JP2009081970A - 熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度差がある流体から効率良く熱電変換（発電）することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムを提供する。
【解決手段】Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子２７を、電極び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート３０内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニット３１を形成して複数枚積層し、これらの間に、高温流体Ｗが流通する第一空間３２と、低温流体Ｃが流通する第二空間３３とを交互に形成し、各プレート状熱電発電ユニット３１に形成された開口を連ねて、第一空間３２に対し高温流体Ｗを流入出させる第一流入路３４と第一流出路３５とを形成すると共に、第二空間３３に対し低温流体Ｃを流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムに関するものである。

従来より、海洋表面の温海水と深海の冷海水との温度差を利用する発電システムは、自然エネルギーを活用する技術として注目されている。

この種の海洋温度差発電システムは、図９に示される如く、海洋表面の温海水を汲み上げる温海水ポンプ１と、該温海水ポンプ１で汲み上げられた温海水の熱によりアンモニア／水の混合液体を蒸発させる蒸発器２と、該蒸発器２で蒸発したアンモニア／水の混合液体をアンモニア水とアンモニア／水の蒸気とに分離する気液分離器３と、該気液分離器３で分離されたアンモニア／水の蒸気が導入される第一タービン４と、該第一タービン４によって回転駆動される第一発電機５と、前記第一タービン４から排出されるアンモニア／水の蒸気の一部が抽気されて導入される加熱器６と、前記第一タービン４から排出されるアンモニア／水の蒸気の残りが導入される第二タービン７と、該第二タービン７によって回転駆動される第二発電機８と、前記気液分離器３で分離されたアンモニア水を冷却する再生器９と、該再生器９で冷却されたアンモニア水を減圧する減圧弁１０と、該減圧弁１０で減圧されたアンモニア水により前記第二タービン７から排出される混合蒸気を吸収する吸収器１１と、該吸収器１１で吸収しきれない混合蒸気を冷却するための凝縮器１２と、該凝縮器１２で凝縮しきれない混合蒸気を冷却して完全凝縮させるアフターコンデンサ１３と、深海から冷海水を汲み上げる冷海水ポンプ１４と、前記凝縮器１２及びアフターコンデンサ１３で凝縮したアンモニア水を貯留する第一タンク１５と、該第一タンク１５に貯留されたアンモニア水を圧送して前記加熱器６へ導く第一作動流体ポンプ１６と、該第一作動流体ポンプ１６で圧送され前記加熱器６で加熱されたアンモニア／水の混合液体を貯留する第二タンク１７と、該第二タンク１７に貯留されたアンモニア／水の混合液体を圧送して前記再生器９へ導く第二作動流体ポンプ１８とを備えてなる構成を有している。

前記海洋温度差発電システムにおいては、第二タンク１７に貯留されたアンモニア／水の混合液体が第二作動流体ポンプ１８により再生器９を経て蒸発器２に送られると共に、該蒸発器２には温海水ポンプ１によって海洋の表層の温海水が送り込まれ、前記アンモニア／水の混合液体は蒸発器２において蒸発し、アンモニア／水の気液混相状態になり、該気液混相状態のアンモニア／水は、気液分離器３でアンモニア水とアンモニア／水の蒸気とに分離され、該アンモニア／水の混合蒸気は第一タービン４に導入されて、該第一タービン４を回転駆動し、第一発電機５により発電が行われ、前記第一タービン４から排出される混合蒸気はその一部が抽気されて加熱器６に入り、残りは第二タービン７に導入され、第二発電機８が回転駆動されて発電が行われる。

一方、前記気液分離器３で分離されたアンモニア水は、前記再生器９において前記アンモニア／水の混合液体により冷却された後、減圧弁１０を通って吸収器１１に入り、該吸収器１１において前記第二タービン７から排出される混合蒸気を吸収し、そこで吸収しきれない混合蒸気は凝縮器１２に入り、深海から冷海水ポンプ１４により汲み上げられた冷海水によって冷却・凝縮され、液体に戻り、第一タンク１５に貯留され、第一作動流体ポンプ１６によって加熱器６へ圧送され、該加熱器６において、前記第一タービン４から排出されて抽気されるアンモニア／水の蒸気の一部により加熱され、第二タンク１７に貯留され、該第二タンク１７に貯留されたアンモニア／水の混合液体が再び前記第二作動流体ポンプ１８により再生器９を経て蒸発器２に送られ、この作動を繰り返し行うことで、海水のみで発電し続けるようになっている。

尚、図９に示されるような海洋温度差発電システムの一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

一方、図１０に示される如く、石炭や石油等の燃料をボイラ１９で燃焼させて蒸気を発生させ、該蒸気により蒸気タービン２０を回転駆動して発電機２１により発電を行う火力発電プラント、或いは、ウランの原子炉圧力容器２２内での核***エネルギーを利用して蒸気発生器２３で蒸気を発生させ、該蒸気により蒸気タービン２０を回転駆動して発電機２１により発電を行う原子力発電プラントにおいては、前記蒸気タービン２０を回転駆動した後の蒸気を復水器２４で冷却水としての海水により冷却し、凝縮させた水を循環させるようになっている。
特開平５−３４０３４２号公報

しかしながら、図９に示されるような海洋温度差発電システムでは、蒸発器２、第一タービン４、第一発電機５、加熱器６、第二タービン７、第二発電機８、再生器９、凝縮器１２、第一作動流体ポンプ１６、第二作動流体ポンプ１８等の機器が必要で、全体として構造が非常に複雑となり、コストアップが避けられず、しかも、回転部分が多く定期的なメンテナンスも不可欠で、ほとんど実用化されていないのが現状であった。

一方、図１０に示されるような発電プラントでは、熱エネルギー回収装置が大規模となることもあり、復水器２４において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水は、そのまま海へ排水され、熱エネルギーの回収はほとんど行われていなかった。

このように、前述の如き海洋温度差発電システムや発電プラントにおいては、温度差エネルギーを効率良く回収できる装置の開発が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、温度差がある流体から効率良く熱電変換（発電）することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムを提供しようとするものである。

本発明は、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子を、電極及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニットを形成し、
該プレート状熱電発電ユニットを複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット間に、高温流体が流通する第一空間と、低温流体が流通する第二空間とを、該高温流体と低温流体とが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニットを境にして交互に形成し、
前記各プレート状熱電発電ユニットに形成された開口を連ねることにより、前記第一空間に対し高温流体を流入出させる第一流入路と第一流出路とを形成すると共に、前記第二空間に対し低温流体を流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成したことを特徴とする熱電発電装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前記第一流入路から第一空間に対し高温流体を流入させて第一流出路から流出させると共に、前記第二流入路から第二空間に対し低温流体を流入させて第二流出路から流出させると、プレート状熱電発電ユニットの伝熱プレート内に封入されたＰ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とを交互に並設してなる熱電素子において、前記高温流体と低温流体との間の温度差により熱エネルギーが電気エネルギーに変換され起電力が発生し、効率良く発電が行われることとなる。

一方、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として海洋表面の温海水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として深海の冷海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することができ、このようにすると、従来の海洋温度差発電システムと異なり、蒸発器、第一タービン、第一発電機、加熱器、第二タービン、第二発電機、再生器、凝縮器、第一作動流体ポンプ、第二作動流体ポンプ等の機器を一切設けなくて済み、全体として構造が大幅に簡略化され、コストアップが避けられ、しかも、稼動部がなくメンテナンスも面倒でなくなり、海洋温度差発電システムの実用化が可能となる。

又、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として発電用の蒸気タービンを駆動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、従来の発電プラントのように、復水器において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水をそのまま海へ排水するのとは異なり、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。

更に、前記熱電発電装置を用い、前記高温流体として各種プラントから排出される蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。

本発明の請求項１記載の熱電発電装置によれば、温度差がある流体から効率良く熱電変換（発電）することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得るという優れた効果を奏し得る。

又、本発明の請求項２記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、全体として構造を簡略化し得、コストアップを回避でき、しかも、稼動部がなくメンテナンスも容易で、海洋温度差発電システムの実用化に寄与し得るという優れた効果を奏し得る。

更に又、本発明の請求項３記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、発電プラントにおいて、今まで海に棄てられていた熱エネルギーを効率良く回収して発電し得、無駄をなくすことができるという優れた効果を奏し得る。

更に、本発明の請求項４記載の熱電発電装置を用いた発電システムによれば、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電し得、無駄をなくすことができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図６は本発明を実施する形態の一例であって、Ｐ型熱電半導体素子２５とＮ型熱電半導体素子２６とを交互に並設した熱電素子２７を、電極２８及び絶縁体２９を介して挟持するよう伝熱プレート３０内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニット３１を形成し、該プレート状熱電発電ユニット３１を複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット３１間に、高温流体Ｗが流通する第一空間３２と、低温流体Ｃが流通する第二空間３３とを、該高温流体Ｗと低温流体Ｃとが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニット３１を境にして交互に形成し、前記各プレート状熱電発電ユニット３１に形成された開口を連ねることにより、前記第一空間３２に対し高温流体Ｗを流入出させる第一流入路３４と第一流出路３５とを形成すると共に、前記第二空間３３に対し低温流体Ｃを流入出させる第二流入路３６と第二流出路３７とを形成し、熱電発電装置３８を構成したものである。

本図示例の場合、前記第一流入路３４は、図５に示す如く、前記各プレート状熱電発電ユニット３１の右上隅に、又、前記第一流出路３５は前記各プレート状熱電発電ユニット３１の右下隅にそれぞれ形成し、前記第一流入路３４から流入する高温流体Ｗが前記第一空間３２内で上方から下方へ向かい略台形形状をなして流通し、前記第一流出路３５へ流出するようにし、一方、前記第二流入路３６は、図６に示す如く、前記各プレート状熱電発電ユニット３１の左下隅に、又、前記第二流出路３７は前記各プレート状熱電発電ユニット３１の左上隅にそれぞれ形成し、前記第二流入路３６から流入する低温流体Ｃが前記第二空間３３内で下方から上方へ向かい略台形形状をなして流通し、前記第二流出路３７へ流出するようにしてある。但し、前記第一流入路３４及び第一流出路３５、前記第二流入路３６及び第二流出路３７を形成する位置や、前記高温流体Ｗ及び低温流体Ｃが流通する方向は、図５及び図６に示す例に限定されず、状況に応じて選定し得ることは言うまでもない。

又、前記Ｐ型熱電半導体素子２５とＮ型熱電半導体素子２６とを用いる熱電素子２７の性能は、熱電性能指数Ｚ［Ｋ^-1］
Ｚ＝α²・σ／λ
但し、α：ゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］
σ：導電率［Ｓ／ｍ］
λ：熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］
で決まるため、ゼーベック係数αと導電率σが大きく、熱伝導率λの小さい材質を選定することが有効となり、前記Ｐ型熱電半導体素子２５及びＮ型熱電半導体素子２６としては、例えば、Ｂｉ（ビスマス）−Ｔｅ（テルル）系のものを使用することが有効となる。

次に、上記図示例の作用を説明する。

前記熱電発電装置３８においては、前記第一流入路３４から第一空間３２に対し高温流体Ｗを流入させて第一流出路３５から流出させると共に、前記第二流入路３６から第二空間３３に対し低温流体Ｃを流入させて第二流出路３７から流出させると、プレート状熱電発電ユニット３１の伝熱プレート３０内に封入されたＰ型熱電半導体素子２５とＮ型熱電半導体素子２６とを交互に並設してなる熱電素子２７において、前記高温流体Ｗと低温流体Ｃとの間の温度差により熱エネルギーが電気エネルギーに変換され起電力が発生し、効率良く発電が行われることとなる。

尚、前記熱電発電装置３８のプレート状熱電発電ユニット３１において発電された電力は、電極２８に接続された端子（図示せず）から外部へ取り出される。

又、前記熱電発電装置３８のプレート状熱電発電ユニット３１は分解できるため清掃が完全にでき、メンテナンスが容易に行える上に、プレート状熱電発電ユニット３１の枚数を増減することで容量の調節も可能となる。

こうして、温度差がある流体から効率良く熱電変換（発電）することができ、メンテナンスが容易で、必要スペースが小さく、従来装置よりも安価で安定した電力供給を行い得る。

図７は本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を海洋温度差発電システムに用いた場合の構成図であって、図中、図１〜図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、前記高温流体Ｗとして海洋表面の温海水を、モータ３９によって駆動される温海水ポンプ４０により前記熱電発電装置３８の第一流入路３４から第一空間３２へ導くと共に、前記低温流体Ｃとして深海の冷海水を、モータ４１によって駆動される冷海水ポンプ４２により前記熱電発電装置３８の第二流入路３６から第二空間３３へ導くようにして発電システムを構成したものである。

図７に示す例のように構成すると、図９に示されるような従来の海洋温度差発電システムと異なり、蒸発器２、第一タービン４、第一発電機５、加熱器６、第二タービン７、第二発電機８、再生器９、凝縮器１２、第一作動流体ポンプ１６、第二作動流体ポンプ１８等の機器を一切設けなくて済み、全体として構造が大幅に簡略化され、コストアップが避けられ、しかも、稼動部がなくメンテナンスも面倒でなくなり、海洋温度差発電システムの実用化が可能となる。

図８は本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を発電プラントに用いた場合の構成図であって、図中、図１〜図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、前記高温流体Ｗとして発電用の蒸気タービン２０を駆動した後の蒸気を、前記熱電発電装置３８の第一流入路３４から第一空間３２へ導くと共に、前記低温流体Ｃとして海水を、モータ４３によって駆動される海水ポンプ４４により前記熱電発電装置３８の第二流入路３６から第二空間３３へ導くようにして発電システムを構成したものである。

図８に示す例のように構成すると、図１０に示される従来の発電プラントのように、復水器２４において蒸気から熱を奪って昇温した冷却水としての海水をそのまま海へ排水するのとは異なり、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。

更に、前記熱電発電装置３８を用い、前記高温流体Ｗとして各種プラント（図示せず）から排出される蒸気又は高温水を第一流入路３４から第一空間３２へ導くと共に、前記低温流体Ｃとして海水を第二流入路３６から第二空間３３へ導くようにして発電システムを構成することもでき、このようにすると、各種プラントにおいて、熱エネルギーを効率良く回収して発電することが可能となる。

尚、本発明の熱電発電装置及び該熱電発電装置を用いた発電システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す斜視図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ断面相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す断面図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を示す要部拡大断面図であって、図２のＩＶ部相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置における第一空間と高温流体の流れを示す概略図であって、図２及び図３のＶ−Ｖ矢視相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置における第二空間と低温流体の流れを示す概略図であって、図２及び図３のＶＩ−ＶＩ矢視相当図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を海洋温度差発電システムに用いた場合の構成図である。 本発明を実施する形態の一例の熱電発電装置を発電プラントに用いた場合の構成図である。 従来の海洋温度差発電システムの一例を示す構成図である。 従来の発電プラントの一例を示す構成図である。

符号の説明

２０ 蒸気タービン
２５ Ｐ型熱電半導体素子
２６ Ｎ型熱電半導体素子
２７ 熱電素子
２８ 電極
２９ 絶縁体
３０ 伝熱プレート
３１ プレート状熱電発電ユニット
３２ 第一空間
３３ 第二空間
３４ 第一流入路
３５ 第一流出路
３６ 第二流入路
３７ 第二流出路
３８ 熱電発電装置
３９ モータ
４０ 温海水ポンプ
４１ モータ
４２ 冷海水ポンプ
４３ モータ
４４ 海水ポンプ
Ｗ 高温流体
Ｃ 低温流体

Claims (4)

1. Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子を、電極及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニットを形成し、
   該プレート状熱電発電ユニットを複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット間に、高温流体が流通する第一空間と、低温流体が流通する第二空間とを、該高温流体と低温流体とが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニットを境にして交互に形成し、
   前記各プレート状熱電発電ユニットに形成された開口を連ねることにより、前記第一空間に対し高温流体を流入出させる第一流入路と第一流出路とを形成すると共に、前記第二空間に対し低温流体を流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成したことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記高温流体として海洋表面の温海水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として深海の冷海水を第二空間へ導くようにした請求項１記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
3. 前記高温流体として発電用の蒸気タービンを駆動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項１記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
4. 前記高温流体として各種プラントから排出される蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項１記載の熱電発電装置を用いた発電システム。

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