(57)【要約】【課題】エネルギーの回収効率の高いシステムを提供する。【解決手段】排気通路５に沿って配置された複数の熱電変換ユニット２３と、排気通路内に突出するように、複数の熱電変換ユニットの高温側に配置された複数のフィンユニット２１と、複数の熱電変換ユニット２３の低温側に配置された複数の温水生成ユニット２２とを有する電力温水生成システム１０であって、複数の熱電変換ユニット２３の出力と電力温水生成システム１０の発電出力８との間の接続を動的に切り替える第１の接続切替ユニット３０をさらに有する電力温水生成システム１０を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に沿って配置された複数の熱電変換ユニットと、
前記排気通路内に突出するように、前記複数の熱電変換ユニットの高温側に配置された複数のフィンユニットと、
前記複数の熱電変換ユニットの低温側に配置された複数の温水生成ユニットとを有する電力温水生成システムであって、
前記複数の熱電変換ユニットの出力と当該電力温水生成システムの発電出力との間の接続を動的に切り替える第１の接続切替ユニットをさらに有する、電力温水生成システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の温水生成ユニットの出力と当該電力温水生成システムの温水出力との間の接続を動的に切り替える第２の接続切替ユニットをさらに有する、電力温水生成システム。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の接続切替ユニットおよび前記第２の接続切替ユニットを協調制御するユニットを有する、電力温水生成システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記複数の熱電変換ユニットの出力を蓄電するユニットをさらに有する、電力温水生成システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電力温水生成システムと、
前記排気通路に排気を供給するボイラーと、
前記電力温水生成システムからの温水を含む給水を前記ボイラーに供給する給水システムとを有するシステム。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電力温水生成システムと、
前記排気通路に排気を供給する燃焼または発電システムと、
前記排気通路に設けられた排ガスボイラーと、
前記電力温水生成システムからの温水を含む給水を前記排ガスボイラーに供給する給水システムとを有するシステム。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電力温水生成システムと、
前記排気通路に排気を供給する半炭化装置と、
前記半炭化装置へ蒸気を供給するボイラーと、
前記ボイラーに対し、電力温水生成システムからの温水を含む給水を供給する給水システムとを有するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱を用いて発電および温水生成を行うシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、集熱手段の上流から下流にかけて均等に熱量を回収するができ、結果的に、全体的な集熱効率しいては発電量を向上することができる排熱発電装置を提供することが記載されている。特許文献１には、排気通路内のガスから集熱する集熱手段と、該集熱手段から送られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換手段とを備えた熱電素子ユニットから成る排熱発電装置において、前記集熱手段を構成する集熱フィンの高さを、排気ガスの上流側が低く、下流に向かって高くなるように構成した排熱発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２５５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ゼーベック効果を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子（熱電変換ユニット）が知られている。温度差発電装置で使用する熱電変換素子には、ビスマス（Bi）・テルル（Te）などの温度差が２００〜３００℃程度の温度帯のものから、鉄シリサイド（β-FeSi2)、マグネシュームシリサイド（Mg2Si）などの６００℃程度の温度帯で使用可能なものなどが知られている。熱電変換素子における熱電変換効率を示す性能指数は基本的に温度差が大きい方が高い。しかしながら、排気から電力を回収するシステムにおいては、システム全体として排気中の熱を再使用可能なエネルギーとして回収する効率が高いことが要求される。さらに、半炭化装置や、バイオマス発電に用いられる小規模な燃焼システムなどにおいては排気ガスの温度、流量などの条件は必ずしも一定ではなく、そのような条件でもエネルギー回収効率の高いシステムが要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、排気通路に沿って配置された複数の熱電変換ユニットと、排気通路内に突出するように、複数の熱電変換ユニットの高温側に配置された複数のフィンユニットと、複数の熱電変換ユニットの低温側に配置された複数の温水生成ユニットとを有する電力温水生成システムである。この電力温水生成システムは、さらに、複数の熱電変換ユニットの出力と当該発電および温水生成システムの発電出力との間の接続を動的に切り替える第１の接続切替ユニットを有する。
【０００６】
この電力温水システムは、発電と温水生成とを行うシステムであり、発電に加え、熱電変換ユニットの低温側を構成する水冷ユニットを温水生成ユニットとし、熱電変換ユニットにおいて発電のために加温された温水を回収し、排気中のエネルギー回収効率を向上する。さらに、排熱を用いて発電する際の問題点として認識されている、熱電変換ユニット（熱電変換素子）の個体差（素子特性のばらつき）、熱電変換の際の温度条件の差および変動を、構造的に解決する代わりに、あるいは構造的に解決するとともに、第１の接続切替ユニットにより、複数の熱電変換ユニットの出力とシステムの発電出力との間の接続を動的に切り替えることにより解決する。第１の接続切替ユニットは、熱電変換ユニット（素子）単位で接続を切り替えてもよく、複数の熱電変換ユニット（素子）をグループ化したモジュール単位で接続を切り替えてもよく、複数の熱電変換ユニット同士の接続を含めて切り替えてもよい。
【０００７】
第１の接続切替ユニットは、熱電変換ユニットの出力、例えば、電圧により素子特性の差、温度条件の差および変動を検出し、最も発電効率の高い組み合わせが選択されるように発電出力との接続を選択する。例えば、排気の高温側の熱電変換ユニットと、低温側と熱電変換ユニットとの温度差が同一にならなければ、それらの熱電変換ユニットを直列または並列に接続して、同一またはそれに近い電圧となるようなに接続しての組み合わせを生成して電力を効率よく回収することが可能となる。したがって、素子特性が同一でなくても、温度条件を同一にしなくても、また、温度条件が動的に変化しても、システムとしての発電効率が高いシステムを提供できる。このため、低コストで、汎用性が高く、さらに、発電効率も高いシステムを提供できる。
【０００８】
このシステムは、複数の温水生成ユニットの出力と当該電力温水生成システムの温水出力との間の接続を動的に切り替える第２の接続切替ユニットをさらに有していてもよい。第２の接続切替ユニットは、温水生成ユニット単位で接続を切り替えてもよく、複数の温水生成ユニットをグループ化したモジュール単位で接続を切り替えてもよく、複数の温水生成ユニット同士の接続を含めて切り替えてもよい。
【０００９】
温水の出力条件および生成効率も、温水生成ユニットの特性、温度条件の差および変動により左右される。このシステムは温水を供給することも目的とする。したがって、第２の接続切替ユニットがそれぞれの温水生成ユニットの出力、例えば水温などを検知して、温水生成ユニットと温水出力との間の接続を切り替えることにより、温水生成ユニットの特性、温度条件の差および変動による変動を抑制し、所望の条件またはそれに近い温水出力を可能とする。
【００１０】
第２の接続切替ユニットにより熱電変換ユニットの低温側の条件が変わり、熱電変換ユニットの出力が変動する場合は、第１の接続切替ユニットにおり、その条件で最も発電効率が高い接続を選択することができる。また、このシステムに、第１の接続切替ユニットおよび第２の接続切替ユニットを協調制御するユニットを設け、発電および温水生成を含めて最もエネルギー回収効率の高い状態に第１および第２の接続切替ユニットをセットすることも可能である。
【００１１】
このシステムは、複数の熱電変換ユニットの出力を蓄電するユニットをさらに有していてもよい。第１の接続切替ユニットにより実現される最も効率の高い発電を行うための出力条件や、排気の変動などによる出力条件と、外界から要求される発電条件とが一致しない場合は、蓄電するユニットをバッファとすることにより、さらに汎用性が高く、エネルギー回収効率の高いシステムを提供できる。
【００１２】
この電力温水生成システムを用いた１つの形態は、電力温水生成システムと、排気通路に排気を供給するボイラーと、電力温水生成システムからの温水を含む給水をボイラーに供給する給水システムとを有するシステムである。発電用ボイラー、給湯・蒸気供給用のボイラーなどの煙道やドレン生成用の配管に設置できる。
【００１３】
他の形態の１つは、電力温水生成システムと、排気通路に排気を供給する燃焼または発電システムと、排気通路に設けられた排ガスボイラーと、電力温水生成システムからの温水を含む給水を排ガスボイラーに供給する給水システムとを有するシステムである。焼却炉の熱回収システム、コジェネレーションシステムなどにおける熱回収効率を向上できる。
【００１４】
他の形態の１つは、電力温水生成システムと、排気通路に排気を供給する半炭化装置と、半炭化装置へ蒸気を供給するボイラーと、ボイラーに対し電力温水生成システムからの温水を含む給水を供給する給水システムとを有するシステムである。バイオマスの熱利用効率をさらに向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電力温水生成システムを含む給湯システムの例を示すブロック図。
【図２】電力温水生成システムの煙道に沿った構成を示す図。
【図３】電力温水生成システムの煙道内の構成を示す図。
【図４】電力温水生成システムの概略構成を示すブロック図。
【図５】電力温水生成システムを含む発電システムの例を示すブロック図。
【図６】電力温水生成システムを含む半炭化装置を含むシステムを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１にボイラーを用いた蒸気供給システムを示している。この蒸気供給システム８０は、石炭、重油などの化石燃料、または、木質チップなどのバイオ燃料を燃焼させて蒸気を生成するボイラー８１と、ボイラー８１からの排ガスを導く排気通路（煙道）８２（５）に設置された電力温水生成システム（発電および温水生成システム、以降においては生成システムと呼ぶことがある）１０と、生成システム１０からの温水９を含む給水をボイラー８１に供給する給水システム８３と、排気通路８２の生成システム１０の下流に設けられたエコノマイザ８４とを含む。ボイラー８１により生成された蒸気８９は、工場のプロセス蒸気、暖房などに用いられる。給湯などに用いられる一般ボイラー８１の場合、排ガスの温度は約４５０℃であり、この排ガスに含まれるエネルギーを電力温水生成システム１０により回収できる。生成システム１０により生成された電力８は、このシステム８０の制御用または駆動用の電力の一部として用いられたり、工場やオフィスで消費される電力の一部として用いられる。
【００１７】
図２に電力温水生成システム１０の排気通路に沿った配置を排気通路に沿った縦方向の断面図で示し、図３に電力温水生成システム１０の排気通路の内の配置を排気通路の横方向の断面図で示し、図４に電力温水生成システム１０の全体的な構成をブロック図により示している。
【００１８】
電力温水生成システム１０は、排気通路（煙道）５に沿って、対向するように配置された３対、計６個の発電モジュール（温度差発電モジュール）２０を含む。それぞれの発電モジュール２０は、煙道５の内部に突き出るように配置されたフィンユニット２１と、煙道５に沿って配置された温水生成ユニット（温水生成モジュール）２２と、フィンユニット２１と温水生成ユニット２２とに挟み込まれるように配置された熱電変換ユニット（熱電変換素子）２３とを含む。熱電変換ユニット２３は、例えば、低温発電用（〜３００℃）に適したビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）を含むゼーベックユニット（ゼーベック素子）である。この例では、１つの発電モジュール２０に４個の熱電変換素子２３が搭載されている。温水生成ユニット２２は、内部に水が通過するチューブがジグザグ（蛇状）に配置された銅またはアルミニウムなどの熱伝導率の高い平板を含む熱交換モジュールであり、煙道５の外壁に沿って配置されている。フィンユニット２１は、熱電変換ユニット２３の高温側に配置されており、煙道５の内部を通過する高温の排気３の熱を収集する。温水生成ユニット２２は熱電変換ユニット２３の低温側に配置されており、熱電変換ユニット２３を冷却する水冷モジュールとして機能する。
【００１９】
電力温水生成システム１０は、さらに、複数の熱電変換ユニット２３の出力と当該電力温水生成システム１０の発電出力８との間の接続を動的に切り替える第１の接続切替ユニット３０と、複数の温水生成ユニット２１の出力と当該電力温水生成システム１０の温水出力９との間の接続を動的に切り替える第２の接続切替ユニット５０と、これら第１の接続切替ユニット３０および第２の接続切替ユニット５０を協調制御する制御ユニット６０とをさらに有する。電力温水生成システム１０は、さらに、第１の接続切替ユニット３０と電力出力８との間に配置された電源安定化装置４０を含む。電源安定化装置４０は、電力を蓄積するバッテリー機能を含む。
【００２０】
第１の接続切替ユニット３０の一例はスイッチングマトリクスであり、６個の発電モジュール２０にそれぞれ４個搭載された、合計２４個の熱電変換ユニット２３の接続を、動的に、並列および直列に自由に組み合わせできる組み合わせスイッチモジュールである。制御ユニット６０に含まれている第１の接続制御モジュール６３の制御により第１の接続切替ユニット３０に含まれる複数のスイッチ、例えば、メカニカルスイッチ、半導体スイッチなどが駆動され、２４個の熱電変換ユニット２３をすべて並列に接続したり、直列と並列とを組み合わせて接続したりすることができる。２４個の熱電変換ユニット２３をすべて直列に接続できるようにしてもよい。また、第１の接続切替ユニット３０は、部分的に抵抗および／またはコンデンサーを用いて昇圧または降圧できる回路を備えていてもよい。
【００２１】
この生成システム１０においては、各熱電変換ユニット２３の出力電圧をモニタする電圧モニタ３１が設けられており、制御ユニット６０の協調制御モジュール６１が各熱電変換ユニット２３の出力電圧に基づき最も発電効率が高くなる組み合わせを選択し、第１の接続制御モジュール６３を介して第１の接続切替ユニット３０を制御する。協調制御モジュール６１は、各熱電変換ユニット２３の出力電圧が変動すると、その変動に基づき最も発電効率が高くなる組み合わせを選択し、第１の接続切替ユニット３０を制御する。システム１０は、さらに、第１の接続切替ユニット３０の出力電圧および電流をモニタするセンサー３５と、発電出力の電圧・電流をモニタするセンサー３６とを含み、協調制御モジュール６１は、これらのセンサー３５および３６を介してシステム１０の発電状態およびシステム１０に要求される電力デマンドをモニタする。
【００２２】
第２の接続切替ユニット５０の一例は複数の自動弁、例えば、ソレノイドバルブ５１を含むバルブステーションであり、６個の発電モジュール２０に含まれる合計６個の温水生成ユニット２２と、入口ヘッダ５３と、出口ヘッダ５４との間の接続を、並列および直列に自由に組み合わせできる配管ルート５２とバルブ５１との組み合わせを含む。制御ユニット６０に含まれている第２の接続制御モジュール６４が、動的に、第２の接続切替ユニット５０に含まれる複数のバルブ５１をオンオフし、６個の温水生成ユニット２２をすべて並列に接続したり、すべて直列に接続したり、直列と並列とを組み合わせて接続したりすることができる。
【００２３】
この生成システム１０においては、各温水生成ユニット２２の入力側の水温と出力側の水温とをモニタする温度センサー５５と、入口ヘッダ５３の温度をモニタするセンサー５６と、出口ヘッダ５４の温度をモニタするセンサー５７とが設けられており、協調制御モジュール６１がこれらのセンサーにより得られる温度に基づき、熱回収の効率が高く、所望の温度条件の温水９が出力できる組み合わせを選択し、第２の接続制御モジュール６４を介して第２の接続切替ユニット５０を制御する。協調制御モジュール６１は、各温水生成ユニット２２の出力温度が変動すると、その変動に基づき最も発電効率が高くなる組み合わせを選択し、第２の接続切替ユニット５０を制御する。
【００２４】
生成システム１０は、さらに、煙道（排気通路）５の入口側の排気温度をモニタする温度センサー６５と、出口側の排気温度をモニタする温度センサー６６とを含む。協調制御モジュール６１は、入口側の排気温度に対して出口側の排気温度を低く、熱回収効率が高くなるように第２の接続切替ユニット５０を制御したり、出口側の排気温度が、排気に含まれる成分が結露しない温度となるように制御したりすることができる。さらに、電力温水生成システム１０が、リグニンを含む木酢液や木タールの収集ラインに設置される場合は、協調制御モジュール６１は、出口側の排気温度が露点以下になるように第２の接続切替ユニット５０を制御することができる。
【００２５】
電力温水生成システム１０に用いられる熱電変換ユニット２２は、発電特性のばらつき（個体差）があり、温度差が同じ条件でも発電出力（熱電変換効率）にばらつきがあり、さらに、フィンユニット２１および温水生成ユニット２２との接続状況によっても出力にばらつきが発生する。また、熱電変換ユニット２２は、煙道５の設置位置によっても温度差にばらつきがあり、出力にばらつきが発生する。また、煙道５に供給される排気ガス３の温度によっても出力が変動し、生成システム１０が取り付けられる煙道５のサイズや位置によっても出力が変動し、外気温や、風力によっても出力が変動する可能性がある。したがって、これらのすべての要素を加味して最良の発電効率が得られるように事前に検討し、設計し、さらに組み立てることは非常に難しい。
【００２６】
これに対し、本例の生成システム１０においては、熱電変換ユニット２２の接続を動的に変更する（切り替える）第１の接続切替ユニット３０を含む。したがって、協調制御モジュール６１が各熱電変換ユニット２２の、その時の出力をモニタし、最も発電効率が高くなるように熱電変換ユニット２２の接続を切り替えることにより、上述したような変動要因およびばらつきの要因を含めて、生成システム１０が、自律的に、様々な使用条件で最も効率よく電力を生成し、供給できる。また、最も効率よく発電できる条件と異なるとき、例えば電圧が供給先の電圧と異なったり、発電量がデマンドと異なったりするときは、電源安定化装置４０を介して供給することにより、生成システム１０の側の発電効率を低下させずに発電を行うことができる。
【００２７】
さらに、生成システム１０から供給する温水９に対して発電効率を優先する条件が設定されていれば、協調制御モジュール６１は、第２の接続切替ユニット５０の接続を、各発電モジュール２０の温水生成ユニット（水冷モジュール）２２の給水条件が、最も発電に適した状態になるように、切り替えることができる。
【００２８】
一方、生成システム１０から供給する温水９の条件が優先する設定の場合は、協調制御モジュール６１は、第２の接続切替ユニット５０を、所望の条件の温水９が得られるように切り替え、第１の接続切替ユニット３０を、温水９の生成を優先した状態で各熱電変換ユニット２２から得られる発電効率が最大になるように切り替えることができる。協調制御モジュール６１は、温水９の条件と、発電効率とに適当なスコアを振って、そのスコアが最大になるように第１の接続切替ユニット３０および第２の接続切替ユニット５０を動的に制御してもよい。協調制御モジュール６１は、事前にシミュレーションした結果を用いてもよく、機械学習機能や、人工知能と呼ばれる機能を用いて自律的に、生成システム１０が設置された状態や排気の状態に合致した最大の能力が発揮できる結果を求めるようにしてもよい。
【００２９】
図５に焼却炉を用いた発電システムの例を示している。このシステム７０は、排気通路７５に排気を供給する燃焼装置である焼却炉７１と、排気通路７５に設けられた排ガスボイラー７３と、排ガスボイラー７３の下流に設けられた電力温水生成システム１０と、電力温水生成システム１０からの温水９を含む給水を排ガスボイラーに供給する給水システム７４とを有する。このシステム７０は、焼却炉７１と発電システム７２とを備えた大型設備の例であり、焼却炉７１から排出される約８５０℃の排ガスでボイラー（排ガスボイラー）７３を加熱し蒸気で発電するシステムである。排ガスボイラー７３から排出される２５０℃の排熱を電力温水生成システム１０が利用して温度差発電により発電し、また温水を生成することにより熱回収率を向上できる。この発電システムはコジェネ、コジェネレーションあるいはコンバインドサイクルなどと称されるがエネルギー供給システムであり、焼却炉７１は他の熱源、例えば、燃料電池やガスタービンなどの発電ユニットであってもよい。
【００３０】
図６に、半炭化装置に適用した例を示している。このシステム（半炭化システム、バイオマス利用システム）９０は、排気通路９５に排気を供給する半炭化装置９１と、半炭化装置９１へ蒸気を供給するボイラー９２と、排気通路９５に設けられた電力温水生成システム１０と、ボイラー９２に対し、電力温水生成システム１０からの温水９を含む給水を供給する給水システム９３とを有する。バイオマスの熱利用による装置では、排ガスの脱臭装置９７などの付属装置が必要となる。電力温水生成システム１０により得られた電力を脱臭装置９７の作動に用いることにより、電力供給を不要としたり、電力の消費量を削減することが可能となる。
【００３１】
この電力温水生成システム１０は、発電モジュール２０のサイズを増減したり、数を増減したりすることにより様々な規模のシステムを提供できる。小型の生成システム１０であれば、暖房用の燃焼システムと結合することにより電力と温水とを生成して供給することが可能であり、家庭で使用したり、地震などの被災地で使用したり、様々な目的で使用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１０  電力温水生成システム（発電および温水生成システム）
２０  発電モジュール、  ２１  フィンユニット、  ２２  温水生成ユニット
２３  熱電変換ユニット（熱電変換素子）
３０  第１の接続切替ユニット、  ５０  第２の接続切替ユニット
【図１】
2018007348.tif 000003
【図２】
2018007348.tif 000004
【図３】
2018007348.tif 000005
【図４】
2018007348.tif 000006
【図５】
2018007348.tif 000007
【図６】
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