(57)【要約】【課題】高温鋼材などのような熱源に適用した場合に大きな集熱効果が得られ、熱電素子モジュール１個当たり大きな発電量が得られる熱電発電装置と、これを用いた熱電発電方法を提供する。【解決手段】  熱電発電装置は、前面が熱源と対向する受熱部材１と、該受熱部材１の背面に受熱面２０側を介して接合される１又は２以上の熱電素子モジュール２を有し、受熱部材１は、熱電素子モジュール２の受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有する。また、熱電発電方法は、この熱電発電装置を用い、鉄鋼製造プロセスにおける鋼材を熱源として発電を行う。受熱部材１により大きな集熱効果が得られるので、熱電素子モジュール１個当たり非常に大きな発電量が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面が熱源と対向する受熱部材（１）と、該受熱部材（１）の背面に受熱面（２０）側を介して接合される１又は２以上の熱電素子モジュール（２）を有し、受熱部材（１）が、１又は２以上の熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有する熱電発電装置を用い、
鉄鋼製造プロセスにおける鋼材を熱源として発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。
【請求項２】
表面温度が３００℃以上の鋼材を熱源として発電を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電方法。
【請求項３】
熱電発電装置は、熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電方法。
【請求項４】
熱電発電装置による発電出力をモニタリングし、モニタリングされた発電出力に応じて、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整することを特徴とする請求項３に記載の熱電発電方法。
【請求項５】
熱電発電装置は、受熱部材（１）の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］が、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電発電方法。
【請求項６】
熱電発電装置の受熱部材（１）は、その前面側にフィン（５）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電方法。
【請求項７】
熱電発電装置は、熱源を少なくとも部分的に包囲する受熱部材（１）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱電発電方法。
【請求項８】
熱電発電装置は、熱源を覆うトンネル状又はドーム状の受熱部材（１）を有することを特徴とする請求項７に記載の熱電発電方法。
【請求項９】
熱電発電装置は、受熱部材（１）の前面が黒体処理されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱電発電方法。
【請求項１０】
前面が熱源と対向する受熱部材（１）と、該受熱部材（１）の背面に受熱面（２０）側を介して接合される１又は２以上の熱電素子モジュール（２）を有し、
受熱部材（１）は、１又は２以上の熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有することを特徴とする熱電発電装置。
【請求項１１】
熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする請求項１０に記載の熱電発電装置。
【請求項１２】
発電出力をモニタリングする装置を有し、該装置でモニタリングされた発電出力に応じて熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電装置。
【請求項１３】
受熱部材（１）の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］が、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項１４】
熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）は、受熱部材（１）の背面に直接又はシートを介して接合されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項１５】
受熱部材（１）は、その前面側にフィン（５）を有することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項１６】
熱源を少なくとも部分的に包囲する受熱部材（１）を有することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項１７】
熱源を覆うトンネル状又はドーム状の受熱部材（１）を有することを特徴とする請求項１６に記載の熱電発電装置。
【請求項１８】
受熱部材（１）の前面が黒体処理されていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼製造プロセスにおけるスラブヤードや圧延後の製品ヤードのような、高温の鋼材を長時間保管するヤードにおいて鋼材（廃熱）を熱源として発電するのに好適な熱電発電装置、及びこの装置を用いた熱電発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止を目的として、鉄鋼製造プロセスなどのようなＣＯ２を多量に発生する製造プロセスにおける更なる省エネルギー化が求められている。省エネルギー対策の一つとして廃熱回収があり、特に鉄鋼製造のような大量生産プロセスにおいては、廃熱として捨てられるエネルギーが大きいため、廃熱回収により得られる省エネルギー効果は非常に大きい。
従来、廃熱回収方法の一つとして、熱電素子を用いた廃熱利用熱電発電が知られている。この熱電発電は、ゼーベック効果を利用して温度差から直接電力を回収する方法であり、近年では熱電素子の特性向上により、一部実用化もされている。
【０００３】
しかしながら、例えば鉄鋼製造分野においては、廃熱回収への熱電発電の適用は十分には進んでいない。その理由としては、熱電素子のコストが高いことに加えて、鉄鋼製造プロセスの廃熱自体が安定な熱源として利用しにくいため熱電素子の最適設計ができず、十分な発電効率や稼働率が得られないことが挙げられる。熱電素子の発電効率や稼働率が十分でないと、結果的に単位発電量あたりのコストが嵩むことになり、費用対効果の点で熱電発電の適用が著しく困難になる。
【０００４】
鉄鋼製造プロセスで生じる高温鋼材の廃熱回収を考えた場合、廃熱が安定な熱源として利用できないのは、鋼材温度が材質造り込みを目的として時々刻々と変化することと、鋼材がコイルやシート単位で製造されるバッチプロセスであることが主な理由である。また、製造ライン上で粉塵や蒸気等に晒される場所が多いことによる配置上の制約なども、熱電発電の適用が難しい要因の一つである。
上述の熱源の不安定性に伴う課題を解決するためには、熱電素子１個当たりの発電量増加と、熱電素子の発電効率安定化の両方を検討する必要がある。すなわち、受熱側の伝熱部材を工夫して熱電素子の発電量を増加させ、且つ発電能力を高位で安定に保つことにより、熱電素子の性能を最大限に発揮させることができる。
【０００５】
熱設計における伝熱部材としては、一般にフィンなどが用いられるが、フィンは通常は放冷部材であり、受熱部材として用いるケースは少ない。熱電素子による発電においても、通常は特許文献１，２に示されるように、熱電素子の低温側（冷却側）に放冷部材として用いられる。
一方、熱電素子の高温側（受熱側）に受熱部材を用いる技術も幾つか見受けられる。例えば、特許文献３，４には、熱電素子による熱電冷却（ペルチェ冷却）を行う場合の高温側受熱部材が示されている。但し、熱電発電とは異なり、熱電冷却は外部から投入される電力を用いて吸熱させる方法であり、上記特許文献３，４は、何れも熱電冷却時の吸熱作用を想定した設計となっている。
熱電発電についても、受熱側に受熱部材を用いる方法が幾つか提案されている。例えば、特許文献５〜７には、排ガスダクトにおける排ガスとの接触面積を増やすための受熱フィンが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−８６２１０号公報
【特許文献２】特開平５−３０２９８７号公報
【特許文献３】特開２００５−１８０７９６号公報
【特許文献４】特開平７−２１８０８２号公報
【特許文献５】特開２００２−１９９７６２号公報
【特許文献６】特開平１１−１２２９６０号公報
【特許文献７】特開２００６−２１４３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献５〜７に示される受熱フィンは、熱電素子の受熱面に対して鉛直方向の伝熱を促進する構造となっており、排ガスダクトからの受熱は通常は対流伝熱が主体となるため、排ガスとの接触面積の増加だけで十分な集熱効果が得られる。しかしながら、特許文献５〜７に示される受熱フィンは、受熱が輻射伝熱主体である場合には、十分な集熱効果が得られない。
また、上述したように鉄鋼製造プロセスでは熱源（廃熱）自体の温度変化が大きく、熱源の状態に応じて、受熱が実質的に輻射伝熱だけでなされる領域もあれば、受熱が輻射伝熱と対流伝熱でなされる領域もある。従来技術では、このような熱源の温度変化に対応して、熱電素子の性能を最大限且つ安定的に発揮させることができない。
【０００８】
したがって本発明の目的は、鉄鋼製造プロセスの高温鋼材などのような熱源に適用した場合に大きな集熱効果が得られ、熱電素子モジュール１個当たり大きな発電量が得られる熱電発電装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、熱源の温度変化などに応じて、最適な受熱形態を選択でき、熱電素子の性能を最大限且つ安定的に発揮させることができる熱電発電装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、そのような熱電発電装置を用いた、鉄鋼製造プロセスの鋼材を熱源とする熱電発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、（i）熱電素子モジュールの受熱面よりも大きい有効投影面積を有する受熱部材を、熱電素子モジュールの受熱側に配することにより大きな集熱効果が得られ、面積比増分以上に大きな発電量が得られること、（ii）さらに、その受熱部材の前面にフィンを設けるとともに、装置を熱源に対して進退可能とし、熱源との距離（間隔）を調整できるようにすることにより、熱源の温度変化などに応じて、最適な受熱形態を選択でき、熱電素子の性能を最大限且つ安定的に発揮させることができること、（iii）したがって、そのような熱電発電装置を用いることにより、鉄鋼製造プロセスの高温鋼材を熱源として効率的な熱電発電を行えること、などの事実を見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
【００１０】
［1］前面が熱源と対向する受熱部材（１）と、該受熱部材（１）の背面に受熱面（２０）側を介して接合される１又は２以上の熱電素子モジュール（２）を有し、受熱部材（１）が、１又は２以上の熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有する熱電発電装置を用い、鉄鋼製造プロセスにおける鋼材を熱源として発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。
［2］上記［1］の熱電発電方法において、表面温度が３００℃以上の鋼材を熱源として発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。
【００１１】
［3］上記［1］又は［2］の熱電発電方法において、熱電発電装置は、熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする熱電発電方法。
［4］上記［3］の熱電発電方法において、熱電発電装置による発電出力をモニタリングし、モニタリングされた発電出力に応じて、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整することを特徴とする熱電発電方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの熱電発電方法において、熱電発電装置は、受熱部材（１）の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］が、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することを特徴とする熱電発電方法。
【００１２】
［6］上記［1］〜［5］のいずれかの熱電発電方法において、熱電発電装置の受熱部材（１）は、その前面側にフィン（５）を有することを特徴とする熱電発電方法。
［7］上記［1］〜［6］のいずれかの熱電発電方法において、熱電発電装置は、熱源を少なくとも部分的に包囲する受熱部材（１）を有することを特徴とする熱電発電方法。
［8］上記［7］の熱電発電方法において、熱電発電装置は、熱源を覆うトンネル状又はドーム状の受熱部材（１）を有することを特徴とする熱電発電方法。
［9］上記［1］〜［8］のいずれかの熱電発電方法において、熱電発電装置は、受熱部材（１）の前面が黒体処理されていることを特徴とする熱電発電方法。
【００１３】
［10］前面が熱源と対向する受熱部材（１）と、該受熱部材（１）の背面に受熱面（２０）側を介して接合される１又は２以上の熱電素子モジュール（２）を有し、受熱部材（１）は、１又は２以上の熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有することを特徴とする熱電発電装置。
［11］上記［10］の熱電発電装置において、熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする熱電発電装置。
［12］上記［11］の熱電発電装置において、発電出力をモニタリングする装置を有し、該装置でモニタリングされた発電出力に応じて熱源に対する距離を調整可能としたことを特徴とする熱電発電装置。
【００１４】
［13］上記［10］〜［12］のいずれかの熱電発電装置において、受熱部材（１）の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）の合計の受熱面積［Ａ２］が、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することを特徴とする熱電発電装置。
［14］上記［10］〜［13］のいずれかの熱電発電装置において、熱電素子モジュール（２）の受熱面（２０）は、受熱部材（１）の背面に直接又はシートを介して接合されていることを特徴とする熱電発電装置。
【００１５】
［15］上記［10］〜［14］のいずれかの熱電発電装置において、受熱部材（１）は、その前面側にフィン（５）を有することを特徴とする熱電発電装置。
［16］上記［10］〜［15］のいずれかの熱電発電装置において、熱源を少なくとも部分的に包囲する受熱部材（１）を有することを特徴とする熱電発電装置。
［17］上記［16］の熱電発電装置において、熱源を覆うトンネル状又はドーム状の受熱部材（１）を有することを特徴とする熱電発電装置。
［18］上記［10］〜［17］のいずれかの熱電発電装置において、受熱部材（１）の前面が黒体処理されていることを特徴とする熱電発電装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱電発電装置は、受熱部材（１）により大きな集熱効果が得られるので、そのような部材を有しない従来装置に較べて、熱電素子モジュール１個当たりの発電量を大幅に増やすことができる。このため、単位発電量当たりの設備コストを従来に較べて大幅に低減させることができる。
また、受熱部材（１）の前面にフィン（５）を設けるとともに、熱源に対して進退可能とした装置では、熱源との距離を調整できるようにすることにより、熱源の温度変化などに応じて、最適な受熱形態を選択でき、熱電素子の性能を最大限且つ安定的に発揮させることができる。
また、本発明の熱電発電方法は、従来では殆ど顕熱回収がなされていなかった鉄鋼製造プロセスでの高温鋼材の廃熱を利用して効率的な発電を行うことができ、このためエネルギーの有効利用を図ることができるとともに、一貫製鉄所におけるエネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の熱電発電装置の一実施形態を模式的に示したもので、図１（ア）は平面図、図１（イ）は背面図
【図２】熱電素子による熱電発電時のエネルギー収支を説明するための図面
【図３】熱電素子による熱電発電時のエネルギー収支の内訳を示す図面
【図４】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を模式的に示したもので、図４（ア）は平面図、図４（イ）は背面図
【図５】各種の熱電素子について温度と無次元性能指数ZTとの関係を示すグラフ
【図６】熱源に対して進退可能な本発明の熱電発電装置について、熱源との最適距離を説明するための説明図
【図７】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を模式的に示したもので、図７（ア）は平面図、図７（イ）は背面図
【図８】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を模式的に示したもので、図８（ア）は平面図、図８（イ）は背面図
【図９】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を模式的に示す正面図
【図１０】実施例で用いた実験装置を模式的に示したもので、図１０（ア）は平面図、図１０（イ）は背面図
【図１１】実施例において本発明例の実験装置の発生電力Ｐを示すグラフ
【図１２】実施例において比較例の実験装置の発生電力Ｐを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の熱電発電装置の一実施形態を模式的に示したもので、図１（ア）は平面図、図１（イ）は背面図である。図において、６は熱源（例えば、高温の鋼材）である。
この熱電発電装置は、前面１０が熱源６と対向する受熱部材１と、この受熱部材１の背面１１に受熱面２０側を介して接合される熱電素子モジュール２を有し、受熱部材１は、熱電素子モジュール２の受熱面２０の受熱面積［Ａ２］（但し、熱電素子モジュール２が複数ある場合には、受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］）に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積Ａ１を有する。
ここで、受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］とは、受熱部材１が平板状の場合は、その平板の投影面積であり、受熱部材１が平板状でない場合は、それを平板状に展開した仮想平板の投影面積を指すものとする。
本実施形態では、１つの受熱部材１に対して１つの熱電素子モジュール２が取り付けられた構造となっているが、後述する実施形態のように、１つの受熱部材１に対して２つ以上の熱電素子モジュール２が取り付けられる構造としてもよい。
【００１９】
本実施形態の受熱部材１は、金属製の板材で構成されている。受熱部材１は、通常、本実施形態のように板状に構成されるが、これに限定されるものではない。受熱部材１は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの１種以上の金属で構成される。
熱電素子モジュール２の受熱面２０は、受熱部材１との接触熱抵抗を小さくするため、受熱部材１の背面に直接又はシートを介して接合される。本実施形態では、受熱部材１と熱電素子モジュール２の温度差に伴う熱変形や接触面の微細凹凸などによる接触熱抵抗発生の影響を考慮して、熱電素子モジュール２の受熱面２０は受熱部材１の背面に高熱伝導性のシート３を介して接合されている。一般に、温度差が生じる部材は熱変形や熱応力の発生が懸念されるため、緩衝材として上記のような高熱伝導のシートを介して取り付けることが行われており、例えば、ＣＰＵ冷却フィンなどでも広く用いられている。高熱伝導のシート３は、そのような一般に用いられているものでよい。
熱電素子モジュール２の受熱面２０と受熱部材１との接合方式は、例えば、ボルトなどの締結手段を用いる方式、両面に粘着層を有するシート３を用いる方式、など任意である。
【００２０】
通常、熱電素子モジュールの受熱側に、本発明装置が有するような大きい受熱部材（すなわち、有効投影面積［Ａ１］が受熱面２０の受熱面積［Ａ２］よりも大きい受熱部材）が用いられることはない。その理由の一つとしては、集熱は、放熱と逆側への熱移動であるため伝熱部材内の熱移動が起こりにくく、大きな受熱部材を設けるメリットが得られにくいと考えられてきたことが挙げられる。但し、熱源冷却のように外部から吸熱する場合には、集熱効果が期待できるため、通常はさきに挙げた特許文献３，４のように、熱電冷却用として用いられる。
【００２１】
以上のような従来の考え方や従来技術に対して、熱電発電を行う場合について、本発明者らが検討した結果について説明する。熱電素子による熱電発電時のエネルギー収支は、図２と下記（1）〜（3）に示す式で表される。図２のＴｈは熱電素子の高温側温度、Ｔｃは低温側温度であり、ＴｈとＴｃの温度差ΔＴに応じて、熱電素子の高温側及び低温側それぞれにおいてｑｈ及びｑｃの熱移動が生じ、ｑｈの一部は電力Ｐに変換される。図３は、下記（1）〜（3）に示す式の熱収支の内訳を示したものである。下記（1）の式（a）において、第１項は発電によって生じる熱の移動（ペルチェ吸熱）、第２項は発電時のジュール発熱、第３項は熱電素子そのものによる熱伝導の効果をそれぞれ表している。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
上述したように、高性能な熱電素子ほど熱抵抗が大きい、すなわち熱コンダクタンスＫｅが小さくなるため、上式（a）における第３項の効果（すなわち図３の（i））は小さくなり、熱の移動は起こり難い。しかし、一方で熱電能αｅについては、高性能な熱電素子ほどαｅが大きくなるように設計されているため、上記式（a）の第１項であるペルチェ吸熱の効果（すなわち図３の（ii））が大きい。このペルチェ吸熱の効果は、上記式（a）のように電流I及び熱電素子の高温側温度Ｔｈそれぞれに比例する。発生電流Ｉは熱電素子の高温側温度Ｔｈの１次の関数であるため、ペルチェ吸熱の効果はＴｈの２次のオーダーで大きくなる。すなわち、発生電力が大きいほど吸熱効果も大きくなり、熱電素子受熱面の吸熱を促進する作用があるため、受熱部材による集熱効果が拡大する。したがって、高性能な熱電素子を使用するケースにおいては、熱電冷却（ペルチェ冷却）のみでなく、熱電発電においても、このペルチェ吸熱の作用により、受熱部材による集熱効果が期待できる。
【００２４】
さきに述べたように、鉄鋼製造プロセスで生じる廃熱は温度変化が大きく、特に熱源の表面温度が５００℃を超える程度に高い温度領域では輻射伝熱の影響が大きい。輻射伝熱の場合、有効投影面積により受熱量が変化するため、本発明では、図１に示すように熱電素子モジュール２の受熱面２０の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有する受熱部材１を熱電素子モジュール２の受熱側に設け、受熱量を増加させる。
【００２５】
本発明装置では、受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール２の受熱面２０の受熱面積［Ａ２］（熱電素子モジュール２が複数ある場合には、受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］）の関係は、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足すればよいが、熱電素子モジュール１個当たり大きな発電量を得るには、受熱面積［Ａ２］に対して受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］が十分に大きいことが好ましい。また、受熱面積［Ａ２］に対する受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］が十分に大きくないと、受熱部材１を固定するボルト等による抜熱の影響のために、受熱部材１による集熱効果が十分に得られない可能性もある。このような観点からは、受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］と熱電素子モジュール２の受熱面２０の受熱面積［Ａ２］（熱電素子モジュール２が複数ある場合には、受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］）は、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することが好ましい。
また、受熱部材１と熱電素子モジュール２の受熱面２０が図１に示すような正方形又は矩形の場合には、上記と同様の理由から、受熱部材１の１辺の長さ［Ｘ１］は、熱電素子モジュール２の受熱面２０の１辺の長さ［Ｘ２］の１．５倍以上であることが好ましい。
【００２６】
受熱部材１は前面側（受熱側）にフィンを設けてもよく、このフィンの作用により対流伝熱による集熱効果も得られる。図４は、そのような熱電発電装置の一実施形態を模式的に示したもので、図４（ア）は平面図、図４（イ）は背面図である。
受熱部材１は、板状本体４（本実施形態では平板状の本体）の前面側にフィン５が設けられている。このフィン５は、板状本体４の前面に並列状に突設された複数のプレート５０で構成されている。輻射伝熱のみを考慮すれば、図１の実施形態のようにフィン無しの平板状の受熱部材１でも所定の効果が得られる。しかしながら、前述したように、鉄鋼製造プロセスにおける廃熱の熱源温度は変化し、特に表面温度が低くなるほど対流伝熱による熱移動が主体となってくるため、輻射伝熱による効果のみでは十分な廃熱を回収できなくなる場合もある。このような問題に対して、本実施形態のように受熱部材１の前面にフィン５を設けることにより、対流伝熱による集熱効果も得られるようになる。また、フィンのような凹凸がある場合には、見掛け放射率（＝吸収率）が向上する効果も得られるため、輻射伝熱を考慮する場合においても有効である。フィン５の形状や構造は任意であり、図４に示すような板状のものだけでなく、角棒状のものやピン状のものでも同様の効果が得られる。
【００２７】
熱電発電装置は、熱源に対して進退可能（移動による接近・離間可能）とし、熱源に対する距離を調整できるようにしてもよい。一般に、熱電素子は、その効率を最大化するための適正温度が素子によって決まっている。図５のグラフは、熱電素子の性能を示す無次元性能指数ＺＴ（Ｚ：性能指数）の温度依存性を示すものである。熱電素子は、低温用（１００℃程度）から高温用（７００℃程度）まで様々な種類があるが、図５に示されるように、何れの熱電素子も無次元性能指数ＺＴは特定の温度域でピーク値を取る傾向があり、その温度域以外では無次元性能指数ＺＴが低下して熱電素子の発電効率が低下する。また、各熱電素子には、耐熱性の観点から決まる適用温度の上限もある。したがって、熱電発電装置を熱源に対して進退可能（移動による接近・離間可能）とし、熱源に対する距離を調整できるようにすれば、上述の無次元性能指数ＺＴから計算される発電量Ｐが最大となる位置に装置を配置することができる。また、発生電力Ｐは発電中にモニタリングすることも可能なので、発生電力Ｐの実測値に応じて熱電発電装置の熱源に対する距離を調整し、発生電力Ｐを最大化することも可能である。
【００２８】
したがって、熱電発電装置の発電出力をモニタリングするモニタリング装置と、熱源に対する距離を調整可能とする機構（熱電発電装置の移動機構）を設け、上記モニタリング装置でモニタリングされた発電出力に応じて、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整することが好ましい。例えば、熱電素子の耐熱温度以下での最高発電出力（例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系の熱電素子の場合に２．５Ｗ）を上限値或いは目標値として設定し、モニタリングされた発電出力がその上限値を超えないように、或いは目標値に近づくように、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整するようにしてもよい。また、この調整のために熱電発電装置の位置を初期設定する場合には、発電電力をモニタリングしながら、熱源に対して、熱電発電装置を遠方から接近させていく方法を採ることができる。
【００２９】
また、図４に示すような受熱部材１にフィン５を設けた熱電発電装置を、熱源に対して進退可能（移動による接近・離間可能）とし、熱源に対する距離を調整できるようにすることにより、その熱電発電装置の利点を最大限に発揮させることができる。すなわち、受熱部材１による基本的な受熱は輻射伝熱によるものであるが、熱電発電装置が熱源に近くなると対流伝熱による受熱もなされるようになり、フィン５はこの対流伝熱による受熱に有効な手段となる。したがって、熱源が変わったり、熱源温度が変化するなど受熱環境が変化した場合、熱源に対して熱電発電装置を進退（接近又は離間）させて熱源と熱電発電装置間の距離を調整することにより、輻射伝熱と対流伝熱それぞれによる受熱量を積極的に制御することができる。具体的には、実質的に輻射伝熱のみにより受熱するか、輻射伝熱＋対流伝熱により受熱するかを選択することが可能となり、熱電素子の効率を常に最大化した状態で発電を行うことができる。
【００３０】
熱源に対して進退可能な本発明の熱電発電装置について、熱源が高温の場合と低温の場合における熱源との間隔（距離）調整の考え方を図６に基づいて説明する。熱源（熱源物質）の表面温度が高温（例えば８００℃）の場合、輻射伝熱の効果が大きく、Ｂｉ−Ｔｅ系のような耐熱温度の低い熱電素子ではむしろ受熱面の熱流束が過大になるため、図６（ア）に示すように、熱電発電装置（受熱部材１）と熱源６との間隔を拡げ（間隔ｄ０）、輻射伝熱による受熱量を調整して発生電力Ｐの最大化を図る。一方、熱源（熱源物質）の表面温度が低温（例えば３００℃）の場合、対流伝熱による熱移動を利用するため、図６（イ）に示すように、熱電発電装置（受熱部材１）と熱源との間隔を狭め（間隔ｄ１）、輻射伝熱と対流伝熱により発生電力Ｐの最大化を図る。このように熱源との間隔を調整することで、熱源の温度変化に対して常に高い出力電圧を安定して得ることができる。
【００３１】
さきに述べたように、本発明の熱電発電装置では、１つの受熱部材１に対して２つ以上の熱電素子モジュール２を取り付ける構造としてもよく、例えば、鉄鋼製造プロセス内の熱源の特性を考えた場合、このような構造の方が適している場合が多い。図７及び図８は、そのような熱電発電装置の実施形態を模式的に示したものである。図７は、図１に示すような受熱部材１が平板状のタイプをベースにしたもので、図７（ア）は平面図、図７（イ）は背面図である。また、図８は、図４に示すような受熱部材１がフィン５を有するタイプをベースにしたもので、図８（ア）は平面図、図８（イ）は背面図である。いずれも１つの受熱部材１に対して、複数の熱電素子モジュール２を縦横で等間隔に取り付けた構造となっている。
【００３２】
したがって、このような実施形態では、受熱部材１は、複数の熱電素子モジュール２の受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］に対して、［Ａ１］＞［Ａ２］を満足する有効投影面積［Ａ１］を有する。また、受熱部材１の有効投影面積［Ａ１］と複数の熱電素子モジュール２の受熱面２０の合計の受熱面積［Ａ２］は、［Ａ１］≧［Ａ２］×２．３を満足することが好ましい。さらに、図７（イ）、図８（イ）において仮想線で区画された受熱部材１の部分（正方形の区画部分）の１辺の長さ［Ｘ１］は、各熱電素子モジュール２の受熱面２０の１辺の長さ［Ｘ２］の１．５倍以上であることが好ましい。
【００３３】
本発明の熱電発電装置では、受熱部材１は平板状である必要はなく、種々の形態（形状・構造）を採り得る。その一つとして、熱源を少なくとも部分的に包囲するように設ける形態があり、例えば、熱源を覆うトンネル状又はドーム状の受熱部材１が挙げられる。通常、このような受熱部材１には、複数の熱電素子モジュール２が取り付けられる。
図９は、そのような熱電発電装置の一実施形態を模式的に示す正面図である。この実施形態では、熱源が高温の管体６ａであり、水平に置かれた或いは水平方向に搬送される管体６ａを覆う（管体の周方向において下面側を除いて包囲する）トンネル状又はドーム状の受熱部材１が設けられ、この受熱部材１に複数の熱電素子モジュール２が取り付けられている。受熱部材１は断面弧状でもよいが、熱電素子モジュール２の受熱面２０の取り付けを考慮して、複数の平面を多角形状に組み合わせた断面形状に構成されている。
【００３４】
本発明の熱電発電装置では、受熱部材１の集熱効果を高めるため、受熱部材１の前面を黒体処理することができる。受熱部材１の前面にフィン５が設けられる場合、黒体処理する対象にはこのフィン５も含まれる。この黒体処理により輻射伝熱による吸熱量が増加する。黒体処理は、通常、黒体塗料を塗布することによりなされる。
一般に放射率ε＝１の完全な黒体塗料は存在しないが、特に受熱部材１がフィン５を有する場合には、さきに述べた見掛け放射率向上効果も得られるため、完全な黒体と見なせる程度に受熱量が向上する。
【００３５】
本発明の熱電発電装置が適用される熱源のうち、鉄鋼製造プロセス内の代表的な熱源としては高温の鋼材があり、例えば、スラブヤード内に搬入された或いは搬入途中のスラブ（鋳片）、熱間加工後に製品ヤードに搬入された或いは搬入途中の製品（例えば、熱延コイル、管体、厚板など）などが挙げられる。また、本発明の熱電発電装置は、鉄鋼製造プロセス以外の熱源（廃熱源）にも適用可能である。
したがって、本発明の熱電発電方法では、上述したような本発明の熱電発電装置を用い、鉄鋼製造プロセスにおける鋼材を熱源として発電を行う。このように本発明の熱電発電装置を用い、上記のような鉄鋼製造プロセスにおける高温（常温を超える温度）の鋼材を熱源として熱電発電を行うことにより、従来では殆ど顕熱回収がなされていなかった鉄鋼製造プロセスでの高温鋼材の廃熱を利用して効率的な発電を行うことができ、このためエネルギーの有効利用を図ることができるとともに、一貫製鉄所におけるエネルギー効率を向上させることができる。
【００３６】
その場合、さきに述べたように、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整できるようにすることが好ましく、さらに、熱電発電装置による発電出力をモニタリングし、モニタリングされた発電出力に応じて、熱源に対する熱電発電装置の距離を調整することが好ましい。
ここで、熱源となる鋼材の表面温度は３００℃以上であることが好ましい。鋼材の表面温度が３００℃未満では効率よく発電するのが難しく、受熱部材１やフィン５を過大な大きさにする必要が生じる。
【実施例】
【００３７】
高温鋼材のような熱源を想定して、図１０に示すような本発明例の実験装置を用いた実験を行った。図１０（ア）は実験装置の平面図、図１０（イ）は実験装置の背面図である。鋼板７（板厚：５ｍｍ、サイズ：５００ｍｍ×５００ｍｍ）の背面をセラミックヒータ８で加熱したものを熱源６とし、鋼板温度（平均温度）を３２５℃で一定に保持した。本発明例の実験装置は、前面１０にフィン５を備えた銅製の受熱部材１と、その背面１１に受熱面２０側を介して接合されたＢｉ−Ｔｅ系熱電素子モジュール２からなる。受熱部材１は１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形で有効投影面積［Ａ１］が１００ｃｍ２の板材あり、前面にフィン５を有するとともに、このフィン５を含めた前面（受熱面）に黒体塗料を均一に塗布してある。Ｂｉ−Ｔｅ系熱電素子モジュール２の受熱面２０は、４５ｍｍ×５０ｍｍの正方形で受熱面積［Ａ２］が２２．５ｃｍ２である。この受熱面２０を厚さ２ｍｍの高熱伝導シート３を介して受熱部材１の裏面１１に接合した。この実験では、実験装置と熱源６との間隔（距離）ｄを２００ｍｍ、５０ｍｍ、１０ｍｍの３段階に変化させ、装置に抵抗負荷を接続して発生電力の測定を行った。
また、比較例として、受熱部材１を有しない以外は上記と同じ構成を有する実験装置を用い、本発明例の実験装置と同様の実験を行い、発生電力の測定を行った。
【００３８】
図１１は本発明例の実験装置による発生電力Ｐの測定結果を、図１２に比較例の実験装置による発生電力Ｐの測定結果を、それぞれ示す。各グラフには、横軸を電流Ｉとして、それぞれ熱源６との間隔（距離）ｄ毎の発生電力Ｐを示してある。これによれば、図１２に示される比較例の装置の発生電力に対して、図１１に示される本発明例の装置の発生電力は約１０倍になっており、極めて大きい集熱効果が得られていることが判る。特に、ｄ＝５０ｍｍよりも短い間隔での発生電力Ｐの上昇は、受熱部材１のフィン５を介した対流伝熱による影響が大きいものと考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
１  受熱部材
２  熱電素子モジュール
３  シート
４  板状本体
５  フィン
６  熱源
６ａ  管体
１０  前面
１１  背面
２０  受熱面
５０  プレート
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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