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Title:
THERMOELECTRIC POWER GENERATOR AND POWER GENERATING SYSTEM USING THERMOELECTRIC POWER GENERATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/041020
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is a thermoelectric power generator which can efficiently perform thermoelectric conversion (power generation) from a fluid having a temperature difference, with easy maintenance and a small space required, for stably supplying power at low cost compared with conventional generators. A power generating system using such thermoelectric generator is also provided. In a thermoelectric element (27), P-type thermoelectric semiconductor elements and N-type thermoelectric semiconductor elements are alternately arranged in parallel. The thermoelectric element is sealed in a heat conductive plate (30) to be sandwiched by an electrode and an insulator, and a plate-like thermoelectric power generating unit (31) is formed. A plurality of plate-like thermoelectric power generating units are laminated, and first spaces (32) wherein a high-temperature fluid (W) circulates and second spaces (33) wherein a low-temperature fluid (C) circulates are alternately formed between the plate-like thermoelectric power generating units. By gathering openings formed on the plate-like thermoelectric power generating units (31), a first inflow channel (34) and a first outflow channel (35) for flowing in and out the high-temperature fluid (W) to and from the first spaces (32), and a second inflow channel and a second outflow channel for flowing in and out the low-temperature fluid (C) to and from the second space (33) are formed.

Inventors:
AWASHIMA YUJI (JP)
YOSHIMOTO HARUKI (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/002627
Publication Date:
April 02, 2009
Filing Date:
September 24, 2008
Export Citation:
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Assignee:
IHI MARINE UNITED INC (JP)
AWASHIMA YUJI (JP)
YOSHIMOTO HARUKI (JP)
International Classes:
H02N11/00
Foreign References:
JPS61175845U1986-11-01
JP2005260155A2005-09-22
JPH05340342A1993-12-21
JPH02238104A1990-09-20
JP2006271163A2006-10-05
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
patent firm YAMADA PATENT OFFICE (5-3 Uchikanda 3-chom, Chiyoda-ku Tokyo 47, JP)
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Claims:
 P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とを交互に並設した熱電素子を、電極及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレート内に封入することにより、プレート状熱電発電ユニットを形成し、
  該プレート状熱電発電ユニットを複数枚積層し、該各プレート状熱電発電ユニット間に、高温流体が流通する第一空間と、低温流体が流通する第二空間とを、該高温流体と低温流体とが混合しないよう前記各プレート状熱電発電ユニットを境にして交互に形成し、
  前記各プレート状熱電発電ユニットに形成された開口を連ねることにより、前記第一空間に対し高温流体を流入出させる第一流入路と第一流出路とを形成すると共に、前記第二空間に対し低温流体を流入出させる第二流入路と第二流出路とを形成した熱電発電装置。
 前記高温流体として海洋表面の温海水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として深海の冷海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
 前記高温流体として発電用の蒸気タービンを駆動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
 前記高温流体として各種プラントから排出される蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記低温流体として海水を第二空間へ導くようにした請求項1記載の熱電発電装置を用いた発電システム。
Description:
熱電発電装置及び該熱電発電装 を用いた発電システム

 本発明は、熱電発電装置及び該熱電発電 置を用いた発電システムに関するものであ 。

 従来より、海洋表面の温海水と深海の冷 水との温度差を利用する発電システムは、 然エネルギーを活用する技術として注目さ ている。

 この種の海洋温度差発電システムは、図1 に示される如く、海洋表面の温海水を汲み上 げる温海水ポンプ1と、該温海水ポンプ1で汲 上げられた温海水の熱によりアンモニア/水 の混合液体を蒸発させる蒸発器2と、該蒸発 2で蒸発したアンモニア/水の混合液体をアン モニア水とアンモニア/水の蒸気とに分離す 気液分離器3と、該気液分離器3で分離された アンモニア/水の蒸気が導入される第一ター ン4と、該第一タービン4によって回転駆動さ れる第一発電機5と、前記第一タービン4から 出されるアンモニア/水の蒸気の一部が抽気 されて導入される加熱器6と、前記第一ター ン4から排出されるアンモニア/水の蒸気の残 りが導入される第二タービン7と、該第二タ ビン7によって回転駆動される第二発電機8と 、前記気液分離器3で分離されたアンモニア を冷却する再生器9と、該再生器9で冷却され たアンモニア水を減圧する減圧弁10と、該減 弁10で減圧されたアンモニア水により前記 二タービン7から排出される混合蒸気を吸収 る吸収器11と、該吸収器11で吸収しきれない 混合蒸気を冷却するための凝縮器12と、該凝 器12で凝縮しきれない混合蒸気を冷却して 全凝縮させるアフターコンデンサ13と、深海 から冷海水を汲み上げる冷海水ポンプ14と、 記凝縮器12及びアフターコンデンサ13で凝縮 したアンモニア水を貯留する第一タンク15と 該第一タンク15に貯留されたアンモニア水 圧送して前記加熱器6へ導く第一作動流体ポ プ16と、該第一作動流体ポンプ16で圧送され 前記加熱器6で加熱されたアンモニア/水の混 液体を貯留する第二タンク17と、該第二タ ク17に貯留されたアンモニア/水の混合液体 圧送して前記再生器9へ導く第二作動流体ポ プ18とを備えてなる構成を有している。

 前記海洋温度差発電システムにおいては 第二タンク17に貯留されたアンモニア/水の 合液体が第二作動流体ポンプ18により再生 9を経て蒸発器2に送られると共に、該蒸発器 2には温海水ポンプ1によって海洋の表層の温 水が送り込まれ、前記アンモニア/水の混合 液体は蒸発器2において蒸発し、アンモニア/ の気液混相状態になり、該気液混相状態の ンモニア/水は、気液分離器3でアンモニア とアンモニア/水の蒸気とに分離され、該ア モニア/水の混合蒸気は第一タービン4に導 されて、該第一タービン4を回転駆動し、第 発電機5により発電が行われ、前記第一ター ビン4から排出される混合蒸気はその一部が 気されて加熱器6に入り、残りは第二タービ 7に導入され、第二発電機8が回転駆動され 発電が行われる。

 一方、前記気液分離器3で分離されたアン モニア水は、前記再生器9において前記アン ニア/水の混合液体により冷却された後、減 弁10を通って吸収器11に入り、該吸収器11に いて前記第二タービン7から排出される混合 蒸気を吸収し、そこで吸収しきれない混合蒸 気は凝縮器12に入り、深海から冷海水ポンプ1 4により汲み上げられた冷海水によって冷却 凝縮され、液体に戻り、第一タンク15に貯留 され、第一作動流体ポンプ16によって加熱器6 へ圧送され、該加熱器6において、前記第一 ービン4から排出されて抽気されるアンモニ /水の蒸気の一部により加熱され、第二タン ク17に貯留され、該第二タンク17に貯留され アンモニア/水の混合液体が再び前記第二作 流体ポンプ18により再生器9を経て蒸発器2に 送られ、この作動を繰り返し行うことで、海 水のみで発電し続けるようになっている。

 尚、図1に示されるような海洋温度差発電 システムの一般的技術水準を示すものとして は、例えば、特許文献1がある。

 一方、図2に示される如く、石炭や石油等の 燃料をボイラ19で燃焼させて蒸気を発生させ 該蒸気により蒸気タービン20を回転駆動し 発電機21により発電を行う火力発電プラント 、或いは、ウランの原子炉圧力容器22内での 分裂エネルギーを利用して蒸気発生器23で 気を発生させ、該蒸気により蒸気タービン20 を回転駆動して発電機21により発電を行う原 力発電プラントにおいては、前記蒸気ター ン20を回転駆動した後の蒸気を復水器24で冷 却水としての海水により冷却し、凝縮させた 水を循環させるようになっている。

特開平5-340342号公報

 しかしながら、図1に示されるような海洋 温度差発電システムでは、蒸発器2、第一タ ビン4、第一発電機5、加熱器6、第二タービ 7、第二発電機8、再生器9、凝縮器12、第一作 動流体ポンプ16、第二作動流体ポンプ18等の 器が必要で、全体として構造が非常に複雑 なり、コストアップが避けられず、しかも 回転部分が多く定期的なメンテナンスも不 欠で、ほとんど実用化されていないのが現 であった。

 一方、図2に示されるような発電プラント では、熱エネルギー回収装置が大規模となる こともあり、復水器24において蒸気から熱を って昇温した冷却水としての海水は、その ま海へ排水され、熱エネルギーの回収はほ んど行われていなかった。

 このように、前述の如き海洋温度差発電 ステムや発電プラントにおいては、温度差 ネルギーを効率良く回収できる装置の開発 望まれていた。

 本発明は、斯かる実情に鑑み、温度差が る流体から効率良く熱電変換(発電)するこ ができ、メンテナンスが容易で、必要スペ スが小さく、従来装置よりも安価で安定し 電力供給を行い得る熱電発電装置及び該熱 発電装置を用いた発電システムを提供しよ とするものである。

 本発明は、P型熱電半導体素子とN型熱電半 体素子とを交互に並設した熱電素子を、電 及び絶縁体を介して挟持するよう伝熱プレ ト内に封入することにより、プレート状熱 発電ユニットを形成し、
  該プレート状熱電発電ユニットを複数枚 層し、該各プレート状熱電発電ユニット間 、高温流体が流通する第一空間と、低温流 が流通する第二空間とを、該高温流体と低 流体とが混合しないよう前記各プレート状 電発電ユニットを境にして交互に形成し、
  前記各プレート状熱電発電ユニットに形 された開口を連ねることにより、前記第一 間に対し高温流体を流入出させる第一流入 と第一流出路とを形成すると共に、前記第 空間に対し低温流体を流入出させる第二流 路と第二流出路とを形成した熱電発電装置 かかるものである。

 上記手段によれば、以下のような作用が られる。

 前記第一流入路から第一空間に対し高温 体を流入させて第一流出路から流出させる 共に、前記第二流入路から第二空間に対し 温流体を流入させて第二流出路から流出さ ると、プレート状熱電発電ユニットの伝熱 レート内に封入されたP型熱電半導体素子と N型熱電半導体素子とを交互に並設してなる 電素子において、前記高温流体と低温流体 の間の温度差により熱エネルギーが電気エ ルギーに変換され起電力が発生し、効率良 発電が行われることとなる。

 一方、前記熱電発電装置を用い、前記高 流体として海洋表面の温海水を第一空間へ くと共に、前記低温流体として深海の冷海 を第二空間へ導くようにして発電システム 構成することができ、このようにすると、 来の海洋温度差発電システムと異なり、蒸 器、第一タービン、第一発電機、加熱器、 二タービン、第二発電機、再生器、凝縮器 第一作動流体ポンプ、第二作動流体ポンプ の機器を一切設けなくて済み、全体として 造が大幅に簡略化され、コストアップが避 られ、しかも、稼動部がなくメンテナンス 面倒でなくなり、海洋温度差発電システム 実用化が可能となる。

 又、前記熱電発電装置を用い、前記高温 体として発電用の蒸気タービンを駆動した の蒸気を第一空間へ導くと共に、前記低温 体として海水を第二空間へ導くようにして 電システムを構成することもでき、このよ にすると、従来の発電プラントのように、 水器において蒸気から熱を奪って昇温した 却水としての海水をそのまま海へ排水する とは異なり、熱エネルギーを効率良く回収 て発電することが可能となる。

 更に、前記熱電発電装置を用い、前記高 流体として各種プラントから排出される蒸 又は高温水を第一空間へ導くと共に、前記 温流体として海水を第二空間へ導くように て発電システムを構成することもでき、こ ようにすると、各種プラントにおいて、熱 ネルギーを効率良く回収して発電すること 可能となる。

 本発明の熱電発電装置によれば、温度差 ある流体から効率良く熱電変換(発電)する とができ、メンテナンスが容易で、必要ス ースが小さく、従来装置よりも安価で安定 た電力供給を行い得るという優れた効果を し得る。

 又、本発明の熱電発電装置を用い、前記 温流体として海洋表面の温海水を第一空間 導くと共に、前記低温流体として深海の冷 水を第二空間へ導くようにして発電システ を構成すれば、全体として構造を簡略化し 、コストアップを回避でき、しかも、稼動 がなくメンテナンスも容易で、海洋温度差 電システムの実用化に寄与し得るという優 た効果を奏し得る。

 更に又、本発明の熱電発電装置を用い、 記高温流体として発電用の蒸気タービンを 動した後の蒸気を第一空間へ導くと共に、 記低温流体として海水を第二空間へ導くよ にして発電システムを構成すれば、発電プ ントにおいて、今まで海に棄てられていた エネルギーを効率良く回収して発電し得、 駄をなくすことができるという優れた効果 奏し得る。

 更に、本発明の熱電発電装置を用い、前 高温流体として各種プラントから排出され 蒸気又は高温水を第一空間へ導くと共に、 記低温流体として海水を第二空間へ導くよ にして発電システムを構成すれば、各種プ ントにおいて、熱エネルギーを効率良く回 して発電し得、無駄をなくすことができる いう優れた効果を奏し得る。

従来の海洋温度差発電システムの一例 示す構成図である。 従来の発電プラントの一例を示す構成 である。 本発明の実施例の熱電発電装置を示す 視図である。 本発明の実施例の熱電発電装置を示す 面図であって、図3のIV-IV断面相当図である 本発明の実施例の熱電発電装置を示す 面図であって、図3のV-V断面相当図である。 本発明の実施例の熱電発電装置を示す 部拡大断面図であって、図4のVI部相当図で る。 本発明の実施例の熱電発電装置におけ 第一空間と高温流体の流れを示す概略図で って、図4及び図5のVII-VII矢視相当図である 本発明の実施例の熱電発電装置におけ 第二空間と低温流体の流れを示す概略図で って、図4及び図5のVIII-VIII矢視相当図であ 。 本発明の実施例の熱電発電装置を海洋 度差発電システムに用いた場合の構成図で る。 本発明の実施例の熱電発電装置を発電 プラントに用いた場合の構成図である。

符号の説明

 20  蒸気タービン
 25  P型熱電半導体素子
 26  N型熱電半導体素子
 27  熱電素子
 28  電極
 29  絶縁体
 30  伝熱プレート
 31  プレート状熱電発電ユニット
 32  第一空間
 33  第二空間
 34  第一流入路
 35  第一流出路
 36  第二流入路
 37  第二流出路
 38  熱電発電装置
 39  モータ
 40  温海水ポンプ
 41  モータ
 42  冷海水ポンプ
 43  モータ
 44  海水ポンプ
  W  高温流体
  C  低温流体

 以下、本発明の実施例を図面を参照して説 する。
 図3~図8は本発明の実施例であって、P型熱電 半導体素子25とN型熱電半導体素子26とを交互 並設した熱電素子27を、電極28及び絶縁体29 介して挟持するよう伝熱プレート30内に封 することにより、プレート状熱電発電ユニ ト31を形成し、該プレート状熱電発電ユニッ ト31を複数枚積層し、該各プレート状熱電発 ユニット31間に、高温流体Wが流通する第一 間32と、低温流体Cが流通する第二空間33と 、該高温流体Wと低温流体Cとが混合しないよ う前記各プレート状熱電発電ユニット31を境 して交互に形成し、前記各プレート状熱電 電ユニット31に形成された開口を連ねるこ により、前記第一空間32に対し高温流体Wを 入出させる第一流入路34と第一流出路35とを 成すると共に、前記第二空間33に対し低温 体Cを流入出させる第二流入路36と第二流出 37とを形成し、熱電発電装置38を構成したも である。

 本実施例の場合、前記第一流入路34は、 7に示す如く、前記各プレート状熱電発電ユ ット31の右上隅に、又、前記第一流出路35は 前記各プレート状熱電発電ユニット31の右下 にそれぞれ形成し、前記第一流入路34から 入する高温流体Wが前記第一空間32内で上方 ら下方へ向かい略台形形状をなして流通し 前記第一流出路35へ流出するようにし、一方 、前記第二流入路36は、図8に示す如く、前記 各プレート状熱電発電ユニット31の左下隅に 又、前記第二流出路37は前記各プレート状 電発電ユニット31の左上隅にそれぞれ形成し 、前記第二流入路36から流入する低温流体Cが 前記第二空間33内で下方から上方へ向かい略 形形状をなして流通し、前記第二流出路37 流出するようにしてある。但し、前記第一 入路34及び第一流出路35、前記第二流入路36 び第二流出路37を形成する位置や、前記高温 流体W及び低温流体Cが流通する方向は、図7及 び図8に示す例に限定されず、状況に応じて 定し得ることは言うまでもない。

 又、前記P型熱電半導体素子25とN型熱電半導 体素子26とを用いる熱電素子27の性能は、熱 性能指数Z[K -1 ]
  Z=α 2 ・σ/λ
  但し、α:ゼーベック係数[V/K]
        σ:導電率[S/m]
        λ:熱伝導率[W/mK]
で決まるため、ゼーベック係数αと導電率σ 大きく、熱伝導率λの小さい材質を選定する ことが有効となり、前記P型熱電半導体素子25 及びN型熱電半導体素子26としては、例えば、 Bi(ビスマス)-Te(テルル)系のものを使用するこ とが有効となる。

 次に、上記実施例の作用を説明する。

 前記熱電発電装置38においては、前記第 流入路34から第一空間32に対し高温流体Wを流 入させて第一流出路35から流出させると共に 前記第二流入路36から第二空間33に対し低温 流体Cを流入させて第二流出路37から流出させ ると、プレート状熱電発電ユニット31の伝熱 レート30内に封入されたP型熱電半導体素子2 5とN型熱電半導体素子26とを交互に並設して る熱電素子27において、前記高温流体Wと低 流体Cとの間の温度差により熱エネルギーが 気エネルギーに変換され起電力が発生し、 率良く発電が行われることとなる。

 尚、前記熱電発電装置38のプレート状熱 発電ユニット31において発電された電力は、 電極28に接続された端子(図示せず)から外部 取り出される。

 又、前記熱電発電装置38のプレート状熱 発電ユニット31は分解できるため清掃が完全 にでき、メンテナンスが容易に行える上に、 プレート状熱電発電ユニット31の枚数を増減 ることで容量の調節も可能となる。

 こうして、温度差がある流体から効率良 熱電変換(発電)することができ、メンテナ スが容易で、必要スペースが小さく、従来 置よりも安価で安定した電力供給を行い得 。

 図9は本発明の実施例の熱電発電装置を海 洋温度差発電システムに用いた場合の構成図 であって、図中、図3~図8と同一の符号を付し た部分は同一物を表わしており、前記高温流 体Wとして海洋表面の温海水を、モータ39によ って駆動される温海水ポンプ40により前記熱 発電装置38の第一流入路34から第一空間32へ くと共に、前記低温流体Cとして深海の冷海 水を、モータ41によって駆動される冷海水ポ プ42により前記熱電発電装置38の第二流入路 36から第二空間33へ導くようにして発電シス ムを構成したものである。

 図9に示す例のように構成すると、図1に されるような従来の海洋温度差発電システ と異なり、蒸発器2、第一タービン4、第一発 電機5、加熱器6、第二タービン7、第二発電機 8、再生器9、凝縮器12、第一作動流体ポンプ16 、第二作動流体ポンプ18等の機器を一切設け くて済み、全体として構造が大幅に簡略化 れ、コストアップが避けられ、しかも、稼 部がなくメンテナンスも面倒でなくなり、 洋温度差発電システムの実用化が可能とな 。

 図10は本発明の実施例の熱電発電装置を 電プラントに用いた場合の構成図であって 図中、図3~図8と同一の符号を付した部分は 一物を表わしており、前記高温流体Wとして 電用の蒸気タービン20を駆動した後の蒸気 、前記熱電発電装置38の第一流入路34から第 空間32へ導くと共に、前記低温流体Cとして 水を、モータ43によって駆動される海水ポ プ44により前記熱電発電装置38の第二流入路3 6から第二空間33へ導くようにして発電システ ムを構成したものである。

 図10に示す例のように構成すると、図2に される従来の発電プラントのように、復水 24において蒸気から熱を奪って昇温した冷 水としての海水をそのまま海へ排水するの は異なり、熱エネルギーを効率良く回収し 発電することが可能となる。

 更に、前記熱電発電装置38を用い、前記 温流体Wとして各種プラント(図示せず)から 出される蒸気又は高温水を第一流入路34から 第一空間32へ導くと共に、前記低温流体Cとし て海水を第二流入路36から第二空間33へ導く うにして発電システムを構成することもで 、このようにすると、各種プラントにおい 、熱エネルギーを効率良く回収して発電す ことが可能となる。

 尚、本発明の熱電発電装置及び該熱電発 装置を用いた発電システムは、上述の実施 にのみ限定されるものではなく、本発明の 旨を逸脱しない範囲内において種々変更を え得ることは勿論である。




 
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