又は内面にも熱電発電層４５−１、４５−２、４５−３を設けることが可能である。

また、媒体供給管１２Ａ、２２Ａ、３２Ａ及び媒体排出管１２Ｂ、２２Ｂ、３２Ｂの形状は、円筒形状である必要はない。媒体供給管１２Ａ、２２Ａ、３２Ａ及び媒体排出管１２Ｂ、２２Ｂ、３２Ｂは、断面形状が矩形状の管体であってもよい。また、媒体供給管１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂを、熱媒体室１０、２０、３０を画成する室壁の一部としてもよい。

また、燃焼室を備えた構成は、この発明の熱電発電装置の一例に過ぎない。
この発明の熱電発電装置は、建物に適用することも可能である。
すなわち、図１の構成を例にとれば、第１の室壁１１を、屋外と屋内とを区画する建物の外壁の一部とし、第１の室壁１１により画成された第１の熱媒体室１０すなわち屋内に、第２の室壁２１により画成された第２の熱媒体室２０を設けることが可能である。

発熱量の大きな電子機器が屋内に収容されている場合、屋内の温度と外気の温度との温度差を利用して第１の熱電発電層４５−１により発電することができる。そして、第２の熱媒体室２０に、屋内の空気を冷却するための熱媒体（水、外気、等）が供給されている場合、第２の熱媒体室２０と屋内（第１の熱媒体室１０）との温度差を利用して第２の熱電発電層４５−２により発電することができる。寒冷地においては、屋外と屋内との温度差が大きいので、極めて効率良く熱電発電を行うことができる。

本発明の熱電発電装置は、原子力発電所、火力発電所、地熱発電所など、高温蒸気を発電に使用するシステムを熱エネルギ源として発電を行うことも可能である。たとえば、原子力発電所を熱エネルギ源として利用する場合、タービンを通過した高温蒸気を高温の熱媒体として高温流路に通し、海水を低温の熱媒体として低温流路に通すことにより、両者の大きな温度差を利用して熱電発電を行うことができる。また、燃料の崩壊熱により加熱された高温の蒸気などを高温の熱媒体として使用することも可能である。したがって、原子炉停止状態においても熱電発電が可能である。

また、本発明の熱電発電装置は、データセンタを熱エネルギ源として発電を行うことも可能である。すなわち、データセンタ内の電子機器（サーバやストレージ）で発生した熱により加熱された空気を高温の熱媒体として高温流路に通し、水（海水、地下水、河川の水、等）や外気を低温の熱媒体として低温流路に通すことにより、両者の温度差を利用して熱電発電を行うことができる。この熱電発電により得られた電力をデータセンタで消費することにより、データセンタの省エネルギ化を促進できる。

１熱電発電装置
１０第１の熱媒体室
１１第１の室壁
１１ａ入口
１１ｂ出口
１２Ａ媒体供給管
１２Ｂ媒体排出管
２０第２の熱媒体室
２１第２の室壁
２１ａ入口
２１ｂ出口
２２Ａ媒体供給管
２２Ｂ媒体排出管
３０第３の熱媒体室
３１第３の室壁
３１ａ入口
３１ｂ出口
３２Ａ媒体供給管
３２Ｂ媒体排出管
４５−１第１の熱電発電層
４５−２第２の熱電発電層
４５−３第３の熱電発電層
５０発電素子
Ｍ１第１の熱媒体
Ｍ２第２の熱媒体
Ｍ３第３の熱媒体

Claims

第１の熱媒体が流入し流出する第１の熱媒体室と、
前記第１の熱媒体室を画成する第１の室壁と、
第２の熱媒体が流入し流出する第２の熱媒体室と、
前記第２の熱媒体室を画成する第２の室壁と、
温度差により発電する第１の熱電発電層と、
温度差により発電する第２の熱電発電層と、を有し、
前記第２の熱媒体室は、前記第１の熱媒体室の中にあり、
前記第１の室壁と前記第２の室壁は、互いに非接触であり、
前記第１の熱媒体の温度と前記第２の熱媒体の温度は、互いに異なり、
前記第１の熱電発電層は、前記第１の室壁の外面又は内面に設けられ、
前記第２の熱電発電層は、第２の室壁の外面又は内面に設けられている、熱電発電装置。
前記第２の熱媒体室は、前記第１の熱媒体室の中に複数ある、請求項１記載の熱電発電装置。
前記第１の熱媒体室は、燃焼室であり、
前記第２の熱媒体室に流入する前記第２の熱媒体の温度は、前記第１の熱媒体室の温度よりも低温である、請求項１又は２記載の熱電発電装置。
前記第１の室壁は、屋外と屋内とを区画する壁の一部であり、
前記第２の熱媒体室は、前記屋内にあり、
前記第２の熱媒体室に流入する前記第２の熱媒体の温度は、前記屋内の温度よりも低温である、請求項１又は２記載の熱電発電装置。
前記屋内には、熱源となる電子機器が収容されており、
前記第２の熱媒体は、前記屋内の空気を冷却するための熱媒体である、請求項４記載の熱電発電装置。