(57)【要約】【課題】ファンの寿命を延ばすことができ、かつ熱電発電装置全体の発電量を高めることができる熱電発電装置を得る。【解決手段】高温部側が熱源流体の流通する配管外周に接合され、高温部と低温部の温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールの低温部側に接合された放熱部材と、熱電変換モジュールの発電電力によって駆動され、放熱部材を冷却するファンと、熱電変換モジュールによる発電電力量に対応する物理量を検出する発電量検出器と、発電量検出器の検出値に応じてファンの駆動を制御するファン駆動制御部とを備える。【選択図】図３
2019097335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温部側が熱源流体の流通する配管外周に接合され、高温部と低温部の温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの低温部側に接合された放熱部材と、
前記熱電変換モジュールの発電電力によって駆動され、前記放熱部材を冷却するファンと、
前記熱電変換モジュールによる発電電力量に対応する物理量を検出する発電量検出器と、
前記発電量検出器の検出値に応じて前記ファンの駆動を制御するファン駆動制御部と
を備える熱電発電装置。
【請求項２】
前記ファン駆動制御部は、前記発電量検出器による前記検出値があらかじめ設定された判定閾値以下の場合には、前記ファンを駆動し、前記検出値が前記判定閾値を超えている場合には、前記ファンを非駆動とする
請求項１記載の熱電発電装置。
【請求項３】
換気口を有し、前記熱電発電装置を覆うように設けられた筐体
をさらに備える請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記ファンは、前記熱電変換モジュールの出力電流により駆動される
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記発電量検出器は、前記放熱部材を冷却するための風の強さを測定する風力検出器よりなる
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記発電量検出器は、前記熱電変換モジュールの低温部側の温度を検出する温度検出器よりなる
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記発電量検出器は、前記熱電変換モジュールの出力電流を検出する電流検出器よりなる
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記ファンが駆動されることにより発生する風により前記放熱部材を冷却する際の冷却効率を向上させる冷却機構をさらに備え、
前記冷却機構は、前記風が前記放熱部材に当たるように導く送風パイプ、または前記ファンが駆動されることにより発生した風を増幅して前記放熱部材に送風する増幅機構により構成されている
請求項１から７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の熱電発電装置において、前記ファン駆動制御部によって実行される熱電発電装置の制御方法であって、
前記ファンを駆動すべきか否かを判断するための判定閾値をあらかじめ記憶部に記憶させておく第１ステップと、
前記発電量検出器の検出値を読み取る第２ステップと、
前記第２ステップで読み取った前記検出値と、前記記憶部に記憶された前記判定閾値とを比較し、前記検出値が前記判定閾値以下の場合には、前記ファンを駆動し、前記検出値が前記判定閾値を超えている場合には、前記ファンを非駆動とするようにファンの駆動制御を実行する第３ステップと
を有する熱電発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温部側と低温部側との温度差を利用して発電を行う熱電発電装置および熱電発電装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高温部側と低温部側との間に熱電モジュールを配置して、温度差により発電する熱電発電装置が知られている。このような熱電発電装置は、低温部側を積極的に冷却することにより、温度差が大きくなり、発電効率を向上させることができる。低温部側の冷却方法としては、水冷方式、複数のファンを用いた空冷方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６４８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
水冷方式は、冷却水を流す配管が必要であり、冷却水自体を冷却する必要もある。このため、水冷方式を用いた熱電発電装置は、設備が大型化しやすいというデメリットがある。
【０００５】
水冷方式に代わる冷却方法として、特許文献１に記載のファンによる空冷方式がある。この特許文献１は、ファンとフィンが一体化されており、広範囲を冷却する場合には、複数台のファンが必要となる。さらに、特許文献１は、ファンを常時駆動し続けることから、ファンの寿命が短いという問題がある。
【０００６】
また、冷却にファンを使用せず、自然空冷で冷却する方法もある。しかしながら、冷却にファンを使用しない熱電発電装置は、冷却にファンを使用するものに比べ、発電効率が悪いという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、要求される発電効率を維持しつつ、ファンの寿命を延ばすことができる熱電発電装置および熱電発電装置の制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱電発電装置は、高温部側が熱源流体の流通する配管外周に接合され、高温部と低温部の温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールの低温部側に接合された放熱部材と、熱電変換モジュールの発電電力によって駆動され、放熱部材を冷却するファンと、熱電変換モジュールによる発電電力量に対応する物理量を検出する発電量検出器と、発電量検出器の検出値に応じてファンの駆動を制御するファン駆動制御部とを備えるものである。
【０００９】
また、本発明に係る熱電発電装置の制御方法は、本発明に係る熱電発電装置において、ファン駆動制御部によって実行される熱電発電装置の制御方法であって、ファンを駆動すべきか否かを判断するための判定閾値をあらかじめ記憶部に記憶させておく第１ステップと、発電量検出器の検出値を読み取る第２ステップと、第２ステップで読み取った検出値と、記憶部に記憶された判定閾値とを比較し、検出値が判定閾値以下の場合には、ファンを駆動し、検出値が判定閾値を超えている場合には、ファンを非駆動とするようにファンの駆動制御を実行する第３ステップとを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電電力量に対応する物理量の検出値に応じてファンの駆動を制御する構成を備えている。この結果、要求される発電効率を維持しつつ、ファンの寿命を延ばすことができる熱電発電装置および熱電発電装置の制御方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱電発電装置の設置環境を示す説明図、および熱電発電装置の拡大図である。
【図２】本発明の実施の形態１における熱電発電装置を示す平面図、および配管との接合部分の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す斜視図であり、筐体に覆われた状態の熱電発電装置を示している。
【図６】本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態３における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態４における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態４における熱電発電装置の別の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の熱電発電装置および熱電発電装置の制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
まず始めに、本発明に係る熱電発電装置の設置環境、および熱電発電装置の概要について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における熱電発電装置の設置環境を示す説明図、および熱電発電装置の拡大図である。本発明に係る熱電発電装置１は、配管のある工場設備１００内において、熱源流体が流通する配管２０の間に設置されている。すなわち、図１中の下段の拡大図に示すように、熱電発電装置１は、配管２０内を流れる流体を熱源として、発電を行う。
【００１４】
図２は、本発明の実施の形態１における熱電発電装置を示す平面図、および配管との接合部分の拡大図である。熱電発電装置１は、高温側の熱伝達媒体２１と低温側の熱伝達媒体２２との間に設けられた熱電変換モジュール２によって、高温部側と低温部側との温度差を利用して発電を行う。低温側には、放熱部材３としてフィンが設けられている。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。また、図４は、本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す平面図である。
【００１６】
図３、図４において、熱電発電装置１は、熱電変換モジュール２、放熱部材３、ファン４、風力検出器５ａ、および配管２０を備えて構成されている。熱電発電装置１は、２００〜２５０Ｗ程度の定格発電を行う。
【００１７】
熱電変換モジュール２は、高温部側が熱源流体（例えば、工場内の製造ラインから排出される高温の水蒸気、等）の流通する配管２０の外周に接合され、高温部と低温部の温度差に応じて発電を行う。熱電変換モジュール２は、例えば、ヒンジ、結束バンド等を用いて熱電発電装置１に接合されている。
【００１８】
放熱部材３は、熱電変換モジュール２の低温部側に接合されている。この放熱部材３は、熱を放出するものとして、例えば、フィン、放熱シート等を用いて構成されている。フィンは、アルミニウム、銅製のものを用いることができる。
【００１９】
ファン４は、放熱部材３を冷却するプロペラタイプ、ブロアタイプ等のファンである。ファン４は、熱電発電装置１で発電された電力を使用し、熱電発電装置１の電力の約２０％に相当する４０Ｗ程度の電力で駆動される。これにより、外部電源が不要になるため、ファン駆動用の電源を配設する必要がなく、設備が簡素化される。
【００２０】
風力検出器５ａは、熱電発電装置１の発電量を検出あるいは推定するための手段である発電量検出器５の一例である。すなわち、本実施の形態１においては、発電量検出器５として、放熱部材３を冷却するための風の強さを常時測定する風力検出器５ａを用いている。
【００２１】
この風力検出器５ａは、放熱部材３を冷却するための風の強さを測定できるものであればよく、風速センサ、風速計等を用いることができる。また、風力検出器５ａの設置箇所は、放熱部材３を冷却するための風の強さを測定できる箇所であれば、問わない。
【００２２】
なお、ファン４は、発電量検出器５の出力に基づいて、ファン駆動制御部（図示せず）によって駆動・非駆動が制御される。この駆動・非駆動は、ファン４を駆動するために必要な電力と、熱電発電装置１の定格発電量を考慮して、ファン駆動制御部によって実行される。具体的には、熱電発電装置１の発電量が定格発電量の８０％以下の場合には、即ち、この例では、１６０Ｗ〜２００Ｗ以下となった場合には、ファン駆動制御部は、ファン４を駆動させて発電量を高め、それ以外は、ファン４を駆動させずに、自然風での冷却を行う。
【００２３】
この例では、概ね風速１ｍ／ｓの風が吹けば、自然風（自然空冷）で定格値発電が行えることを前提とし、それより弱い風速０．８ｍ／ｓ以下の風の場合に、ファン駆動制御部は、ファン４を駆動させる。
【００２４】
図５は、本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を示す斜視図であり、筐体１０に覆われた状態の熱電発電装置１を示している。本実施の形態１における熱電発電装置１は、図５に示すように、換気口１１を有する筐体１０で覆われている。熱電発電装置１を筐体１０で覆うことにより、ファン４から送風された風を逃がすことなく、有効に活用して、放熱部材３の冷却に使用することができ、発電効率が向上する。この場合、ファン４は、風を筐体１０内へ押し出す方式でも、筐体１０内から引き出す方式でもよい。
【００２５】
さらに、熱電発電装置１は、定格発電量を維持するためのリミッタ等が設けられている。そして、自然風が強い場合など、発電量が、定格発電量の１２０％を超える場合には、熱電発電装置１の出力が制限されるように構成されている。
【００２６】
次に、本実施の形態１に係る熱電発電装置１の具体的な動作について説明する。
熱源流体が流通する配管２０から伝導した熱は、熱電変換モジュール２の高温部側に供給される。一方、熱電変換モジュール２の低温部側は、放熱部材３と接している。このため、熱電変換モジュール２の高温部側と低温部側との間に温度差が生じ、発電される。
【００２７】
放熱部材３の冷却には、ファン４または自然空冷が用いられる。風力検出器５ａにより検出された信号が、ファン駆動制御部（図示せず）に送られる。風力検出器５ａによって検出された値（風速）が、０．８ｍ／ｓ以下の場合には、ファン駆動制御部は、ファン４を駆動させて、放熱部材３を冷却する。一方、風力検出器５ａによって検出された値（風速）が、０．８ｍ／ｓを超える場合には、ファン駆動制御部は、ファン４を駆動させずに、自然風によって放熱部材３を冷却する。
【００２８】
なお、自然風が強い場合など、発電量が定格発電量の１２０％を超える場合には、リミッタにより、熱電発電装置１の出力が制限され、定格発電量を大幅に超えないように構成されている。
【００２９】
このような構成を採用することにより、必要なときだけファン４を駆動させることができる。この結果、要求される発電能力を維持しつつ、ファン４の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
以上のように、実施の形態１によれば、発電量に対応した検出値に応じてファンの駆動を制御する構成を備えている。この結果、要求される発電能力を維持しつつ、ファンの寿命を延ばすことができる熱電発電装置を実現できる。
【００３１】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、発電量検出器５として、風力検出器５ａを用いる場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、風力検出器５ａの代わりに、発電量検出器５として、温度検出器５ｂを用いる場合について説明する。
【００３２】
図６は、本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。図６に示すように、本実施の形態２における熱電発電装置１は、熱電変換モジュール２の低温部側に温度検出器５ｂを設けることにより、検出された温度から発電量を推定する。このような温度検出器５ｂとしては、サーモスタットを用いても良い。
【００３３】
この場合、サーモスタットは、ファン駆動制御部と発電量検出器５の双方の機能を兼ねることができる。すなわち、サーモスタットによるサーマル動作を活用することで、発電量検出とファン駆動制御の両方の機能を実現することができる。この結果、設備の簡素化、小型化を可能とした上で、簡単に発電量検出器５を構成することができ、必要なときのみファン４を駆動させることができる。
【００３４】
以上のように、実施の形態２によれば、風力検出器の代わりに温度検出器を用いて発電量に対応した検出値を得る構成を備えている。このような構成によっても、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、温度検出器としてサーモスタットを用いることで、設備の簡素化、小型化をさらに実現できる。
【００３５】
実施の形態３．
先の実施の形態１では、発電量検出器５として、風力検出器５ａを用いる場合について説明した。また、先の実施の形態２では、発電量検出器５として、温度検出器５ｂを用いる場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、風力検出器５ａあるいは温度検出器５ｂの代わりに、発電量検出器５として、電流検出器５ｃを用いる場合について説明する。
【００３６】
図７は、本発明の実施の形態３における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。図７に示すように、本実施の形態３における熱電発電装置１は、電流検出器５ｃを設けることにより、検出された電流値から発電量を測定する。
【００３７】
これにより、本実施の形態３に係る熱電発電装置１は、電流検出器５ｃを用いることで、直接、発電量を測定することができる。このため、ファン駆動制御部は、正確かつ迅速に、必要なときのみ、ファン４を駆動させることができる。
【００３８】
以上のように、実施の形態３によれば、風力検出器あるいは温度検出器の代わりに電流検出器を用いて、発電量に対応した計測値を直接得る構成を備えている。このような構成によっても、先の実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。さらに、電流値を測定することで、正確かつ迅速に発電量を求めることができ、ファンの駆動制御をより高精度に実施することが可能となる。
【００３９】
実施の形態４．
本実施の形態４では、冷却効率を向上させるための送風機構について、具体的に図８、図９による２つの例を用いて説明する。なお、図８、図９においては、発電量検出器５の図示を省略しているが、図３〜図７に示したいずれの構成も採用することができる。
【００４０】
図８は、本発明の実施の形態４における熱電発電装置の構成を示す斜視図である。図８に示した本実施の形態４における熱電発電装置１は、ファン４に、自在に屈曲可能な送風パイプ１２が接続されている。
【００４１】
送風パイプ１２は、放熱部材３に風が当たるように、自在に配置することができる構成となっている。このように、ファン４に対して、自在に屈曲可能な送風パイプ１２を接続することで、放熱部材３に適切な角度から効率よく風を送ることができる。この結果、冷却効率が上がり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００４２】
また、図９は、本発明の実施の形態４における熱電発電装置の別の構成を示す斜視図である。図９に示した本実施の形態４における熱電発電装置１は、ファン４に、風の増幅が可能な増幅機構１３が設けられている。
【００４３】
風の増幅が可能な増幅機構１３を設けることで、ファン４の送風に加えて、ファン４周りの風を引き込んで送風することが可能となる。このため、低い消費電力で、高い風速の風を発生させることができる。この結果、冷却効率が上がり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００４４】
以上のように、実施の形態４によれば、送風パイプあるいは風の増幅機構をファンに取り付ける構成を備えている。この結果、冷却効率および発電効率を向上させることが可能な熱電発電装置を実現できる。
【符号の説明】
【００４５】
１  熱電発電装置、２  熱電変換モジュール、３  放熱部材、４  ファン、５  発電量検出器、５ａ  風力検出器、５ｂ  温度検出器、５ｃ  電流検出器、１０  筐体、１１  換気口、１２  自在に屈曲可能な送風パイプ、１３  風の増幅が可能な機構、２０  熱源流体が流通する配管、２１  熱伝達媒体（高温側）、２２  熱伝達媒体（低温側）、１００  配管のある工場設備。
【図１】
2019097335.tif 000003
【図２】
2019097335.tif 000004
【図３】
2019097335.tif 000005
【図４】
2019097335.tif 000006
【図５】
2019097335.tif 000007
【図６】
2019097335.tif 000008
【図７】
2019097335.tif 000009
【図８】
2019097335.tif 000010
【図９】
2019097335.tif 000011