JPH10271861A

JPH10271861A - Ｌｎｇ冷熱利用発電方法及び装置

Info

Publication number: JPH10271861A
Application number: JP8738597A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kikuchi; 啓菊地; Tsutomu Ishisoto; 力石外; Hiroyuki Yasui; 弘之安井
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＮＧヘッダの内側壁面に熱電変換素子を配置
することにより、ＬＮＧの低温冷熱をきわめて有効且つ
簡便に利用し、発電効率に優れたＬＮＧ冷熱利用熱電発
電方法及び装置を得る。【解決手段】ＬＮＧベーパライザにおけるＬＮＧヘッダ
の内側壁面に熱電変換素子を配置し、ＬＮＧ冷熱を利用
して発電することを特徴とするＬＮＧ冷熱利用発電方
法、及び、ＬＮＧベーパライザのＬＮＧヘッダの内側壁
面に熱電変換素子を該内側壁面の形状に対応した形状と
して配置し固定してなることを特徴とするＬＮＧ冷熱利
用発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＮＧの冷熱を利
用する発電方法及びその装置に関し、より詳しくはＬＮ
Ｇの低温冷熱を利用する簡便で発電効率に優れたＬＮＧ
冷熱利用発電方法及びそのための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気エネルギーを得るために石
炭、石油、或いは天然ガスなどの化石燃料が広く利用さ
れている。しかしこれら化石燃料は無尽蔵ではなく、将
来的には枯渇し、或いは枯渇する恐れがある。このため
電気エネルギーを得る上で、これまで数々の工夫がなさ
れており、その一つとして最小限の投入エネルギーで最
大限の出力エネルギーを得ることが可能な発電システム
が研究されているが、天然ガスについては、低ＮＯｘ、
低ＳＯｘであるため、環境問題の点からも特に注目され
る。

【０００３】我が国の場合、天然ガスは、その殆んど全
量が外国から輸入されているが、その際、輸送の便のた
めに冷却液化され、−１６２℃の液化天然ガス（ＬＮ
Ｇ）として専用船で運ばれる。それを国内の受入基地で
再び気化して天然ガスとして送出している。この天然ガ
スが化学燃料としてのエネルギーをもつことは当然であ
るが、この他にＬＮＧのもつ冷熱もエネルギーとして使
用することができる。ＬＮＧの冷熱を用いる発電システ
ムとしては熱力学的サイクルを利用する方法がある。こ
れには直接膨張方式や二次媒体方式があるが、これらは
何れもタービンを用いた熱サイクルによる発電方式であ
り、実用化されているが、複雑なシステムを必要とする
ため、初期投資額がかなり大きい。このほか、最近では
熱電変換素子を用いた方式が検討されつつある。

【０００４】熱電変換素子は、温度差を与えることによ
り両端に熱起電力が発生する熱電効果（＝ゼーベック効
果）を利用して熱エネルギーを直接電力に変換する素子
であり、相異なる二種の金属やＰ型半導体とＮ型半導体
等の相異なる熱電変換材料を熱的に並列に置き、電気的
に直列に接続し、外部に負荷を接続して閉回路を構成す
ると回路に電流が流れ、電力を取り出すことができる。

【０００５】図１はその熱電変換素子の一態様を原理的
に説明する模式図であり、一例としてＮ型半導体とＰ型
半導体とを組合せたものである。図１中１はＰ型半導
体、２はＮ型半導体、３は高温側接合部、４は低温側接
合部であり、Ｑは高温熱源、Ｔｈは高温側温度、Ｔｃは
低温側温度を示し、Ｓは絶縁空間である。図示のとおり
高温側接合部３には高温側電極５を共通に設け、低温側
接合部４には低温側電極６、７が別個に設けられてい
る。この態様の熱電変換素子において高温側接合部３と
低温側接合部４との間に温度差ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃを与え
ると、両電極間（５と６及び７との間）に電圧が発生す
る。それ故、低温側の両電極６と７との間に負荷（Ｒ）
を接続すると電流（Ｉ）が流れ電力（Ｗ）として取り出
すことができる。

【０００６】熱電変換素子としては、これまでバルク、
薄膜、厚膜など様々な形態のものが考案されているが、
大まかなところ、この素子から得られる電圧は同一材料
であればその積層数に比例し、電力は素子の大きさに比
例する。しかし電圧については、何れにしても相異なる
二種の熱電変換材料の一対だけでは高々数十ｍＶにしか
ならない。この意味で熱電変換素子は小電圧、大電流型
の電源であり、通常所望される電圧を得ることができな
いから、多くの場合その複数対を積層することが必要で
ある。このための手法としては、これまで幾つかの態様
が考えらているが、図１（ｂ）〜（ｃ）はその構成態様
例を模式的に示した図である。図中の符号Ｐ及びＮは各
々Ｐ型半導体及びＮ型半導体を示している。

【０００７】このうち図１（ｂ）は金属電極方式の態
様、図１（ｃ）は直接接合方式の態様である。図１
（ｂ）は、図１（ａ）に示すような１対のＰーＮ単位の
複数個（図では２対）を直列に連結した形式のもので、
複数対のＰ型及びＮ型半導体が間隔Ｓを置いて交互に併
置され、相隣る各Ｐ型及びＮ型半導体単位が電極８によ
って直列に連結されている。また図１（ｃ）の態様で
は、Ｐ型半導体の板体及びＮ型半導体の板体を交互に積
層した後、切り込み９を入れたもので、図１（ｂ）のよ
うに別途電極８を介在させることなく、Ｐ型及びＮ型半
導体の複数個（図では２対）を直かに連結した形式のも
のである。

【０００８】前記の熱電変換素子を用いた方式において
は、ＬＮＧタンクより流出したＬＮＧをポンプを用いて
昇圧し、この昇圧ＬＮＧをＬＮＧ蒸発器内に通過させ
る。そしてこのＬＮＧ蒸発器内に設置された熱電発電装
置（上記のような熱電変換素子を用いた発電装置）によ
り発電を行い、同時にＬＮＧの昇温も行うものである。
このＬＮＧ蒸発器としては、主としてオープンラック方
式とサブマージドコンバッション方式とがある。

【０００９】図２はそのうちオープンラック方式の一例
を示すもので、アルミ管或いはアルミ板をつなぎ合わせ
或いは組み立ててエバポレータパネルをつくり、この配
管内にＬＮＧを通し、パネルの外部に海水等をかけるこ
とによりＬＮＧを気化する。図２中、符号１０はエバポ
レータパネル、１１はＬＮＧヘッダ、１２はＮＧ（天然
ガス）ヘッダ、１３は海水供給用の樋であり、ＬＮＧヘ
ッダ１１から供給されるＬＮＧはパネル１０中を上昇し
ながら、海水供給用の樋１３から供給され、パネル１０
の外面を流下する海水により加熱、気化されてＮＧとな
り、ＮＧヘッダ１２に集められて取り出される。なお、
図中矢印（↓）はパネル表面及びＬＮＧヘッダの表面に
おける海水の流れを示している。

【００１０】ところで、前述のとおりＬＮＧの冷熱を利
用した発電に例えば図１に示すような熱電素子を用いる
ことができる。この場合可動部分がなく、駆動エネルギ
ーが要らないのでランニングコストが全くかからず、ま
た可動部分がないので耐久性が高く、本質的にメンテナ
ンスフリーであるといったメリットを有する。特開昭６
０ー４３０８３号公報では、エバポレータ内をＬＮＧが
流れ、その外側に海水が流れるＬＮＧ蒸発器のＬＮＧ流
路の外壁部に熱電気発電素子を付着させてなるＬＮＧの
直接発電器が提案され、また特開平８ー１６３８８１号
公報においてはエバポレータ内をＬＮＧが流れ、その外
側に海水が流れるＬＮＧ蒸発器のＬＮＧ流路内壁部にＰ
型とＮ型の２種類の熱電変換素子が配設されてなるＬＮ
Ｇ冷熱利用発電システムが提案されている。

【００１１】このうち特開平８ー１６３８８１号公報の
発電システムは、具体的には図３（ａ）〜（ｂ）に示さ
れるようなものである。図３（ａ）はパネル部分につい
てその一部を切り欠いて示した斜視図、図３（ｂ）は、
図３（ａ）中ＡーＡ線断面図であり、ＬＮＧヘッダ１１
及びＮＧヘッダ１２を含めて示している。この場合、相
対して面平行に配置された２枚のパネル板１４、１４′
の両内壁面に熱電変換素子１５が配置される。

【００１２】ところで、上記のように熱電変換素子をベ
ーパライザに設置した場合、確かに発電はできるが、ベ
ーパライザはそもそも熱交換器であり（ＬＮＧを海水に
よって加熱して気化させる）、熱電変換素子のように熱
伝導率の低い物質を伝熱面に貼付すれば、それによって
伝熱特性が悪化する。そしてその結果、所定量のＬＮＧ
を気化させるために必要な伝熱面積、海水量が増えてし
まい、正味のメリットを得ることは難しい。

【００１３】ベーパライザのＬＮＧヘッダ、すなわちＬ
ＮＧを供給する部分は、その内面が温度−１５５〜−１
６０℃のＬＮＧで満たされ、外面は海水で加熱されてい
るので、大きい温度勾配がある。しかもヘッダ部分は熱
交換器ではないので、このヘッダ部分ではむしろＬＮＧ
の気化を抑制することが望ましい。その理由は、ヘッダ
部分で気化が起こると、ＬＮＧ成分の分留の原因となり
やすく、気化したガスの組成の不均一を招く恐れがある
ためである。すなわち、熱電変換素子のように熱伝導率
の低い物質を配置しても、ベーパライザとしての機能に
何らの悪影響も及ぼさないばかりか、むしろよい影響を
もたらすものである。

【００１４】ただしかし、熱電変換素子をヘッダの外側
に配置したのでは、熱電変換素子に直接海水がかかるた
め、熱電変換素子の耐久性が問題となる。もちろんその
表面にコーティングをすることで、ある程度の耐久性を
もたせることはできる。ところが、この場合、例えば約
３メートルの上方から間断なく落下する海水の機械的な
力に耐え得るようなコーティング材自体が熱抵抗になっ
てしまい、発電性能が著しく阻害されてしまう。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、熱
電変換素子をＬＮＧヘッダの外側壁に配置するのではな
く、ＬＮＧヘッダ内側の壁面に熱電変換素子を配置する
ことにより、上記のよう諸問題点がなく、ＬＮＧの低温
冷熱を簡便で、しかも有効に利用し、発電効率に優れた
熱電発電方法及び装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＬＮＧベーパ
ライザのＬＮＧヘッダの内側壁面に熱電変換素子を配置
し、ＬＮＧ冷熱を利用して発電することを特徴とするＬ
ＮＧ冷熱利用発電方法を提供し、また本発明は、ＬＮＧ
ベーパライザのＬＮＧヘッダの内側壁面に熱電変換素子
を該内側壁面の形状に対応した形状として配置し、固定
してなることを特徴とするＬＮＧ冷熱利用発電装置を提
供する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図４は本発明に係るＬＮＧ冷熱利
用発電装置の要点部分を模式的に示す図である。図５
は、図４中円点線Ｚの部分を拡大して示した図であり、
各部分における標準的な操作温度（実測値）の例を併記
している。図４〜図５中符号１６はＬＮＧベーパライ
ザ、１７はＬＮＧヘッダ、１８は本発明によって配置さ
れた熱電変換素子であり、図示のとおり、熱電変換素子
１８はＬＮＧヘッダ１７内に断面円環状に配置される。
ここで、本発明における熱電変換素子は、図４〜図５に
示す態様では断面円環状であるが、ＬＮＧヘッダの内側
壁面の形状に対応した形状、例えば断面多角形状として
配置してもよい。

【００１８】ＬＮＧを気化させるためにＬＮＧベーパラ
イザ１６の外側面を流下させる海水の温度が常温近辺の
１７℃であるとすると、ＬＮＧヘッダ１７の外表面の温
度は２℃程度、ＬＮＧヘッダ１７の内壁と熱電変換素子
との界面における温度は−１２℃程度、熱電変換素子１
８の内表面（ヘッダ内を流過するＬＮＧと直かに接する
面）の温度は−１４０℃程度である。そしてヘッダ１７
へ送給されるＬＮＧの温度はその液化温度である−１６
２℃であるが、該海水の温度等の影響によりヘッダ内を
流過するＬＮＧの温度は通常平均して１５５℃程度に上
昇している。

【００１９】熱電変換素子１８として図１に示したよう
な態様の熱電変換素子を使用した場合、前述のとおり高
温側接合部３と低温側接合部４との間に温度差ΔＴ＝Ｔ
ｈ−Ｔｃを与えると、両電極間（５と６及び７との間）
に電圧が発生するが、上記状態の場合、Ｔｈ＝−１２
℃、Ｔｃ＝１４０℃であるから、有効温度差ΔＴとして
は、ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃ＝１２８℃、すなわち１２８℃も
の温度差が得られ、対応する電力を取り出すことができ
る。

【００２０】図６は図１（ａ）に示すような１対のＰー
Ｎ単位の複数個を直列に連結した態様を示したもので、
ＰーＮ単位を５９対連結した場合を示しているが、本発
明においては図１（ａ）〜（ｂ）、或いは図１（ｃ）に
示すような形状とは限らず、相異なる二種の熱電変換材
料からなる各種形状の熱電変換素子対の必要数を連結し
て使用する。図６には平面状に示しているが、本発明で
はそのように数多くの相異なる二種の熱電変換材料、例
えばＰーＮ単位を必要数連結し、これを図６中円環矢印
の方向に湾曲させて円環状とした上で、ヘッダ１７の内
壁に配置し、固定する。

【００２１】上記のようにＬＮＧヘッダ１７の内壁へ円
環状熱電変換素子を配置した後、ヘッダ１７の内壁に対
して固定するが、その熱電変換素子の固定の仕方として
は、ＬＮＧヘッダ１７の内壁に対して固定し得る手法で
あれば特に限定はなく、例えばＬＮＧヘッダ１７の内
壁との間で内壁面に対して接着剤を用いて貼付すること
により固定する、ＬＮＧヘッダ１７の内壁に対して機
械的手段（例えば、ネジ、ボルトーナット、リベット
等）により固定する等の適宜な手法により行うことがで
きるが、の手法による場合には圧着不十分で熱抵抗に
なりやすいため、より好ましくはの態様が適用され
る。

【００２２】本発明における上記相異なる二種の熱電変
換材料としては、異種金属（合金を含む）の組み合わせ
やＰ型半導体とＮ型半導体との組み合わせなど、熱電変
換材料としての特性を有し、金属電極方式や直接接合方
式等により工作できるものであれば特に限定はないが、
低温で大きいゼーベック係数を有するものであることが
必要である。例えばＢｉ₂Ｔｅ₃、ＢｉーＳｂなどの熱電
変換材料によって構成することができる。

【００２３】またＬＮＧヘッダの内側は腐食性のない液
体であるＬＮＧで満たされており、海水とは異なり腐食
の心配はなく、ＬＮＧの流れによって受ける機械的な力
も、ＬＮＧヘッダの外側における海水の落下による場合
とは比較にならないほど小さい。このため、本発明にお
いては、ＬＮＧヘッダの内側壁に配置された熱電変換素
子のＬＮＧ側の面は、別途コーテイングをすることなど
の必要はなく、ＬＮＧ流れに直かに臨ませることがで
き、これによってＬＮＧの冷熱により直かに冷却され、
その冷熱を効率よく利用することができる。

【００２４】さらに、前述のようにＬＮＧヘッダは、そ
れ本来の目的から、そのヘッダ部分においてはＬＮＧの
気化が起こらないのが望ましい。このため、例えば延伸
多孔質テフロン製の断熱カバーをヘッダの外側に装着す
ることが検討されている。ところで熱電変換素子は熱伝
導率が１Ｗ／ｍ／Ｋ程度と比較的低い。このため、本発
明においてはそのような熱電変換素子をＬＮＧヘッダ内
壁に配置することにより、上記のような断熱カバーを別
途装着することなく、ＬＮＧヘッダにおいてＬＮＧの気
化を防止できるという利点も合わせて得られる。

【００２５】

【実施例】以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説
明するが、本発明がこの実施例に限定されないことはも
ちろんである。本実施例では、熱電変換素子として最も
一般的に使用されるＢｉ₂Ｔｅ₃系の熱電変換素子を使用
した。これを工作して図６に示すような平板状の素子を
作製し、これを図６中環状矢印のように湾曲させてＬＮ
Ｇヘッダ１７の内壁へ配置し、ネジを用いて固定した。
なお、図６中、符号１９は熱電変換素子、２０は電極
（連結細片）、２１は電力取り出し用の導線であり、直
線矢印（→）は電流の流れを示している。

【００２６】また、本実施例では図２に示すような形式
のベーパライザシステムを用いた。このシステムにおい
ては、例えば流量１５０ｔ／ｈのＬＮＧを気化するが、
この場合、１８枚のベーパライザパネル１０からなり、
ＬＮＧヘッダはステンレス鋼製の材料で構成される。そ
の総延長は９７ｍ、その内径は９２ｍｍである。したが
って、その内表面積は５６ｍ² であるが、内表面積のう
ち約９０％の面積に熱電変換素子が配置される。この面
積約９０％が有効面積であるが、本例の場合、その有効
面積は５０ｍ² である。

【００２７】操作時の各部分の温度については、実際に
熱電対を用いて各部位の温度を測定したところ、図５の
ようであった。ベーパライザパネル１０の外面に流す海
水の温度を１７℃としたが、この時ヘッダ１１内のＬＮ
Ｇ温度は−１５５℃程度となる。熱電変換素子の高温端
／低温端の温度差（＝有効温度差）は１２８Ｋであっ
た。有効温度差１２８Ｋにおいては約３ｋＷ／ｍ² の発
電量が得られ、上記のとおり、本実施例の場合有効面積
は５０ｍ² であるから、理論上、合計１５０ｋＷの電力
が得られる。

【００２８】本実施例においては有効面積を５００ｃｍ
² とし、上記の１／１０００規模の実験を実施した。Ｂ
ｉ₂Ｔｅ₃系の熱電変換素子を合計９８０対用い、これを
直列及び並列に接続した。その結果１４３Ｗの電力が得
られた。出力電圧は出力端子を開放したとき（開放起電
力）１２．０Ｖ、負荷接続したときは６．０Ｖ、電流２
３．８Ａであった。得られる電力は有効面積に比例する
と考えてよいから、有効面積を５０ｍ² にすれば１４３
ｋＷの電力が得られることが明らかになった。このよう
に本発明によれば有意な量の電力がエネルギーコストゼ
ロで得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ＬＮＧ
ベーパライザのＬＮＧヘッダの内側壁に熱電変換素子を
該内側壁面の形状に対応した形状（例えば断面円環状、
断面多角形状等）に配置することにより、ＬＮＧの低温
冷熱を簡便に利用することができ、有意な量の電力がエ
ネルギーコストゼロで得られる。

【００３０】また、ＬＮＧヘッダは、それ本来の目的か
ら、そのＬＮＧヘッダ部分ではＬＮＧの気化が起こらな
いのが望ましいが、本発明において熱伝導率が比較的低
い熱電変換素子を配置するため、熱電変換素子が断熱効
果を奏し、ＬＮＧ気化防止用の断熱カバーを別途装着し
なくても、ＬＮＧヘッダにおいてＬＮＧの気化を防止で
きるという利点も合わせて得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱電変換素子の一態様を原理的に説明する模式
図。

【図２】従来の熱電変換素子の構成態様例を模式的に示
した図。

【図３】熱電変換素子を用いた従来における発電システ
ムの１例を示す図。

【図４】本発明に係るＬＮＧ冷熱利用発電装置の要点部
分を模式的に示す図。

【図５】図４中円点線Ｚの部分を拡大して示した図。

【図６】図１に示すような１対のＰーＮ単位の複数個を
直列に連結（ＰーＮ単位を５９対連結）した態様を示し
た図。

【符号の説明】

１、ＰＰ型半導体２、ＮＮ型半導体３高温側接合部４低温側接合部Ｑ高温熱源Ｔｈ高温側温度Ｔｃ低温側温度Ｓ絶縁空間５高温側電極６、７低温側電極８電極９複数の切り欠き１０エバポレータパネル１１、１７ＬＮＧヘッダ１２ＮＧヘッダ１３海水供給用の樋１４、１４′ パネル板１５熱電素子１６ＬＮＧベーパライザ１８、１９熱電素子２０電極（連結細片）２１電力取り出し用の導線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＬＮＧベーパライザのＬＮＧヘッダの内側
壁面に熱電変換素子を配置し、ＬＮＧ冷熱を利用して発
電することを特徴とするＬＮＧ冷熱利用発電方法。
【請求項２】ＬＮＧベーパライザのＬＮＧヘッダの内側
壁面に熱電変換素子を該内側壁面の形状に対応した形状
として配置し、固定されてなることを特徴とするＬＮＧ
冷熱利用発電装置。
【請求項３】上記ＬＮＧヘッダの内側壁面に対する熱電
変換素子の固定が機械的手段により固定されてなるもの
である請求項２記載のＬＮＧ冷熱利用発電装置。