(57)【要約】【課題】直列接続された熱電発電素子を含む熱電発電装置において熱電発電素子が故障を起こした場合大きな出力低下を招く。含まれる熱電発電素子の数が多くなると故障した熱電発電素子を特定することが困難になる。【解決手段】熱電発電素子にバイパスダイオードを接続して出力の低下を抑える。さらに故障時の内部インピーダンス変化を利用して故障検出と故障した熱電発電素子の特定を容易にする。【選択図】図１
2010010637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列にダイオードが接続された熱電発電素子単体、または熱電発電素子の直列接続にダイオードが並列接続されたユニットを含む熱電発電装置。
【請求項２】
熱電発電素子の直列接続、並列接続または直列接続と並列接続の組み合わせによって構成された熱電発電装置の内部抵抗変化から熱電発電装置を構成する熱電発電素子の故障を検出する故障検出方式。
【請求項３】
請求項２の故障検出機能を有する熱電発電装置
【請求項４】
熱電発電素子の直列接続、並列接続または直列接続と並列接続の組み合わせによって構成された熱電発電装置の開放電圧変化から熱電発電装置を構成する熱電発電素子の故障を検出する故障検出方式。
【請求項５】
請求項４の故障検出方式を有する熱電発電装置。
【請求項６】
熱電発電素子の直列接続、並列接続または直列接続と並列接続の組み合わせによって構成された熱電発電装置の短絡電流変化から熱電発電装置を構成する熱電発電素子の故障を検出する故障検出方式。
【請求項７】
請求項６の故障検出方式を有する熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】本発明は熱電発電装置に関する。
【熱電発電素子の特徴】
【０００２】熱電発電素子は熱エネルギーを直接電気エネルギーへ変換する素子であり、多くは半導体のゼーベック効果を利用している。近年、エネルギー・資源問題が顕在する中、熱電発電システムはこれまで廃熱として捨てられていた熱エネルギーを有効利用するための手段として期待されている。これまで人工衛星等の独立システム用電力供給源としての実績があるが、用途は限られていた。近年における熱電発電素子の性能向上と製造コスト低下に伴い、給湯器等の民生用発電システム、コジェネレーションの熱源を利用した比較的大規模な電力源など、その応用範囲はますます広がっており、すでにｋＷクラスの熱電発電システムの開発例も報告されるようになってきた。
【０００３】熱電発電装置は、小容量のものでは１つの熱電発電素子で構成されるが、規模が大きくなるにつれて多くの熱電発電素子で構成されるようになる。複数の熱電発電素子を使用する場合、熱電発電素子は必要な出力電圧を発生するために直列接続される。この直列接続されたひとまとまりをストリングと呼ぶ。大規模発電装置では、複数のストリングが並列接続されて必要な出力を得る必要がある。
【従来の問題点】
【０００４】熱電発電素子は、絶えず熱ストレスがかかる過酷な環境で使用されるために、使用中に熱電発電素子が故障する可能性がある。ストリング中に含まれる熱電発電素子の一つが断線した場合、ストリング中の他の全ての熱電発電素子からの電力供給も停止してしまう。この影響は直列に接続される熱電発電モジュールの数が多いほど大きくなり、わずかな数の熱電発電素子の故障が熱電発電装置総出力の大きな低下を招く恐れがある。今後増えると予想されるｋＷクラス以上の熱電発電装置では要求される出力電圧が高くなることが考えられ、多くの熱電発電モジュールが直列接続される。これまで複数の熱電発電素子で構成される実用大型熱電発電装置はまだ開発段階であるが、上記のような故障問題は実用装置の開発においてきわめて重要な問題になり熱電発電装置の信頼性を向上する手段が求められる。
【０００５】故障した熱電発電素子を交換する場合、大規模な熱電発電装置では多くの熱電発電素子が使用されるため、故障した熱電発電素子を特定することが容易ではない。実用的には、熱電発電装置が運用中に熱電発電素子の故障を検出し故障した熱電発電素子を特定できることが必要である。
【従来の問題点の解決策】
【０００６】熱電発電素子単体、または熱電発電素子の直列接続にバイパスダイオードを接続することによって、出力低下の問題を回避する。熱電発電素子にバイパスダイオードが接続されている場合、ストリングに含まれる一つの熱電発電素子が断線しても他のストリング内の熱電発電素子からの電流はバイパスダイオードを通じて流れることが可能である。このため、ストリング内の熱電発電素子の断線によるストリング全体の出力停止を回避することが可能になる。
【０００７】バイパスダイオードは、熱電発電素子が起電力を生じているときに逆バイアスがかかるような向きで接続される。熱電発電素子が発電を行っているときは、バイパスダイオードは逆バイアスなので高抵抗状態であり、熱電発電素子の発電特性に影響を与えることはない。熱電発電素子が断線故障を起こした時は、バイパスダイオードはストリング内に含まれる故障していない熱電発電素子の起電力で順バイアス状態になり電流が流れる。
【０００８】熱電発電装置に含まれる熱電発電素子が故障を起こすと、熱電発電素子を含むストリングの内部インピーダンスが変化する。各ストリングに電力変換装置が接続されるストリングコンバータ方式の熱電発電装置では、電力変換装置が接続されているストリングのインピーダンス変化からストリング内の故障を検出することが可能である。あるいは、熱源の温度が一定のとき開放電圧または短絡電流の変化から故障検出をすることが可能である。
【０００９】直列に接続されている熱電変換素子の数が多いときは、各熱電発電素子にバイパスダイオードが接続されていると故障時のインピーダンス変化がとらえにくくなる可能性がある。この場合、各熱電発電素子にバイパスダイオードを接続するのではなく、いくつかの熱電発電素子にまたがってバイパスダイオードを接続することによって故障検出を容易にすることが可能である。ただし一つの熱電発電素子が故障すると、同時に出力を停止する熱電発電素子が発生するので、故障時出力低下の程度は大きくなる。
【解決策の実施例】
「実施例Ｉ」図１に示すような２５個の熱電発電素子で構成される熱電変換装置を構成した。各熱電発電素子にはブロッキングダイオードが接続されている。５個の熱電変換素子が直列列接続されてストリングを構成している。各ストリングに最大電力追尾機能（ＭＰＰＴ）を有した熱電発電用電力変換装置が接続されている。図２に熱電発電装置出力の負荷インピーダンス依存性を示す。熱電変換装置が無い状態では、熱電発電装置出力特性は負荷変化に対して最大値をもつように変化する。最大値を示す点で負荷と熱電変換装置の内部インピーダンスが一致している。バイパスダイオードがない場合、熱電発電素子が一つ故障すると、故障した素子を含むストリング全体が出力を停止するので大きな出力低下を招いている。一方、バイパスダイオードが接続されている場合は出力の低下が効果的に抑えられている。ストリング内の熱電発電素子の直列数が多くなるほど、バイパスダイオードの効果は顕著になると推定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱電発電素子結線図
【図２】本発明の１実施例によって得られた結果例１
【符号の説明】
１  熱電発電素子
２  ブロッキングダイオード
３  熱電発電用電力変換装置
４  負荷
【図１】
2010010637.tif 000003
【図２】
2010010637.tif 000004