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技術 熱電発電装置および熱電発電制御方法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 江藤一郎渡辺勘治橋本肇
出願日 2013年3月29日 (6年9ヶ月経過) 出願番号 2013-073379
公開日 2014年10月16日 (5年2ヶ月経過) 公開番号 2014-197642
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 開口角度θ 鉄格子 格子厚み 加熱面温度 水冷ジャケット内 未利用熱 高熱伝導性グリース 工場廃熱
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量最大限に保つことが可能な熱電発電装置を提供する。

解決手段

本発明の熱電発電装置100は、冷却面加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子112を有する熱電モジュール110と、熱電モジュール110と熱源との間に設けられ、熱電モジュール110が熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材120と、熱源の温度および熱電変換素子112の温度に基づいて、熱電変換素子112の最高温度管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材120の開口度合を制御する開口制御部146と、を備える。

概要

背景

熱電モジュールを用いた熱源から熱を受けて発電する熱電発電技術を利用して工場廃熱等から電気を生み出す発電システムは、省エネルギーCO2排出削減の観点からも未利用廃熱活用方法として期待されている。

熱電モジュールを用いて未利用廃熱から発電する技術として、例えば特許文献1は、外側に水冷ジャケット装備してある炉内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の断熱材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるようにしてある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的に連結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の水冷ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電モジュールの高温側と上記断熱材を非接触とすることが開示されている。特許文献1に記載の技術では、断熱材から伝熱する主として放射熱が熱電モジュールの高温側で受けられるように構成することで、水冷ジャケットを備える工業炉においてワークに加わる熱に比して炉体を通して水冷ジャケット内冷却水に伝わる熱量が非常に大きいために無駄にしていたエネルギーを効率よく回収できる。

また、特許文献2には、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電する少なくとも1つの熱電変換モジュールを有し、1または複数の受熱部の熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、受熱面は熱源から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有するようにしたことが開示されている。特許文献2に記載の技術では、熱源から受ける熱量に応じた適切な複数の放射率を有する受熱面を備えることにより、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。受熱面と冷却面との温度差を大きくできるので、高い発電効率を達成することができる。

概要

熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量最大限に保つことが可能な熱電発電装置を提供する。本発明の熱電発電装置100は、冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子112を有する熱電モジュール110と、熱電モジュール110と熱源との間に設けられ、熱電モジュール110が熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材120と、熱源の温度および熱電変換素子112の温度に基づいて、熱電変換素子112の最高温度管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材120の開口度合を制御する開口制御部146と、を備える。

目的

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

冷却面加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、前記熱電モジュールと熱源との間に設けられ、前記熱電モジュールが前記熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、前記熱源の温度および前記熱電変換素子の温度に基づいて、前記熱電変換素子の最高温度管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように前記開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部と、を備えることを特徴とする、熱電発電装置

請求項2

前記熱電モジュールと前記開口調整部材との間には、前記熱源からの輻射熱による前記熱電モジュールの温度分布緩和する緩衝部材が設けられることを特徴とする、請求項1に記載の熱電発電装置。

請求項3

前記開口調整部材は、前記熱電モジュールの加熱面に対して所定の角度を有するように回転可能な複数の羽板が、当該羽板の回転軸に対して直交する方向に並べて配置されてなり、前記開口制御部は、前記各羽板の角度を前記熱源の測定温度および前記熱電変換素子の測定温度に基づいて変更させることを特徴とする、請求項1または2に記載の熱電発電装置。

請求項4

前記熱源が一方向に移動するとき、前記開口調整部材の各羽板は、前記熱源の移動方向に並べて配置され、前記開口制御部は、前記熱源の移動方向に前記羽板を回転させることを特徴とする、請求項3に記載の熱電発電装置。

請求項5

冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、前記熱電モジュールと熱源との間に設けられ、前記熱電モジュールが前記熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、前記開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部とを備える熱電発電装置の熱電発電制御方法であって、前記熱源の温度を測定するステップと、前記熱電モジュールの前記熱電変換素子の温度を取得するステップと、前記熱源の温度および前記熱電変換素子の温度に基づいて、前記熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように前記開口調整部材の開口度合を制御するステップと、を含むことを特徴とする、熱電発電制御方法。

技術分野

0001

本発明は、熱電素子を利用して未利用廃熱から発電する熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法に関する。

背景技術

0002

熱電モジュールを用いた熱源から熱を受けて発電する熱電発電技術を利用して工場廃熱等から電気を生み出す発電システムは、省エネルギーCO2排出削減の観点からも未利用廃熱の活用方法として期待されている。

0003

熱電モジュールを用いて未利用廃熱から発電する技術として、例えば特許文献1は、外側に水冷ジャケット装備してある炉内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の断熱材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるようにしてある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的に連結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の水冷ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電モジュールの高温側と上記断熱材を非接触とすることが開示されている。特許文献1に記載の技術では、断熱材から伝熱する主として放射熱が熱電モジュールの高温側で受けられるように構成することで、水冷ジャケットを備える工業炉においてワークに加わる熱に比して炉体を通して水冷ジャケット内冷却水に伝わる熱量が非常に大きいために無駄にしていたエネルギーを効率よく回収できる。

0004

また、特許文献2には、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から放射で熱を受ける受熱部と、該受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電する少なくとも1つの熱電変換モジュールを有し、1または複数の受熱部の熱源を向く面によって構成される連続した又は分割された受熱面が、その各部毎に熱源から異なる熱量を与えられる熱電変換システムにおいて、受熱面は熱源から受ける熱量に応じた異なる複数の放射率を有するようにしたことが開示されている。特許文献2に記載の技術では、熱源から受ける熱量に応じた適切な複数の放射率を有する受熱面を備えることにより、熱電変換モジュールへの入熱量を最高使用温度以内となるものに制限し熱電変換モジュールの健全性を保つとともに、可能な限り最高使用温度に近い温度で熱電変換モジュールを作動させることができる。受熱面と冷却面との温度差を大きくできるので、高い発電効率を達成することができる。

先行技術

0005

特開2002−171776号公報
特許第4751322号

発明が解決しようとする課題

0006

製鉄所での未利用熱源として、連続鋳造中の鋳片や圧延のために加熱炉で加熱した鋳片(以下、赤熱スラブともいう)が考えられる。しかし、上記特許文献1に記載の技術は、水冷ジャケットがない炉には適用できないという問題だけでなく、製鉄所の赤熱スラブ等の高温廃熱(1000℃)に適用した場合、熱電モジュールの高温側が耐熱温度を超えて損傷するという問題があった。

0007

また、上記赤熱スラブの温度は鋳造条件加熱条件によって変わるとともに赤熱スラブの移動に伴って熱電モジュールの受ける熱は大きく変動することになる。しかしながら、上記特許文献2に記載の技術では、熱源温度が変動する際には発電量低下または熱電変換モジュール損傷の問題があった。具体的には、熱源の最高温度に合わせて放射率を設定すると、最高温度以下では熱電変換モジュールの高温側の温度が低下するため発電量が低下する。一方、熱源の平均温度等の最高温度以下で設計すると、設計温度以上の熱源条件では熱電変換モジュール高温側の温度が耐熱温度を超え、熱電変換モジュールが損傷するという問題があった。

0008

一方で、熱電モジュールの高温側材質の放射率の代わりに熱伝導率や厚みを選定する手法も考えられるが、上記特許文献2の放射率を選定する場合と同様の課題がある。

0009

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量を最大限に保つことが可能な、新規かつ改良された熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、熱電モジュールと熱源との間に設けられ、熱電モジュールが熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、熱源の温度および熱電変換素子の温度に基づいて、熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部と、を備えることを特徴とする、熱電発電装置が提供される。

0011

本発明の発電熱電装置は、熱電モジュールと開口調整部材との間に、熱源からの輻射熱による熱電モジュールの温度分布緩和する緩衝部材をさらに備えてもよい。

0012

開口調整部材は、熱電モジュールの加熱面に対して所定の角度を有するように回転可能な複数の羽板が、当該羽板の回転軸に対して直交する方向に並べて配置させることで構成してもよい。このとき、開口制御部は、各羽板の角度を熱源の測定温度および熱電変換素子の測定温度に基づいて変更させる。

0013

さらに、熱源が一方向に移動するとき、開口調整部材の各羽板は、熱源の移動方向に並べて配置され、開口制御部は、熱源の移動方向に羽板を回転させる。

0014

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、冷却面と加熱面との温度差に応じて発電する熱電変換素子を有する熱電モジュールと、熱電モジュールと熱源との間に設けられ、熱電モジュールが熱源に対して露出する開口度合を調整可能な開口調整部材と、開口調整部材の開口度合を制御する開口制御部とを備える熱電発電装置の熱電発電制御方法が提供される。かかる熱電発電制御方法は、熱源の温度を測定するステップと、熱電モジュールの熱電変換素子の温度を取得するステップと、熱源の温度および熱電変換素子の温度に基づいて、熱電変換素子の最高温度が管理温度以下かつ当該管理温度から所定の温度範囲内となるように開口調整部材の開口度合を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

発明の効果

0015

以上説明したように本発明によれば、熱源の温度が変化しても熱電モジュールの損傷を防止しつつ発電量を最大限に保つことが可能な熱電発電装置および熱電発電装置の熱電発電制御方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の第1の実施形態に係る熱電発電装置の構成を示す説明図である。
同実施形態に係る熱電発電装置の熱電モジュール、開口調整部材および緩衝部材の構成を示す概略側面図である。
開口調整部材を設けない場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度との関係を示すグラフである。
熱電モジュールの高温側板耐火物施工した場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度および発電量との関係を示すグラフである。
開口調整部材の羽板の開口角度θが90°の場合と60°の場合とについて緩衝部材の厚みを変化させたときの素子加熱面温度を示すグラフである。
緩衝部材の厚みが5mmの場合と20mmの場合とについて開口角度を変化させたときの素子加熱面温度を示すグラフである。
開口調整部材の羽板の開口角度の変化に応じた熱電モジュールが受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。
同実施形態に係る熱電発電装置による熱電発電処理を示すフローチャートである。
同実施形態に係る熱電発電装置により図8の熱電発電処理を実行したときのスラブ温度と素子加熱面温度および熱電モジュールによる発電量との関係を示すグラフである。
熱電モジュール、緩衝部材および本発明の第2の実施形態に係る開口調整部材の概略構成を示す側面図である。
同実施形態に係る開口調整部材の概略構成を示す斜視図である。
開口調整部材の開口度合の変化に応じて熱電モジュールが受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。

実施例

0017

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

0018

<1.第1の実施形態>
[熱電発電装置の概略構成]
まず、図1図4を参照して、本発明の第1の実施形態に係る熱電発電装置の概略構成について説明する。なお、図1は、本実施形態に係る熱電発電装置100の構成を示す説明図である。図2は、本実施形態に係る熱電発電装置100の熱電モジュール110、開口調整部材120および緩衝部材130の構成を示す概略側面図である。図3は、開口調整部材120を設けない場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度との関係を示すグラフである。図4は、熱電モジュール110の高温側板116に耐火物を施工した場合におけるスラブの温度と熱電変換素子の最高温度および発電量との関係を示すグラフである。

0019

本実施形態では、製鐵所の鋳片の連続鋳造設備において連続鋳造機の後に設置された赤熱スラブの保温カバーに熱電発電装置100の熱電モジュールを設置して電力を回収する場合を説明する。なお、図1および図2においては本実施形態に係る熱電発電装置100の熱電モジュール110、開口調整部120および緩衝部材130についてこれらの構成をわかりやすく説明するために、赤熱スラブ5や連続鋳造設備のロール10に対する実際のサイズよりも誇張して図示している。

0020

連続鋳造機からロール10によって搬送されてきた赤熱スラブ5は、保温カバー20により保温しながら搬送される。このとき、保温カバー20の内部は赤熱スラブ5から輻射熱を受ける。本実施形態に係る熱電発電装置100は、この赤熱スラブ5の輻射熱を利用して発電するものである。

0021

熱電発電装置100は、熱電モジュール110と、コントローラ140と、蓄電池150とを備える。また、本実施形態に係る熱電発電装置100は、熱電モジュール110が赤熱スラブ5の輻射熱により損傷するのを防止するとともに熱電モジュール110による発電量を最大に維持するために、開口調整部材120を備えている。

0022

熱電モジュール110は、異なる金属または半導体に温度差を設けると電圧が発生するゼーベック効果を利用して発電するモジュールであり、例えば図1に示すように保温カバー20の上面内部に設けられる。熱電モジュール110は、熱電モジュール110は、図2に示すように、ゼーベック効果を利用して発電する熱電変換素子112と、熱電変換素子112の冷却面に設けられた低温側板114と、熱電変換素子112の加熱面に設けられた高温側板116とからなる。熱電変換素子112には、例えばBi−Te系の金属材料を用いることができる。低温側板114および高温側板116は、例えば銅板からなる。低温側板114は、冷却面を所定の温度に略一定に保持するため、例えばその内部を水冷してもよい。高温側板116は、赤熱スラブ5からの輻射熱に応じてその温度は変化する。熱電変換素子112は、低温側板114と接する冷却面と高温側板116と接する加熱面との温度差に応じて発電する。熱電変換素子112により発電された発電電流は、コントローラ140へ出力される。

0023

また、熱電モジュール110には熱電変換素子112の温度を測定する温度計115が設けられている。温度計115は、1または複数設けられており、例えば熱電変換素子112の中央部に1つ設けられる。温度計115は、熱電変換素子112の温度が管理温度以下であるかを確認するために、また、開口調整部材120の開口調整のために設けられている。温度計115は、測定した温度をコントローラ140へ出力する。

0024

本実施形態に係る熱電モジュール110には、当該熱電モジュール110と赤熱スラブ5との間に開口調整部材120が設けられる。熱電モジュール110を高温状態で連続的に使用すると熱電変換素子112が損傷する可能性があることから、熱電モジュール110は熱電変換素子112の機能を維持できる管理温度以下で使用される。例えば熱電モジュール110にBi−Te系の熱電変換素子112を用いる場合、管理温度は約200℃とされる。熱電モジュール110と赤熱スラブ5とを直接対向させた場合(すなわち開口調整部材120を設けない場合)、図3に示すように、熱電変換素子112の最高温度はスラブの温度に応じて変化し、スラブの温度が高いほど熱電変換素子112の最高温度も高くなる。図3の例ではスラブの温度が820℃を超えると熱電変換素子112の最高温度が管理温度である200℃を超えてしまい、熱電モジュール110が損傷する可能性がある。

0025

一方で、熱電変換素子112の冷却面と加熱面との温度差が大きくなるほど発電量は大きくなるため、なるべく熱電変換素子112の加熱面の温度を高くするのが望ましい。例えば赤熱スラブ5の最大温度が1000℃となった場合でも熱電変換素子112の最高温度が200℃となるように発電モジュール110の高温側板116の表面側に耐火物を設けると、図4に示すように赤熱スラブ5の温度が1000℃であるときの熱電変換素子112の最高温度を管理温度(200℃)以下とすることができるため、熱電変換素子112の損傷を防止することができる。しかし、赤熱スラブ5の温度が1000℃より低くなると熱電モジュール110の発電量は低下してしまう。

0026

そこで、本実施形態に係る熱電発電装置100では、開口調整部材120を熱電モジュール110と赤熱スラブ5との間に設けることで、赤熱スラブ5の温度が変化しても熱電変換素子112の温度を管理温度以下に維持しつつ発電量を最大にする。

0027

開口調整部材120は、図2に示すように複数の羽板122から構成されている。各羽板122は、例えばステンレス鋼からなる板状部材であり、その一端は赤熱スラブ5の幅方向(y方向)に延びる回転軸124に回転可能にそれぞれ支持されている。各回転軸124の両端は、後述する緩衝部材130に固定された支持部126によって支持されている。赤熱スラブ5の搬送方向(x方向)に並ぶ各羽板122は、1つの連結部材128によって連結されている。連結部材128は、例えばステンレス鋼からなるワイヤであって、各羽板122の回転軸124に支持されている端部と対向する端部中央部分を連結する。連結部材128を赤熱スラブ5の搬送方向(x方向)に移動させることで、当該連結部材128に連結された各羽板122を同時に回転させ、所望の開口角度(θ)となるように各羽板122を傾斜させることができる。このような開口調整部材120を設けることにより、熱電モジュール110が赤熱スラブ5側に露出する開口度合が調整可能となる。

0028

緩衝部材130は、熱電モジュール110と開口調整部材120との間に設けられ、熱電モジュール110の急激な温度上昇を緩和する。緩衝部材130は、赤熱スラブ5からの輻射熱が熱電モジュール110に到達するまでにその熱を緩衝部材130内で拡散させて、熱電変換素子112の加熱面での温度分布を緩和する。緩衝部材130は、熱源に応じて最高温度を管理温度以下とするように熱伝導率や厚みを考慮して選定される。さらに腐食割れに強いこと、低コストであること等も考慮してもよい。これらを案すると、緩衝部材130には例えば鉄板を用いるのがよい。また、赤熱スラブ5からの輻射熱を熱電モジュール110側へ伝達するため、緩衝部材130と熱電モジュール110の高温側板116との間に高熱伝導性グリースを塗布してもよい。

0029

緩衝部材130の厚さdは、熱電モジュール110の熱電変換素子112の最高温度に対しての影響は小さいため、任意に設定することができる。図5および図6に、緩衝部材130の厚さdを変化させたときの熱電変換素子112の加熱面の最高温度(以下、「素子加熱面温度」ともいう。)との関係を示す。ここで、スラブ温度は980〜1000℃、熱電モジュールのサイズは幅150mm、長さ300mmとする。また、開口調整部材120の羽板112にはステンレス鋼からなる板厚1mm、長さ30mm、幅150mmの板を9枚用いた。開口角度(θ)は、羽板122の平面と当該羽板122が固定されている緩衝部材130の下面とがなす角度を表している(図7参照)。

0030

図5では、開口調整部材120の羽板122の開口角度θが90°の場合と60°の場合とについて緩衝部材130の厚みdを変化させたときの素子加熱面温度を示す。図5より、開口角度θが90°、60°いずれの場合も、緩衝部材130が設けられていない場合(すなわち、緩衝部材130の厚みdが0mmのとき)と比較して緩衝部材130を設けた場合には素子加熱面温度は格段に下がることがわかる。また、緩衝部材130が設けられていればその厚みdを変化させても略一定の値となる。図6では、緩衝部材130の厚みdが5mmの場合と20mmの場合とについて開口角度θを変化させたときの素子加熱面温度を示す。図6より、緩衝部材130の厚みが5mm、20mmいずれの場合も、素子加熱面温度はほぼ同じ温度で、開口角度θが全開状態である90°に近くなるほど高くなることがわかる。これより、緩衝部材130は厚みdを変化させても素子加熱面温度に大きく影響しないといえる。

0031

なお、緩衝部材130は必ずしも設けなくともよい。本実施形態の緩衝部材130には開口調整部材120が固定されているが、緩衝部材130を設けない場合には、開口調整部材120を熱電モジュール110と赤熱スラブ5との間に設置するために金網等の別の部材を設ける等の対応が必要となる。

0032

コントローラ140は、熱電モジュールから得られる電圧の管理および開口調整部材120の開口調整を行う制御部である。コントローラ140は、熱電モジュール管理部142と、温度取得部144と、開口制御部146とからなる。

0033

熱電モジュール管理部142は、熱電モジュールから得られる電圧を管理する。熱電モジュール管理部142は、熱電モジュール110から発電電流を受けて蓄電池150に蓄電するために電圧調整し、蓄電池150に蓄電する。このとき熱電モジュール管理部142は熱電モジュール110により発電された電力を記憶部(図示せず。)に記録してもよい。

0034

温度取得部144は、温度計115により測定された熱電モジュール110の熱電変換素子122の温度を取得する。熱電モジュール110には熱電変換素子122の温度を測定する温度計115が1または複数設けられている。温度取得部144は、取得した温度のうち最も高い温度を熱電変換素子112の最高温度として開口制御部146へ出力する。

0035

開口制御部146は、温度取得部144より取得した熱電変換素子112の最高温度に基づいて、開口調整部材120の開口度合を制御する。開口制御部146は、赤熱スラブ5の輻射熱により熱電モジュール110が管理温度を超える高温状態となって連続的に使用されると熱電変換素子112が損傷する恐れがあることから、開口調整部材120の羽板122を回転させて熱電モジュール110が受ける輻射熱を調整し、熱電モジュール110が管理温度を超えないようにする。本実施形態において開口調整部材120の開口度合は、羽板122の開口角度で表すことができる。

0036

図7は、開口調整部材120の羽板122の開口角度θの変化に応じた熱電モジュール110が受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。開口調整部材120の羽板122は搬送方向(x方向)に連結部材128を当該方向へ移動させることで、当該連結部材128に連結された各羽板122を同期させて回転軸124周りに約180°回転させることができる。開口調整部材120の開口度合は、図7に示すように、全開、全閉、およびこれらの中間の3つの状態に大別される。ここで、羽板122の平面と当該羽板122が固定されている緩衝部材130の下面とがなす角度を開口角度θとすると、開口角度θは0°〜180°の値を取り得る。また、緩衝部材130を平面視した際に搬送方向(x方向)において隣接する羽板122間で当該羽板122が存在しない部分、すなわち羽板122によって覆われない部分を開口長さLとする。

0037

まず、全開状態では開口角度θは90°となる。このとき、開口長さLは最大であり、熱電モジュール110と赤熱スラブ5との間には緩衝部材130がほぼあるのみであるため、熱電モジュール110は開口調整部材120の下方にある赤熱スラブ5からの輻射熱を最も受けやすい。一方、全閉状態では、開口角度θは約0°または約180°となる。このとき、開口長さLはほぼゼロとなり、赤熱スラブ5からの輻射熱は羽板122によって緩和され熱電モジュール110に到達するので、開口調整部材120はその下方にある赤熱スラブ5からの輻射熱を最も受けにくい状態となる。なお、本実施形態において全閉状態は連結部材128を搬送方向に最大限移動させて各羽板122を寝かせた状態をいう。このとき僅かに開口部分が存在しても熱電モジュール110に急激な温度変化を与えるものでない。

0038

そして、中間状態では、開口角度θは全閉状態の角度(約0°)から全開状態(90°)までの間の角度、および全開状態(90°)から全閉状態の角度(約180°)までの間の角度を取り得る。このとき、開口長さLは開口角度θに応じて変化するが、全開状態より小さく全閉状態より大きい値となる。開口長さLが大きいほど、すなわち開口角度θが全開状態の角度に近いほど、輻射熱を通過させる領域は全開状態に近くなり、熱電モジュール110が受ける輻射熱は多くなる。一方、開口長さLが小さいほど、すなわち開口角度θが全閉状態の角度に近いほど、輻射熱を通過させる領域は全閉状態に近く、熱電モジュール110が受ける輻射熱は少なくなる。

0039

このように、開口角度θに応じて赤熱スラブ5からの輻射熱を通過させる領域は変化する。開口制御部146は、熱電変換素子112の最高温度に基づいて開口調整部材120の羽板122の開口角度θを変化させて、熱電変換素子112が管理温度以上とならないように制御する。開口制御部146による開口調整部材120の制御方法については以下で説明する。

0040

[熱電発電装置の開口調整]
図8に、本実施形態に係る熱電発電装置100による熱電発電処理の流れを示す。図8に示すように、熱電発電処理が開始されると、赤熱スラブ5の輻射熱を受けて熱電モジュール110による発電処理が実行される(S102)。発電処理は、熱電モジュール110の低温側板114と接する冷却面と高温側板116と接する加熱面との温度差に応じて発電する。熱電変換素子112により発電された発電電流は、コントローラ140の熱電モジュール管理部142へ出力され、蓄電池150に蓄電される。

0041

一方、ステップS102の発電処理が実行されると、当該処理と並行して開口調整部材140の開口度合の調整が行われる。まず、熱電モジュール110の下方を通過するスラブ5の温度が取得される(S112)。スラブ5の温度は、例えば保温カバー20内部の、熱電モジュール110に対してスラブ搬送方向上流側に備えられた温度計により測定される。当該スラブ5の温度を受けて、開口制御部146による開口調整部材120の開口度合の調整制御が行われる(S114)。開口制御部144は、予め取得された図3に示すような開口調整部材120がない場合におけるスラブ温度と素子加熱面温度との関係に基づいて、熱電モジュール110の熱電変換素子112の素子加熱面温度が管理温度を超えないように開口調整部材120の開口度合、すなわち開口角度θを変化させる。

0042

例えば、ステップS112で測定されたスラブ5の温度が900℃であり、管理温度が200℃であるとき、開口調整部材120がない場合には素子加熱面温度が管理温度を超えることになる。このとき開口制御部146は、素子加熱面温度が管理温度を超えないように開口調整部材120の羽板122の開口角度θを全開状態から全閉状態となるように、連結部材128を操作して羽板122の開口角度θを変更する。このとき、開口制御部146は、羽板122の傾斜方向がスラブ5の移動方向となるように羽板122を回転させて開口角度θを変更するのがよい。このように羽板122の向きを調整することで、羽板122の傾斜方向をスラブ5の移動方向と反対とする場合よりも、熱源であるスラブ5からの輻射熱をより多く受けることができる。

0043

その後、開口制御部146は温度取得部144より熱電変換素子112の加熱面の最高温度を取得し、熱電モジュール110の温度(素子加熱面温度)が管理温度を超えていないか否かを確認する(S116)。そして、ステップS114の処理に戻り、ステップS116の確認結果から開口調整部材120をフィードバック制御する。ステップS116での確認結果より素子加熱面温度が管理温度より高い場合には、現在の羽板122の開口角度θをさらに全閉状態に近づけるように変更する。一方、素子加熱面温度が管理温度より低い場合には、素子加熱面温度が管理温度に近づくように、現在の羽板122の開口角度θを全開状態に近づけるように変更する。また、素子加熱面温度が管理温度であるとき、または管理温度とほぼ同一とみなせる所定の温度の範囲内であれば、熱電モジュール110が損傷しない状態で最大限に発電を行っている状態である。この場合には、現在の開口角度θを維持する。

0044

ステップS114およびS116の処理は、発電を終了する指示を受けるまで継続される(S118)。ステップS116にて熱電モジュール110の温度を確認した後、コントローラ140に発電終了指示が入力されれば、ステップS102で開始した熱電モジュール110による発電処理が終了され(S104)、発電熱電処理が終了される。発電終了指示を受けるまでは、ステップS112〜S118の処理が繰り返し行われる。

0045

[実施例]
図9に、本実施形態に係る熱電発電装置100により図8の熱電発電処理を実行したときのスラブ温度と素子加熱面温度および熱電モジュール110による発電量との関係を示す。図9より、スラブ5の温度が変化しても、素子加熱面温度は管理温度(200℃)以下で、かつほぼ管理温度付近で維持されていることがわかる。そして、素子加熱面温度がほぼ管理温度付近に維持されていることで、熱電モジュール110による発電量も安定して約0.24W/cm2に維持されている。この発電量は、図4に示した開口調整部材120を設けず、熱電変換素子保護のために緩衝材として耐火物を施工した場合のスラブ温度が1000℃のときの発電量にあたる。このように、本実施形態に係る熱電発電装置100による熱電発電処理によって1000℃より低い温度においても高い発電量を維持できることがわかる。

0046

<2.第2の実施形態>
次に、図10図12に基づいて、本発明の第2の実施形態に係る熱電発電装置に設けられる開口調整部材220の構成について説明する。本実施形態に係る熱電発電装置は図1に示す第1の実施形態に係る熱電発電装置100の開口調整部材120を図10図12に示す開口調整部材220に変更したものであり、その他の構成および機能は第1の実施形態と同様である。以下では、主として本実施形態に係る開口調整部材220の構成について説明する。なお、図10は、熱電モジュール110、緩衝部材130および本実施形態に係る開口調整部材220の概略構成を示す側面図である。図11は、本実施形態に係る開口調整部材220の概略構成を示す斜視図である。図12は、開口調整部材220の開口度合の変化に応じて熱電モジュール110が受ける輻射熱の変化を説明する説明図である。

0047

本実施形態に係る開口調整部材220は、第1の実施形態の開口調整部材120と同様、緩衝部材130を介して熱電モジュール110の高温側板116側に設けられている。開口調整部材220は、複数の格子を高さ方向(z方向)に積層して形成されており、例えば図11に示すように、3枚の格子222、224、226からなる。開口調整部材220の各格子222、224、226は、熱電変換素子112の加熱面の最高温度を管理温度以下とするために、輻射率開口率を考慮して選定される。さらに、腐食や割れを防止すること、コストを勘案してもよい。これらを考慮すると、開口調整部材220は鉄板等で形成するのが好ましい。格子としては、例えば格子幅1.5mm、開口幅1.5mm、格子厚み1mmの鉄格子を用いることができる。

0048

このような開口調整部材220では、図12に示すように、各格子の位置をずらすことで、開口調整部材220の開口度合を調整する。開口調整部材220の開口度合も、全開、全閉、およびこれらの中間の3つの状態に大別される。ここで、搬送方向(x方向)において格子222、224、226が存在しない部分、すなわちいずれの格子222、224、226の格子幅部分によっても覆われない部分を開口長さLとする。

0049

まず、全開状態では格子222、224、226はずれることなく積層されている。このとき、開口長さLは最大であり、熱電モジュール110と赤熱スラブ5との間には緩衝部材130がほぼあるのみであるため、熱電モジュール110は開口調整部材220の下方にある赤熱スラブ5からの輻射熱を最も受けやすい。一方、全閉状態では、いずれかの格子222、224、226の格子幅部分によって熱電モジュール110が覆われるように、各格子222、224、226はずらして配置される。このとき、開口長さLはほぼゼロとなり、赤熱スラブ5からの輻射熱は羽板122によって緩和され熱電モジュール110に到達するので、開口調整部材120はその下方にある赤熱スラブ5からの輻射熱を最も受けにくい状態となる。なお、このとき僅かに開口部分が存在しても熱電モジュール110に急激な温度変化を与えるものでない。

0050

そして、中間状態では、格子222、224、226は少なくともいずれか1つが全開状態からずらして配置される。開口長さLは各格子222、224、226はの位置に応じて変化するが、全開状態より小さく全閉状態より大きい値となる。開口長さLが大きいほど輻射熱を通過させる領域は全開状態に近くなり、熱電モジュール110が受ける輻射熱は多くなる。一方、開口長さLが小さいほど輻射熱を通過させる領域は全閉状態に近く、熱電モジュール110が受ける輻射熱は少なくなる。

0051

このように、各格子222、224、226をずらすことで開口調整部材220の開口度合を変化させることで、熱電モジュール110が受ける輻射熱を調整することができる。コントローラ140は、図8に示した熱電発電処理に基づき開口調整部材220の開口度合を調整することで、熱電変換素子112が管理温度以上とならないように、かつ管理温度付近に維持するよう制御することができる。これにより、第1の実施形態と同様、熱電モジュール110の損傷を防止することができるとともに、熱電モジュール110による発電量を最大限にすることができる。

0052

なお、本実施形態に係る開口調整部材220を構成する格子は3枚であったが、本発明はかかる例に限定されず、開口調整部材220を構成する格子の数、格子幅、開口面積、格子厚み等は適宜設定することができる。

0053

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

0054

100熱電発電装置
110熱電モジュール
120、220開口調整部材
130緩衝部材
140コントローラ
142 熱電モジュール管理部
144温度取得部
146開口制御部
150蓄電池
222、224、226 格子

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