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技術 熱電発電装置および熱電発電方法

出願人 JFEスチール株式会社株式会社KELK
発明者 黒木高志壁矢和久藤林晃夫海部宏昌梶原健牧野一也八馬弘邦
出願日 2013年9月27日 (6年3ヶ月経過) 出願番号 2013-202076
公開日 2015年4月13日 (4年8ヶ月経過) 公開番号 2015-070067
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 連続鋳造 圧延機に特に連結された素材の表面処理装置 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 接触抵抗分 放出熱量 受熱装置 冷却手法 電気ライン 高温物体 中央温度 製鉄工場
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課題

複数の熱電発電モジュール群を備えた熱電発電装置において、鋼材等の熱源発電出力むらが生じても効率良く発電すること。

解決手段

熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール1群を備え、熱源10からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、熱電発電モジュール1どうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。

概要

背景

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部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、スラブなどの鋼材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は、例えば、特許文献1には、受熱装置高温物体対峙して配置し、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。また、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。また、特許文献3、4、5には、製鉄設備冷却床熱間圧延ラインにおける廃熱を熱電変換素子により電力に変換する技術が開示されている。

概要

複数の熱電発電モジュール群を備えた熱電発電装置において、鋼材等の熱源発電出力むらが生じても効率良く発電すること。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール1群を備え、熱源10からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、熱電発電モジュール1どうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。

目的

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数の熱電発電モジュール群を備えた熱電発電装置において、鋼材等の熱源の発電出力のむらが生じても効率良く発電することを課題とする

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする熱電発電装置。

請求項2

前記熱源は搬送される鋼材であり、鋼材の搬送方向に配列された前記熱電発電モジュールどうしが電気的接続されてい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

前記鋼材の搬送方向に電気的接続されて配列された前記熱電発電モジュールの列が前記鋼材の幅方向に複数配置されており、前記列どうしが、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されていることを特徴とする請求項2に記載の熱電発電装置。

請求項4

前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになさ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5

前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける前記熱電発電モジュールの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続す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6

一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、前記熱電発電ユニットが複数配置されており、前記熱電発電ユニットどうしが電気的接続されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の熱電発電装置。

請求項7

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、前記熱電発電ユニットが複数配置されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする熱電発電装置。

請求項8

前記熱源は搬送される鋼材であり、鋼材の搬送方向に配列された前記熱電発電ユニットどうしが電気的接続されていることを特徴とする請求項7に記載の熱電発電装置。

請求項9

前記鋼材の搬送方向に電気的接続されて配列された前記熱電発電ユニットの列が前記鋼材の幅方向に複数配置されており、前記列どうしが、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されていることを特徴とする請求項8に記載の熱電発電装置。

請求項10

前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようにな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。

請求項11

前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電ユニットが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける前記熱電発電ユニットの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電ユニットを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする請求項7に記載の熱電発電装置。

請求項12

前記熱電発電ユニットにおける前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の熱電発電装置。

請求項13

前記冷却板は、冷却媒体流路を有し、前記冷却媒体流路に冷却媒体通流させることにより冷却されることを特徴とする請求項7から請求項12のいずれか1項に記載の熱電発電装置。

請求項14

前記冷却板の前記冷却媒体流路は、一方向に沿って形成され、かつ、前記冷却媒体流路の方向に直交する方向中央に対して対称に複数系統有することを特徴とする請求項13に記載の熱電発電装置。

請求項15

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置における熱電発電方法であって、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように前記熱電発電モジュールどうしを電線で接続して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

請求項16

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置における熱電発電方法であって、一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように前記熱電発電ユニットどうしを電線で接続して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

技術分野

0001

本発明は、鋼材等の熱源熱エネルギー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。

背景技術

0002

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部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。

0003

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、スラブなどの鋼材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。

0004

熱エネルギーを利用する方法としては、例えば、特許文献1には、受熱装置高温物体対峙して配置し、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。また、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。また、特許文献3、4、5には、製鉄設備冷却床熱間圧延ラインにおける廃熱を熱電変換素子により電力に変換する技術が開示されている。

先行技術

0005

特開昭59−198883号公報
特開昭60−34084号公報
特開平10−296319号公報
特開2006−263783号公報
特開2011−62727号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、特許文献1では、板状のスラブ連鋳ラインに適用できる旨の記載があるが、具体的な設置場所や条件の詳細についての記述が不十分で、また、実操業におけるスラブの温度変化や、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、操業条件の変動による熱源温度の変化ついては考慮されていない。

0007

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、連続鋳造設備のように、移動する熱源に対しては適用できないという問題がある。

0008

さらに、特許文献1〜5に示すような、鋼材等の熱エネルギーを活用した熱電発電においては、鋼材等の熱源の大きさや温度分布などに起因して発電出力むらが生じ、効率良く発電できない場合があるが、このような場合に対応できる技術についてはこれまで提案されていない。

0009

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数の熱電発電モジュール群を備えた熱電発電装置において、鋼材等の熱源の発電出力のむらが生じても効率良く発電することを課題とする。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を解決するため、本発明は、以下の(1)〜(16)を提供する。
(1)熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする熱電発電装置。
(2)前記熱源は搬送される鋼材であり、鋼材の搬送方向に配列された前記熱電発電モジュールどうしが電気的接続されていることを特徴とする(1)に記載の熱電発電装置。
(3)前記鋼材の搬送方向に電気的接続されて配列された前記熱電発電モジュールの列が前記鋼材の幅方向に複数配置されており、前記列どうしが、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されていることを特徴とする(2)に記載の熱電発電装置。
(4)前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする(1)に記載の熱電発電装置。
(5)前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電モジュールは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける前記熱電発電モジュールの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする(1)に記載の熱電発電装置。
(6)一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、前記熱電発電ユニットが複数配置されており、前記熱電発電ユニットどうしが電気的接続されていることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の熱電発電装置。
(7)熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置において、一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、前記熱電発電ユニットが複数配置されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする熱電発電装置。
(8)前記熱源は搬送される鋼材であり、鋼材の搬送方向に配列された前記熱電発電ユニットどうしが電気的接続されていることを特徴とする(7)に記載の熱電発電装置。
(9)前記鋼材の搬送方向に電気的接続されて配列された前記熱電発電ユニットの列が前記鋼材の幅方向に複数配置されており、前記列どうしが、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続されていることを特徴とする(8)に記載の熱電発電装置。
(10)前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向に配列されており、前記熱電発電ユニットどうしの電気的接続は、前記鋼材の幅方向中央に対して対称になるようになされることを特徴とする(7)に記載の熱電発電装置。
(11)前記熱源は搬送される鋼材であり、前記熱電発電ユニットが鋼材の搬送方向および鋼材の幅方向に配列され、前記熱電発電ユニットは、鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける前記熱電発電ユニットの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の前記熱電発電ユニットを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続することを特徴とする(7)に記載の熱電発電装置。
(12)前記熱電発電ユニットにおける前記熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することを特徴とする(7)〜(11)のいずれかに記載の熱電発電装置。
(13)前記冷却板は、冷却媒体流路を有し、前記冷却媒体流路に冷却媒体通流させることにより冷却されることを特徴とする(7)〜(12)のいずれかに記載の熱電発電装置。
(14)前記冷却板の前記冷却媒体流路は、一方向に沿って形成され、かつ、前記冷却媒体流路の方向に直交する方向中央に対して対称に複数系統有することを特徴とする(13)に記載の熱電発電装置。
(15)熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置における熱電発電方法であって、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように前記熱電発電モジュールどうしを電線で接続して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。
(16)熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電モジュール群を備え、熱源からの熱エネルギーを用いて熱電発電を行う熱電発電装置における熱電発電方法であって、一または複数の前記熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、前記受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように前記熱電発電ユニットどうしを電線で接続して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

発明の効果

0011

本発明によれば、熱電発電モジュールどうしまたは熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択するので、従来に比べ、熱間スラブ熱延板等の熱源から放出される熱エネルギーを、より高い効率で回収することができる。したがって、熱源となる鋼材等の一貫した連続プロセスに本発明の熱電発電を組み込むことにより、さらなる省エネルギー化が可能となる。

図面の簡単な説明

0012

熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを示す断面図である。
熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを示す平面図である。
従来の熱電発電装置を示す平面図である。
本発明における熱電発電モジュールの接続形態の一例を示す平面図である。
隣接する熱電発電モジュールの間にダイオードを接続した例を示す平面図である。
本発明における熱電発電モジュールの接続形態の他の例を示す平面図である。
本発明における熱電発電ユニットの接続形態の一例を示す平面図である。
本発明における熱電発電ユニットの接続形態の他の例を示す平面図である。
本発明における熱電発電ユニットの接続形態のさらに他の例を示す平面図である。
熱電発電ユニットに用いる冷却板の好ましい例を示す平面図である。
冷却板の冷却媒体流路が1系統の場合と、2系統を対称に設けた場合とを比較した実験を説明するための図である。
第1実施例における熱電発電モジュールおよび熱電発電ユニットの配置を説明するための図である。
第1実施例におけるcase1の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。
第1実施例におけるcase2の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図および熱電発電ユニット内の熱電発電モジュールを拡大して示す平面図である。
第1実施例におけるcase3の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。
第1実施例におけるcase4の熱電発電モジュールの接続形態を示す平面図である。
第1実施例におけるcase5の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。
第2実施例における温度分布Aの熱電発電ユニットの配置および各ゾーンにおける熱電発電ユニットの温度を説明するための図である。
第2実施例における温度分布Bの熱電発電ユニットの配置および各ゾーンにおける熱電発電ユニットの温度を説明するための図である。
第2実施例におけるcase11の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。
第2実施例におけるcase12の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。
第2実施例におけるcase13の熱電発電ユニットの接続形態を示す平面図である。
第2実施例におけるcase15の熱電発電ユニットの接続形態を説明するための図である。

0013

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
本発明に係る熱電発電装置は、熱源からの熱エネルギーを用いて、熱電発電モジュール群により熱電発電を行うものである。

0014

熱源としては、鋳造および圧延工程などにおけるスラブあるいは熱鋼板(スラブは処理工程により粗バー、熱鋼板、鋼板、熱鋼帯、鋼帯、ストリップ厚板など呼び方が変わるが、以下鋼材と呼称する)の熱エネルギーを用いる。

0015

以下、連続鋳造後の鋼材について記述するが、保持炉誘導炉加熱炉等の入側、出側の鋼材、仕上圧延前などにおいても同様に適用可能であることはいうまでもない。

0016

本実施形態では、熱電発電手段として、両側に電極を備えたP型およびN型の半導体を接合した半導体(熱電素子)を、複数対接合してなる熱電発電モジュールを用いる。熱電発電モジュールの電極の両側には絶縁材を配置してもよい。

0017

また、本実施形態では、一または複数の熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、受熱板と反対側に設けられた冷却板とで熱電発電ユニットを構成し、この熱電発電ユニットを一または複数配置することにより熱電発電装置を構成する。

0018

例えば、図1の断面図に示すように、複数の熱電発電モジュール1を熱源側(高温側)の受熱板2と低温側の冷却板3で挟むようにして熱電発電ユニット4を構成する。冷却板3は、熱電素子で発電するために必要な温度差を生じさせるためのものである。熱電発電ユニット4としては、図2の平面図に示すように、例えば縦横4個ずつ16個の熱電発電モジュール1をマトリックス状に配置して構成されたものを用いることができる。

0019

冷却板3としては、冷媒流路を有し、冷却水等の冷却媒体で冷却する構造のものを用いることができる。また、受熱板2および/または冷却板3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、これらを熱電発電モジュールの電極の両側に配置する絶縁材の代替として用いてもよい。

0020

熱電発電は、温度差を生じさせるために片側を冷却する。そのため、受熱板2は材質にもよるが、熱電素子の高温側温度よりも数度から数十度、場合によっては数百度程度高い温度となる。受熱板2の材料としては、そのような温度で、耐熱性や、耐久性を持つものであれば用いることができ、例えば、一般の鉄鋼材料を用いることができる。

0021

このような熱電発電装置においては、複数配列された熱電発電モジュールにより熱源としての鋼材からの熱エネルギーを電力に変換して発電を行うが、従来は、実操業における熱源の温度分布等を考慮せずに熱電発電モジュールどうしの電気的接続を行っていたため、発電の効率は必ずしも高くなかった。すなわち、従来は、例えば図3に示すように、熱源の温度分布等にかかわらず、単に熱電発電モジュール1どうしを順に直列に電気的接続していくのみであり、出力が低い熱電発電モジュール律速となり、効率的な発電を行うことはできなかった。なお、符号8は配線、10は熱源としての移動する鋼材である。

0022

そこで、本実施形態では、連続鋳造後等の搬送されている鋼材を熱源として用いて熱電発電装置により発電するに際し、熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。例えば、熱源としての鋼材の温度分布に起因する熱電発電出力をモニタリングあるいは予測するか、または鋼材の温度もしくは温度分布自体をモニタリングあるいは予測して、その結果に基づいて発電出力が大きくなって効率的な発電が行えるように、複数の熱電発電モジュールの接続を調整する。すなわち、本実施形態の熱電発電装置は、熱源に応じて、複数の熱電発電モジュールを所望の直流電圧と発電出力が得られるように直列、並列に接続し、配置して構成されたものである。

0023

予測される温度分布から、熱電発電モジュールの配置や配線を適切に行い、出力低下を抑える例について説明する。
搬送されている鋼材の搬送方向での温度変動が小さいことがわかっているため、熱電発電モジュールが鋼材の搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしが電気的接続されるようにすることにより出力低下を抑えることができる。例えば、図4に示すように、搬送されている鋼材10に対して、搬送方向に4個の熱電発電モジュール1が配列され、幅方向に16個の熱電発電モジュールが配列されるように4つの熱電発電ユニット4−1、4−2、4−3、4−4を配置して熱電発電装置を構成した場合に、符号A〜Pで示す鋼材搬送方向に沿った列ごとに熱電発電モジュール1どうしを直列接続する。符号8は熱電発電モジュールどうしを接続する配線である。

0024

予測される温度分布から、熱電発電モジュールの配置や配線を適切に行い、出力低下を抑える他の例について説明する。
搬送される鋼材は、通常、幅方向で凸状の温度分布を有しており、そのため、幅端部における熱電発電モジュールの熱電発電出力は、幅中央部の熱電発電モジュールの熱電発電出力と比較して小さくなる。したがって、出力の低い幅端部の熱電発電モジュールを含んで熱電発電モジュールどうしを直列に接続すると、出力が低い部分が律速となって全体の発電出力が小さくなる。このため、出力が高い部分どうし、中間的な部分どうし、低い部分どうしを接続することにより出力低下を抑える。これにより、出力の低い部分が律速となって全体の発電出力が低くなることなく、平均的に効率よく発電可能となる。例えば図4の例では、幅方向両端部の列AとPを接続し、順次列BとO、CとN、・・・・、HとIというように鋼材10の幅方向中央に対して対称となるように電気的接続する。この場合には、鋼材の幅方向端部側の熱電発電ユニット4−1と4−4が接続され、鋼材の幅方向中央側の熱電発電ユニット4−2と4−3が接続されることとなる。また、搬送方向の熱電発電モジュールの配列にかかわらず(例えば、熱電発電モジュールを鋼材の幅方向にのみ配列した場合)、鋼材の幅方向に配列した熱電発電モジュールについて、出力が高い部分どうし、中間的な部分どうし、低い部分どうしを接続することにより、同様の効果を得ることができる。

0025

上記の場合も含め、一般的に、搬送している鋼材の温度分布は、幅中央に対して対称となっていることが多いため、幅中央に対して対称になるように熱電発電モジュールを電気的接続することが好ましい。

0026

また、図5に示すように、隣接する熱電発電モジュール1の間にダイオード5を接続してもよい。これにより、一部の熱電発電モジュールが故障したような場合に、発電できなくなる事態を防止することができる。

0027

図6は、鋼材10の搬送方向に、熱電発電ユニットを2つ並べた例を示す。すなわち、図4の熱電発電ユニット4−1〜4−4に隣接して、熱電発電ユニット4−5〜4−8を設け、熱電発電ユニット4−1と4−5とを直列に接続し、4−2と4−6とを直列に接続し、4−3と4−7とを直列に接続し、4−4と4−8とを直列に接続して、鋼材10の搬送方向に8個の熱電発電モジュール1を配列している。そして、電線を端子ボックスに入れることなく、熱電発電ユニットどうしで接続している。これにより熱電発電ユニット間の接続が簡略化され好ましい。

0028

熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向および幅方向に複数配列する際においても、熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択する。例えば、熱源としての鋼材の温度分布に起因する熱電発電出力をモニタリングあるいは予測するか、または鋼材の温度もしくは温度分布自体をモニタリングあるいは予測して、その結果に基づいて発電出力が大きくなって効率的な発電が行えるように、複数の熱電発電ユニットの接続を調整する。

0029

例えば、図7に示すように、温度変動の小さい鋼材10の搬送方向に配列された熱電発電ユニット4どうしが電気的接続されるようにすることにより出力低下を抑えることができる。また、鋼板10の幅方向の温度分布を考慮して、例えば図8に示すように、鋼材10の搬送方向および幅方向に複数配列した熱電発電ユニットを幅方向に対称に3ゾーンに分け、幅方向中央部の第1ゾーン10aに存在する熱電発電ユニット4aどうしを直列に接続し、その外側の第2ゾーン10bに存在する熱電発電ユニット4bどうしを直列に接続し、幅方向端部の第3ゾーン10cに存在する熱電発電ユニット4cどうしを直列に接続することにより、出力低下を抑えることができる。

0030

また、鋼材の幅方向に温度分布が存在する場合には、幅方向の位置によって温度が異なり、最適電流も異なる。この場合には、鋼板10の幅方向の温度の異なるゾーンに存在する熱電発電ユニットどうしを直列に接続すると、出力が低下してしまう。この場合には、鋼材の幅方向に複数のゾーンに分け、各ゾーンにおいて、複数の熱電発電ユニットを並列接続し、その際の接続する熱電発電ユニットの数をゾーンごとに調整して電流を合わせ、その上でこれらを直列接続するようにすることにより、電流値の相違による出力低下を抑制することができる。

0031

例えば、図9に示すように、鋼材10の搬送方向および幅方向に熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向に12個、幅方向に11個マトリックス状に配列し、鋼材10を幅方向に、幅方向中央部の第1ゾーン10d、その外側の第2ゾーン10e、幅方向端部の第3ゾーン10fの3ゾーンに分け、第1ゾーン10dにおいて熱電発電ユニット4dが5列、第2ゾーン10eにおいて熱電発電ユニット4eが2列ずつ合計4列、第3ゾーン10fにおいて熱電発電ユニット4fが1列ずつ合計2列配置されていて、第1ゾーン10dの熱電発電ユニット4dが2.8A−6.2V、第2ゾーン10eの熱電発電ユニット4eが2.1A−4.6Vとする。この場合に、第1ゾーン10dにおいて、熱電発電ユニット4dを3つずつ並列に接続して複数の第1並列接続ブロック41を形成し、第2ゾーン10eにおいて、熱電発電ユニット4eを4つずつ並列に接続して複数の第2並列接続ブロック42を形成すると、電圧はそれぞれ6.2V、4.6Vで変わらないが、第1並列接続ブロック41に流れる電流は2.8×3=8.4Aとなり、第2並列接続ブロック42に流れる電流は2.1×4=8.4Aとなって両者の電流が同じになる。したがって、第1並列接続ブロック41と第2並列接続ブロック42とを直列に接続しても電流値の相違による出力低下は生じない。熱電発電モジュールの接続においても、同様の手法を採用することにより、出力低下を抑制することができる。

0032

このように熱電発電ユニットの電気的接続を発電効率が高くなるように選択する際には、各熱電発電ユニットにおける熱電発電モジュールの電気的接続の態様は任意である。ただし、熱電発電ユニットにおいても、その中の熱電発電モジュールどうしの電気的接続を、熱電発電出力もしくは熱電発電出力予測に基づいて、または温度もしくは温度分布、または温度予測もしくは温度分布予測に基づいて、発電効率が高くなるように選択することが好ましい。そして、上述したように、鋼材の搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしを電気的接続する態様や、熱電発電モジュールの列が鋼材の幅方向に複数配置されており、その列どうしが、鋼材の幅方向中央に対して対称になるように電気的接続する態様、熱電発電モジュールが鋼材の幅方向の温度分布に応じて複数のゾーンに別れており、各ゾーンにおける熱電発電モジュールの電流に応じて、各ゾーンで電流値が一致するように、各ゾーンにおいて所定数の熱電発電モジュールを並列接続して並列接続ブロックを形成し、並列接続ブロックどうしを直列接続する態様等種々の態様により出力低下を抑制することが好ましい。

0033

熱電発電ユニットは、熱変形による熱電発電モジュールの熱接触抵抗増大に起因する出力低下を抑制するため、適正な大きさとすることが好ましい。具体的には、熱電発電ユニットの大きさを1m2以下とすることが好ましい。これにより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。より好ましくは、2.5×10−1m2以下である。

0034

次に、熱電発電ユニットの冷却板の冷却手法について説明する。
上述したように熱電発電の発電出力は温度により変動するが、実際は、熱電発電モジュールの低温側と高温側の温度差が重要である。したがって、熱電発電ユニットの冷却板内の温度分布が極力小さくなるようにすることが好ましい。

0035

冷却板は、冷却媒体流路を有し、冷却媒体流路に冷却媒体を通流させることにより冷却される構造が一般的である。また、冷却媒体としては一般的に冷却水が用いられる。この場合に、図10に示すように、冷却板3の冷却媒体流路11は、一方向に沿って形成され、かつ冷却媒体流路11の方向に直交する方向中央に対して対称に、第1の流路11aと第2の流路11bの2系統を有する。このような冷却板3を有する熱電発電ユニットは、冷却媒体流路11の方向を鋼材の搬送方向に一致させて配置されることが好ましい。これにより、搬送方向に沿って配列された複数の熱電発電モジュールに対する冷却媒体の温度の変動を少なくすることができ、また、冷却媒体流路を1系統にした場合よりも、鋼材の幅方向の両端部間の冷却水の温度差を小さくすることができる。このため、発電効率をより高めることができる。なお、図10では2系統の冷却媒体流路の入口を中央側にし、出口を端部側にしたが、逆でもよい。また、冷却媒体流路として2系統を対称に設けた例を示したが、これに限らず例えば4系統を対称に設けてもよい。

0036

実際に、冷却媒体流路が1系統の場合と、2系統を対称に設けた場合とを比較した結果について説明する。図11(a)は冷却媒体流路が1系統の場合、(b)は2系統を対称に設けた場合である。冷却板の一方の端部に冷却媒体流路の方向に沿って熱電発電モジュールを配列した電気ラインIと、冷却板の他方の端部に冷却媒体流路の方向に沿って熱電発電モジュールを配列した電気ラインIIとで温度差の差分を比較した。1系統の場合は冷却板の一方の端部から冷却水を入れて他方の端部に排出するものとし、2系統の場合はそれぞれ冷却板の中央部から入れて端部に排出するものとした。また、冷却水の入り口温度を25℃とし、出口温度を30℃とした。その結果を表1に示す。表1では、低温側の温度(Tcj)としてグリス接触抵抗分の10℃を上乗せした値を用い、高温側の温度(Thj)は鋼材からの距離220mmの解析値を用いた。表1に示すように、冷却媒体流路が1系統の場合に比べ、2系統を対称に設けた場合のほうが、電気ラインIおよび電気ラインIIの温度差(ΔTj)の差分が小さい値となることが確認された。

0037

0038

熱電発電装置からの出力はパワーコンディショナにより制御されて所定の電圧にされるが、熱電発電モジュールの直列接続回路数は、パワーコンディショナの直流入力の上限、下限を考慮して決定すればよい。また、熱電発電モジュールの接続回路を複数の部分に分け、部分毎にパワーコンディショナを接続して複数並列運転することが好ましい。電圧が異なる複数の出力が得られているので、個別に、入力電圧を昇圧し、出力電圧をそろえればよい。

0039

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では搬送されている鋼材を熱源とした例について示したが、これに限るものではなく、温度変動が生じる熱源であれば有効に適用可能である。また、上記実施形態では、予め熱電発電出力または温度もしくは温度分布を実測ないし予測し、それに基づいて熱電発電モジュールの電気的接続を選択したが、これに限らず、リアルタイムに電発電出力または温度もしくは温度分布を検出して、それに基づいて自動的に熱電発電モジュールの電気的接続を選択するようにしてもよい。

0040

以下、本発明の実施例について説明する。
(第1実施例)
ここでは、熱源として搬送している鋼材を用いた。熱源の温度は幅中央温度が950℃、幅端温度が850℃である。4×4個の計16個の熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを用い、熱電発電モジュールを幅方向に24個、搬送方向に24個設置されるように、熱電発電ユニットを幅方向に6個、搬送方向に6個設置して熱電発電装置を構成した。具体的には、図12に示すように、鋼材の幅方向の熱電発電ユニットのうち、中央の2列の熱電発電ユニットAは、全ての熱電発電モジュールが950℃に対応する熱電発電モジュールAからなる。また、両端部の2列の熱電発電ユニットCは、全ての熱電発電モジュールが850℃に対応する熱電発電モジュールBからなる。さらに、中間の2列の熱電発電ユニットBは、端部側の2列が熱電発電モジュールB、中央側の2列が熱電発電モジュールAからなる。

0041

case1は、温度分布から、鋼材の幅中央温度が950℃で、幅端が850℃で、熱電発電モジュール単体当り、熱電発電モジュールAで6.2V−2.8A、熱電発電モジュールBで4.6V−2.1Aを発電すると予測し、図13に示すように、同じ電圧、電流の熱電発電モジュールどうしを電気的接続した。

0042

case2ではcase1とは異なり、図14(a),(b)に示すように、熱電発電ユニットの列を配線で接続し、搬送方向に配列されている熱電発電ユニットについて直列に接続するようにした。熱電発電ユニット内の熱電発電モジュールの接続は任意とした。

0043

case3では、図15に示すように、熱電発電ユニット内で配線を完結させず、搬送方向に配列された熱電発電モジュールどうしを直列に接続した。

0044

case4では、図16に示すように、搬送方向に配列されて直列に接続された熱電発電モジュールの列を幅中央から対称に配線で接続した。

0045

case5では、図17に示すように、搬送方向に配列されて直列に接続された熱電発電ユニットの列を幅中央から対称に配線で接続した。

0046

比較のため、比較例であるcase6として、図3に示すような鋼材幅方向に熱電発電モジュールが電気的接続された熱電発電ユニットを設置した。

0047

これらについて発電出力を比較した。比較例であるcase6では、熱電発電モジュールを鋼材の幅方向に直列に接続しているため、温度が低い幅方向端部における低い電流が律速となり、発電出力が7.62kWの発電となった。

0048

これに対して、本発明例では、case1、3、4で7.78kW、case2で7.70kW、case5で7.73kWと、比較例であるcase6よりも高くなり、高い発電効率が得られることが確認された。

0049

(第2実施例)
ここでは、熱源として搬送している鋼材(スラブ)を用い、鋼材の上方に4×4個の計16個の熱電発電モジュールを搭載した熱電発電ユニットを鋼板幅方向に6個、鋼板搬送方向に84個、合計504個マトリックス状に配置した。鋼材を幅方向に中央の第1ゾーン、その外側の第2ゾーン、端部の第3ゾーンの3ゾーンに分け、各ゾーンに2列ずつ熱電発電ユニットを配列し、熱電発電ユニットの温度分布を以下のA、Bとし、熱電発電ユニットの接続を以下のcase11〜15のようにした場合について、発電量を計算した。

0050

温度分布Aは、図18に示すように、中央の第1ゾーンの熱電発電ユニットで30−250℃(低温部が30℃で高温部が250℃、以下同じ)、第2ゾーンの熱電発電ユニットで30−200℃、端部の第3ゾーンの熱電発電ユニットで30−100℃である。このときの最適電流は、第1ゾーンで2.8A、第2ゾーンで2.1A、第3ゾーンで1.2Aである。また、温度分布Bは、図19に示すように、中央の第1ゾーンで30−250℃、第2ゾーンで30−100℃、端部の第3ゾーンで30−35℃である。第3ゾーンの熱電発電ユニットは低温部と高温部との温度差が小さく、ほとんど発電に寄与しないため、電気的接続を行わなかった。このときの最適電流は、第1ゾーンで2.8A、第2ゾーンで1.2Aである。

0051

また、熱電発電ユニットの接続形態に関して、case11は、図20に示すように、第1ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうし、第2ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうし、第3ゾーンに存在している熱電発電ユニットどうしを直列に接続した場合である。

0052

case12は、図21に示すように、熱電発電ユニットを鋼材の搬送方向に直列に接続し、かつ全てのゾーンの熱電発電ユニットを直列に接続した場合である。

0053

case13は、図22に示すように、熱電発電ユニットを鋼材の幅方向に直列に接続し、かつ全てのゾーンの熱電発電ユニットを直列に接続した場合である。

0054

case14は、504個の熱電発電ユニットを、鋼材の搬送方向に3分割し、分割した各ブロックの熱電発電ユニットをそれぞれ直列に接続した場合である。

0055

case15は、温度分布Aの場合、第1ゾーンの250℃では最適電流が2.8A、第2ゾーンの200℃では最適電流が2.1A、第3ゾーンの100℃では最適電流が1.2Aであることから、図23に示すように、第1ゾーンでは熱電発電ユニットを3つずつ並列に接続して第1並列接続ブロックを56個(28個×2)形成し、第2ゾーンでは熱電発電ユニットを4つずつ並列に接続して第2並列接続ブロックを42個(21個×2)形成し、第3ゾーンでは熱電発電ユニットを7個ずつ並列に接続して第3並列接続ブロックを24個(12個×2)形成し、各並列接続ブロックの電流を8.4Aに揃え、各並列接続ブロックを直列に接続した。温度分布Bの場合、第1ゾーンでは熱電発電ユニットを3つずつ並列に接続して第1並列接続ブロックを56個(28個×2)形成し、第2ゾーンでは熱電発電ユニットを7個ずつ並列に接続して第3並列接続ブロックを24個(12個×2)形成し、各並列接続ブロックの電流を8.4Aに揃え、各並列接続ブロックを直列に接続した。

0056

その結果を表2に示す。熱電発電ユニットどうしの電気的接続を、温度もしくは温度分布に基づいて発電効率が高くなるように選択したcase11および15では、温度分布Aの場合の出力が78.8kW、温度分布Bの場合の出力が52.9kWとなったが、この点を考慮していないcase12〜14では温度分布Aの場合で73.4kW、温度分布Bの場合で47.5kWとなり、温度分布Aでは7%程度、温度分布Bでは10%程度の出力減となった。

0057

実施例

0058

なお、温度分布Bで、第3ゾーンの熱電発電ユニットを接続した場合には、第3ゾーンの熱電発電ユニットは単なる抵抗体(1.2Ω)となり、case11では約43.4kW、case12、13では約35.6kWと、切り離した場合よりも出力が低下した。

0059

本発明によれば、鋼材等の熱源から発生する熱を、効率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化に貢献する。

0060

1熱電発電モジュール
2受熱板
3冷却板
4熱電発電ユニット
5ダイオード
8配線
10鋼材
11冷却媒体流路
11a 第1の流路
11b 第2の流路

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