Thermoelectric generator

本発明は、電気的に互いに接続された多数の熱電対を備え、この熱電対が流入する熱流を収容する高温側と、この高温側から離隔して設けられた低温側との間に配置されている、熱電発電機に関する。

熱電発電機として運転される熱電素子は、ゼーベック効果に従って電圧を供給する。 たいていの場合、多数の熱電対が互いに接続されて１つの熱電素子を形成している。 熱電発電機は１個または複数の熱電素子を備え、この複数の熱電素子は電気的に直列におよび／または並列に接続されている。 熱電素子で利用される熱電電圧は温度に依存し、数マイクロボルトの範囲内で変動する。 若干の合金が所定の温度でのその特性によって熱電対として価値が認められ、それによって−２７０〜２６００℃の温度範囲にわたって多彩な熱電材料組み合わせ（熱電対）が形成された。 この多彩さは規格で表され、定義された。 熱電素子に関する現在有効な国際規格はＩＥＣ５８４−１であり、ドイツ語の地域の補完的な規格はＤＩＮ ＥＮ ６０５８４部分１である。 この規格は異なる１０の熱電材料組み合わせの特性を定義する。

種類／識別文字 合金
Ｋ ニッケル−クロム／ニッケル−アルミニウム
Ｔ 銅／銅−ニッケル
Ｊ 鉄／銅−ニッケル
Ｎ ニッケル−クロム−シリコン／ニッケル−シリコン
Ｅ ニッケル−クロム／銅−ニッケル
Ｒ プラチナ−１３％ロジウム／プラチナ
Ｓ プラチナ−１０％ロジウム／プラチナ
Ｂ プラチナ−３０％ロジウム／プラチナ

ドイツ国で適用される他の規格は、熱電種類ＵとＬを定義するＤＩＮ４３７１０である。 しかし、この規格はもはや有効ではない。

Ｕ 銅／銅−ニッケル
Ｌ 鉄／銅−ニッケル

上記の熱電対のほかに、特別な特性を有する他の組み合わせが存在する。 一例は２６００℃までの可能な温度範囲を有するタングステン／タングステン−レニウム組み合わせである。

熱電素子の熱電対のための伝導性の材料として、特にｐ−ドープ型半導体材料およびｎ−ドープ型半導体材料、たいていの場合ビスマス−酸化テルル鉱Ｂｉ _２ Ｔｅ _３が適している。 さらに、次の表１．１と１．２に記載したｐ−ドープ型化合物およびｎ−ドープ型化合物が適している。

表１．１：最良の熱電特性を有するｐ型化合物Ｔ（Ｋ） 化合物ｐ型 Ｚ（１／Ｋ）
２２５ ＣｓＢｉ _４ Ｔｅ _６ ：Ｓｂｌ _３ （０．０５％） ３．５−１０ ^−３
３００ （Ｓｂ _２ Ｔｅ _３ ） _７２ Ｂｉ _２ Ｔｅ _３ ） _２５
（Ｓｂ _２ Ｓｅ _３ ） _３ ３．４−１０ ^−３
５００ Ｔｌ _９ ＢｉＴｅ _６ ２．３−１０ ^−３
７００ ＧｅＴｅ _１−Ｘ （ＡｇＳｂＴｅ _２ ） _Ｘ ３．０−１０ ^−３
１２００ Ｓｉ _０．８５ Ｇｅ _０．１５ ：Ｂ ６．７−１０ ^−４

表１．２：最良の熱電特性を有するｎ型化合物Ｔ（Ｋ） 化合物ｎ型 Ｚ（１／Ｋ）
８０ Ｂｉ _０．８５ Ｓｂ _０．１５ ６．５−１０ ^−３
３００ （（Ｓｂ _２ Ｔｅ _３ ） _５ Ｂｉ _２ Ｔｅ _３ ） _９０
（Ｓｂ _２ Ｓｅ _３ ） _５ ３．２−１０ ^−３
４５０ Ｂｉ _２ Ｔｅ _２．７ Ｓｅ _０．３ ２．８−１０ ^−３
８００ Ｐｂ _０．７５ Ｓｎ _０．２５ Ｓｅ ＞１．２５−１０ ^−３
１２００ Ｓｉ _０．８５ Ｇｅ _０．１５ ：Ｐ ８．３−１０ ^−４

熱電発電機として運転される熱電素子は通常、特にセラミックス製の２枚の薄い熱伝導性板を有し、この板の間に、伝導性の異なる材料、特に半導体材料からなる小さな直方体が交互にはんだ付けされている。 異なる各々２つの直方体は直列回路を生じるように互いに接続されている。 両板の一方は流入する熱流を収容し（以下、熱電素子の高温側と呼ぶ）、他方の板は流出する熱流を放出する（以下、熱電素子の低温側と呼ぶ）。

板の間に配置された従来の熱電素子のほかに、特に、特許文献１から知られているような薄層型熱電素子を使用することができる。 この薄層型熱電素子も高温側と低温側を有する。

熱から電気エネルギーへの直接変換は公知の熱電発電機によって可能である。 この場合、金属の代わりに半導体材料が使用され、従来の熱電素子と比べて効率を大幅に上昇させることができる。 それでも、現在提供される熱電発電機はまだ効率が比較的に低い。 その効率はカルノー効率の数分の１（約１７％）にすぎない。

さらに、特許文献２によって、太陽放射線から電気エネルギーを発生するための装置が知られている。 この場合、従来の光起電力装置と異なり、太陽放射線は直接利用されず、放射線は熱に変換される。 この熱はその後、他の場所でヒートシンクと関連してペルチェ素子によって電気エネルギーに変換される。 そのために、装置は太陽放射線のエネルギーを第１の伝熱媒体に伝達するための集熱器を備え、かつこの集熱器から離隔して、第１の伝熱媒体からペルチェ素子の温かい側に熱を伝達するための熱交換器を備えている。 このペルチェ素子の低温側はヒートシンクに接続されている。

特許文献３からソーラー集熱器が知られている。 このソーラー集熱器は集熱板と、太陽光照射とは反対側の第１板と、この両板の間に配置された、両側を断熱する支持板とを備えている。 この支持板は伝熱媒体のための上側通路と下側通路を備え、伝熱媒体は上側通路と下側通路の間を循環案内される。 上側通路と下側通路の一方の端面側には、熱伝導可能な手段が設けられ、この手段に沿って伝熱媒体が流れる。 この手段は上側通路内に収容された熱を、熱電素子のユニットに伝導する。 この熱電素子は熱から電気を発生する。 熱電素子のユニットには熱交換器が接続され、この熱交換器はユニットから熱を排出し、それによってユニットの効率を高める。 排出された熱は例えば建物暖房のために使用可能である。

公知の熱電発電機から出発して、本発明の根底をなす課題は、太陽発電システムの熱を、電気を発生するために効率的に利用する熱電発電機を提供することである。

この課題の解決策は、太陽発電システムの集熱器を備えた構造ユニットとして熱電発電機を形成し、集熱器を流れる伝熱媒体を熱交換器によって少なくとも一時的に熱電発電機に供給するという思想に基づいている。 それによって、特に非常に高い外気温度の際に、太陽光照射の結果として集熱器内で発生した余剰の熱を、電気を発生するための熱電発電機で利用することができる。 電気エネルギーと熱エネルギーを同時に発生することにより、強い太陽光照射の際に熱電発電機の効率が高められる。

太陽光照射による熱を利用可能にするソーラーシステムを太陽発電システムと呼ぶ（太陽熱）。 熱を回収する際に、集熱器の吸収器は太陽エネルギーによって加熱される。 熱を吸収する伝熱媒体が集熱器を通って流れる。 ポンプは伝熱媒体をソーラー回路内で搬送する。 熱は集熱器からソーラー回路を経てヒートシンク、特に太陽熱蓄熱器に運ばれる。 太陽熱蓄熱器は熱を吸収して貯蔵する。

集熱器は、太陽の熱を吸収し、かつ吸収した熱をできるだけ損失のないようにソーラー回路の伝熱媒体に伝達するソーラーシステムの一部である。 構造的に最も異なる集熱器はフラット集熱器と多管式集熱器である。 フラット集熱器と多管式集熱器は吸収器の断熱が技術的に異なっている。 真空多管式集熱器の場合、断熱作用はガラス管内の真空によって達成される。 この真空は対流による伝熱を完全に阻止する。 フラット集熱器は慣用の断熱材料、例えば鉱物綿または発泡ポリウレタンを使用する。 この断熱は真空よりも効率が悪い。 従って、同じ出力値を達成するためには、大きな集熱器面積を必要とする。 現在の高出力型フラット集熱器は銅製吸収器によって動作する。 しかしながら、フラット集熱器が非常に低価格であり、それによって一般的に真空多管式集熱器よりも経済的であるので、家屋技術ではこのタイプの集熱器が圧倒的に使用される。

太陽熱蓄熱器は特に次の点で慣用の用水タンクと異なる。 すなわち、断熱作用がきわめて強く、水容器の形が高くて細く、それによって異なる温度層の発生を可能にし（上側の高温の水、下側の低温の水）、さらにソーラー回路からの熱を伝達するための熱交換器が低い位置に取付けられて大きな面積を有する。

集熱器内の温度が太陽熱交換器の温度を、所定の温度差だけ上回るや否や、制御ユニットによってポンプが始動され、熱が太陽熱蓄熱器に運ばれる。 集熱器と蓄熱器の温度差が限界値を下回るや否や、システムが停止される。

市販の集熱器は、集熱器面に当たる太陽エネルギーの６０〜７０％を、利用可能な熱に変換することができる。 この集熱器ではたいていの場合、伝熱媒体として水−プロピレングリコール−混合物（比６０：４０）が使用される。 ４０％のプロピレングリコールを添加することにより、−２３℃までの凍結防止（それ以下では凍結亀裂なしに凍結する）と、圧力に依存して１５０℃以上になり得る沸点が達成される。 温度が一層高い場合、多数の集熱器が停止し、もはやエネルギーを供給しない。 システムの停止時には、太陽発電システムが過熱し、ひいては損傷するという危険がある。 特に、温度が一層高い場合の余剰の熱は、本発明に係る熱電発電機によって利用可能であり、その結果システムの効率の悪い停止を回避することができる。

課題は、冒頭に述べた種類の熱電発電機において、高温側に、伝熱媒体用熱交換器が配置され、この熱交換器が、伝熱媒体が流れる太陽発電システム用集熱器の受動的背面に面で連結されていることと、集熱器と熱交換器との間に断熱中間層が設けられていることと、弁制御装置の少なくとも１つの切換え位置で、熱交換器を通る伝熱媒体の流れが阻止されることによって解決される。

熱電発電機と太陽発電システムの集熱器の連結により、集熱器の利用されない熱を、特に集熱器のアイドリング時に、熱電発電機でエネルギーを発生するために使用することができる。

集熱器と熱交換器との間に配置された断熱層は熱エネルギーの交換を低減し、そして最大の熱流がソーラー回路のヒートシンクに供給される時、出力相において、集熱器から熱を奪って熱電発電機に供与することを事実上防止する。

本発明の意味における集熱器の用語は、１個または複数の太陽集熱器の配置（フラット週熱器および多管式集熱器）を含んでいる。 この複数の集熱器は互いに直列および／または並列に接続配置可能である。

集熱器はソーラー回路を介してヒートシンクに接続されている。 実際の太陽光照射に関係なく、集熱器によって吸収した熱を利用できるようにするために、ヒートシンクとしては特に蓄熱器が適している。 しかしながら、集熱器によって吸収した熱を、ソーラー回路を経て、ヒートシンクとして作用する消費部に直接供給してもよい。

流入する熱流を受け取る熱電発電機の高温側は、効率をさらに改善するために、全面で熱交換器に直接接触している。

熱電発電機の放熱のために使用される低温側の面を拡大するために、熱電発電機は放熱器、特にリブ構造体を有する放熱器を備えている。 リブ構造体のリブは低温側から好ましくは垂直方向に延在している。 リブによって改善される熱排出により、熱電発電機の効率が改善される。

集熱器からの余剰の熱を放出するために、集熱器は弁制御装置によって熱交換器に一時的に接続可能である。 この熱交換器は熱電素子の高温側に配置されている。 伝熱媒体は先ず最初に集熱器を通過し、続いて熱交換器を通過する。 この熱交換器は余剰の熱を熱電発電機の高温側に供給する。

伝熱媒体が集熱器と熱交換器を通過できるようにするために、集熱器は供給接続部と還流接続部を備え、熱交換器は入口接続部と出口接続部を備えている。 この場合、少なくとも１個の弁、好ましくは多方向制御弁を備えた弁制御装置は、集熱器から来る伝熱媒体が熱交換器を通って流れることを可能にするかまたは阻止する。 これは弁、特に多方向制御弁が集熱器の供給接続部から熱交換器の入口接続部に至る流路を開放するかまたは閉鎖することによって行われる。 流路は好ましくは集熱器の供給接続部および熱交換器の入口接続部と弁の接続部との間に配管または接続ホースを備えている。 その代わりに、流路を一時的に開放する弁の接続部を、集熱器の供給接続部と熱交換器の入口接続部に直接接続してもよい。

集熱器をソーラー回路の熱交換器または熱電発電機の高温側の熱交換器に選択的に接続するために、好ましくは少なくとも１個の３／２方向制御弁が送り管路内に接続されている。 この場合、３／２方向制御弁の第１切換え位置では、方向制御弁の接続部が集熱器から蓄熱器に至る流路を開放し、３／２方向制御弁の第２切換え位置では、方向制御弁の接続部が集熱器から熱交換器に至る流路を開放する。

集熱器から熱電発電機の熱交換器に至る流路の開放は、特に蓄熱器が完全に加熱された際におよびソーラーシステムの空転時に行われる。 それによって、集熱器と太陽発電システムの他の部品の過熱、ひいては損傷を防止することができる。 特に空転時に、熱流全体が集熱器から熱交換器に案内され、熱電発電機で一部が電気エネルギーに変換される。 蓄熱器の加熱中は、好ましくは熱エネルギーが熱電発電機に案内されない。

弁制御装置の弁は手動操作可能である。 しかしながら、制御ユニットによって操作される電気操作の多方向制御弁または比例弁であると有利である。 この制御ユニットはその測定センサに基づいて、太陽発電システムの空転または集熱器またはソーラー回路内の熱の余剰を検出し、その結果弁の切換え命令を発する。 複雑なハイブリッド運転のために、制御ユニットは、蓄熱器からの熱流出と集熱器に対する太陽光照射の強さおよび時間を考慮して、比例弁（Ｓｔｅｔｉｇ−Ｖｅｎｔｉｌ）を介して、伝熱媒体を、必要に応じて一方ではヒートシンクと他方では熱電発電機の熱交換器に配分する。

次に、実施形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

本発明に係る熱電発電機の実施形態の第１運転モードを示す。

図１ａの熱電発電機の第２運転モードを示す。

太陽発電システムに取付けた熱電発電機を示す。

図１ａは、互いに電気的に接続された複数の熱電対を有する本発明に係る熱電発電機（１）を示す。 この熱電対は流入する熱流を受け入れる高温側（２）と、この高温側から離隔して配置された低減側（３）との間に設けられている。 高温側（２）には熱交換器（４）、特に多管式熱交換器が配置されている。 熱交換器（４）は太陽発電システムの集熱器（５）の受動的背面に面で連結されている。 集熱器（５）と熱交換器（４）との間には、熱的な分離のために、断熱中間層（６）が配置されている。

集熱器（５）は図示した実施形態では多管式集熱器である。 この多管式集熱器は特に、図２に例示しかつ後述するように、ソーラーシステムの一部である。 熱回収の際、集熱器（５）の上方に配置された吸収器（７）が太陽エネルギーによって加熱される。 熱を吸収する伝熱媒体が集熱器（５）を通って流れる。 伝熱媒体はポンプによってソーラー回路内を搬送され、ヒートシンク、特に太陽熱蓄熱器に供給される。 この太陽熱蓄熱器は熱を受け取って貯蔵する。

集熱器（５）は供給接続部（８）を有する。 この供給接続部には、太陽光照射の結果温められた伝熱媒体のための配管が接続されている。 反対側には、集熱器（５）の還流接続部（９）が設けられている。 熱交換器（４）は同様に、２つの接続部、すなわち入口接続部（１０）と出口接続部（１１）を備えている。 熱電発電機は図示した実施形態では、２つの多方向制御弁（１２、１３）を有する弁制御装置を備えている。 多方向制御弁（１２）は３／２方向制御弁である。 方向制御弁（１３）は４／２方向制御弁である。

図１ａに示した両多方向制御弁（１２、１３）の切換え位置では、集熱器（５）を通る伝熱媒体の流路が開放され、熱交換器（４）を通る流路が遮断されている。 還流接続部（９）が弁（１３）を介して例えばソーラーシステムの他の集熱器に接続されている場合には、他の集熱器で吸収した熱と集熱器（５）で吸収した熱が、多方向制御弁（１２）を経て、ヒートシンク、特にソーラーシステムの蓄熱器に供給される。 図１ａに示したこの運転モードは、集熱器（５）内の温度とその手前に接続配置された他の集熱器内の温度が蓄熱器内の温度よりも高く、蓄熱器がその全熱容量をまだ満たしていない場合に選択される。

蓄熱器がその全熱容量を満たすかあるいは集熱器（５）の後に配置されたヒートシンクにおいて熱を必要としないときには、熱電発電機（１）は図１ｂに示した運転モードに移行する。 他の集熱器から来る既に温められた伝熱媒体は還流接続部（９）と集熱器（５）と多方向制御弁（１２）を経て熱交換器（４）に案内される。 この熱交換器は余剰の熱を熱電発電機（１）の高温側（２）に供給する。 この熱電発電機において熱が電気エネルギーに変換される。 このエネルギー変換時の効率を高めるために、熱電発電機（１）の低温側（３）に放熱器（１４）が配置されている。 熱交換器（４）の出口接続部（１１）は太陽熱蓄熱器に通じている。

本発明に係る熱電発電機（１）により、特に熱交換器（４）を通過する際に伝熱媒体を冷却することによって、ソーラーシステムの不所望な停止を回避することができ、同時に集熱器を停止させることになる余剰のエネルギーが電気エネルギーに変換される。

図２は本発明に係る熱電発電機（１）を備えた太陽発電システム（１５）を示している。 熱電発電機はソーラー回路（１６）を介して蓄熱器（１７）に接続されている。 ソーラー回路（１６）は供給部（１８）と、還流部（１９）と、蓄熱器（１７）内に配置された管式熱交換器（２０）とを備えている。 この管式熱交換器はソーラー回路（１６）から熱交換器（１７）内の水に熱を伝達する働きをする。 さらに、還流部（１９）の端部にはポンプ（２１）が設けられている。 このポンプは両集熱器（２２、２３）を有するソーラー回路（１６）と集熱器（５）と場合によっては熱交換器（４）内に伝熱媒体を循環させることができる。

熱交換器（１７）は中空円筒状のソーラータンクとして形成されている。 蓄熱媒体としては水が用いられる。 この水は流入部（２４）から蓄熱器（１７）に供給される。 蓄熱器（１７）が高くて細い形状であるので、異なる温度層を形成することができる。 蓄熱器（１７）の上側部分には高温の水が存在し、下側部分には低温の水が存在する。 蓄熱器（１７）の上側容器部分内の取水部は導管（２６）を介して温水消費部（２７）に接続されている。

図２に示した多方向制御弁（１２、１３）は、図１ａ、１ｂに示すように切換えられる。 しかしながら、蓄熱器（１７）が完全に加熱された後で、伝熱媒体を、集熱器（２２、２３）と集熱器（５）と熱交換器（４）とによって形成された回路にだけ循環させることができる。 この場合、付加的な循環ポンプを必要とする。 熱電発電機（１）のこの純粋な電気発生運転のために、集熱器（２２、２３）の熱は専ら電気エネルギーに変換される。 そうでない場合、この集熱器の熱は熱交換器（１７）を加熱するために使用される。

熱電発電機（１）自体は図示していない２個の接続部材を介して導電線（２８、２９）に接続され、この導電線を経て電気エネルギーが熱電発電機（１）から排出される。

１ 熱電発電機 ２ 高温側 ３ 低温側 ４ 熱交換器 ５ 集熱器 ６ 中間層 ７ 吸収器 ８ 集熱器の供給接続部 ９ 集熱器の還流接続部 １０ 熱交換器の入口接続部 １１ 熱交換器の出口接続部 １２ 多方向制御弁 １３ 多方向制御弁 １４ 放熱器 １５ 太陽発電システム １６ ソーラー回路 １７ 熱交換器 １８ 供給部 １９ 還流部 ２０ 管式熱交換器 ２１ ポンプ ２２ 集熱器 ２３ 集熱器 ２４ 流入部 ２５ 取水部 ２６ 導管 ２７ 温水消費部 ２８ 導電線 ２９ 導電線