(57)【要約】【課題】熱電素子モジュールを用いた熱電発電システムにおいて、事業所で使用している商用電源に連係させることが容易になり、地球温暖化ガスの削減に寄与できる熱電発電利用システムの提供を目的とする。【解決手段】熱電素子モジュールからなる発電ユニットと、当該発電ユニットにて得られた直流電力を蓄電する蓄電手段と、当該蓄電手段にて得られた直流電源を昇圧コンバータとＤＣ−ＡＣ相互変換コンバータとの組み合せにて商用交流電圧に変換する交流変換手段とを有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子モジュールからなる発電ユニットと、
当該発電ユニットにて得られた直流電力を蓄電する蓄電手段と、
当該蓄電手段にて得られた直流電源を昇圧コンバータとＤＣ−ＡＣ相互変換コンバータとの組み合せにて商用交流電圧に変換する交流変換手段とを有することを特徴とする熱電発電利用システム。
【請求項２】
前記熱電素子モジュールからなる発電ユニットは、水蒸気の凝縮潜熱を利用するものであることを特徴とする請求項１記載の熱電発電利用システム。
【請求項３】
発電ユニットを複数直列に電気接続することで、所定電圧の直流電源としたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電利用システム。
【請求項４】
直流電源の直流電圧を昇圧コンバータにて所定の直流電圧にて昇圧後にＤＣ−ＡＣ変換コンバータにて商用交流電圧に変換することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電素子モジュールを効率良く利用した熱電発電利用システムに関し、特に水蒸気の凝縮潜熱の利用に有効な熱電発電利用システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
一対の素子間に温度差を設けることでゼーベック効果等が生じ、この効果を利用した熱電素子モジュールの開発が進められている。
例えば、特許文献１はフィン基板を高温ガス側に配置した熱電発電システムを開示し、特許文献２はダクトを流れる高温流体を利用した熱電発電システムを開示する。
しかし、これらに開示する技術は熱源から熱伝導によりエネルギーを取り出すものであって、発電効率が極めて低いものであった。
そこで本出願人は先に、水蒸気の凝縮潜熱を利用した発電システムを提案している（特願２００９−１４４７８７）。
本発明は、この技術をシステムとして利用できるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９１６７０号公報
【特許文献２】特開２００３−２１９６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、熱電素子モジュールを用いた熱電発電システムにおいて、事業所で使用している商用電源に連係させることが容易になり、地球温暖化ガスの削減に寄与できる熱電発電利用システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る熱電発電利用システムは、熱電素子モジュールからなる発電ユニットと、当該発電ユニットにて得られた直流電力を蓄電する蓄電手段と、当該蓄電手段にて得られた直流電源を昇圧コンバータとＤＣ−ＡＣ相互変換コンバータとの組み合せにて商用交流電圧に変換する交流変換手段とを有することを特徴とする。
【０００６】
ここで、熱電素子モジュールは高温側に配置される極板と冷却側に配置される極板の間に熱電変換素子を直列に接続したものであり、１つの熱電素子モジュールでは、出力電圧が小さいので、さらに複数の熱電素子モジュールを直列及び／又は並列に電気接続したものを発電ユニットとして用いた。
【０００７】
本発明では、ボイラーのリターン水蒸気流、各種炉の冷却水から発生した水蒸気流、あるいは、焼却炉の排ガスを冷却するために噴露される水に生じた排ガス混合水蒸気流等の各種水蒸気流中に発電ユニットを配設した場合に、水蒸気の凝縮潜熱を利用できるものの１つの発電ユニットの大きさに寸法上の制限がある。
その場合には、さらに複数の発電ユニットを直列又は並列に用いてもよい。
【０００８】
近年、地球温暖化効果ガスの削減を推進するに当たり、新エネルギーによる発電も促進政策がとられている。
例えば、太陽光発電や熱電発電等の技術を用いて発電する場合に事業所の契約電力の５％以下であれば発電所扱いとはならない場合がある。
そこで本発明にあっては、コンデンサ型蓄電器、充電型各種蓄電池（バッテリー）等の蓄電手段を用いて直流電力を貯え、これらを昇圧コンバータとＤＣ−ＡＣ相互変換コンバータとを組み合せてＡＣ２００Ｖ，３相等の商用交流に変換することで、商用電源に配電盤を経由して連係させたものである。
【０００９】
このような商用電源と組み合せて使用できる具体例としては例えば、冷却水を通水したプレート状の本体を用いて、その表面に、１．５Ｖ出力の熱電素子モジュールを８枚直列に配列したものと、その裏面に８枚直列に配列したものを表裏並列接続した１２Ｖ出力の発電ユニットを用いてそれぞれ蓄電手段にて蓄電し、それらを４つ直列に接続するとＤＣ４８Ｖの電源となる。
これをＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータにてＤＣ２８４Ｖまで昇圧した後にＤＣ−ＡＣパワーコンバータでＡＣ２００Ｖ，３相に変換する例が挙げられる。
なお、商用交流電圧として取り出すことができれば途中の昇圧方法やＤＣとＡＣとの変換方法や順序は問われない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱電発電利用システムにあって、発電ユニットを水蒸気流の中に配置することで蒸気が熱電素子モジュールの一面に接触すると液化し、大きな潜熱をエネルギーとして取り出すことができるだけでなく、液化した周囲の蒸気圧がそれよりも外側の蒸気圧より低くなり、さらに新たな水蒸気が流れ込むので従来の伝導熱の利用に比較すれば飛躍的に利用効率が高くなる。
【００１１】
また、昇圧コンバータとＤＣ−ＡＣ変換コンバータの組み合せにより、商用交流電圧にしたことにより事業所内で使用する商用電力を少なく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る熱電発電利用システムの構成例を示す。
【図２】発電ユニットの構成例を示す。
【図３】ボイラーのリターン蒸気流を利用した例を示す。
【図４】煙突の手前の蒸気流を利用した例を示す。
【図５】焼却炉の冷却水から発生する蒸気流を利用した例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１及び図２に基づいて本発明に係る熱電発電システムの構成例を説明するが、発電ユニットの大きさや蓄電手段の方法や容量等は本実施例に限定されるものではない。
【００１４】
本発明において水蒸気が液化する際に発生する潜熱をエネルギーとしたのは、従来の対流熱伝導を利用する方法がフィン基板を用いる等、大きな伝熱面積を必要とするのに対して、水蒸気流中に熱電素子モジュールを配置する際に蒸気が極板に接触し液化されると、その液化により周囲との間に蒸気圧差が生じ、次々と新しい蒸気が極板の裏面に接触することになり、平面的な蒸気接触でも充分に大きなエネルギーを取り出すことができるからである。
【００１５】
熱電素子モジュール１０を用いた発電ユニット１１の構成例を図２に示す。
アルミ合金等の熱伝導性に優れた金属を用いて、本体１１ａを製作し、その内部に冷却水ＩＮ１１ｂから冷却水ＯＵＴ１１ｃのように冷却水を循環させる。
本体１１ａの表面と裏面の両面には熱電素子モジュール１０を８枚ずつ配置してある。
図２では模式的に示し、配線部分を省略してあるが熱電素子モジュール１０は、冷却側の極板と水蒸気に接する高温側の極板との間に複数の熱電素子を直列的に接続したサンドイッチ構造になっている。
冷却される低温側の極板が本体１１ａの表面に密着配置されている。
【００１６】
図１に示した本実施例では、図２で示した発電ユニット１１を用いて、それぞれ蓄電器Ｃ１〜Ｃ４に蓄電し、それらを４つ直列にした例である。
例えば市販されているビスマス・テルル系熱電素子モジュール８枚を本体１１ａの表面と裏面にそれぞれ直列に配置したものを１つの発電ユニット１１とし、端子電圧１２〜１５Ｖの鉛蓄電池に接続し、直流電流を貯める。
この発電ユニットＵ１〜Ｕ４（１１〜１４）の４つにて貯められた鉛蓄電池Ｃ１〜Ｃ４（２１〜２４）を直列にした場合に４８〜６０Ｖの直流電圧になる。
なお、蓄電手段としては電気二重層キャパシター等のコンデンサであってもよい。
【００１７】
上記直流電圧４８〜６０Ｖを連結手段３０でＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ４０にてＤＣ３２０〜３６０Ｖに昇圧し、これをＤＣ−ＡＣパワーコンバータ５０を用いてＡＣ１００Ｖ単相，ＡＣ２００、Ｖ３相等の商用交流電圧に変換する。
このように変換すると、配電盤６０を介して商用交流電源と連係させることができ、事業所内設備等の電力消費８０に使用することができる。
【００１８】
次に本発明に係る熱電発電利用システムの適用例について説明する。
図３は水蒸気ボイラーのリターン配管１の途中に発電ユニット１１〜１４を取り付けた例である。
水蒸気の流れを左右の矢印で示し、液化した水１ａはドレン回収してもよい。
図４は焼却炉の煙突の手前に発電ユニットを取り付けた例である。
廃棄物等の焼却炉から発生した排ガスに水を噴霧して減温する方法が採用されている場合がある。
このような場合に煙突４から吸引ファン３を介して排出されるガス中には水蒸気が２５〜４０％（１８０〜２２０℃）含まれている。
この水蒸気流途中に発電ユニット１１〜１４を配置することで熱電発電による電気エネルギーとして再利用できる。
図５は焼却炉５の炉壁ジャケットに循環させた冷却水６から発生する蒸気流途中に発電ユニット１１を取り付けた例である。
このように本発明に係るシステムは事業所内で発生する各種蒸気流を熱エネルギーとして用いることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１０      熱電素子モジュール
１１ａ    本体
１１ｂ    冷却水ＩＮ
１１ｃ    冷却水ＯＵＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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