JP6008315B2

JP6008315B2 - 排熱回収熱電発電システム、及び排熱回収熱電発電システムを搭載した船舶

Info

Publication number: JP6008315B2
Application number: JP2012135239A
Authority: JP
Inventors: 平田　宏一; 宏一平田; 東勲柳
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2014001631A

Description

本発明は、熱電発電モジュールを用いた排熱回収熱電発電システム及び排熱回収熱電発電システムを搭載した船舶に関する。

特許文献１及び特許文献２では、自動車や船舶におけるエンジン排熱回収装置として熱電発電モジュールを用いたものを提案している。
一方、特許文献３及び特許文献４では、熱電発電モジュールの耐熱性を課題として、その解決手段を提案している。

実開平６−４３１７号公報特開２００７−１９８２７６号公報特開平６−２５４０号公報特開２０００−３３９０３８号公報

特許文献１及び特許文献２の方法は、自動車や船舶におけるエンジン排熱を、熱的に熱電発電モジュールに直接作用させているものであり、熱電発電モジュールの耐熱性や発電状態を考慮した熱電発電モジュールの運転を行うものではない。
熱電発電モジュールは、耐熱温度が低く、高温環境下にさらされると破損してしまう。特許文献３及び特許文献４では、熱電発電モジュールと接触する液体が高温になると、この液体をバイパスさせることで、熱電発電モジュールが高温環境下にさらされないようにしている。
しかし、特許文献３及び特許文献４の方法では、高温の場合には排熱回収を行うことができない。

そこで、本発明は、熱電発電手段を高温にさらすことなく発電状態を考慮して有効に排熱回収を行うことができる排熱回収熱電発電システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明に対応した排熱回収熱電発電システムにおいては、燃焼機器の排気ガスの通る排気ガス経路に設けた排熱回収手段と、排気ガス経路の排熱回収手段の下流側に設けられて排熱回収手段で一部が熱回収された排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電手段と、排熱回収手段と熱電発電手段の運転を制御する運転制御手段を備え、運転制御手段が熱電発電手段を運転するときには排熱回収手段の運転も行ったことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、排熱回収手段で高温の排気ガスを利用し、排熱回収手段で利用した後の低温の排気ガスを熱電発電手段で利用できるため、２段階で有効に排気ガスの排熱を回収できるとともに、熱電発電手段を運転するときには、排熱回収手段の運転を行うことで、熱電発電手段を高温にさらされないようにでき、耐熱温度の低い熱電発電手段を破損することなく発電状態を考慮して使用することができる。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、熱電発電手段の温度を検知する温度検知手段を備え、運転制御手段が温度検知手段の検知値と予め設定された設定温度を比較して排熱回収手段の運転を制御したことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、排気ガス温度が高い場合には排熱回収手段での熱利用を高めることで、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止でき、排気ガス温度が低い場合には排熱回収手段での熱利用を低下させることで、熱電発電手段での発電出力を高めることができる。

請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、運転制御手段が、検知値が設定温度を超えた場合に排熱回収手段の排熱回収量を増したことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止でき、排熱回収手段と熱電発電手段とで高い発電出力を得ることができる。

請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、燃焼機器の運転停止時に、運転制御手段が排熱回収手段の運転を所定条件になるまで継続したことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、燃焼機器の運転停止後において、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止できる。

請求項５記載の本発明は、請求項２、請求項３、又は請求項２若しくは請求項３を引用する請求項４に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、燃焼機器の運転開始時に、設定温度になったときに少なくとも排熱回収手段の運転を開始したことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止できる。

請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、排気ガスが熱電発電手段を迂回するバイパス経路と、バイパス経路を切り換える経路切換手段とを備え、運転制御手段が熱電発電手段の運転を停止する場合に、経路切換手段にてバイパス経路を選択したことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、熱電発電手段の運転停止後において、熱電発電手段の高温による破損を確実に防止できる。

請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、熱電発電手段が、排気ガスが通る筒状体の外側に配置する熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの外側に配置して熱電発電モジュールを冷却する冷却水通路とを有することを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、排気ガスの熱を有効に熱電発電モジュールに伝えることができるとともに、熱電発電モジュールの冷却を有効に行うことができる。

請求項８記載の本発明は、請求項７に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、熱電発電モジュールの高温側を筒状体側に向け低温側を熱電発電モジュールの外側に設けた冷却水通路側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成し、熱電発電ユニットを筒状体の周囲に対向させて複数個設けたことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、熱電発電ユニット同士を対向させることで、平板状である熱電発電モジュールの吸熱面だけを加熱するように熱電発電ユニット同士を締結し、熱電発電モジュールの吸熱面の面圧を均一に取り付けやすくすることができる。

請求項９記載の本発明は、請求項７又は請求項８に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、排気ガスの通る筒状体の内側に伝熱を促進するフィンを設けたことを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、排気ガスの熱を熱電発電モジュールの吸熱面に伝えやすくすることができる。

請求項１０記載の本発明は、請求項９に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、筒状体の上流側に位置するフィンの伝熱面積よりも下流側に位置するフィンの伝熱面積を大きくしたことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、フィンの伝熱面積を大きくすることで、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュールの吸熱量を増加させることができる。

請求項１１記載の本発明は、請求項７から請求項１０に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、筒状体が、下流に行くに従って排気ガスが通る空間の断面積が小さくなるように構成されたことを特徴とする。請求項１１に記載の本発明によれば、筒状体の形状を変えることでも、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュールの吸熱量を増加させることができる。

請求項１２記載の本発明は、請求項１から請求項１１に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、排熱回収手段が、排気ガスの熱を利用して交流電力を出力する排熱回収発電装置であることを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、交流電力を出力する装置を発電装置として用いることができる。

請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、排熱回収発電装置が、スターリング発電装置であることを特徴とする。請求項１３に記載の本発明によれば、排気ガスの熱を外燃機関として利用するスターリング発電装置を用いることができる。

請求項１４記載の本発明は、請求項１２又は請求項１３に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、排熱回収発電装置で発電した交流と、熱電発電手段による直流を変換して系統連携を行う配電盤を備えたことを特徴とする。請求項１４に記載の本発明によれば、それぞれの電力を利用することができる。

請求項１５記載の本発明は、請求項１から請求項１４に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、熱電発電手段の下流側に、排気ガスからさらに熱を回収する第２の排熱回収手段を備えたことを特徴とする。請求項１５に記載の本発明によれば、段階的に排気ガスの熱を利用し、有効に排熱を回収することができる。

請求項１６記載の本発明は、請求項１から請求項１５に記載の排熱回収熱電発電システムにおいて、燃焼機器は内燃機関であることを特徴とする。請求項１６に記載の本発明によれば、内燃機関による排熱を有効に回収することができる。

請求項１７記載の本発明に対応した船舶においては、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システムを搭載したことを特徴とする。請求項１７に記載の本発明によれば、船舶における排熱を有効に回収して船内にて利用することができる。

本発明によれば、排熱回収手段で高温の排気ガスを利用し、排熱回収手段で利用した後の低温の排気ガスを熱電発電手段で利用できるため、２段階で有効に排気ガスの排熱を回収できるとともに、熱電発電手段を運転するときには、排熱回収手段の運転を行うことで、熱電発電手段を高温にさらされないようにでき、耐熱温度の低い熱電発電手段を破損することなく使用することができ、熱電発電手段の運転中に電力供給が停止することがない。

また、熱電発電手段の温度を検知する温度検知手段を備え、運転制御手段が温度検知手段の検知値と予め設定された設定温度を比較して排熱回収手段の運転を制御した場合には、排気ガス温度が高い場合には排熱回収手段での熱利用を高めることで、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止でき、排気ガス温度が低い場合には排熱回収手段での熱利用を低下させることで、熱電発電手段での発電出力を高めることができる。

また、運転制御手段が、検知値が設定温度を超えた場合に排熱回収手段の排熱回収量を増した場合には、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止でき、排熱回収手段と熱電発電手段とで高い発電出力を得ることができる。

また、燃焼機器の運転停止時に、運転制御手段が排熱回収手段の運転を所定条件になるまで継続した場合には、燃焼機器の運転停止後において、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止できる。

また、燃焼機器の運転開始時に、設定温度になったときに少なくとも排熱回収手段の運転を開始した場合には、熱電発電手段が高温にさらされることを確実に防止できる。

また、排気ガスが熱電発電手段を迂回するバイパス経路と、バイパス経路を切り換える経路切換手段とを備え、運転制御手段が熱電発電手段の運転を停止する場合に、経路切換手段にてバイパス経路を選択した場合には、熱電発電手段の運転停止後において、熱電発電手段の高温による破損を確実に防止できる。

また、熱電発電手段が、排気ガスが通る筒状体の外側に配置する熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの外側に配置して熱電発電モジュールを冷却する冷却水通路とを有する場合には、排気ガスの熱を有効に熱電発電モジュールに伝えることができるとともに、熱電発電モジュールの冷却を有効に行うことができる。

また、熱電発電モジュールの高温側を筒状体側に向け低温側を熱電発電モジュールの外側に設けた冷却水通路側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成し、熱電発電ユニットを筒状体の周囲に対向させて複数個設けた場合には、熱電発電ユニット同士を対向させることで、熱電発電ユニットの外側が低温側となるため安全であり、平板状である熱電発電モジュールの吸熱面だけを加熱するように熱電発電ユニット同士を締結し高温側から低温側への熱移動を防ぎ、熱電発電モジュールの吸熱面の面圧を均一に取り付けやすくすることができる。

また、排気ガスの通る筒状体の内側に伝熱を促進するフィンを設けた場合には、排気ガスの熱を熱電発電モジュールの吸熱面に伝えやすくすることができる。

また、筒状体の上流側に位置するフィンの伝熱面積よりも下流側に位置するフィンの伝熱面積を大きくした場合には、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュールの吸熱量を増加させることができる。

また、筒状体が、下流に行くに従って排気ガスが通る空間の断面積が小さくなるように構成された場合には、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュールの吸熱量を増加させることができる。

また、排熱回収手段が、排気ガスの熱を利用して交流電力を出力する排熱回収発電装置である場合には、交流電力を出力する装置を発電装置として用いることができる。

また、排熱回収発電装置が、スターリング発電装置である場合には、排気ガス経路にスターリング発電装置を臨ませることで高温の排気ガスを有効に利用することができる。

また、排熱回収発電装置で発電した交流と、熱電発電手段による直流を変換して系統連携を行う配電盤を備えた場合には、それぞれの電力を利用することができる。

また、熱電発電手段の下流側に、排気ガスからさらに熱を回収する第２の排熱回収手段を備えた場合には、段階的に排気ガスの熱を利用し、有効に排熱を回収することができる。

また、燃焼機器が内燃機関である場合には、内燃機関による排熱を有効に回収することができる。

また、船舶が排熱回収熱電発電システムを搭載した場合には、船舶における排熱を有効に回収して船内にて利用することができる。

本発明の一実施形態による排熱回収熱電発電システムを示す構成図（ａ）は同熱電発電装置の取付状態を示す一部分解平面図、（ｂ）は同熱電発電装置の取付状態を示す正面断面図、（ｃ）は同熱電発電装置を取り付ける排気ガス経路内を示す側面図同熱電発電装置の取付状態を示す一部破断斜視図同熱電発電装置を取り付ける排気ガス経路内を示す写真排熱回収熱電発電システムに用いる第１の排熱回収発電装置の他の実施形態を示す構成図排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の他の実施形態を示す構成図排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図フィンの有無による熱電発電手段での発電出力を比較した実験結果を示すグラフ熱電発電モジュールを排気ガスの流れ方向に複数段設けた場合の熱電発電モジュール高温部壁温状況を示すグラフ排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図

以下に、本発明の実施形態による排熱回収熱電発電システムについて説明する。
図１は本実施形態による排熱回収熱電発電システムを示す構成図である。

本実施形態による排熱回収熱電発電システムは、燃焼機器１０の排気ガスが通る排気ガス経路１１に、排熱回収手段（第１の排熱回収手段）２０と熱電発電手段３０と第２の排熱回収手段４０とを備えている。
熱電発電手段３０は、第１の排熱回収手段２０の下流側に位置する排気ガス経路１１に設けられている。第２の排熱回収手段４０は、熱電発電手段３０の下流側に位置する排気ガス経路１１に設けられている。
従って、燃焼機器１０から排出される排気ガスは、第１の排熱回収手段２０で一部の熱が回収されて温度が低下し、その後熱電発電手段３０にて更に一部の熱が回収されて温度が低下し、更に第２の排熱回収手段４０にて残った排熱が利用される。

燃焼機器１０は、例えば内燃機関であり、船舶用の発電機に用いるディーゼルエンジンである。本発明の実施形態による排熱回収熱電発電システムは、船舶に搭載して用いることができる。
第１の排熱回収手段２０は、排気ガスの熱を利用して交流電力を出力する排熱回収発電装置であることが好ましい。交流電力を出力する排熱回収発電装置としては、排気ガス経路１１にスターリング機関部が臨んだスターリング発電装置が好ましいが、ターボ・エレクトリック発電装置やランキンサイクル発電装置を用いることができる。
熱電発電手段３０は、例えばペルチェ素子などの半導体材料を用いた熱電発電モジュールを用いてゼーべック効果により熱と電力を変換する装置である。
第２の排熱回収手段４０は、例えばボイラー４１とスチームエンジン４２とからなる装置であり、比較的低温の熱を回収する。

本実施形態による排熱回収熱電発電システムは、運転制御手段５１と配電盤５２を有する制御手段５０を備えている。
運転制御手段５１は、燃焼機器１０と第１の排熱回収手段２０と熱電発電手段３０と第２の排熱回収手段４０の運転を制御する。
配電盤５２は、第１の排熱回収手段２０及び第２の排熱回収手段４０で発電した交流と、熱電発電手段３０による直流を変換して系統連携を行う。

本実施形態による排熱回収熱電発電システムは、熱電発電手段３０の温度を検知する温度検知手段３１を備えている。温度検知手段３１は、熱電発電モジュールの吸熱面の温度を検知することが好ましいが、熱電発電手段３０の設置位置を流れる排気ガス温度、熱電発電手段３０の設置位置より上流側を流れる排気ガス温度、熱電発電手段３０の設置位置より下流側を流れる排気ガス温度、熱電発電手段３０の設置位置の排気ガス経路１１の配管温度、熱電発電手段３０の設置位置より上流側の排気ガス経路１１の配管温度、又は熱電発電手段３０の設置位置より下流側の排気ガス経路１１の配管温度を検知することで、熱電発電手段３０の温度を間接的に検知してもよい。また、温度検知手段３１は、例えば冷却水用の配管や冷却水の温度と熱電発電手段３０からの出力値とから熱電発電手段３０の温度を間接的に得るものでもよい。

運転制御手段５１は、燃焼機器１０を運転するときには第１の排熱回収手段２０の運転を行う。また、熱電発電手段３０を運転するときには第１の排熱回収手段２０の運転を必ず行う。これにより、熱電発電手段の運転中に熱電発電手段が破損して電力供給が停止することがなくせ、発電状態を考慮した運転が可能となる。特に、蓄電手段以外の直接電力を利用するような対象に電力供給する場合に有効である。
運転制御手段５１は、温度検知手段３１の検知値と予め設定された設定温度を比較し、検知値が設定温度を超えた場合に第１の排熱回収手段２０の排熱回収量を増加させるように運転を制御する。特に、燃焼機器１０のように排気温度が高温で、負荷により温度変動がある場合に、排熱回収手段２０が熱電発電手段３０の上流側に設けられていて、かつ排熱回収量を調節できることは、熱電発電手段３０の温度を適正に保った上で発電量を大きくする観点から望ましい。
また運転制御手段５１は、燃焼機器１０の運転停止時に、第１の排熱回収手段２０の運転を所定条件になるまで継続する。ここで所定の条件とは、熱電発電手段３０が設定温度以下となる条件であり、例えば、温度検知手段３１の検知値が予め設定された設定温度よりも低くなるまで第１の排熱回収手段２０の運転を継続する。また、燃焼機器１０の運転停止から所定時間、第１の排熱回収手段２０の運転を継続してもよい。これらにより、燃焼機器１０の運転停止時に、熱電発電手段３０の運転も停止し冷却が行われなくなっても、余熱により熱電発電手段３０が破損することがなくせる。
なお、燃焼機器１０の運転停止時には、例えば内燃機関に備わっているブロアのみの運転を続行したり、配置構成の工夫により自然対流で第１の排熱回収手段２０に吸熱を促進させたり、専用のブロアを設けること等により、第１の排熱回収手段をより有効に作用させ、熱電発電手段３０が設定温度以下となる時間を早めたり、運転停止からの所定時間を短縮することができる。
また運転制御手段５１は、燃焼機器１０の運転開始時に、熱電発電手段３０が設定温度になったときには少なくとも第１の排熱回収手段２０の運転を開始する。これにより熱電発電手段３０が破損することがなくせる。

図１に示すように、本実施形態による排熱回収熱電発電システムは、排気ガスが熱電発電手段３０を迂回するバイパス経路６１と、バイパス経路６１を切り換える経路切換手段６２を備えてもよい。排熱回収熱電発電システムがバイパス経路６１と経路切換手段６２を備えている場合には、運転制御手段５１は熱電発電手段３０の運転を停止する場合に、経路切換手段６２にてバイパス経路６１を選択し、排気ガスをバイパス経路６１に流す。
なお、第２の排熱回収手段４０を構成するボイラー４１の下流側に位置する排気ガス経路１１には、サイレンサ１２を設けている。

図２から図４は排熱回収熱電発電システムに用いる熱電発電装置の他の実施の形態を示す構成図である。図２（ａ）は同熱電発電装置の取付状態を示す一部分解平面図、図２（ｂ）は同熱電発電装置の取付状態を示す正面断面図、図２（ｃ）は同熱電発電装置を取り付ける排気ガス経路内を示す側面図、図３は同熱電発電装置の取付状態を示す一部破断斜視図、図４は同熱電発電装置を取り付ける排気ガス経路内を示す写真である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。

熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ａの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。
熱電発電モジュール３２ａの吸熱面（高温側）を筒状体１１ａ側に向け、熱電発電モジュール３２ａの放熱面（低温側）を冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成している。

本実施形態では、一対の熱電発電ユニットを筒状体１１ａの周囲に対向させて設けている。
筒状体１１ａは、接続管１１ｂを介して排気ガス経路１１の間に接続されている。
熱電発電モジュール３２ａは、筒状体１１ａと接する面を吸熱面、冷却水通路３３ａと接する面を放熱面としている。熱電発電ユニットの外側が低温側となり冷却水通路３３ａであるため安全である。
筒状体１１ａと熱電発電モジュール３２ａとの間、及び冷却水通路３３ａと熱電発電モジュール３２ａとの間は、例えばカーボングリスなどの熱伝導性の良いグリスを介して接触させることが伝熱性や接触面の均一性の点で好ましい。
一対の熱電発電ユニットを締結具３４ａによって接続することで、冷却水通路３３ａは、筒状体１１ａには接触させない。このように、熱電発電ユニット同士を締結することにより、高温側から低温側への熱移動を防ぎ、熱電発電モジュール３２ａの発電効率を高めることができる。
排気ガスの通る筒状体１１ａの内側には、伝熱を促進するフィン１３ａを設けている。

図５は排熱回収熱電発電システムに用いる第１の排熱回収発電装置の他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。
本実施の形態は、第１の排熱回収発電装置２０ａとして、図１に示すスターリング発電装置に代えてボイラー４１を適用したものである。
すなわち、第１の排熱回収発電装置２０ａは、熱回収装置２１ａと吸熱管２２ａとポンプ２３ａとを備えている。そして、熱回収装置２１ａ、吸熱管２２ａ、及びポンプ２３ａを配管で環状に接続し熱媒を循環させることで、吸熱管２２ａで吸収した熱を熱回収装置２１ａで利用する。

図６は排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置、又は図５に示す第１の排熱回収発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。

本実施の形態では、筒状体１１ａの上流側に位置する第１フィン１３ｂの伝熱面積よりも下流側に位置する第２フィン１３ｃ、上流側に位置する第２フィン１３ｃの伝熱面積よりも下流側に位置する第３フィン１３ｄの伝熱面積を順次大きくしている。
熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ａの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。

熱電発電モジュール３２ａの吸熱面（高温側）を筒状体１１ａ側に向け、熱電発電モジュール３２ａの放熱面（低温側）を冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成している。筒状体１１ａと熱電発電モジュール３２ａとの間、及び冷却水通路３３ａと熱電発電モジュール３２ａとの間は、例えばカーボングリスなどのグリスを介して接触させることが伝熱性や接触面の均一性の点で好ましい。

第１フィン１３ｂ、第２フィン１３ｃ、及び第３フィン１３ｄは、熱電発電モジュール３２ａを配置した筒状体１１ａの内周面に設けている。
第１フィン１３ｂ、第２フィン１３ｃ、及び第３フィン１３ｄは、筒状体１１ａの全周に設けることが好ましいが、少なくとも熱電発電モジュール３２ａを配置した面に対応した位置に設ける。筒状体１１ａは、内周断面が円形でも多角形でもよい。

図７は排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置、又は図５に示す第１の排熱回収発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。

本実施の形態では、筒状体１１ａの上流側に位置するフィンの伝熱面積よりも下流側に位置するフィンの伝熱面積を連続的に大きくした第４フィン１３ｅを設けている。
熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ａの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。

第４フィン１３ｅは、熱電発電モジュール３２ａを配置した筒状体１１ａの内周面に設けている。
第４フィン１３ｅは、筒状体１１ａの全周に設けることが好ましいが、少なくとも熱電発電モジュール３２ａを配置した面に対応した位置に設ける。筒状体１１ａは、内周断面が円形でも多角形でもよい。

図８は、フィンの有無による熱電発電手段での発電出力を比較した実験結果を示すグラフである。横軸は筒状体１１ａの中心部における高温空気温度、縦軸が最高発電出力である。
実験装置には、図２から図４に示す熱電発電装置を用い、同熱電発電装置におけるフィン１３ａを設けないものをフィンなしとして比較例とした。
排気ガス温度や排気ガス流量を同一条件とした場合には、フィン１３ａの有無によって発電出力に大きな相違が生じている。

図９は、熱電発電モジュールを排気ガスの流れ方向に複数段設けた場合の熱電発電モジュール高温部壁温状況を示すグラフである。横軸は排気ガス上流からの設置段数、縦軸は熱電発電モジュール３２ａの高温部壁温である。
８６０ｋＷディーゼルエンジンの負荷率を７５％（３１０℃、１．３ｋｇ／ｓ）と想定し、１段目の熱電発電モジュール３２ａの高温部壁温が２００℃程度になるように伝熱特性を調整した。２０段目の高温部壁温は１６０℃まで低下する。

図９に示すように、熱電発電モジュール３２ａを排気ガスの流れ方向に複数段設置すると、下流側での熱電発電モジュール３２ａの高温部壁温は低下する。
一方、図８に示すようにフィン１３ａを設けることで発電出力は向上する。
従って、図６及び図７に示すように、熱電発電モジュール３２ａの高温部壁温が低下する下流側に位置するフィン１３ｂ〜１３ｅの伝熱面積を上流側に位置するフィン１３ｂ〜１３ｅの伝熱面積よりも大きくすることで、下流側での熱電発電モジュール３２ａの素子間の熱バランス及び発電出力を向上することができる。

図１０は排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置、又は図５に示す第１の排熱回収発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。また、図６又は図７に示すフィン１３ｂ〜１３ｅを本実施の形態に適用してもよい。

本実施の形態では、筒状体１１ｃは、内部空間を円錐台形状とし、下流に行くに従って排気ガスが通る空間の断面積を連続的に小さくしている。
熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ｃの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。

熱電発電モジュール３２ａの吸熱面（高温側）を筒状体１１ｃ側に向け、熱電発電モジュール３２ａの放熱面（低温側）を冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成している。筒状体１１ｃと熱電発電モジュール３２ａとの間、及び冷却水通路３３ａと熱電発電モジュール３２ａとの間は、例えばカーボングリスなどのグリスを介して接触させることが伝熱性や接触面の均一性の点で好ましい。筒状体１１ｃは、内周断面が円形でも多角形でもよい。

図１１は排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置、又は図５に示す第１の排熱回収発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。また、図６又は図７に示すフィン１３ｂ〜１３ｅを本実施の形態に適用してもよい。

本実施の形態では、筒状体１１ｄは、下流に行くに従って排気ガスが通る空間の断面積を段階的に小さくしている。
熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ｄの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。

熱電発電モジュール３２ａの吸熱面（高温側）を筒状体１１ｄ側に向け、熱電発電モジュール３２ａの放熱面（低温側）を冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成している。筒状体１１ｄと熱電発電モジュール３２ａとの間、及び冷却水通路３３ａと熱電発電モジュール３２ａとの間は、例えばカーボングリスなどのグリスを介して接触させることが伝熱性や接触面の均一性の点で好ましい。筒状体１１ｄは、内周断面が円形でも多角形でもよい。

図１２は排熱回収熱電発電システムに用いる筒状体の更に他の実施形態を示す構成図である。なお、その他の構成は図１に示す実施形態と同一であるため、図示及び説明を省略する。また、温度検知手段３１についても図１と同一であるため説明を省略する。また、図２から図４に示す熱電発電装置、又は図５に示す第１の排熱回収発電装置を用いた場合にも本実施の形態を適用できる。

本実施の形態では、筒状体１１ｅは、断面を多角形で構成している。筒状体１１ｅの内周面には、フィン１３ｆを設けている。
熱電発電手段３０ａは、排気ガスが通る筒状体１１ｅの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する。

熱電発電モジュール３２ａの吸熱面（高温側）を筒状体１１ｅ側に向け、熱電発電モジュール３２ａの放熱面（低温側）を冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成している。筒状体１１ｅと熱電発電モジュール３２ａとの間、及び冷却水通路３３ａと熱電発電モジュール３２ａとの間は、例えばカーボングリスなどのグリスを介して接触させることが伝熱性や接触面の均一性の点で好ましい。
一対の熱電発電ユニットは、隣り合う冷却水通路３３ａ同士を締結具３４ｂによって接続することで、冷却水通路３３ａは、筒状体１１ｅには接触させない。この構成の場合、熱電発電ユニットの外側が低温側となり冷却水通路３３ａで全て覆われるため、さらに安全である。

以上のように本実施形態は、第１の排熱回収手段２０で高温の排気ガスを利用し、第１の排熱回収手段２０で利用した後の低温の排気ガスを熱電発電手段３０で利用できるため、２段階で有効に排気ガスの排熱を回収できるとともに、熱電発電手段３０を運転するときには、第１の排熱回収手段２０の運転を行うことで、熱電発電手段３０を高温にさらされないようにでき、耐熱温度の低い熱電発電手段３０を破損することなく使用することができ、熱電発電手段の運転中に電力供給が停止することがない。

また本実施形態によれば、熱電発電手段３０の温度を検知する温度検知手段３１を備え、運転制御手段５１が温度検知手段３１の検知値と予め設定された設定温度を比較して第１の排熱回収手段２０の運転を制御した場合には、排気ガス温度が高い場合には第１の排熱回収手段２０での熱利用を高めることで、熱電発電手段３０が高温にさらされることを確実に防止でき、排気ガス温度が低い場合には第１の排熱回収手段２０での熱利用を低下させることで、熱電発電手段３０での発電出力を高めることができる。

また本実施形態によれば、運転制御手段５１が、検知値が設定温度を超えた場合に第１の排熱回収手段２０の排熱回収量を増した場合には、熱電発電手段３０が高温にさらされることを確実に防止でき、第１の排熱回収手段２０と熱電発電手段３０とで高い発電出力を得ることができる。

また本実施形態によれば、燃焼機器１０の運転停止時に、運転制御手段５１が第１の排熱回収手段２０の運転を所定条件になるまで継続した場合には、燃焼機器１０の運転停止後において、熱電発電手段３０が高温にさらされることを確実に防止できる。

また本実施形態によれば、燃焼機器１０の運転開始時に、設定温度になったときに少なくとも第１の排熱回収手段２０の運転を開始した場合には、熱電発電手段３０が高温にさらされることを確実に防止できる。

また本実施形態によれば、排気ガスが熱電発電手段３０を迂回するバイパス経路６１とバイパス経路６１を切り換える経路切換手段６２を備え、運転制御手段５１が熱電発電手段３０の運転を停止する場合に、経路切換手段６２にてバイパス経路６１を選択した場合には、熱電発電手段３０の運転停止後において、熱電発電手段３０の高温による破損を確実に防止できる。

また本実施形態によれば、熱電発電手段３０が、排気ガスが通る筒状体１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅの外側に配置する熱電発電モジュール３２ａと、熱電発電モジュール３２ａの外側に配置して熱電発電モジュール３２ａを冷却する冷却水通路３３ａとを有する場合には、排気ガスの熱を有効に熱電発電モジュール３２ａに伝えることができるとともに、熱電発電モジュール３２ａの冷却を有効に行うことができる。

また本実施形態によれば、熱電発電モジュール３２ａの高温側を筒状体１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ側に向け低温側を熱電発電モジュール３２ａの外側に設けた冷却水通路３３ａ側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成し、熱電発電ユニットを筒状体１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅの周囲に対向させて複数個設けた場合には、熱電発電ユニット同士を対向させることで、熱電発電ユニットの外側が低温側となるため安全であり、平板状である熱電発電モジュール３２ａの吸熱面だけを加熱するように熱電発電ユニット同士を締結し高温側から低温側への熱移動を防ぎ、熱電発電モジュール３２ａの吸熱面の面圧を均一に取り付けやすくすることができる。

また本実施形態によれば、排気ガスの通る筒状体１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅの内側に伝熱を促進するフィン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを設けた場合には、排気ガスの熱を熱電発電モジュール３２ａの吸熱面に伝えやすくすることができる。

また本実施形態によれば、筒状体１１ａの上流側に位置する第１フィン１３ｂの伝熱面積よりも下流側に位置する第２フィン１３ｃ、上流側に位置する第２フィン１３ｃの伝熱面積よりも下流側に位置する第３フィン１３ｄの伝熱面積を大きくした場合、又は筒状体１１ａの上流側に位置するフィンの伝熱面積よりも下流側に位置するフィンの伝熱面積を大きくした第４フィン１３ｅを設けた場合には、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュール３２ａの吸熱量を増加させることができる。

また本実施形態によれば、筒状体１１ｃ、１１ｄが、下流に行くに従って排気ガスが通る空間の断面積を小さくした場合には、排気ガス温度が低下する下流側での熱電発電モジュール３２ａの吸熱量を増加させることができる。

また本実施形態によれば、第１の排熱回収手段２０又は第２の排熱回収手段４０が、排気ガスの熱を利用して交流電力を出力する排熱回収発電装置である場合には、交流電力を出力する装置を発電装置として用いることができる。

また本実施形態によれば、排熱回収発電装置が、スターリング発電装置である場合には、排気ガス経路１１にスターリング機関部を臨ませることで高温の排気ガスを有効に利用することができる。

また本実施形態によれば、排熱回収発電装置で発電した交流と、熱電発電手段３０による直流を変換して系統連携を行う配電盤５２を備えた場合には、それぞれの電力を利用することができる。

また本実施形態によれば、熱電発電手段３０の下流側に、排気ガスからさらに熱を回収する第２の排熱回収手段４０を備えた場合には、段階的に排気ガスの熱を利用し、有効に排熱を回収することができる。

また本実施形態によれば、燃焼機器１０が内燃機関である場合には、内燃機関による排熱を有効に回収することができる。

また本実施形態によれば、船舶が排熱回収熱電発電システムを搭載した場合には、船舶における排熱を有効に回収して船内にて利用することができる。

本発明は、燃焼機器である内燃機関やボイラー等の排気ガス、又は焼却炉や工場から排出される燃焼機器の排気ガスからの排熱回収熱電発電に適している。特に、船舶用としての排熱回収熱電発電システムに適しているが、他の用途にも利用可能である。

１０燃焼機器
１１排気ガス経路
１１ａ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ筒状体
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆフィン
２０第１の排熱回収手段（排熱回収手段）
３０熱電発電手段
３２ａ熱電発電モジュール
３３ａ冷却水通路
３１温度検知手段
４０第２の排熱回収手段
５１運転制御手段
５２配電盤
６１バイパス経路
６２経路切換手段

Claims

燃焼機器の排気ガスの通る排気ガス経路に設けた排熱回収手段と、前記排気ガス経路の前記排熱回収手段の下流側に設けられて前記排熱回収手段で一部が熱回収された前記排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電手段と、前記排熱回収手段と前記熱電発電手段の運転を制御する運転制御手段を備え、前記運転制御手段が前記熱電発電手段を運転するときには前記排熱回収手段の運転も行ったことを特徴とする排熱回収熱電発電システム。
前記熱電発電手段の温度を検知する温度検知手段を備え、前記運転制御手段が前記温度検知手段の検知値と予め設定された設定温度を比較して前記排熱回収手段の運転を制御したことを特徴とする請求項１の記載の排熱回収熱電発電システム。
前記運転制御手段が、前記検知値が前記設定温度を超えた場合に前記排熱回収手段の排熱回収量を増したことを特徴とする請求項２に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記燃焼機器の運転停止時に、前記運転制御手段が前記排熱回収手段の運転を所定条件になるまで継続したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記燃焼機器の運転開始時に、前記設定温度になったときに少なくとも前記排熱回収手段の運転を開始したことを特徴とする請求項２、請求項３、又は請求項２若しくは請求項３を引用する請求項４のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記排気ガスが前記熱電発電手段を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路を切り換える経路切換手段とを備え、前記運転制御手段が前記熱電発電手段の運転を停止する場合に、前記経路切換手段にて前記バイパス経路を選択したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記熱電発電手段が、前記排気ガスが通る筒状体の外側に配置する熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの外側に配置して前記熱電発電モジュールを冷却する冷却水通路とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記熱電発電モジュールの高温側を前記筒状体側に向け低温側を前記熱電発電モジュールの外側に設けた前記冷却水通路側に向けて設置して熱電発電ユニットとして構成し、前記熱電発電ユニットを前記筒状体の周囲に対向させて複数個設けたことを特徴とする請求項７に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記排気ガスの通る前記筒状体の内側に伝熱を促進するフィンを設けたことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記筒状体の上流側に位置する前記フィンの伝熱面積よりも下流側に位置する前記フィンの伝熱面積を大きくしたことを特徴とする請求項９に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記筒状体が、下流に行くに従って前記排気ガスが通る空間の断面積が小さくなるように構成されたことを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記排熱回収手段が、前記排気ガスの前記熱を利用して交流電力を出力する排熱回収発電装置であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記排熱回収発電装置が、スターリング発電装置であることを特徴とする請求項１２に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記排熱回収発電装置で発電した交流と、前記熱電発電手段による直流を変換して系統連携を行う配電盤を備えたことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の排熱回収熱電発電システム。
前記熱電発電手段の下流側に、前記排気ガスからさらに熱を回収する第２の排熱回収手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
前記燃焼機器は内燃機関であることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システム。
請求項１から請求項１６のいずれかに記載の排熱回収熱電発電システムを搭載したことを特徴とする船舶。