功率控制装置、热电发电系统以及功率控制方法与流程

1.本技术说明书公开的技术涉及热电发电技术。


背景技术：

2.作为以往的热电变换装置的控制方法，有如下方法：为了使来自热电变换装置的输出最大化，使用爬山法(hill-climbing methoed)使热电变换装置的输出电流以任意控制周期发生变动来搜索最佳工作点(例如参照专利文献1即日本特开2013-055769号公报)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2013-055769号公报


技术实现要素：

6.在这样的热电变换装置的控制方法中，在控制周期短于热电变换装置的热时间常数的情况下，难以获取热电变换装置的准确的最大功率点。其结果是存在取出功率比热电变换装置的最大输出功率低的问题。
7.本技术说明书公开的技术是鉴于如以上记载的问题而做出的，是用于使热电变换装置的取出功率增大的技术。
8.本技术说明书公开的技术的第1方案的功率控制装置对输出基于热而发电的电功率的热电变换装置的电功率进行控制，该功率控制装置具备：功率测定部，测定从所述热电变换装置输出的电功率；以及控制部，对从所述热电变换装置输出的电功率进行控制，其中，在针对所述热电变换装置的输出的负载发生变动后再过了与所述热电变换装置的热时间常数对应的时间之后，所述功率测定部测定从所述热电变换装置输出的电功率。
9.根据本技术说明书公开的技术的至少第1方案，能够使从热电变换装置输出的电功率(取出功率)增大。
10.另外，与本技术说明书公开的技术关联的目的、特征、方面以及优点通过以下所示的详细说明和附图将变得更加明晰。
附图说明
11.图1是示出实施方式的热电发电系统的结构的例子的图。
12.图2是示出功率控制装置的工作(最大输出控制)的例子的流程图。
13.图3是示出用实施方式的功率控制装置使控制的等待时间即控制周期发生变化时从热电变换装置输出的电功率(取出功率)的值的例子的图。
14.图4是示意性示出热电变换装置的热回路的图。
15.图5是示出使热电变换装置的电流增加了δi时(通过爬山法使电流扰动了+δi时)从热电变换装置输出的电功率的暂态特性的例子的图。
16.图6是示出热电变换装置在热平衡时的电流-电压特性的例子的图。
17.图7是示出使热电变换装置的电流增加了δi时(通过爬山法使电流扰动了+δi时)热电变换装置的电压特性的例子的图。
18.图8是示出使热电变换装置的电流减少了δi时(通过爬山法使电流扰动了－δi时)从热电变换装置输出的电功率p的暂态特性的例子的图。
19.图9是示出热电变换装置在热平衡时的电流-电压特性的例子的图。
20.图10是示出使热电变换装置的电流减少了δi时(通过爬山法使电流扰动了－δi时)热电变换装置的电压特性的例子的图。
21.图11是示出实施方式的热电发电系统的结构的例子的图。
22.图12是示出功率控制装置用于获取热时间常数的工作的例子的流程图。
23.图13是示出从短路状态变到开路状态时热电变换装置的电压的暂态特性的例子的图。
24.图14是示出功率控制装置的工作(最大输出控制)的例子的流程图。
25.图15是概略性例示将图1及图11所例示的热电发电系统进行实际运用时的硬件结构的图。
26.图16是概略性例示将图1及图11所例示的热电发电系统进行实际运用时的硬件结构的图。
27.附图标记
28.11：热电变换装置；11a：热电变换模块；11b：高温侧换热器；11c：低温侧换热器；12、22：功率控制装置；12a、22a：热时间常数获取部；12b、22b：功率测定部；12c、22c：功率变换控制部；12d、22d：功率变换部；13：负载；100、101：热电发电系统；1102a、1102b：处理电路；1103：存储装置。
具体实施方式
29.以下参照附图对实施方式进行说明。虽然在以下的实施方式中为了说明技术而示出了详细特征等，但那些是例示，它们并非都是为了使实施方式可实施的必要特征。
30.此外，附图是概略性示出的图，为便于说明，在附图中酌情进行结构的省略或结构的简化。另外，在不同附图中分别示出的结构等的大小及位置的相互关系不一定被准确记载，而是可酌情变更。另外，在非剖面图的俯视图等附图中，为了易于理解实施方式的内容，有时附加阴影线。
31.另外，在以下所示的说明中，对同样的构成要素附加相同符号来图示，它们的名称和功能也设为是同样的。因此，为了避免重复，有时省略关于它们的详细说明。
32.另外，在以下记载的说明中，在记载为“具备”、“包括”或“具有”某个构成要素等时，只要没有特别说明，就不是排除其它构成要素之存在的排他性表述。
33.另外，在以下记载的说明中，即使在使用“第1”或“第2”等序数时，这些措词也仅是为使实施方式的内容易于理解而方便起见所用的措词，并非被限定于通过这些序数可产生的顺序等。
34.另外，在以下记载的说明中，关于表示均等状态的表述，例如“同一”、“相等”、“均匀”或“均质”等，只要没有特别说明，则包括表示严格均等状态的情况和在公差或可得到同样程度功能的范围内产生差别的情况。
35.《第1实施方式》
36.以下对本实施方式的功率控制装置、热电发电系统以及功率控制方法进行说明。
37.《关于热电发电系统的结构》
38.图1是示出本实施方式的热电发电系统的结构的例子的图。如图1所例示的，热电发电系统100具备热电变换装置11、对从热电变换装置11输出的电功率进行控制的功率控制装置12以及负载13。负载13包括例如蓄电池等恒定电压源。
39.热电变换装置11具备热电变换模块11a和隔着热电变换模块11a而设置的高温侧换热器11b及低温侧换热器11c。
40.热电变换模块11a包括例如热电变换元件。在热电变换模块11a中，当在该元件的两端施与温差时，由于塞贝克效应而产生电动势。在热电变换模块11a包括热电变换元件时，热电变换元件在热电变换模块11a内串联或并联连接。并且，在热电变换模块11a中产生的电动势从热电变换模块11a的正极及负极被取出。
41.高温侧换热器11b是例如铝或sus制的散热片构造。高温侧换热器11b将废气等高温流体的热传递至热电变换模块11a高温侧的面。
42.另一方面，低温侧换热器11c是例如冷却水在铝或铜制的块中流动的构造。低温侧换热器11c吸收从热电变换模块11a低温侧的面传递的热。
43.通过这些结构，热从热电变换模块11a高温侧的面传递(贯通)到低温侧的面。
44.功率控制装置12具备热时间常数获取部12a、功率测定部12b、功率变换控制部12c以及功率变换部12d。
45.对功率控制装置12连接有热电变换装置11的正极和负极。而且，由热电变换装置11发电的电功率被输入至功率控制装置12。
46.另外，对功率控制装置12还连接有负载13。而且，由功率变换部12d变换后的电功率被输出给负载13。
47.关于功率变换部12d，在输入侧设置有正极和负极，分别连接于热电变换装置11的正极和负极。而且，对功率变换部12d输入由热电变换装置11发电的电功率。
48.同样地，关于功率变换部12d，在输出侧也设置有正极和负极，分别连接于负载13的正极和负极。而且，由功率变换部12d变换后的电功率被输出至负载13。
49.功率变换部12d包括例如升压型、降压型或升降压型的dc-dc转换器。能够通过对功率变换部12d的开关元件的开闭的时间比例(占空比)的控制来使从功率变换部12d输入侧的端子观察到的功率变换部12d的负载发生变化。
50.通过将用于进行开闭的周期性矩形波(例如pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)波或pfm(pulse frequency modulation，脉冲频率调制)波等)即开关信号从功率变换控制部12c传送到开关元件来进行基于开关元件开闭的控制。
51.对功率变换控制部12c连接有热时间常数获取部12a、功率测定部12b以及功率变换部12d。
52.热时间常数获取部12a使用热电偶等来检测并获取热电变换模块11a高温侧的面的温度和低温侧的面的温度。而且，热时间常数获取部12a根据热电变换模块11a高温侧的面的温度和低温侧的面的温度来计算热时间常数，将热时间常数发送给功率变换控制部12c。
53.功率测定部12b通过测定从热电变换装置11输出的电流和电压来测定从热电变换装置11输出的电功率。另外，根据从热电变换装置11输出的电流值及电压值来获取热电变换装置11的内部电阻。而且，功率测定部12b将测定出的电功率作为电力数据发送至功率变换控制部12c。
54.功率变换控制部12c根据输入的热时间常数和电力数据，进行对从热电变换装置11输出的电功率的最大输出控制。
55.《关于热电发电系统中的功率控制装置的工作》
56.图2是示出功率控制装置12的工作(主要是由功率变换控制部12c进行的最大输出控制)的例子的流程图。在此，使用基于爬山法的最大功率点搜索算法作为最大功率点搜索的一个例子。
57.首先在步骤st10，热时间常数获取部12a计算及获取热电变换装置11的热时间常数t。热时间常数t以如下方式获取。
58.在使从热电变换装置11输出的电流的值从i变化为i+δi时，热电变换模块11a高温侧的温度th变化为th+δt
h0
，热电变换模块11a低温侧的温度tc变化为tc+δt
c0
。此时，对热电变换模块11a施与的温差如以下式(1)所示发生变化。
59.[数学式1]
[0060]
t
h-tc→
t
h-tc+(δt
h0-δt
c0
)
…
(1)
[0061]
之后，在一定时间(t秒)后，热电变换模块11a高温侧的温度成为th+δt
h1
，热电变换模块11a低温侧的温度成为tc+δt
c1
。因此，热电变换模块11a在t秒钟的温差变化如以下式(2)所示。
[0062]
[数学式2]
[0063]
δt
h1-δt
h0
+δt
c1-δt
c0
…
(2)
[0064]
根据如上所得的温差关于时间t的暂态特性来计算热时间常数t。
[0065]
接下来在步骤st11，使从功率变换控制部12c输入至功率变换部12d的开关信号的占空比发生变化。而且，使从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值从i变化为i+δi。
[0066]
接下来在步骤st12，等待与在步骤st10获取的热时间常数t相应的时间。由于在步骤st11使从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值从i变化为i+δi，所以在热电变换模块11a产生珀尔帖效应而热阻降低。然后，热电变换装置11的热平衡暂时被打破。
[0067]
因此，响应于系统而等待例如t或3t等热时间常数即时间t的任意常数倍时间，以使系统热稳定。
[0068]
接下来在步骤st13，用功率测定部12b测定从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)。功率测定部12b分别测定从热电变换装置11输出的电压v和从热电变换装置11输出的电流i，按照电功率p＝电压v
×
电流i来计算电功率。
[0069]
接下来在步骤st14，对在步骤st13测定出的电功率p和在先前循环(loop)的步骤st13同样地测定出的电功率p’(即在步骤st11中电流值变化之前的电功率)进行比较。此外，当步骤st14是在首次循环时，将电功率p’设为0来进行该比较。
[0070]
然后，在p》p’时、即对应于从图2所例示的步骤st14分支的“是”时，进入到步骤st15。另一方面，在不是p》p’时、即对应于从图2所例示的步骤st14分支的“否”时，进入到步
骤st16。
[0071]
在步骤st15中，决定使下次循环中在步骤st11电流被变动的值δi成为与上次步骤st11时相同的值δi。然后进入到步骤st17。
[0072]
在步骤st16中，决定使下次循环中在步骤st11电流被变动的值δi成为与上次步骤st11时相反符号的值(绝对值相同)－δi。然后进入到步骤st17。
[0073]
接下来在步骤st17，将步骤st13中测定出的电功率p更新作为下一循环的步骤st14中被用作电功率p’的值。然后返回到步骤st11。
[0074]
通过这些处理，功率控制装置12进行在使从热电变换装置11输出的电功率为最大的电流值附近反复进行循环的控制。这样，功率控制装置12搜索从热电变换装置11输出的电功率的最大值。
[0075]
此外，虽然在本实施方式中示出了基于爬山法的最大功率点搜索，但只要是使电流值发生变动来搜索最大功率点，也可以采用其它功率搜索方法。
[0076]
接下来，对热电变换装置11的控制周期的最佳值进行探讨。图3是示出用本实施方式的功率控制装置12使控制的等待时间即控制周期t发生变化时从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)的值的例子的图。在图3中，纵轴表示电功率p的值，横轴表示热电变换装置11的控制周期。
[0077]
如图3所例示的，在控制周期t中存在从热电变换装置11输出的电功率p为最大的点x。点x在热电变换装置11的热时间常数t附近。以下说明其理由。
[0078]
在控制周期t短于热时间常数t时，当在步骤st11中使从热电变换装置11输出的电流i发生变动后测定从热电变换装置11输出的电功率p时，热电变换装置11的温度尚未达到平衡状态。因此，输出也未达到平衡状态，无法获取真正的最大功率点。
[0079]
图4是示意性示出热电变换装置11的热回路的图。在热电变换装置11中，在热电变换模块11a高温侧的面t
hs
与高温侧的温度固定点th之间，主要由高温侧换热器11b形成的热阻rh和热容量ch并联存在。同样地，在热电变换模块11a低温侧的面t
cs
与低温侧的温度固定点tc(在此为冷却水的温度)之间，主要由低温侧换热器11c形成的热阻rc和热容量cc并联存在。
[0080]
在热电变换模块11a中，通过使流过的电流i发生变动，根据珀尔帖效应从热电变换元件的高温侧输送至低温侧的热量从q增加到q+δq，热阻r
teg
发生变化。此时，在将电流为0时的热电变换模块11a的热阻设为r
teg0
、将珀尔帖系数设为π时，流经热电变换模块11a的热量q如以下式(3)所示。
[0081]
[数学式3]
[0082]
q＝π
×
i+δt/r
teg0
…
(3)
[0083]
因此，热电变换模块11a的热阻r
teg
如以下式(4)所示。
[0084]
[数学式4]
[0085]rteg
＝δt/q＝δt/(∏i+δt/r
teg0
)
…
(4)
[0086]
即，在使电流增加了δi时，热阻r
teg
依照上述式(4)而减少。
[0087]
像这样，因为热电变换模块11a的热阻r
teg
由于电流变动而发生变化、以及高温侧换热器11b及低温侧换热器11c各自具有热容量，因此热电变换元件所涉及的温差达到平衡状态之前会产生延迟。热电变换模块11a的热电动势的响应也随之产生延迟。
[0088]
图5是示出使热电变换装置11的电流增加了δi时(通过爬山法使电流扰动了+δi时)从热电变换装置11输出的电功率p的暂态特性的例子的图。在图5中，纵轴表示功率值，横轴表示电流值。
[0089]
另外，图6是示出热电变换装置11在热平衡时的电流-电压特性的例子的图。在图6中，纵轴表示电压值，横轴表示电流值。
[0090]
另外，图7是示出使热电变换装置11的电流增加了δi时(通过爬山法使电流扰动了+δi时)热电变换装置11的电压特性的例子的图。在图7中，纵轴表示电压值，横轴表示时间。
[0091]
假设用v
pmaxipmax
表示热平衡时的最大功率即电功率p
max
(参照图5)，在使电流i从i
pmax
增加δi到i
pmax
+δi时，电压v从电流增加的瞬间起依照热电变换装置11在热平衡时的电流-电压特性而逐渐接近于v
pmax
－δv(参照图6及图7)。在此，逐渐接近时的时间常数为热时间常数t。
[0092]
此时，在图2所示流程图的步骤st12中等待时间(控制周期t)短于热时间常数t的情况下，在图2所示流程图的步骤st13中测定的电压v成为图6及图7中所示的v1，为比热平衡时的电压v的值v
pmax
－δv高的值。
[0093]
关于使电流i从i
pmax
增加δi到i
pmax
+δi时电压v的值，能够用以热时间常数t逐渐接近于v
pmax
－δv的以下式(5)来表示。
[0094]
[数学式5]
[0095][0096]
例如，在控制周期t为热时间常数t的1/100的情况下，当对式(5)的t/t代入1/100时，电压v如以下所示。
[0097]
[数学式6]
[0098]
v＝v
pmax-0.01
×
δv
[0099]
因此，电压v成为大致与v
pmax
相同的值，比热平衡时的v
pmax
－δv高的值被测定为电压v。在该情况下，在图2所示流程图的步骤st13中计算的电功率p如以下所示。
[0100]
[数学式7]
[0101][0102]
如上所述，计算的电功率p高于热平衡时的最大功率v
pmaxipmax
。由此，在图2所示流程图的步骤st14中p》p’成立(即对应于从图2所例示的步骤st14分支的“是”)，进入到图2所示流程图的步骤st15。
[0103]
然后，在图2所示流程图的步骤st15中，使下次循环中在步骤st11电流被变动的值δi成为与上次步骤st11时相同的值δi，因此在后继工序中返回到图2所示流程图的步骤st11时，从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值从i
pmax
+δi变化为i
pmax
+2δi，电流i进一步大于i
pmax
。
[0104]
进而，在反复进行图2所示流程图的步骤st11至步骤st17的循环的过程中，都是随着时间流逝，热电变换模块11a(热电变换元件)所涉及的温差变小而电动势降低。由此，在
图2所示流程图的步骤st14中p》p’不再成立(即对应于从图2所例示的步骤st14分支的“否”)，进入到图2所示流程图的步骤st16。
[0105]
然后，在图2所示流程图的步骤st16中，使下次循环中在步骤st11电流被变动的值δi成为与上次步骤st11时相反符号的值(绝对值相同)－δi，因此在后继工序中返回到图2所示流程图的步骤st11时，从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值从i
pmax
+δi变化为i
pmax
。
[0106]
如上所述，从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值在比i
pmax
大δi的值附近反复进行循环，因此在图2所示流程图的步骤st13中测定的电功率p小于热平衡时的最大功率即电功率p
max
。
[0107]
另一方面，以下还对使热电变换装置11的电流减少了δi的情况进行说明。
[0108]
图8是示出使热电变换装置11的电流减少了δi时(通过爬山法使电流扰动了－δi时)从热电变换装置11输出的电功率p的暂态特性的例子的图。在图8中，纵轴表示功率值，横轴表示电流值。
[0109]
另外，图9是示出热电变换装置11在热平衡时的电流-电压特性的例子的图。在图9中，纵轴表示电压值，横轴表示电流值。
[0110]
另外，图10是示出使热电变换装置11的电流减少了δi时(通过爬山法使电流扰动了－δi时)热电变换装置11的电压特性的例子的图。在图10中，纵轴表示电压值，横轴表示时间。
[0111]
假设用v
pmaxipmax
表示热平衡时的最大功率即电功率p
max
(参照图8)，在使电流i从i
pmax
+δi减少δi到i
pmax
时，电压v从电流减少的瞬间起依照热电变换装置11在热平衡时的电流-电压特性(参照图9)而逐渐接近于v
pmax
。在此，逐渐接近时的时间常数为热时间常数t。
[0112]
在该情况下，在图2所示流程图的步骤st12中等待时间(控制周期t)短于热时间常数t时，在图2所示流程图的步骤st13中测定的电压v成为图9及图10中所示的v1，为比热平衡时的电压v的值v
pmax
低的值。
[0113]
例如，在控制周期t为热时间常数t的1/100时，电压v成为大致与v
pmax
－δv相同的值，比热平衡时的v
pmax
低的值被测定为电压v。在该情况下，在图2所示流程图的步骤st13中计算的电功率p如以下所示。
[0114]
[数学式8]
[0115][0116]
如上所述，计算的电功率p低于热平衡时的最大功率v
pmaxipmax
。由此，在图2所示流程图的步骤st14中p》p’不再成立(即对应于从图2所例示的步骤st14分支的“否”)，进入到图2所示流程图的步骤st16。
[0117]
然后，在图2所示流程图的步骤st16中，使下次循环中在步骤st11电流被变动的值δi成为与上次步骤st11时相反符号的值(绝对值相同)+δi，因此在后继工序中返回到图2所示流程图的步骤st11时，从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值从i
pmax
变
化为i
pmax
+δi。
[0118]
进而，在反复进行图2所示流程图的步骤st11至步骤st17的循环的过程中，都是随着时间流逝，热电变换模块11a(热电变换元件)所涉及的温差变小而电动势降低。
[0119]
由此，从热电变换装置11输出至功率变换部12d的电流的值在比i
pmax
大δi的值附近反复进行循环，所以在图2所示流程图的步骤st13中测定出的电功率p小于热平衡时的最大功率即电功率p
max
。
[0120]
如以上所述，在控制周期t比热电变换装置11的热时间常数t短时，从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)比热平衡时(稳态时)的最大输出低。
[0121]
因此，通过将控制周期t设为热时间常数t附近的值，可得到接近于热电变换装置11在热平衡时(稳态时)的功率特性，能够使从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)最大化。
[0122]
另一方面，在控制周期t远大于热时间常数t时，当高温侧热源或低温侧热源以长于热时间常数t且短于控制周期t的周期发生变动时，有时会无法跟随该温度变动而从热电变换装置11输出的电功率p停留在从最大功率即电功率p
max
偏离的值。由此，从热电变换装置11输出的电功率p低于电功率p
max
。
[0123]
因此，为了使从热电变换装置11输出的电功率p最大化，控制周期t最好为热电变换装置11的热时间常数t附近的值。通过将控制周期t设定为热时间常数t附近的值，即便针对温差发生变动的热源，也能够使从热电变换装置11输出的电功率p最大化。
[0124]
《第2实施方式》
[0125]
对本实施方式的功率控制装置、热电发电系统以及功率控制方法进行说明。此外，在以下说明中，对与在以上记载的实施方式中说明过的构成要素同样的构成要素附加相同附图标记来图示，关于其详细说明将酌情省略。
[0126]
《关于热电发电系统的结构》
[0127]
图11是示出本实施方式的热电发电系统的结构的例子的图。如图11所例示，热电发电系统101具备热电变换装置11、对从热电变换装置11输出的电功率进行控制的功率控制装置22以及负载13。负载13包括例如蓄电池等恒定电压源。
[0128]
功率控制装置22具备热时间常数获取部22a、功率测定部22b、功率变换控制部22c以及功率变换部22d。
[0129]
对功率控制装置22连接有热电变换装置11的正极和负极。而且，由热电变换装置11发电的电功率被输入至功率控制装置22。
[0130]
另外，对功率控制装置22还连接有负载13。而且，由功率变换部22d变换后的电功率被输出给负载13。
[0131]
关于功率变换部22d，在输入侧设置有正极和负极，分别连接于热电变换装置11的正极和负极。而且，由热电变换装置11发电的电功率被输入至功率变换部22d。
[0132]
同样地，关于功率变换部22d，在输出侧也设置有正极和负极，分别连接于负载13的正极和负极。而且，由功率变换部22d变换后的电功率被输出给负载13。
[0133]
能够通过对功率变换部22d的开关元件的开闭的时间比例(占空比)的控制来使从功率变换部22d输入侧的端子观察到的功率变换部22d的负载发生变化。
[0134]
对功率变换控制部22c连接有热时间常数获取部22a、功率测定部22b以及功率变
换部22d。
[0135]
图1所例示的热时间常数获取部12a使用热电偶等来直接检测热电变换模块11a高温侧的面的温度和低温侧的面的温度。与之相对，本实施方式的热时间常数获取部22a连接于功率测定部22b，仅根据从功率测定部22b发送的功率测定结果(电力数据)计算热时间常数t。而且，热时间常数获取部22a将计算出的热时间常数t发送给功率变换控制部22c。
[0136]
功率测定部22b通过测定从热电变换装置11输出的电流和电压来测定从热电变换装置11输出的电功率。而且，功率测定部22b将测定出的电功率作为电力数据发送至热时间常数获取部22a及功率变换控制部22c。
[0137]
功率变换控制部22c根据输入的热时间常数t和电力数据，进行从热电变换装置11输出的电功率的最大输出控制。
[0138]
《关于热电发电系统中的功率控制装置的工作》
[0139]
本实施方式的功率控制装置22的工作(主要是由功率变换控制部22c进行的最大输出控制)与图2所例示的工作是同样的。
[0140]
然而，当在步骤st10中获取热时间常数时，功率控制装置22按照如以下那样的流程获取热时间常数。
[0141]
图12是示出功率控制装置22用于获取热时间常数的工作的例子的流程图。
[0142]
首先在步骤st120中，使热电变换装置11的正极与负极之间为短路状态并等待一定时间。该时间为事先设定的任意值，但为了获取准确的热时间常数t，优选为热时间常数t以上的长度。在有在先测定的热时间常数t时，可以使在步骤st120中的等待时间为该时间的大约3倍。
[0143]
接下来在步骤st121中，使热电变换装置11瞬时成为开路状态，在一定时间获取热电变换装置11的正极与负极之间的电压v的暂态特性。
[0144]
接下来在步骤st122中，根据从紧接使热电变换装置11为开路状态后经过一定时间后热电变换装置11的电压v的时间变化，获取时间常数。
[0145]
图13是示出从短路状态变到开路状态时热电变换装置11的电压的暂态特性的例子的图。在图13中，纵轴表示电压值，横轴表示时间。
[0146]
如图13所例示的，当将刚变为开路状态的电压v设为v
oc1
、将从变为开路状态后过了足够长时间而热电变换装置11的温度稳定时的电压v设为v
oc2
时，电压v关于时间t的理论曲线能够用以下式(6)表示。
[0147]
[数学式9]
[0148][0149]
而且，通过使用最小二乘法等以用上述式(6)针对测定出的v的暂态特性来拟合时间常数，由此能够获取热电变换装置11的热时间常数t。
[0150]
热电变换装置11的电动势由于塞贝克效应而与热电变换装置11高温侧的面与低温侧的面之间的温差δt成比例。因此，电压值的时间响应呈现出与温差δt的时间响应相同的行为。
[0151]
由此，能够将电压值的时间常数原样视为热时间常数t，所以能够仅通过电压测定来获取热时间常数t。
[0152]
由此，无需新追加热电偶等用于热测定的硬件，而仅通过功率测定部22b的功率测定就能够获取热电变换装置11的热时间常数t。因此，能够廉价且简便地使从热电变换装置11输出的电功率最大化。
[0153]
此外，在本实施方式中，通过使热电变换装置11从短路状态变化为开路状态而结果获取了热时间常数t，但也可以通过使电流值变动δi而根据那时电压值的暂态特性来获取热时间常数t。
[0154]
《第3实施方式》
[0155]
对本实施方式的功率控制装置、热电发电系统以及功率控制方法进行说明。此外，在以下说明中，对与在以上记载的实施方式中说明过的构成要素同样的构成要素附加相同附图标记来图示，关于其详细说明将酌情省略。
[0156]
以上记载的实施方式中的功率控制装置12(或功率控制装置22)也可以通过使负载13变动的控制来进行最大输出控制。
[0157]
图14是示出功率控制装置的工作(主要是由功率变换控制部12c进行的最大输出控制)的例子的流程图。此外，在图14中记载了功率控制装置12进行的控制，但也可以替换为功率控制装置22进行的控制。
[0158]
首先在步骤st310中，热时间常数获取部12a计算及获取热电变换装置11的热时间常数t。
[0159]
接下来在步骤st311中，使负载13的值从r变化为r+δr。
[0160]
接下来在步骤st312中，等待与在步骤st310中获取的热时间常数t相应的时间。由于在步骤st311中使负载13的值从r变化为r+δr，所以热电变换装置11的热平衡暂时被打破。
[0161]
因此，响应于系统而等待例如t或3t等热时间常数即时间t的任意常数倍时间，以使系统热稳定。
[0162]
接下来在步骤st313中，用功率测定部12b测定从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)。功率测定部12b分别测定从热电变换装置11输出的电压v和从热电变换装置11输出的电流i，按照电功率p＝电压v
×
电流i来计算电功率。
[0163]
接下来在步骤st314中，对在步骤st313测定出的电功率p和在先前循环的步骤st313同样地测定出的电功率p’进行比较。此外，当步骤st314是在首次循环时，将电功率p’设为0来进行该比较。
[0164]
然后，在p》p’时、即对应于从图14所例示的步骤st314分支的“是”时，进入到步骤st315。另一方面，在不是p》p’时、即对应于从图14所例示的步骤st314分支的“否”时，进入到步骤st316。
[0165]
在步骤st315中，决定使下次循环中在步骤st311负载被变动的值δr成为与上次步骤st311时相同的值δr。然后进入到步骤st317。
[0166]
在步骤st316中，决定使下次循环中在步骤st311负载被变动的值δr成为与上次步骤st311时相反符号的值(绝对值相同)－δr。然后进入到步骤st317。
[0167]
接下来在步骤st317中，将步骤st313中测定出的电功率p更新作为下一循环的步骤st314中被用作电功率p’的值。然后返回到步骤st311。
[0168]
通过这些处理，功率控制装置12进行在使从热电变换装置11输出的电功率为最大
的电流值附近反复进行循环的控制。
[0169]
在将负载13的值保持为恒定时，即使热源或冷却源的温度发生变动，相比于如在图2的步骤st11以后的循环中进行的将电流值保持为恒定的情况，也能够将从热电变换装置11输出的电功率保持于最大功率附近。
[0170]
如果在热源或冷却源的温度发生变动时将电流值保持为恒定，则电动势与温差成比例地变化，所以由于温度变动引起的从最大功率点的偏移变大。
[0171]
与之相对，在将负载13的值保持为恒定时，如果热电变换装置11的内部电阻不变，则不会产生从最大功率点的偏移。
[0172]
实际上，随着热电变换元件的温度上升而内部电阻倾向于增加，但该效应一般较小。因此，相比于将电流值保持为恒定的控制，在将负载13的值保持为恒定的控制下，从热电变换装置11输出的电功率更大。由此，相比于在控制周期t期间将电流值保持为恒定的情况，能够使从热电变换装置11输出的电功率变大。
[0173]
《关于热电发电系统中的功率控制装置的硬件结构》
[0174]
图15及图16是概略性例示将图1及图11所例示的热电发电系统(特别是功率控制装置)进行实际运用时的硬件结构的图。
[0175]
此外，关于图15及图16所例示的硬件结构与图1及图11所例示的结构，有时数量等不匹配，这是由于图1及图11所例示的结构示出的是概念性单元而造成的。
[0176]
因此，至少可以设想图1及图11所例示的1个结构由图15及图16所例示的多个硬件结构构成的情况、图1及图11所例示的1个结构与图15及图16所例示的硬件结构的一部分对应的情况、进而图1及图11所例示的多个结构被设置于图15及图16所例示的1个硬件结构的情况。
[0177]
图15中示出了进行运算的处理电路1102a和能够存储信息的存储装置1103，作为用于实现图1中及图11中的热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d的硬件结构。这些结构在其它实施方式中也是同样的。
[0178]
图16中示出了进行运算的处理电路1102b，作为用于实现图1及图11中的热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d的硬件结构。该结构在其它实施方式中也是同样的。
[0179]
利用存储装置1103或其它存储装置(在此未图示)来实现热时间常数获取部12a中热时间常数的存储、热时间常数获取部22a中热时间常数的存储、功率测定部12b中测定出的电功率的存储、或者功率测定部22b中测定出的电功率的存储等。
[0180]
存储装置1103例如可以是包括硬盘驱动器(hard disk drive、即hdd)、随机存取存储器(random access memory、即ram)、只读存储器(read only memory、即rom)、闪存存储器、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read only memory)(eprom)及电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory)(eeprom)等易失性或非易失性半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、压缩盘、迷你盘或dvd等的存储器(存储介质)、或者今后使用的一切存储介质。
[0181]
处理电路1102a可以执行储存于存储装置1103、外部的cd-rom、外部的dvd-rom、或
者外部的闪存存储器等的程序。即，例如可以是中央运算处理装置(中央处理单元(central processing unit)、即cpu)、微型处理器、微型计算机、数字信号处理器(digital signal processor、即dsp)。
[0182]
在处理电路1102a执行储存于存储装置1103、外部的cd-rom、外部的dvd-rom、或者外部的闪存存储器等的程序时，利用使得通过处理电路1102a来执行储存于存储装置1103的程序的软件、固件或软件和固件的组合，来实现热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d。此外，例如可以通过多个处理电路的协作来实现热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d的功能。
[0183]
软件及固件可以被记述为程序并存储于存储装置1103。在该情况下，处理电路1102a通过读出并执行储存于存储装置1103的程序来实现上述功能。即，存储装置1103可以存储通过被处理电路1102a执行而结果使上述功能被实现的程序。
[0184]
另外，处理电路1102b可以是专用硬件。即，例如可以是单个电路、复合电路、程序化处理器、并行程序化处理器、集成电路(专用集成电路(application specific integrated circuit)、即asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array)(fpga)或将它们组合而成的电路。
[0185]
在处理电路1102b是专用硬件时，通过处理电路1102b的工作来实现热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d。此外，热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d的功能既可以用不同的电路实现，也可以用单个电路实现。
[0186]
此外，关于热时间常数获取部12a、热时间常数获取部22a、功率测定部12b、功率测定部22b、功率变换控制部12c、功率变换控制部22c、功率变换部12d及功率变换部22d的功能，可以是一部分在执行储存于存储装置1103的程序的处理电路1102a中实现，一部分在作为专用硬件的处理电路1102b中实现。
[0187]
《关于由以上记载的实施方式产生的效果》
[0188]
接下来示出由以上记载的实施方式产生的效果的例子。此外，虽然在以下说明中根据以上记载的实施方式所例示的具体结构来记载该效果，但也可以在产生同样效果的范围内替换为与本技术说明书所例示的其它具体结构。即，以下为方便起见，有时仅记载对应起来的具体结构当中的任意1个，但可以将记载的1个具体结构替换为对应起来的其它具体结构。
[0189]
另外，该替换可以跨越多个实施方式进行。即，可以是组合在不同实施方式中例示的各个结构而产生同样效果的情况。
[0190]
根据以上记载的实施方式，功率控制装置具备：功率测定部12b(或功率测定部22b)，测定从热电变换装置11输出的电功率；以及控制部，对从热电变换装置11输出的电功率进行控制。在此，控制部例如对应于功率变换控制部12c、功率变换控制部22c等当中的至少1个。热电变换装置11基于热而发电。而且，热电变换装置11输出电功率。在此，在针对热
电变换装置11的输出的负载发生变动后再过了与热电变换装置11的热时间常数对应的时间之后，功率测定部12b测定从热电变换装置11输出的电功率。
[0191]
另外，根据以上记载的实施方式，功率控制装置具备：处理电路1102a，执行程序；以及存储装置1103，存储被执行的程序。而且，通过处理电路1102a执行程序来实现以下工作。
[0192]
即，在针对热电变换装置11的输出的负载发生变动后再过了与热电变换装置11的热时间常数对应的时间之后，测定从热电变换装置11输出的电功率。
[0193]
另外，根据以上记载的实施方式，功率控制装置具备作为专用硬件的处理电路1102b。而且，作为专用硬件的处理电路1102b进行以下工作。
[0194]
即，在针对热电变换装置11的输出的负载发生变动后再过了与热电变换装置11的热时间常数对应的时间之后，作为专用硬件的处理电路1102b测定从热电变换装置11输出的电功率。
[0195]
根据这样的结构，在过了与热时间常数t对应的时间之后测定从热电变换装置11输出的电功率，能够使从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)增大。
[0196]
此外，即使在对上述结构酌情追加了本技术说明书所例示的其它结构时、即酌情追加了未作为上述结构而提及的本技术说明书中的其它结构时，也能够产生同样效果。
[0197]
另外，根据以上记载的实施方式，功率变换控制部12c根据测定出的热电变换装置11的电功率，搜索从热电变换装置11输出的电功率的最大值。根据这样的结构，通过反复进行爬山法等使针对热电变换装置11的输出的负载发生变动的搜索，能够找到从热电变换装置11输出的最大功率。
[0198]
另外，根据以上记载的实施方式，功率变换控制部12c通过使针对热电变换装置11的输出的负载发生变动而使从热电变换装置11输出的电流值发生变动，并且在与热电变换装置11的热时间常数对应的时间中将从热电变换装置11输出的电流值保持为恒定。根据这样的结构，通过在过了与热时间常数t对应的时间之后测定从热电变换装置11输出的电功率，能够使从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)最大化。
[0199]
另外，根据以上记载的实施方式，功率变换控制部12c使针对热电变换装置11的输出的负载发生变动，并且在与热电变换装置11的热时间常数对应的时间中将负载保持为恒定。根据这样的结构，即使热源或冷却源的温度发生变动，也能够将从热电变换装置11输出的电功率保持于最大功率附近。而且，通过在过了与热时间常数t对应的时间之后测定从热电变换装置11输出的电功率，能够使从热电变换装置11输出的电功率p(取出功率)最大化。
[0200]
另外，根据以上记载的实施方式，功率控制装置22具备热时间常数获取部22a，该热时间常数获取部22a使从热电变换装置11输出的电流值发生变动，并且根据从热电变换装置11输出的电压值的时间变化来获取热电变换装置11的热时间常数。根据这样的结构，通过在使热电变换装置11的正极与负极之间为短路状态并等待一定时间之后又使热电变换装置11为开路状态等并测定从热电变换装置11输出的电压值的时间变化，温差δt的时间响应和电压值的时间响应呈现相同的行为，所以即使不通过热电变换装置11的热测定来获取热时间常数t，也能够获取热时间常数t。
[0201]
另外，根据以上记载的实施方式，功率测定部12b根据从热电变换装置11输出的电流值及电压值来获取热电变换装置11的内部电阻。根据这样的结构，能够测定热电变换装
置11的(包括热电变换模块11a的高温侧(或低温侧)的面与高温侧(或低温侧)的温度固定点之间的热阻的)准确的内部电阻，所以能够有效利用于热电变换装置11的最大功率控制。
[0202]
《关于以上记载的实施方式的变形例》
[0203]
在以上记载的实施方式中，有时对各个构成要素的材质、材料、尺寸、形状、相对配置关系或实施条件等也进行了记载，但这些在所有方面仅为一个例子，而非限定性的。
[0204]
因此，在本技术说明书公开的技术的范围内，设想未例示的无数的变形例以及等同物。例如，包括将至少1个构成要素变形的情况、追加至少1个构成要素的情况或省略至少1个构成要素的情况、进而提取至少1个实施方式中的至少1个构成要素并与其它实施方式中的构成要素组合的情况。
[0205]
另外，在以上记载的实施方式中，在没有特别指定而记载了材料名等的情况下，只要不产生矛盾，则包括在该材料中含有其它添加物、例如合金等。
[0206]
另外，只要不产生矛盾，在以上记载的实施方式中记载为具备“1个”的构成要素也可以具备“1个以上”。
[0207]
进而，以上记载的实施方式中的各个构成要素是概念性单元，在本技术说明书公开的技术的范围内，包括1个构成要素由多个构造物构成的情况、1个构成要素与某个构造物的一部分对应的情况、进而多个构成要素被设置于1个构造物的情况。
[0208]
另外，在以上记载的实施方式中的各个构成要素中，只要发挥同一功能，则包括具有其它构造或形状的构造物。
[0209]
另外，作为本技术说明书中的说明，是为了与本技术关联的所有目的而被参照的，都不应被认为是现有技术。
[0210]
另外，作为在以上记载的实施方式中记载的各个构成要素，既被设想为软件或固件，也被设想为与其对应的硬件，在这双方的概念下，各个构成要素被称为“部”或“处理电路”(circuitry)等。
[0211]
另外，关于热时间常数获取部12a中热时间常数的存储、热时间常数获取部22a中热时间常数的存储、功率测定部12b中测定出的电功率的存储、或者功率测定部22b中测定出的电功率的存储等，在图1及图11中被表示为搭载于热电发电系统内，但它们中的至少1个可以是外部的功能部。在该情况下，只要通过热电发电系统内的其它功能部和外部的功能部相互作用而整体上实现热电发电系统的功能即可。

技术特征：
1.一种功率控制装置，对输出基于热而发电的电功率的热电变换装置的电功率进行控制，该功率控制装置具备：功率测定部，测定从所述热电变换装置输出的电功率；以及控制部，对从所述热电变换装置输出的电功率进行控制，在针对所述热电变换装置的输出的负载发生变动后再过了与所述热电变换装置的热时间常数对应的时间之后，所述功率测定部测定从所述热电变换装置输出的电功率。2.根据权利要求1所述的功率控制装置，其中，所述控制部根据测定出的所述热电变换装置的电功率，搜索从所述热电变换装置输出的电功率的最大值。3.根据权利要求1或2所述的功率控制装置，其中，所述控制部通过使针对所述热电变换装置的输出的所述负载发生变动而使从所述热电变换装置输出的电流值发生变动，并且在与所述热电变换装置的所述热时间常数对应的时间中将从所述热电变换装置输出的电流值保持为恒定。4.根据权利要求1或2所述的功率控制装置，其中，所述控制部使针对所述热电变换装置的输出的所述负载发生变动，并且在与所述热电变换装置的所述热时间常数对应的时间中将所述负载保持为恒定。5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的功率控制装置，其中，还具备热时间常数获取部，该热时间常数获取部使从所述热电变换装置输出的电流值发生变动，并且根据从所述热电变换装置输出的电压值的时间变化来获取所述热电变换装置的所述热时间常数。6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的功率控制装置，其中，所述功率测定部根据从所述热电变换装置输出的电流值及电压值来获取所述热电变换装置的内部电阻。7.一种热电发电系统，具备：热电变换装置，基于热而发电并且输出电功率；以及功率控制装置，测定从所述热电变换装置输出的电功率，并且对从所述热电变换装置输出的电功率进行控制，在使针对所述热电变换装置的输出的负载发生变动后再过了与所述热电变换装置的热时间常数对应的时间之后，所述功率控制装置测定从所述热电变换装置输出的电功率。8.一种功率控制方法，对输出基于热而发电的电功率的热电变换装置的电功率进行控制，其中，测定从所述热电变换装置输出的电功率，对从所述热电变换装置输出的电功率进行控制，测定从所述热电变换装置输出的电功率是：在针对所述热电变换装置的输出的负载发生变动后再过了与所述热电变换装置的热时间常数对应的时间之后，测定从所述热电变换装置输出的电功率。

技术总结
目的在于使热电变换装置的取出功率增大。本申请说明书公开的技术所涉及的功率控制装置具备：功率测定部，测定从热电变换装置输出的电功率；以及控制部，对从热电变换装置输出的电功率进行控制，其中，在针对热电变换装置的输出的负载发生变动后再过了与热电变换装置的热时间常数对应的时间之后，功率测定部测定从热电变换装置输出的电功率。定从热电变换装置输出的电功率。定从热电变换装置输出的电功率。


技术研发人员：森冈孝之 山下彰 日永田一大 池田胜己
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2020.12.14
技术公布日：2023/8/21