JP2012039756A - 熱電発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールの低温側放熱が容易な熱電発電ユニットを提供すること。
【解決手段】受光面部１１ａとその裏面側の放熱部１１ｂとを備えている熱電変換モジュール１１と、一次反射鏡（凹面鏡）１３と、二次反射鏡（凸面鏡）１５とを備えた熱電発電ユニットＵ。一次反射鏡１３は、熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａに対応する大きさの二次反射光通過部１７を中央部に備えている。一次反射鏡１３の裏面側で二次反射光通過部１７に受光面部１１ａが臨むように熱電変換モジュール１１を配する。二次反射鏡１５を一次反射鏡１３の焦点位置Ｆ１の同軸内側に配する。該二次反射鏡１５は、一次反射光を熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａに向かう二次反射光とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光面とその裏面側の放熱部とで形成される熱電変換モジュールを用いる熱電発電ユニット（熱電発電装置）に関し、特に、産業プロセスにおける高炉、電気炉、乾燥炉等の工業用加熱炉の壁面等や、製鉄、鋳造等の高温材料や製品等からの排熱（廃熱）である熱輻射（熱放射）を有効（回収）利用できる熱電発電ユニットに関する。

ここでは、工業用加熱炉からの熱輻射を利用する場合を例に採り説明するが、本発明の熱電発電ユニットは、太陽光等の熱輻射を利用する場合も適用できる。

熱電変換システムは温度差を与えることで発電するため、ボイラー、各種炉、自動車、その他排熱設備などの人工熱エネルギーや、太陽光熱、地熱、温泉などの自然熱エネルギーを利用した新しい発電システムとして期待されている。

そして近年、さまざまな熱電変換システムのための熱電発電ユニットが提案されている。それらは、大別して「熱源に接触して直接熱エネルギーを得るタイプ」と「熱源から離れて間接的に熱エネルギーを得るタイプ」の２タイプに分けられる。

前者は、熱を発する装置、配管等に熱電変換モジュールを直接配置して熱エネルギーを得て発電するタイプであり、後者は、熱源から離れて熱電変換モジュールを配置し、熱源が発する熱輻射（光）で発電するタイプである。

本発明は、後者のタイプに属するもので、それらの先行技術文献として、特許文献１〜４等がある。

特許文献１には、多数の熱電変換モジュールを、工業用加熱炉の外側面に受光面（受熱面）を対面させて、水冷ジャケットの内側に配した熱電発電ユニットに係る発明が記載されている。

特許文献２には、熱電変換モジュールの放熱部のフィン部の内部に冷却ファンを設けて、熱電変換モジュールの放熱効率を向上させる発明が記載されている。

このタイプは、熱源が高温、もしくは物理的（構造的）に、熱電発電モジュールを直接設置できない場合や、熱源までの距離が長い場合などに用いられる。

しかし、熱源から離れて熱電発電ユニットを設置するため、その距離が長くなればなるほど、熱輻射は熱電発電ユニットに到達するまでに相当に減衰する。

このため、減衰した熱輻射を集束して熱電変換モジュールに供給する機構を具備する必要がある。

このため、特許文献３に記載の如く、熱輻射（光）を反射鏡（例えばパラボラ型の）で反射させて熱電変換モジュールの受光面に集束させたり（同文献図１）、特許文献４に記載の如く、受光器（受光面部）の軸心の回りに複数のリング状反射板（凹面鏡）を焦点が光受光器の設置点になるように同心状に配したり（同文献図２参照）することが考えられる。

しかし、特許文献３においては、熱電変換モジュールの冷却部（放熱部）が太陽光（発熱源）に直面するため、放熱（冷却）が困難となる（特許文献３段落０００９参照）。

さらに、太陽光を除いて、製鉄、製鋼、圧延、鋳造などから生じる工業廃熱（排熱）においては、それらの熱源の上方位置に熱電発電ユニットを設置することが多い（図８参照）。

この場合、真空以外では、熱による上昇気流（熱気流）が発生する。本熱電発電ユニットを熱源の上部に設置した場合、熱源に反射鏡で蓋をしたような形になり、熱気流が滞留して作業環境温度の上昇につながり、周囲への熱影響が問題となる。さらには、その熱気流で粉塵が巻き上げられたり、スケールやガスの発生を伴ったりする。

また、工業廃熱の熱源である加熱炉等では、その作業環境を健全に保つため、排気装置（集塵・脱臭装置）を備えるケースが多い。これらの場合、熱気流の適正流れを邪魔することは排気装置の性能を低下させるため、この熱電発電ユニットは設置が躊躇されていた。

また、特許文献４においては、受光面部に反射光を集束させるため、図７に示す如く、リング幅および曲率の異なる複数枚の反射板２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを用意する必要があり、実際的ではない。そして、複数枚のロート状の反射板により、気流が層流的に受光面に向かって案内され、受光面部の位置によっては、やはり、定常気流の設定流れが阻害されるおそれがある。

これらの熱気流の阻害は、工業炉等の排気集塵機能の低下につながり易い。

特許第４１７８７４６号公報 特開平１０−１６４８７６号公報 実開平５−２３５５４号公報 特開２００８−１９８９６５号公報

本発明の目的は、上記にかんがみて、熱輻射（光）を、反射鏡を介して熱電変換モジュールの受光面に集束させる機構を備えた熱電発電ユニットにおいて、熱電変換モジュールの放熱部の放熱（冷却）が容易であるとともに、熱源の上方に配置しても、熱気流の流れの阻害度が小さい熱電発電ユニットを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をした結果、下記構成とすれば、上記課題（目的）を解決することができることを知見して本発明に想到した。

受光面部とその裏面側の放熱部とで形成される熱電変換モジュールと、一次反射鏡（凹面鏡）と、二次反射鏡（凸面鏡）とを備え、前記一次反射鏡は、前記熱電変換モジュールの受光面部に対応する大きさの二次反射光通過部を中央部に備え、
前記一次反射鏡の裏面側で前記二次反射光通過部に前記受光面部が臨むように前記熱電変換モジュールが配され、
前記二次反射鏡が前記一次反射鏡の同軸焦点位置の内側に配され、一次反射光を前記熱電変換モジュールの受光面部に向かう二次反射光とし、さらに、
前記一次反射鏡が気流通過空間部を備えている、ことを特徴とする。

本発明においては、一次反射鏡の焦点位置に熱電変換モジュールが配されないため、熱電変換モジュールが一次反射光の集束による熱影響を受け難く、熱電変換モジュールの放熱が容易となる。また、気流通過空間部を備えているため、熱気流の適正流れ（設定流れ）の阻害度が低くなり、結果的に熱気流による熱電変換モジュールの放熱も悪影響を受け難くなるとともに、熱源の加熱炉等に付設された排気装置の性能の低下も小さい。

本発明の熱電発電ユニットの第一実施形態を示す概略断面図である。 図１の２−２線矢視図である。 本発明の熱電発電ユニットの第二実施形態を示す概略断面図である。 図３の４−４線矢視図である。 本発明の熱電発電ユニットの第三実施形態を示す概略断面図である。 図５の６−６線矢視図である。 特許文献４における反射鏡の配置を示す断面図である。 本発明の熱電発電ユニットの使用態様説明図である。

以下、本発明の各実施形態について、説明する。

（１）第一実施形態（図１・２）
本実施形態は、熱電変換モジュール１１と、一次反射鏡（凹面鏡）１３と、二次反射鏡（凸面鏡）１５とを備え、一次反射鏡１３は、熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａに対応する大きさの二次反射光通過部１７を中央部に備えたものである。

熱電変換モジュール１１は、通常、複数組のｐ型半導体とｎ型半導体とを組み合わせてゼーベック効果により熱電変換するものである。そして、受光面部１１ａとその裏面側の放熱部１１ｂとを備えている。なお、他のタイプの熱電変換モジュールも使用可能である。

そして、放熱部１１ｂは、本実施形態では、放熱フィンタイプとしてあるが、他の熱交換方式（水冷や空冷等の強制冷却）でもよい。

一次反射鏡（凹面鏡）１３は、汎用の凹面鏡でもよいが、指向性・集束性の高いパラボロイド（回転放物面）とすることが望ましい。特に、直交座標でｚ＝Ａｘ²＋Ｂｙ²の形の方程式で表される曲面で、ＡＢ＞０で且つＡ＝Ｂであることが望ましい。

なお、一次反射鏡１３、二次反射鏡１５は、例えば、設置環境温度で耐久性を有する金属、樹脂、セラミックス等の材質で、受光反射面が反射率の高い表面状態（鏡状）となっている材料を用いる。

そして、上記熱電変換モジュール１１は、一次反射鏡１３の裏面側で二次反射光通過部１７に受光面部１１ａが臨むように配されている。

一次反射鏡１３の二次反射光通過部１７の大きさは、当然、熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａの大きさに対応するものとする。受光面部１１ａの大きさは、例えば、汎用のもので、平面３〜１０ｃｍ角である。

二次反射光通過部１７の径の大きさが大きすぎると、一次反射鏡１３による反射される反射光線率（エネルギー）が相対的に低くなり、結果的に熱効率の低減につながる。

なお、本実施形態では、二次反射光通過部１７は、貫通孔とされ気流通過空間部を兼ねる構成とされている。一次反射鏡１３に向かう熱気流を逃がすためである。

二次反射鏡（凸面鏡）１５は、一次反射鏡１３の同軸焦点位置の内側に配され、発熱体（熱源）からの平行光線を受けて焦点方向に向かう一次反射光を受けて熱電変換モジュールの受光面部に向かう二次反射光とするものである。

次に、上記実施形態の使用態様について説明をする。

電気炉等の加熱炉Ｆの熱輻射面に対して熱電発電ユニットＵを複数個配設する。例えば、図８に示す如く、鋳造炉（高周波溶解炉）２１における溶融金属２２と炉壁面２１ａからの熱輻射に対して熱電発電ユニットＵを仮想ドームＤの内側全面に配設する。なお、仮想ドームＤの大きさは、鋳造炉２１を中心として半径約５〜１０ｍとする。なお、集塵気流（排気）は集塵フード２５にガイドされて集塵装置２７に導入される。

すると、加熱炉Ｆの熱源（壁面等も含む。）からの熱輻射（光）は、各発電ユニットＵの一次反射鏡１３で一次反射されて二次反射鏡１５に集束し、更に、二次反射鏡１５で反射して二次反射光（集束光）として熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａに向かう。そして、熱電変換モジュール１１で受光面部１１ａと放熱部１１ｂとの間に生じる温度差により、熱電変換モジュール１１に配置されたｐｎ型の熱電素子内（図示せず）で電子移動が起こり、電位差が発生する。

そして、各熱電変換モジュール１１のプラス、マイナス、それぞれの端点からリード線を引き出し、所望の蓄電池システム、駆動システム、等へ接続することで発電した電力を利用することができる。

本実施形態の発電ユニットＵは、比較的高い熱エネルギーを放出している製鉄、製鋼、圧延、鋳造などの加熱炉における工場熱輻射（工業廃熱）を熱源として利用するのに好適である。当然、マグマ熱、太陽光熱、などの自然熱輻射も利用可能である。

本実施形態の一次反射鏡（凹面鏡）１３を使用した熱電発電ユニットＵは、一次反射鏡１３の中央部の二次反射光通過部１７と熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａとの隙間から熱気流が上方へ流れ、熱気流の定常流れの阻害度が低減される。結果的に、排気装置の性能低下が小さい。

（２）第二実施形態（図３・４）
上記第一実施形態において、一次反射鏡を、多孔板状のもの１３Ａとして、多数の小貫通孔ｐからなる気流通過空間部を、前記二次反射光通過部１７で形成される気流通過空間部に付加するものである。

ここで、一次反射鏡１３Ａの開口率は、２０〜５０％とする。熱輻射の集約効率と熱気流の流れ阻害低減のバランスから決定する。一次反射鏡１３Ａの開口率が大きいと、熱気流の流れは余り阻害されないが、一次反射鏡１３Ａの反射面積の減少率が大きくて、熱輻射の反射効率が低減する。一次反射鏡１３Ａの開口率が小さいと、一次反射鏡の反射面積の減少率が小さくて、熱輻射の反射効率は余り低減しないが、熱気流の流れが阻害され易い。本実施形態では、中央部の二次反射光通過部１７は、貫通孔状である必然性はない。即ち、二次反射光通過部１７を熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａで塞ぐ構成としてもよい。熱電変換モジュールの背面に熱気流が回り込みにくく、放熱部１１ｂの放熱効率が向上する。

使用態様は第一実施形態と同様である。

（３）第三実施形態（図５・６）
上記第一実施形態において、一次反射鏡を、平面投象において平面隙間を有せず、軸方向断面において環状の縦隙間ｓを有して同心状に複数枚を配した湾曲リング板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・からなるもの１３Ｂとする。これらの縦隙間ｓで気流通過空間部を、前記二次反射光通過部１７で形成される気流通過空間部に付加するものである。なお、反射率が低減するが、第二実施形態と同様、各湾曲リング板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・を全部又は部分的に多孔板状とすることも可能である。

ここで、湾曲リング板１３ａ、１３ｂ、１３ｃの縦隙間ｓは、最大径の湾曲リング板１３ａの径ｄ＝３０〜５０ｃｍの場合、ｓ＝１〜５ｃｍとする。

本実施形態は、一次反射鏡１３Ｂが複数個の同心状の湾曲リング板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・に分割されて熱気流が通過しやすくなっている。しかも熱輻射の反射面積は減少していないため発電効率が下がることはない。

この構成の場合、第二実施形態の場合と同様、二次反射光通過部１７を熱電変換モジュール１１の受光面部１１ａで塞ぐ構成としてもよい。熱電変換モジュールの背面に熱気流が回り込まず、放熱部１１ｂの放熱効率が向上する。

使用態様は、第一実施形態と同様である。

１１・・・熱電変換モジュール
１１ａ・・・受光面部
１１ｂ・・・放熱部
１３、１３Ａ、１３Ｂ・・・一次反射鏡（凹面鏡）
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ・・・湾曲リング板
１５・・・二次反射鏡
１７・・・二次反射光通過部
２１・・・鋳造炉（高周波溶解炉）２１
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ・・・反射板
２１ａ・・・炉壁面
２２・・・溶融金属
２５・・・集塵フード
２７・・・集塵装置
Ｕ・・・熱電発電ユニット
Ｆ１・・・一次反射鏡の焦点
ｐ・・・小貫通孔

Claims (5)

1. 受光面部とその裏面側の放熱部とで形成される熱電変換モジュールと、一次反射鏡（凹面鏡）と、二次反射鏡（凸面鏡）とを備え、前記一次反射鏡は、前記熱電変換モジュールの受光面部に対応する大きさの二次反射光通過部を中央部に備え、
   前記一次反射鏡の裏面側で前記二次反射光通過部に前記受光面部が臨むように前記熱電変換モジュールが配され、
   前記二次反射鏡が前記一次反射鏡の同軸焦点位置の内側に配され、一次反射光を前記熱電変換モジュールの受光面部に向かう二次反射光とし、さらに、
   前記一次反射鏡が気流通過空間部を備えている、
   ことを特徴とする熱電発電ユニット。
2. 前記一次反射鏡の反射面がパラボロイド（回転放物面）であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電ユニット。
3. 前記一次反射鏡の二次反射光通過部が貫通孔状とされて前記気流通過空間部とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電ユニット。
4. 前記一次反射鏡が、多孔板状とされて前記気流通過空間部が形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の熱電発電ユニット。
5. 前記一次反射鏡が、平面投象において平面隙間を有せず、軸方向断面において環状の縦隙間を有して同心状に複数枚を配した湾曲リング板からなり、前記縦隙間により気流通過空間部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一記載の熱電発電ユニット。

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