(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
輻射体と、
前記輻射体の面を挟んだ対向流火炎により前記輻射体を加熱する輻射体加熱手段と、
前記輻射体からの輻射光を光電変換する光電変換素子と、
を具備する熱光発電装置。
【請求項２】
前記対向流火炎は、多孔質輻射体の一方側から供給される燃料ガスと他方側から供給される空気との燃焼によって形成される火炎である、請求項１に記載の熱光発電装置。
【請求項３】
前記輻射体からの輻射光の強度を検出し、該検出値に応じて対向流のガス供給割合を変更する供給割合制御手段を更に具備する、請求項１又は請求項２に記載の熱光発電装置。
【請求項４】
前記輻射体は球殻状をなす、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の熱光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎により輻射体を加熱し、輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光起電力（ＴＰＶ）(thermophotovoltaic)による発電すなわち熱光発電（ＴＰＶ発電）は、熱源からの赤外線輻射を光電変換セルに入射して発電する技術であり、可動部分が無いため、無騒音・無振動システムを実現することができる。次世代のエネルギ源として、ＴＰＶ発電は、クリーン性、静粛性などの点で優れている。一般に、ＴＰＶ発電では、ブタンガス燃料などを燃焼させてエミッタ（輻射体）を加熱し、エミッタでその熱エネルギを赤外線エネルギに変換し、その赤外線エネルギを光電変換セルで電気エネルギに変換する。
【０００３】
例えば、特開昭６３−３１６４８６号公報には、多孔質固体により製作されたエミッタと、排ガスがそのエミッタ内を通過するように構成されたエミッタ加熱手段と、そのエミッタからの輻射エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、から構成される熱光発電装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱光発電装置に関しては、エミッタの寸法が大きいためにコストが高いという問題が指摘されている。その一方、エミッタの寸法を抑えると、エミッタの発光効率が低下するという問題が生ずる。この問題を解決するためには、エミッタの温度を上昇させることが重要になってくる。なぜならば、ステファン・ボルツマンの法則が教示するところによれば、エミッタの輻射エネルギはその絶対温度の４乗に比例するからである。
【０００５】
このような観点から従来の熱光発電装置を見てみると、エミッタの加熱が効率よく行われているとは言いがたい。すなわち、従来の熱光発電装置では、火炎に隣接するようにエミッタが配設されているため、最高温度を示す火炎の部分がエミッタから離隔して存在することとなり、火炎が持つ最高温度を上手く利用できておらず、熱から輻射光への変換効率が必ずしも十分でない。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、最も温度が高い火炎部で輻射体を加熱することにより、加熱効率を向上させ、ひいてはエネルギ変換効率を向上させた熱光発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、輻射体と、前記輻射体の面を挟んだ対向流火炎により前記輻射体を加熱する輻射体加熱手段と、前記輻射体からの輻射光を光電変換する光電変換素子と、を具備する熱光発電装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の第２の態様によれば、前記対向流火炎は、多孔質輻射体の一方側から供給される燃料ガスと他方側から供給される空気との燃焼によって形成される火炎である。前記第１及び第２の態様に係る熱光発電装置においては、最も温度が高い火炎部が輻射体状に形成されるため、最大の輻射体加熱効率が得られる。
【０００９】
また、本発明の第３の態様によれば、前記輻射体からの輻射光の強度を検出し、該検出値に応じて対向流のガス供給割合を変更する供給割合制御手段が更に具備される。この第３の態様に係る熱光発電装置においては、火炎位置を最適に保つことが可能となる。
【００１０】
また、本発明の第４の態様によれば、前記輻射体は球殻状をなす。この第４の態様に係る熱光発電装置においては、輻射体の加熱を均一にすることができ、熱から輻射光への変換効率を最大に確保することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の基本的原理を説明するための図である。図１（Ａ）に示されるように、一定量の燃料と一定量の空気とを別々の出口より放出してそれらの対向流を衝突させると、図１（Ｂ）に示されるように、構造や燃料及び空気の流量に応じた火炎面が皿状に形成される。そこで、図１（Ｃ）に示されるように、その皿状の火炎面に応じた皿状で多孔質のエミッタ（輻射体）を準備し、図１（Ｄ）に示されるように火炎面の位置に配置する。このような構成によれば、火炎部が最も温度が高い部分であるため、最高温部にエミッタが配置されることとなり、燃焼熱が効率良くエミッタに伝導する。火炎面の位置は、燃料と空気との衝突によるバランス面として調整することが可能である。
【００１３】
図２は、上述の原理に基づくバーナー・エミッタ部の一構成例を示す底面図であり、図３は、図２の切断線Ｘ−Ｘに沿う断面図である。上側に配設された空気供給管２０は、５本の枝管を有しており、各枝管の下部には、４個の空気噴射口２０ａが設けられている。同様に、下側に配設された燃料供給管２２も、空気供給管２０の枝管に対応して５本の枝管を有しており、各枝管の上部には、空気供給管２０の空気噴射口２０ａに対応して４個の燃料噴射口２２ａが設けられている。
【００１４】
したがって、計２０箇所にて燃料と空気とが衝突し、燃焼が起こることとなる。そして、その燃焼による火炎面の位置には皿状の凹凸を有する板状のエミッタ２４が配置されている。このような構成により、図１で説明したエミッタの加熱が２０箇所で発生していることとなる。排気ガスは、排気管２６を通して後述する熱交換器に導かれる。なお、板２８は、高温ガスの抜けを防止するために設けられたじゃま板である。
【００１５】
図４は、図２及び図３に示されるバーナー・エミッタ部を備えた熱光発電装置のシステム構成例を示す図である。空気は、フィルタ３０及びポンプ３２を通った後、光電変換（太陽電池）セル３４を冷却するため、その近傍を通過する。その後、空気は、排気タービン付きモータ３６及び空気流量調整弁３８を経て、熱交換器４０に導かれて排気ガスで加熱された後、前述した空気供給管２０に導入される。
【００１６】
一方、燃料は、燃料ボンベ４２から燃料流量調整弁４４を介して前述の燃料供給管２２に導入される。そして、前述のように、空気供給管２０から噴射される空気と燃料供給管２２から噴射される燃料とが衝突することにより形成される火炎がエミッタ２４を効率良く加熱することとなる。そして、エミッタ２４からの輻射光は、ＳｉＯ2 ガラス４６を通して光電変換セル３４に入射して、電力に変換される。
【００１７】
なお、空気供給管２０ではなく燃料供給管２２が光電変換セル３４側に配されているのは、燃料量の方が空気量よりも少なく、光通路をより多く確保することができるからである。また、符号４８で示されるのは、光電変換セル３４の効率を高めるための冷却装置であり、符号５０で示されるのは、断熱材である。燃焼後の排気ガスは、熱交換器４０に導入されて前述のように空気を加熱した後、排気タービン付きモータ３６を経て排出される。
【００１８】
図５は、図４のシステム構成を有する熱光発電装置の実装構造を例示する縦断面図である。この図に示されるように、上部から順に、燃料ボンベ４２、フィルタ３０、ポンプ３２、熱交換器４０、バーナー・エミッタ部の各部材２０，２２，２４等、ＳｉＯ2 ガラス４６、光電変換セル３４及び冷却装置４８を実装することができる。
【００１９】
図６は、図４に示される熱光発電装置における制御フローの一例を示すフローチャートである。この制御フローでは、空気流量調整弁３８及び燃料流量調整弁４４にそれぞれ流量計が設けられていることを前提としている。この制御フローは、図示しない制御装置によって一定時間周期で実行される。まず、ステップ１０２では、空気及び燃料の各流量が計測される。次いで、ステップ１０４では、空気流量及び燃料流量から現在の発熱量が計算される。そして、ステップ１０６では、計算された発熱量が適正か否かが判定され、適正でない場合には処理はステップ１０８に進む一方、適正な場合には処理はステップ１１４に進む。
【００２０】
ステップ１０８では、計算された発熱量が過多なのか否かが判定される。そして、発熱量が過多でない場合すなわち発熱量過少の場合には、ステップ１１０において空気及び燃料ともに一定量だけ増量せしめられる。一方、発熱量過多の場合には、ステップ１１２において空気及び燃料ともに一定量だけ減量せしめられる。ステップ１１０又は１１２の実行後には、この制御フローは終了せしめられる。
【００２１】
一方、発熱量が適正な場合に実行されるステップ１１４では、空燃比が適当か否かが判定され、空燃比が適当である場合、この制御フローは終了せしめられる。一方、空燃比が適当でない場合には、ステップ１１６に進み、空気が過多か否かが判定される。空気過多でない場合すなわち燃料過多の場合には、ステップ１１８に進み、燃料が一定量だけ減量せしめられる。一方、空気過多の場合には、ステップ１２０に進み、空気が一定量だけ減量せしめられる。ステップ１１８又は１２０の実行後には、この制御フローは終了せしめられる。
【００２２】
図７は、制御フローのもう一つの例を示すフローチャートである。この制御フローは、図示しない制御装置によって一定時間周期で実行される。この制御フローでは、エミッタ２４に対する輝度センサが設けられていることを前提としている。なお、この輝度センサとしては、専用に設けることなく、光電変換セル３４を利用することも可能である。まず、ステップ２０２では、エミッタ２４に対する輝度センサにより光量が測定される。次いで、ステップ２０４では、その光量が所定値以上か否かが判定され、光量が所定値以上の場合には本フローが終了せしめられる一方、光量が所定値未満の場合にはステップ２０６に進む。
【００２３】
ステップ２０６では、空気が一定量だけ増量せしめられる。次いで、ステップ２０８では、光量が増加したか否かが判定され、光量が増加した場合には本フローが終了せしめられる一方、光量が増加しなかった場合にはステップ２１０に進む。ステップ２１０では、空気量が元に戻されるとともに、燃料が一定量だけ増量せしめられた後、本フローが終了せしめられる。かくして、空気と燃料との供給割合を適切に制御して、所望の熱量を得ることが可能となる。
【００２４】
図８は、本発明による熱光発電装置におけるバーナー・エミッタ部の他の構成例を示す部分断面図であり、また、図９は、図８に示されるバーナー・エミッタ部の平面図である。このバーナー・エミッタ部においては、空気供給管６０は、２つの円環状の管とそれらに連通する管とからできている。そして、燃料供給管６２は、空気供給管６０の２つの円環が形成する空間の中心部に位置する球殻部とそれに連通する管とからできている。そして、燃料供給管６２の球殻部には、放射状に燃料を噴射するための複数の噴射口が設けられている。その一方、空気供給管６０の２つの円環状の管には、燃料供給管６２の球殻部に向けて空気を噴射するための複数の噴射口が設けられている。
【００２５】
このような構成の下で噴射される燃料と空気とは、衝突して球殻状の火炎面を形成することとなるため、その火炎面に沿う形で球殻状のエミッタ６４が図８及び図９に示されるように配置される。バーナー・エミッタ部をこのような構造とすることで、エミッタの加熱を均一にすることができ、熱から輻射光への変換効率を最大に確保することが可能となる。また、真空に近い断熱層で囲って放熱損を防ぐことにより、更に効率を向上することができる。なお、このような構造のバーナー・エミッタ部とした場合には、これらを取り囲む円柱状に光電変換セルを配置すればよい。
【００２６】
図１０及び図１１は、それぞれ、熱光発電装置のシステム構成の他の例を示す図である。これらのシステム構成は、図４に示されるシステム構成と以下の点で相違している。すなわち、図１０に示される例では、空気と燃料とが前もって予混合室５２で混合され、一次燃焼後の混合気が、燃料供給管２２に供給され、そして、空気供給管２０からの空気により二次燃焼するようになっている。また、図１１に示される例では、空気だけではなく、燃料も熱交換器４０において加熱されるように構成されている。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最も温度が高い火炎部で輻射体が加熱されるため、輻射体の加熱効率が向上し、その結果、熱光発電装置のエネルギ変換効率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的原理を説明するための図である。
【図２】本発明による熱光発電装置におけるバーナー・エミッタ部の一構成例を示す底面図である。
【図３】図２の切断線Ｘ−Ｘに沿う断面図である。
【図４】本発明による熱光発電装置のシステム構成例を示す図である。
【図５】本発明による熱光発電装置の実装構造を例示する縦断面図である。
【図６】本発明による熱光発電装置における制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明による熱光発電装置における制御フローのもう一つの例を示すフローチャートである。
【図８】本発明による熱光発電装置におけるバーナー・エミッタ部の他の構成例を示す部分断面図である。
【図９】図８に示されるバーナー・エミッタ部の平面図である。
【図１０】本発明による熱光発電装置の他のシステム構成例を示す図である。
【図１１】本発明による熱光発電装置の更に他のシステム構成例を示す図である。
【符号の説明】
２０…空気供給管
２０ａ…空気噴射口
２２…燃料供給管
２２ａ…燃料噴射口
２４…エミッタ
２６…排気管
２８…じゃま板
３０…フィルタ
３２…ポンプ
３４…光電変換セル
３６…排気タービン付きモータ
３８…空気流量調整弁
４０…熱交換器
４２…燃料ボンベ
４４…燃料流量調整弁
４６…ＳｉＯ2 ガラス
４８…冷却装置
５０…断熱材
６０…空気供給管
６２…燃料供給管
６４…エミッタ
５２…予混合室
【図１】
0003714086.tif 000002
【図２】
0003714086.tif 000003
【図３】
0003714086.tif 000004
【図４】
0003714086.tif 000005
【図５】
0003714086.tif 000006
【図６】
0003714086.tif 000007
【図７】
0003714086.tif 000008
【図８】
0003714086.tif 000009
【図９】
0003714086.tif 000010
【図１０】
0003714086.tif 000011
【図１１】
0003714086.tif 000012