(57)【要約】【課題】シンプルな構造でありながら極めて効率的に熱電発電を行うことができる製造設備列を提供することを目的とする。また、本発明は、前記製造設備列を用いた熱電発電方法を提供する。【解決手段】移動する熱源を有する製造設備列であって、厚さが異なる複数の熱電素子を有する熱電発電装置を備え、前記熱電発電装置は前記熱源に対向して配置されており、前記複数の熱電素子は、該熱電素子の厚さが、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように配置されている、製造設備列。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する熱源を有する製造設備列であって、
厚さが異なる複数の熱電素子を有する熱電発電装置を備え、
前記熱電発電装置は前記熱源に対向して配置されており、
前記複数の熱電素子は、該熱電素子の厚さが、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように配置されている、製造設備列。
【請求項２】
請求項１に記載の製造設備列において、
前記熱電発電装置は、前記熱電素子と放熱手段と受熱手段とを有する熱電発電ユニットを備えている、製造設備列。
【請求項３】
請求項２に記載の製造設備列において、
前記熱電発電装置は、前記熱電発電ユニットを複数備えており、
前記放熱手段は水冷板であり、
前記複数の熱電発電ユニットの水冷板が同一平面上に設置されている、製造設備列。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造設備列を用い、前記移動する熱源の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する熱源を有する製造設備列に関し、特に、シンプルな構造でありながら、前記熱源の熱を利用して極めて効率的に熱電発電を行うことができる製造設備列に関する。また、本発明は前記製造設備列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と低温部との間に起電力が生じる現象が、ゼーベック効果として古くから知られている。前記効果を利用すれば熱を電力に直接変換できるため、そのような性質を持つ素子（熱電素子）を用いた発電（熱電発電）が様々な分野で行われている。
【０００３】
この熱電発電においては、固定された熱源のみならず、移動する熱源を利用して発電を行うことが可能である。移動する熱源を利用した熱電発電が行われる分野の一例としては、製鉄所の製造設備が挙げられる。製鉄所の製造設備では、連続鋳造工程におけるスラブや熱間圧延工程における粗バー、熱延鋼帯など、様々な高温の熱源が存在しているが、従来、その熱は廃熱として捨てられてきた。しかし、近年、それら熱源からの輻射による熱エネルギーを、熱電素子を用いて回収する取組みが推進されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、連続鋳造ラインにおいて鋳造スラブの熱を熱電素子で電力に変換し、回収する技術が提案されている。また、特許文献２では、熱間圧延工場の冷却床に熱電素子を設置し、圧延材の熱を電力に変換して回収する技術が提案されている。特許文献３では、熱間圧延ラインにおいて金属材料からの熱を電力に変換し、得られた電力を二次電池などの電力貯蔵手段に蓄える技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１〜３で提案されているような技術によれば、製鉄所の製造設備で発生する熱を電力に変換し、活用することが可能となる。しかし、製鉄所において熱源となる鋳造スラブや熱延鋼帯などの温度は均一ではなく、通常、部位によって異なっている。そのため、単純に熱源の近傍に熱電素子を設置するだけでは効率的に熱電発電を行うことができないという問題があった。
【０００６】
すなわち、熱電素子では、素子の一方の面と他方の面と間の温度差が起電力に変換されるため、素子の高温側（熱源側）と低温側（熱源と反対の側）の間の温度差が大きいほど発電効率が上昇する。したがって、低温側の温度が略一定であるとすると、熱電素子の出力は高温側の温度によって決まることになる。そのため、熱源に温度が低い部分が存在すると、その部分では十分な発電効率が得られない。そこで、熱電素子を熱源に近づけて該熱電素子への入熱量を増加させれば発電効率の低下を補うことができるが、熱電素子には耐熱温度があるため、入熱量が高くなりすぎると素子が破損する。したがって、熱源の部位によって温度が異なる場合、熱電素子の破損を防ぎつつ熱源の低温部と高温部の両方において高い発電効率を実現することは困難であった。
【０００７】
そこで、発明者等は上記問題を解決するために、独立して移動可能な複数の熱電発電ユニットを備える熱電発電装置を用いる技術を提案した（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−１９８８８３号公報
【特許文献２】特開平１０−２９６３１９号公報
【特許文献３】特開２０１１−０６２７２７号公報
【特許文献４】特開２０１３−１５１０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４で提案されている技術によれば、低温部の熱電発電ユニットのみを選択的に熱源に近接させることにより、高温部の熱電素子の破損を防止しつつ、低温部の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
しかし、前記技術では熱電発電ユニットを移動可能とする必要があるため、熱電発電装置の構造が複雑化し、その結果、装置コストが増加するという問題があった。また、熱電発電ユニットは、通常、熱電素子の冷却のための水冷板を該熱電素子の低温側に備えるが、前記技術では熱源の低温部と高温部で熱電発電ユニットの設置位置（熱源からの距離）を変える必要があるうえに、熱電発電ユニットを移動可能とする必要があるため、各熱電発電ユニットの水冷板へ冷却水を供給するための配管が極めて複雑となる。そしてその結果、施工やメンテナンスが困難となり、設備コストが増加するという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シンプルな構造でありながら極めて効率的に熱電発電を行うことができる製造設備列を提供することを目的とする。また、本発明は、前記製造設備列を用いた熱電発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、厚さが異なる複数の熱電素子を有する熱電発電装置を使用し、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において熱電素子の厚さが厚くなるように熱電素子を配置することにより、シンプルな構造でありながら極めて効率的に熱電発電を行うことができることを見出した。
【００１３】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。
【００１４】
１．移動する熱源を有する製造設備列であって、
厚さが異なる複数の熱電素子を有する熱電発電装置を備え、
前記熱電発電装置は前記熱源に対向して配置されており、
前記複数の熱電素子は、該熱電素子の厚さが、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように配置されている、製造設備列。
【００１５】
２．上記１に記載の製造設備列において、
前記熱電発電装置は、前記熱電素子と放熱手段と受熱手段とを有する熱電発電ユニットを備えている、製造設備列。
【００１６】
３．上記２に記載の製造設備列において、
前記熱電発電装置は、前記熱電発電ユニットを複数備えており、
前記放熱手段は水冷板であり、
前記複数の熱電発電ユニットの水冷板が同一平面上に設置されている、製造設備列。
【００１７】
４．上記１〜３のいずれか一項に記載の製造設備列を用い、前記移動する熱源の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において電発電素子の厚さが厚くなるように熱電素子を配置するため、低温部における発電効率の低下を防ぎ、装置全体としての発電効率を上昇させることができる。また、低温部における熱電素子の厚さを選択的に増加させればよいため、高温部の熱電素子の温度が高くなりすぎて破損することを防止できる。また、本発明では、熱電発電ユニットを移動可能とする必要がなく、また、熱源からの距離を変える必要もないため、シンプルな構造でありながら、上記のような優れた効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態における製造設備列を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態における熱電発電ユニットの配置を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態における熱電発電ユニットの配置を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態における熱電発電ユニットの構造を示す模式図である。
【図５】従来の熱電発電装置の構造の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態における熱電発電装置の構造の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における熱電素子の厚さの比を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態における熱電素子の発電出力比を示すグラフである。
【図９】本発明の第３の実施形態における製造設備列を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な一実施態様を示すものであり、本発明は、以下の説明によって何ら限定されるものではない。
【００２１】
本発明の一実施形態における製造設備列は、移動する熱源を有する製造設備列であって、厚さが異なる複数の熱電素子を有する熱電発電装置を備えている。そして、前記熱電発電装置は前記熱源に対向して配置されており、前記複数の熱電素子は、該熱電素子の厚さが、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように配置されている。
【００２２】
前記製造設備列は、とくに限定されることなく、任意の製品の製造設備列であってよい。前記製造設備列は、例えば、金属材料、金属製品、ガラス材料、ガラス製品、機械部品からなる群より選択される少なくとも１つの製造設備列であってよい。また、本発明の一実施形態における製造設備列は、製鉄所の製造設備列であってよい。
【００２３】
［熱源］
上記熱源としては、製鉄所における移動する熱源であれば任意のものを利用することができる。前記熱源としては、例えば、金属およびガラスの一方または両方を用いることができる。また、本発明の一実施形態においては、前記熱源として、例えば、スラブ、粗バー、鋼帯（鋼板）からなる群より選択される少なくとも１つを用いることができる。より具体的な熱源の例としては、連続鋳造工程におけるスラブ、ブルーム、ビレットなどや、熱間圧延工程におけるスラブ、粗バー、熱延鋼帯などが挙げられる。
【００２４】
［熱電発電装置］
上記熱電発電装置としては、厚さが異なる複数の熱電素子（熱電変換素子ともいう）を備えたものであれば、任意のものを用いることができる。
【００２５】
（熱電素子）
上記熱電素子（以下、単に「素子」という場合がある）としては、特に限定されることなく、熱電発電の機能を持った素子であれば任意のものを使用できる。一般的な熱電素子は、一組のｐ型半導体とｎ型半導体を組み合わせた構造を有している。前記熱電素子としては、例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、シリサイド系、スクッテルダイト系、遷移金属酸化物系、亜鉛アンチモン系、ホウ素化合物、クラスレート化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系、カーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。
【００２６】
熱電素子は、該熱電素子の一方の面と他方の面との間に温度差を形成することにより、熱を電気に変換することができる。したがって、熱電発電装置を熱源に対向して配置することにより、熱電素子の一方の面（熱源側）が高温側となり、該熱電素子の他方の面が低温側となる。そして、前記高温側と低温側との間の温度差により起電力が発生する。
【００２７】
本発明においては、上記熱電発電装置が、厚さが異なる複数の熱電素子を有することが重要である。上述したように、熱電素子は、該素子の高温側と低温側との間の温度差を電力に変換する機能を有する素子であり、前記温度差が大きいほど発電効率は高くなる。
【００２８】
その際、熱電素子の高温側から低温側への熱流量は該熱電素子の熱抵抗Ｒに反比例し、前記熱抵抗Ｒは素子の厚さＬに比例する。したがって、熱電素子の厚さが厚いほど高温側と低温側の間での温度差が大きくなり、その結果、発電効率が上昇する。
【００２９】
そのため、複数の熱電素子を、該熱電素子の厚さが、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように配置することにより、熱源温度が低い部分での発電効率の低下を防止して、熱電発電装置全体で高い発電効率を実現することができる。
【００３０】
なお、上述したよう熱電素子の厚さを厚くすることで発電効率を高めることができるが、熱源温度が高い部分に配置されている熱電素子の厚さを増加させると、該素子の高温側の温度が高くなりすぎて耐熱温度を超え、素子が破損してしまうおそれがある。そのため、本発明では全ての素子の厚さを等しく増加させるのではなく、入熱量が小さい位置に配置される熱電素子の厚さを入熱量が大きい位置に配置される熱電素子の厚さよりも厚くすることが重要である。このように、熱源の温度が低い部分（高温部）に配置された熱電素子の厚さを選択的に増加させることにより、熱源温度が高い部分（高温部）に配置された熱電素子の温度が高くなりすぎて破損することを防止できる。
【００３１】
熱電素子の厚さは、任意の態様で変化させることができる。例えば、熱電素子の厚さを２段階で変えてもよく、３段階以上で変化させてもよい。また、入熱量が大きい位置から入熱量が小さい位置へ向かって、熱電素子の厚さが連続的または段階的に厚くなるように配置することもできる。
【００３２】
熱電素子の厚さはとくに限定されないが、０．７ｍｍ〜３ｍｍとすることが好ましく、１ｍｍ〜２．２ｍｍとすることがより好ましい。また、熱電発電手段に含まれる熱電素子のうち、最も薄い素子の厚さに対する最も厚い素子の厚さの「比」は、１．２〜３．０倍とすることが好ましく、１．５〜２．０倍とすることがより好ましい。
【００３３】
［熱電発電ユニット］
熱電発電装置に熱電素子を実装する方法は特に限定されないが、前記熱電発電装置が、前記熱電素子と放熱手段と受熱手段とを有する熱電発電ユニットを備えることが好ましい。前記熱電発電装置が熱電発電ユニットを備える場合、前記熱電発電ユニットの数は１つでもよく、２以上であってもよい。
【００３４】
１つの熱電発電ユニットは、通常、複数の熱電素子を備えることができる。その際、１つの熱電発電ユニットに含まれる熱電素子の厚さは、すべて同じであってもよいが、異なっていてもよい。例えば、１つの熱電発電ユニット内で、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において厚くなるように複数の熱電素子を配置することもできる。また、熱電発電装置が複数の熱電発電ユニットを備える場合、１つの熱電発電ユニットに含まれる熱電素子の厚さはすべて同じとし、熱電発電ユニット間で熱電素子の厚みを変えることもできる。
【００３５】
熱電発電ユニット１個の大きさは、１ｍ２以下とすることが好ましい。ユニットの面積を１ｍ２以下とすることで個々の熱電発電ユニットの熱による変形量を小さくすることができるからである。ユニットの面積は、２．５×１０−１ｍ２以下とすることがより好ましい。
【００３６】
熱電発電ユニットの出力は、定格出力となるように設定するのが好ましいが、熱電素子の破損を防止するという観点からは、熱電発電ユニットの耐熱温度上限を考慮して設定することが望ましい。
【００３７】
熱電素子の破損防止と発電効率との兼ね合いを考慮すると、熱源温度が最も高い位置における熱電素子の出力と、熱源温度が最も低い位置における熱電素子の出力との間の差が小さくなるように熱電素子の厚さを決定することが好ましい。具体的には、熱源温度が最も高い位置における熱電素子の出力に対する、熱源温度が最も低い位置における熱電素子の出力の比が、０．７以下となるように熱電素子の厚さを調整することが好ましい。
【００３８】
（放熱手段）
上記熱電発電ユニットは、放熱手段を備えることが好ましい。放熱手段を用いることにより、熱電素子の低温側を効率的に冷却することができる。
【００３９】
前記放熱手段としては、特に制限されず任意のものを用いることができる。前記放熱手段としては、放熱フィン、ヒートシンク、熱交換器からなる群より選択される少なくとも１つを用いることが好ましく、冷却効率の観点からは熱交換器を用いることが好ましい。前記熱交換器としては、熱電素子と冷媒との間の熱交換により該熱電素子を冷却できるものであれば任意のものを用いることができるが、水冷装置を用いることが好ましい。前記水冷装置としては、例えば、内部に冷却水流路を有する水冷板を用いることができる。
【００４０】
前記放熱手段は、熱電素子の低温側、すなわち熱源と反対側に設置すればよい。例えば、後述するように熱電素子の低温側に絶縁板が設置されている場合には、前記絶縁板上に放熱手段を設置することが好ましい。
【００４１】
熱電発電装置が複数の熱電発電ユニットを備える場合、放熱手段はユニットごとに設けることが好ましい。また、放熱手段として複数の水冷板を用いる場合には、個々の水冷板に独立して冷却水を供給できるように冷却水供給配管を設けてもよく、各水冷板を直列または並列に接続して冷却水を供給できるように冷却水供給配管を設けてもよい。また、１つの水冷板で複数のユニットの低温側を覆うように水冷ユニットを配置することもできる。
【００４２】
前記放熱手段として水冷板を用いる場合、前記複数の熱電発電ユニットの水冷板を同一平面上に設置することが好ましい。これにより、冷却水配管が複雑化することを防止できる。また、水冷板を同一平面内に設ける場合には、複数の熱電発電ユニットを１つの水冷板で冷却することも行いやすくなる。複数の熱電発電ユニットを１つの水冷板で冷却すれば、水冷板の個数を減らし、装置構造をさらに簡略化できる。なお、各熱電発電ユニットの水冷板は同じ厚さとすることが好ましい。
【００４３】
（受熱手段）
上記熱電発電ユニットは、受熱手段を備えることが好ましい。前記受熱手段を用いることにより、熱源からの熱を効果的に受熱し、発電効率を向上させることができる。
【００４４】
受熱手段を設置する場合、前記受熱手段は熱源からの熱にさらされる。したがって、受熱手段の材質は、耐熱性の観点から、金属（合金を含む）、セラミックス、カーボンからなる群より選択される少なくとも１つとすることが好ましい。前記金属としては、とくに限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鋼からなる群より選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。
【００４５】
前記受熱手段は、熱電素子の高温側、すなわち熱源側に設置すればよい。後述するように熱電素子の高温側に絶縁板が設置されている場合には、前記絶縁板上に受熱手段を設置することが好ましい。
【００４６】
（保護板）
また、上記熱電発電ユニットは、該熱電発電ユニットの高温側と低温側の一方または両方に保護板を具備していてもよい。さらにその保護板がそれぞれ、上記受熱手段および放熱手段の少なくとも一方を兼ねていてもよい。
【００４７】
［熱電発電モジュール］
上記熱電発電ユニットに複数の熱電素子を実装する方法はとくに限定されないが、熱電発電ユニットが少なくとも１つの熱電発電モジュールを備え、前記熱電発電モジュールが複数の熱電素子を備える構造とすることが好ましい。
【００４８】
ここで、熱電発電モジュール（以下、単に「モジュール」という場合がある）とは、電極を用いて直列に接続された複数の熱電素子のセットを指すものとする。熱電素子１つ当たりの起電力はそれほど大きくないため、このように複数の熱電素子を直列に接続したモジュールを用いることが好ましい。１つの熱電発電モジュールに含まれる熱電素子の数はとくに限定されないが、数十〜数千個程度、例えば、１０個以上、５千個以内とすることが好ましい。熱電発電モジュールを構成する熱電素子は、通常、二次元的に（同一の平面内に）配列される。配列された素子の上下の一方または両方には、後述するように絶縁板を設けることが好ましい。
【００４９】
（絶縁板）
上記熱電発電モジュールは、さらに絶縁板を備えることが好ましい。前記絶縁板は、熱電素子の高温側と低温側の少なくとも一方に設けることが好ましく、両方に設けることが好ましい。前記絶縁板を設ける場合、熱電素子上に設けられた電極上に該絶縁板を設置することが好ましい。上記受熱手段および放熱手段が絶縁材からなる場合や表面に絶縁材が被覆されている場合には、それらを絶縁板の代替としてもよい。
【００５０】
（熱伝導シート）
上記受熱手段と熱電発電モジュールの間、放熱手段と熱電発電モジュールの間、および絶縁材と保護板の間から選択される少なくとも１つに、部材同士の熱接触抵抗を低減し、熱電発電効率の一層の向上を図るために熱伝導シートを設けることができる。前記熱伝導シートとしては、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば特に制限はないが、例えば、グラファイト製のシート等を用いることができる。
【００５１】
熱電発電ユニットを用いる場合、１つの熱電発電ユニットは１または２以上の熱電発電モジュールを含むことができる。１つの熱電発電ユニットが複数の熱電発電モジュールを含む場合、前記複数の熱電発電モジュールは電気的に接続される。前記電気的接続は、直列、並列、およびそれらの組み合わせのいずれとすることもできる。このように複数のモジュールをまとめてユニットとすることにより、ユニット単位でまとめて電力を取り出すことができ、配線が容易となる。
【００５２】
熱電発電装置が複数の熱電発電ユニットを含む場合、装置構造が複雑化することを避けるために、各熱電発電装置の放熱手段の厚さを同一とすることが好ましい。また、各熱電発電装置の受熱手段の厚さを同一とすることが好ましい。さらに、同様の理由から、熱電発電装置が複数の熱電発電モジュールを含み、前記熱電発電モジュールが絶縁板を備える場合、各絶縁板の厚さを同一とすることが好ましい。
【００５３】
なお、熱電発電ユニット内に含まれる複数の熱電素子は、通常、同一の平面内に二次元的に配列される。ここで、熱電発電ユニットの受熱面積に対する、前記平面内において熱電素子が占める面積の比は０．２以上とすることが好ましく、０．３以上とすることが好ましい。前記比を０．２以上とすることにより、熱電素子が存在しない部分の割合を低下させ、熱電素子を介した熱伝導による高温側から低温側への抜熱を増加させ、それにより耐熱温度を超えることによる熱電素子の破損を抑制することができる。
【００５４】
［熱電発電方法］
本発明の一実施形態における熱電発電方法においては、上記製造設備列を用い、前記移動する熱源の熱を利用して熱電発電を行う。
【００５５】
なお、一般的な製造設備においては、製造される製品（または中間製品）によって温度は概ね決まっている。したがって、製造される製品（または中間製品）に応じて、予め熱電発電ユニットの配置や熱電素子の厚さなどを設定しておくこともできる。また、実際に熱電発電を行っている際の各熱電発電ユニットの出力や、温度計などで測定される熱源の温度または温度分布に基づいて、熱電発電ユニットの配置や熱電素子の厚さなどを設定しておくこともできる。
【００５６】
次に、本願発明のいくつかの実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態では、製鉄所の製造設備列を例として挙げるが、上述したように本発明の製造設備列は、製鉄所の製造設備列に限らず、任意の製品の製造設備列であってよい。
【００５７】
（第１の実施形態）
図１は、本願発明の一実施形態における製造設備列１を示す模式図である。本実施形態における製造設備列１は連続鋳造のための製造設備列（連続鋳造ライン）であり、取鍋１０に収容されている溶鋼は、タンディッシュ２０を経由して、鋳型３０へ注がれる。次いで、凝固が始まった状態の鋼が、鋳型３０より引き出され、スラブ冷却装置４０によって連続的に冷却される。矯正ロールなどを含むローラー群５０を通過したスラブ６０は、搬送ローラー７０により下流へ搬送される。そして、製造設備列１、すなわち連続鋳造ラインの下流には、熱源としてのスラブ６０と対向するように熱電発電装置１００が設置されている。
【００５８】
図２、３は、本発明の一実施形態における熱電発電ユニットの配置を示す模式図であり、図２は、スラブ６０の搬送方向から見た配置を、図３はスラブ６０および熱電発電装置１００の上方から見た配置を、それぞれ示している。図２、３に示すように、本実施形態における熱電発電装置１００は、スラブ６０の幅方向（図２の左右方向）に８列、スラブ６０の搬送方向（図３の矢印方向）に４列の、合計３２個の熱電発電ユニット１１０を備えている。１つの熱電発電ユニット１１０のサイズは０．３ｍ角であり、熱電発電装置１００全体のサイズはスラブ６０の幅方向に約２．４ｍ、搬送方向に約１．２ｍである。
【００５９】
図４は、本発明の一実施形態における１つの熱電発電ユニット１１０の構造を示す模式図である。本実施形態における熱電発電ユニット１１０は、１つの熱電発電モジュール１２０と、熱電発電モジュール１２０の熱源側に設けられた受熱板１３０と、熱電発電モジュール１２０の熱源と反対側に設けられた水冷板１４０を備えている。図４に示したように、受熱板１３０は、熱電発電モジュール１２０の熱源側の面と接触しており、水冷板１４０は、熱電発電モジュール１２０の熱源と反対側の面と接触している。また、水冷板１４０は内部に冷却水流路を備えており、前記冷却水流路は、図示されない配管によって外部の冷却水供給手段と接続されている。
【００６０】
熱電発電モジュール１２０は、複数の熱電素子１２１と、熱電素子１２１の高温側と低温側とに設置された電極１２２および絶縁板１２３とを備えている。熱電素子１２１は、ｐ型半導体である素子とｎ型半導体である素子とを含んでおり、両者が交互に配置され、電極１２２で接続されている。
【００６１】
図５は、従来の熱電発電装置の構造の一例を示す模式図であり、スラブ６０の幅方向端部に配置されている２つの熱電発電ユニット１１０ａおよび１１０ｂ（図２参照）を抜出して示している。従来、複数の熱電発電ユニット１１０を併用する場合、各熱電発電ユニットに含まれる熱電素子１２１の厚さはすべて同じであった。すなわち、熱電発電ユニット１１０ａに含まれる熱電素子１２１ａの厚さは全て等しく、また、熱電発電ユニット１１０ｂに含まれる熱電素子１２１ｂの厚さも全て等しい。そして、熱電素子１２１ａの厚さと熱電素子１２１ｂの厚さも等しい。
【００６２】
これに対して、図６は、本発明の一実施形態における熱電発電装置の構造の一例を示す模式図である。図６では、図５と同様にスラブ６０の幅方向端部に配置されている２つの熱電発電ユニット１１０ａおよび１１０ｂ（図２参照）を抜出して示している。図６に示したように、本実施形態では、熱電素子１２１ａの厚さが熱電素子１２１ｂの厚さよりも厚い。同様に、熱電発電装置の反対側の端部についても、熱電発電ユニット１１０ｈの熱電素子１２１ｈの厚さを、熱電発電ユニット１１０ｇの熱電素子１２１ｇの厚さよりも厚くする。
【００６３】
上述したように熱電素子の厚さを異ならせるのは、一般的な連続鋳造ラインにおけるスラブ６０の温度が、幅方向中央部よりも幅方向端部において低いためである。すなわち、図２のように複数の熱電発電ユニットを配置した場合、スラブ６０の幅方向の最も端に設置されている熱電発電ユニット１１０ａへの入熱量は、熱電発電ユニット１１０ａよりも中央側に設置されている熱電発電ユニットへの入熱量よりも小さい。したがって、熱電素子１２１ａの厚さを熱電素子１２１ｂの厚さよりも厚くすることにより、幅方向端部における発電効率の低下を防止することができる。反対側端部についても同様である。
【００６４】
なお、熱電素子としては、厚さが約１ｍｍ〜２ｍｍ程度のものが一般的である。したがって、熱電素子の厚さをたとえ２倍としたとしても、該熱電素子を含む熱電発電モジュールおよび熱電発電ユニットの厚さの変動は高々１〜２ｍｍ程度である。
【００６５】
例えば、図６に示した例では、厚さが同じ水冷板を、該水冷板の上側の面、すなわち、熱源と反対側の表面の位置がユニット間で同じとなるように揃えて設置している。この場合、熱電発電ユニットと熱源と間の距離は熱電発電ユニット１１０ｂより１１０ａで約０．８ｍｍ程度縮まる。そのため、熱電発電ユニット１１０ａにおいては、受熱板１３０の表面が熱源に近づくことによる発電効率の増加もわずかにあると考えられる。しかし、受熱板１３０が熱源に近づくことによる発電効率の上昇よりも、熱電素子１２１ａの厚さが増加することによる発電効率の上昇の方がはるかに大きい。
【００６６】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、上述したように最も端部の熱電発電ユニット１１０ａ、１１０ｈの厚さのみを厚くしているが、スラブ６０の幅方向中央の熱電発電ユニット１１０ｄ、１１０ｅから最も端部の熱電発電ユニット１１０ａ、１１０ｈにかけて、段階的に熱電素子１２１の厚さが変化するように構成することもできる。
【００６７】
そこで、本実施形態では、図２、３に示した熱電発電装置１００において、各熱電発電ユニット１１０に含まれる熱電素子１２１の厚さを、スラブ６０の幅方向中央の熱電発電ユニット１１０ｄ、１１０ｅから最も端部の熱電発電ユニット１１０ａ、１１０ｈにかけて、段階的に増加させた。具体的には、最も中央の熱電発電ユニット１１０ｄ、１１０ｅの熱電素子の厚さを１としたときの各熱電素子の厚さを次の通りとした。他の条件については上記第１の実施形態と同様とした。
・熱電発電ユニット１１０ｄ、１００ｅ：１
・熱電発電ユニット１１０ｃ、１００ｆ：１．０２
・熱電発電ユニット１１０ｂ、１００ｇ：１．１２
・熱電発電ユニット１１０ａ、１００ｈ：１．６２
【００６８】
図７は、上記熱電素子の厚さの比を示すグラフである。図７では、スラブ６０の幅方向中央を距離ゼロとして、スラブ６０の片側のみを示している。図中に三角形で示したプロットは本実施形態のものである。なお、比較のために、熱電素子の厚さをすべて同じとした従来例を丸印でプロットしている。
【００６９】
図８は、上記第２の実施形態における熱電素子の発電出力比を示すグラフである。図中に三角形で示したプロットは本実施形態のものであり、丸印で示したプロットは熱電素子の厚さをすべて同じとした従来例のものである。ここで、発電出力比は、各位置の熱電発電ユニットの出力を、従来例における同じ位置の熱電発電ユニットの出力を１として規格化した値である。
【００７０】
図７から分かるように、スラブの幅方向端部ほど熱電素子の厚さが厚いため、厚さが一定である従来例に比べて発電出力比が向上している。例えば、図７に示した例では、スラブ幅方向の最も端部に設置した熱電発電ユニットにおける発電出力比は、１．４４であった。したがって、入熱量が小さい位置（この場合、スラブの幅方向端部）における熱電素子の厚さを、入熱量が大きい位置における厚さよりも厚くして、発電出力比を高めることにより、熱電発電装置全体の出力を向上させることができる。この例では、従来例に比べ、総発電出力が約１０％向上した。
【００７１】
なお、図７に示した発電出力比と上述した総発電出力は、以下の述べる方法で算出した。
【００７２】
熱電材料の特性は下記（１）式で示される性能指数（Figure of Merit）Ｚ（１／Ｋ）に絶対温度を乗じた無次元性能指数ＺＴで表される。前記性能指数が大きいほど熱電材料としての性能が高い。
【数１】
2020068652.tif 000003
ここでＳはゼーベック係数（Ｖ／Ｋ）、ρは電気抵抗率（Ω・ｍ）そしてκは熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。
【００７３】
熱電素子の高さ方向に温度差ΔＴをつけると、ゼーベック効果により熱起電力が発生する。ｎ型、ｐ型素子のゼーベック係数の和をα（Ｖ／Ｋ）とすると、開放起電力Ｖｏ（Ｖ）はΔＴに比例し、下記（２）式で表される。
【数２】
2020068652.tif 000004
【００７４】
次に、熱電発電の基礎式を（３）、（４）式として以下に示す。
【数３】
2020068652.tif 000005
【数４】
2020068652.tif 000006
【００７５】
上記（３）、（４）式の右辺第１項はペルチェ効果、第２項はジュール熱、第３項は熱伝導を表している。ここで、Ｔｈは高温側温度、Ｔｃは低温側温度、ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｃ）は高温側と低温側の温度差、ｒ（Ω）はモジュール内部抵抗、Ｑａ（Ｗ）は高温面において熱源から供給される熱、Ｑｄ（Ｗ）は低温面における放熱、Ｋ（Ｗ／Ｋ）は熱コンダクタンスである。
【００７６】
また、外部抵抗をＲ（Ω）、端子電圧をＶ（Ｖ）、電流をＩ（Ａ）、発電出力をＰ（Ｗ）とするとＩおよびＰは、それぞれ下記（５）、（６）式で表すことができる。
【数５】
2020068652.tif 000007
【数６】
2020068652.tif 000008
【００７７】
熱電発電出力が最大となるのは外部抵抗と内部抵抗が等しいＲ＝ｒの時であり、したがって、熱電発電出力の最大値Ｐｍａｘ（Ｗ）は、下記（７）式で表される。
【数７】
2020068652.tif 000009
【００７８】
変換効率は、発電出力と入熱量の比で与えられ、このときの変換効率ηは、下記（８）式で求められる。
【数８】
2020068652.tif 000010
【００７９】
すなわち、最大発電電力は高温側と低温側の温度差ΔＴの２乗に比例する。従って、大きな出力を得るには、大きな温度差を確保することが重要である。なお、その際、熱電素子の高温側温度は耐熱温度以下とする必要があることに注意しなければならない。それゆえ、様々な条件において高温側温度を予測することは非常に重要である。
【００８０】
連続鋳造スラブなどの熱源からのふく射熱を利用する熱電発電装置の場合、上記（３）式におけるＱａ、すなわち、熱電素子の高温側の面に熱源から供給される熱は下記（９）式で求めることができる。
【数９】
2020068652.tif 000011
ここで、εは放射率、σはステファン−ボルツマン定数、Ｆは形態係数、Ｔｓはスラブの表面温度、ＴｈＴＥＧは熱電発電ユニットの高温側温度、ｈは熱伝達率である。形態係数は熱電発電ユニットとスラブの幾何学的関係から解析的に算出できる。
【００８１】
上記（３）、（４）、（６）および（９）式を用いて熱電発電装置の発電出力比を求めた。
【００８２】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の他の実施形態における製造設備列を示す模式図である。本実施形態における製造設備列１は、上記第１の実施形態と同様、連続鋳造のための製造設備列である。ただし、熱電発電装置１００は、連続鋳造ラインの下流に設置されている切断機８０（カッター台車ともいう）の下面に設置されている。それ以外の点については第２の実施形態と同様とする。
【００８３】
切断機８０は車輪を備えており、図示されないレール上をスラブ６０の搬送方向に移動可能に構成されている。搬送ローラー７０によりスラブ６０が下流へ搬送されると、切断機８０はスラブ６０と速度を合わせて移動しながら、スラブ６０を切断する。その際、切断機８０の下面に熱電発電装置１００を設けておくことにより、スラブ６０の熱を利用して熱電発電を行うことができる。また、切断機８０はスラブ６０の直上に配置されるため、本実施形態における熱電発電装置１００は必然的にスラブ６０の極めて近くに位置することになるため、スラブ６０からの熱を有効に利用することができる。
【００８４】
（第４の実施形態）
上記第１〜３の実施形態では、熱電素子１２１の厚さをスラブ６０の幅方向で変化させた。しかし、実際の製造ラインにおいては、移動する熱源の温度は搬送方向の上流から下流に向かって低下する。したがって、熱電素子の厚さを、熱源（スラブなど）の搬送方向上流から下流へ向かって段階的または連続的に増加させることもできる。
【００８５】
そこで、本発明の一実施形態においては、図３に示したように配置されている熱電発電ユニット１１１０に含まれる熱電素子１２１の厚さを、上流側から下流側へ向かって段階的または連続的に増加させることができる。これにより、搬送方向における熱源の温度低下を補償して、装置全体としての発電効率を高めることができる。また、搬送方向と幅方向の両者において、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において熱電素子の厚さが厚くなるように熱電素子を配置することも好ましい。
【００８６】
以上の説明では、製鉄所の製造設備列を例示した。しかし、本発明の技術は、製鉄所以外の任意の製造設備列に適用可能である。前記製造設備列としては、例えば、鍛造品、鋳造品、または硝子の製造設備列（清澄槽、フロートバスなど）、工業炉、焼却炉、溶解炉、熱処理炉、加熱炉、自動車産業における製造設備列などが挙げられる。
【実施例】
【００８７】
本発明の効果を確認するため、図９に示した製造設備列１を使用して、熱電発電ユニットの出力を確認する試験を実施した。
【００８８】
前記試験では、図２、３に示すように、３００ｍｍ角の熱電発電ユニットを３２個（幅方向に８列×長手方向に４列）備えた熱電発電装置１００を使用した。熱電発電装置１００は、切断機８０の下面に取り付けられている。各熱電発電ユニット１１０に含まれる熱電素子１２１の厚さを、スラブ６０の幅方向中央の熱電発電ユニット１１０ｄ、１１０ｅから最も端部の熱電発電ユニット１１０ａ、１１０ｈにかけて、段階的に増加させた。具体的には、上記第２の実施形態と同様、最も中央の熱電発電ユニット１１０ｄ、１１０ｅの熱電素子の厚さを１としたときの各の熱電素子の厚さを次のとおりとした。
・熱電発電ユニット１１０ｄ、１００ｅ：１
・熱電発電ユニット１１０ｃ、１００ｆ：１．０２
・熱電発電ユニット１１０ｂ、１００ｇ：１．１２
・熱電発電ユニット１１０ａ、１００ｈ：１．６２
【００８９】
まず、ダミーバー挿入型の連続鋳造機ラインにおいて、ダミーバーを用いた鋳造を開始した。次いで、ダミーバーが切断、回収位置に到達した後、スラブ６０が切断機８０まで到達すると、熱電発電装置１００による発電が開始された。そして、スラブ６０が所定位置で一定の寸法で切断装置により切断された。このようにして、連続鋳造材が製造された。
【００９０】
その結果、スラブ温度：９５０℃にて１１．２ＭＷの出力を得ることができ、前記出力を、鋳造が終了するまで維持することができた。一方、熱電発電ユニット中の発電素子高さが一定とした場合には１０．２ＭＷの出力しか得られなかった。
【００９１】
このように、本発明によれば、入熱量が大きい位置よりも入熱量が小さい位置において電発電素子の厚さが厚くなるように熱電素子を配置するため、低温部における発電効率の低下を防ぎ、装置全体としての発電効率を上昇させることができる。また、低温部における熱電素子の厚さを選択的に増加させればよいため、高温部の熱電素子の温度が高くなりすぎて破損することを防止できる。また、本発明では、熱電発電ユニットを移動可能とする必要がなく、また、熱源からの距離を変える必要もないため、シンプルな構造でありながら、上記のような優れた効果を実現することができる。
【００９２】
したがって、本発明によれば、製鉄所における移動する熱源からの熱を効果的に電力へと変換できるため、製鉄所の各種製造設備における省エネルギーに貢献する。
【符号の説明】
【００９３】
１      製造設備列
１０    取鍋
２０    タンディッシュ
３０    鋳型
４０    スラブ冷却装置
５０    ローラー群
６０    スラブ
７０    搬送ローラー
８０    切断機
１００  熱電発電装置
１１０  熱電発電ユニット
１２０  熱電発電モジュール
１２１  熱電素子
１２２  電極
１２３  絶縁板
１３０  受熱板
１４０  水冷板（放熱手段）
【図１】
2020068652.tif 000012
【図２】
2020068652.tif 000013
【図３】
2020068652.tif 000014
【図４】
2020068652.tif 000015
【図５】
2020068652.tif 000016
【図６】
2020068652.tif 000017
【図７】
2020068652.tif 000018
【図８】
2020068652.tif 000019
【図９】
2020068652.tif 000020