(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒と、該燃焼筒を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生する筒状のエミッタと、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セルとを備えた熱光発電装置において、
該エミッタの各部位に対向する各々の該光電変換セルが、該各部位の発光強度に応じて光電変換効率が最大化するように、該エミッタと該光電変換セルとの距離を、該エミッタの温度が低い部位ほど小さくしてあることを特徴とする熱光発電装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記燃焼ガスは前記燃焼筒内を上昇し、該燃焼筒の頂部の開口から排出され、該燃焼筒と前記筒状のエミッタとの間隙内を下降し、これにより、該エミッタの筒軸方向に沿って上端から下端まで単調に低下する温度分布を該エミッタ内に形成し、
該エミッタと前記光電変換セルとの距離を、上記エミッタの温度分布に対応させて該エミッタの上端から下端にかけて順次小さくしてある
ことを特徴とする熱光発電装置。
【請求項３】
内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒と、該燃焼筒を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生する筒状のエミッタと、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セルとを備えた熱光発電装置において、
該エミッタの各部位に対向する各々の該光電変換セルが、該各部位の発光強度に応じて光電変換効率が最大化するように、該エミッタの温度が低い部位ほど、エネルギーバンドギャップの小さい該光電変換セルを配置してあることを特徴とする熱光発電装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記燃焼ガスは前記燃焼筒内を上昇し、該燃焼筒の頂部の開口から排出され、該燃焼筒と前記筒状のエミッタとの間隙内を下降し、これにより、該エミッタの筒軸方向に沿って上端から下端まで単調に低下する温度分布を該エミッタ内に形成し、
上記エミッタの温度分布に対応させて、該エミッタの上部より下部の方が、対向する該光電変換セルのエネルギーバンドギャップが小さくなるように、該光電変換セルの材質を選択してある
ことを特徴とする熱光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱光発電（ＴＰＶ：thermophotovoltaic）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特表平２−５０２６９２号公報等に開示されているように、内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒と、該燃焼筒を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生するエミッタと、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セルとを備えた熱光発電装置が知られている。
【０００３】
熱光発電は、清浄性および静寂性が高く、次世代の発電システムとして期待されている。特に、可動部分が無いため、無騒音・無振動の発電システムを実現できることが大きな特徴である。これまでに開発された熱光発電装置としては、円筒型と平板型がある。平板型に比べて円筒型は、エミッタの温度分布が不均一になり易いため、エミッタの各部位からの輻射光を受光する各セル間で光電変換効率が不均一になり、発電装置全体としての発電効率が低下するという問題があった。
【０００４】
図１に、従来の円筒型熱光発電装置の（１）縦断面配置および（２）平面配置を示す。熱光発電装置１０は、内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒１と、該燃焼筒１を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生するエミッタ２と、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セル４とを備えている。エミッタ２とセル４との間には、フィルタ３が配置されている。フィルタ３は、エミッタ２からの輻射光スペクトルのうち、セル４で光電変換できる波長範囲の光のみを透過し、セル４の無用な加熱を防止する。図示のように各部材１〜４は、中心軸５を同心円状に取り囲んで配置されている。ただし、セル４は、円筒の軸方向に７層から成り、各層は円周に沿って同一仕様のセルを１２個並べた正１２角形であるが、図１（２）においては簡略化して円形として示してある。
【０００５】
上記従来の熱光発電装置１０において、燃焼ガスは燃焼筒１の内部を上向き矢印のように上昇し、頂部の開口から横向き矢印のように放射状に排出され、燃焼筒１とエミッタ２との間隙Ｓ内を下向き矢印のように流れつつエミッタ２を加熱する。このような加熱方式であるため、一般にエミッタ２の温度は、頂部で最高となり、下部になるほど低下し、底部で最低になる形の不均一な分布になる。
【０００６】
図２に、図１の円筒型熱光発電装置１０の高さ方向の各位置について、エミッタの温度および発光強度と、それに対応したセルの発電出力とを示す。図２（１）は、エミッタ温度が装置１０の高さ方向位置によらず一定（１３５０Ｋ）であるとした場合の関係であり、エミッタ２の高さ方向各部位からは等しい強度で輻射光が発生し、これに対応して７層のセルから等しい発電出力が得られることを示している。ただし図２（１）は仮想的な理想状態を示したものであり、実際には図２（２）に示すように、前述の如くエミッタ２の温度は頂部（図中、０mmの位置）の１７００Ｋから底部（図中、１６０mmの位置）の１０００Ｋまで単調に（図の例では直線的に）低下する形の不均一な分布になっている。エミッタ２の各部位からはその温度に対応した強度で輻射光が発生するので、エミッタ２の下部ほど発光強度が低下する。そのため、７層のうち下層のセル（図では頂部から８０mmの位置より下方のセル）ではセル本来の発電能力が完全に発揮されない。一方、７層のうち上層のセル（図では頂部から８０mmの位置より上方のセル）については、各セル層の位置に対応するエミッタ２の部位の発光強度は大きいが、セルの発電能力を超えた発光強度に対しては発電能力上限の出力しか得られないため、エミッタ発光強度に対するセル出力の効率が低下する。
【０００７】
このように、エミッタの温度分布が不均一であると、エミッタの発光強度に見合ったセル出力が得られないため、発電装置全体としての発電効率が低下するという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エミッタの温度分布が不均一であっても、各セルの光電変換効率を最適化して発電効率を高めた熱光発電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒と、該燃焼筒を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生するエミッタと、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セルとを備えた熱光発電装置において、
該エミッタの各部位に対向する各々の該光電変換セルが、該各部位の発光強度に応じて光電変換効率が最大化するように、配置されていることを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
本発明の熱光発電装置によれば、エミッタの各部位に対向する各々の該光電変換セルが、該各部位の発光強度に応じて光電変換効率が最大化するように、配置されているので、発電装置全体として発電効率を最大化できる。
本発明の第１の実施態様によれば、前記エミッタの各部位の発光強度に応じて、該各部位と該各部位に対向する各々の前記光電変換セルとの距離を最適化することにより、該各部位の発光強度に応じて各光電変換セルの光電変換効率を最大化することができる。
【００１１】
本発明の第２の実施態様によれば、前記エミッタの各部位の発光強度に応じて、該各部位に対向する各々の前記光電変換セルの材質を最適化することにより、該各部位の発光強度に応じて各光電変換セルの光電変換効率を最大化することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〔実施形態１〕
図３に、本発明の第１の実施態様による円筒型熱光発電装置の第１の実施形態を示す。図３（１）は縦断面配置を、図３（２）は平面配置をそれぞれ示す。
熱光発電装置２０は、内部のバーナにより燃焼ガスを発生する燃焼筒１と、該燃焼筒１を取り囲んで配置され、該燃焼ガスにより加熱されて輻射光を発生するエミッタ２と、該エミッタを取り囲んで配置され、該エミッタからの輻射光を受光して光電変換する複数の光電変換セル４とを備えている。エミッタ２とセル４との間には、フィルタ３が配置されている。フィルタ３は、エミッタ２からの輻射光スペクトルのうち、セル４で光電変換できる波長範囲の光のみを透過し、セル４の無用な加熱を防止する。図示のように各部材１〜４は、中心軸５を同心円状に取り囲んで配置されている。ただし、セル４は、円筒の軸方向に７層から成り、各層は円周に沿って複数個のセルを並べた多角形であるが、図３（２）においては簡略化して円形として示してある。燃焼ガスは、燃焼筒１の内部を上向き矢印のように上昇し、頂部の開口から横向き矢印のように放射状に排出され、燃焼筒１とエミッタ２との間隙Ｓ内を下向き矢印のように流れつつエミッタ２を加熱する。
【００１３】
図４に示すように、上記加熱方式による典型的な例においては、エミッタ２の温度は、頂部で最高１７００Ｋであり、下部になるに従って位置に対して直線的に低下し、底部で最低１０００Ｋになる形の不均一な分布である。
本実施形態においては、燃焼筒１、エミッタ２およびフィルタ３は従来と同様にそれぞれ軸方向に対して直径が一定の円筒であるが、セル４は頂部から底部にかけて順次各層の直径を小さくしてある。すなわち、図４に示したエミッタ２の温度分布に対応させて、セル４の各層４１〜４７とエミッタ２との各距離を、最上層セル４１から最下層セル４７まで順次小さくしてある。各セル層の構成は図中にも略記したが、詳細は表１のとおりである。各層の形状は、表１に示した個数の同一仕様の単位セルを円周に沿って並べた正多角形（正２９角形〜正５角形）である。
【００１４】
【表１】
0003664057.tif 000002
【００１５】
上記の構成により、エミッタ２の各部位の発光強度に応じて、エミッタ各部位とそれ対向するセル（層４１〜４７）との距離が最適化され、各層においてそれぞれセルの発電能力が最大限に発揮される。これにより、図４に示すように、エミッタ２の各部位の発光強度に見合ったセル出力が得られ、発電装置全体として発電効率を最大化することができる。
【００１６】
本実施形態による発電効率をセル出力密度（セルの単位面積当たり出力）で評価した。光電変換セルの材質としてＧａＳｂを用いた場合についてシミュレーション計算を行った結果、図３の構造でセル総面積４２０cm2 に対してセル総出力は１１２５Ｗとなり、セル出力密度２．７Ｗ／cm2 が得られた。
この結果を従来構造と比較するために、図５に示す熱光発電装置について同様の評価を行った。図５の従来構造は、燃焼筒１、エミッタ２、フィルタ３およびセル４のいずれも、それぞれ軸方向に対して直径が一定の円筒である。セル４の直径は、エミッタ２の最高温度に合わせて２１０mm（一定）とした。セル４は７層から成り、各層は同一仕様の単位セル３０個を円周に沿って並べた３０角形である。
【００１７】
この従来構造について上記と同様のシミュレーション計算を行った結果、セル総面積８４０cm2 に対してセル総出力は１１２３Ｗとなり、セル出力密度は１．３Ｗ／cm2 であった。
上記の比較により、本発明によれば発電効率が従来の２倍強に向上することが分かる。
【００１８】
〔実施形態２〕
図６に、本発明の第１の実施態様による円筒型熱光発電装置の第２の実施形態を示す。図示した熱光発電装置３０は、セル４の直径は軸方向に対して一定とし、燃焼筒１およびエミッタ２の直径を頂部（最高温部）から底部（最低温部）にかけて大きくしたテーパ状の形状としてある。これより、実施形態１と同様に、エミッタ２の各部位とセル４との距離が最適化され、発光強度に見合ったセル出力が得られ、装置全体としての発電効率が最大化される。
【００１９】
〔実施形態３〕
本発明の第２の実施態様によれば、エミッタの各部位の発光強度に応じて、該各部位に対向する各々の光電変換セルの材質を最適化することにより、エミッタ各部位の発光強度に応じて各光電変換セルの光電変換効率を最大化することができる。
【００２０】
典型的には、光電変換セルとして半導体材料を用いた場合、エミッタ各部位の温度に応じて最適の発電能力を発揮する半導体材料のセルを割り当てる。すなわち、高温のエミッタ部位からの輻射光は短波長であるから、エネルギーバンドギャップの大きい半導体材料のセルを割当て、一方低温のエミッタ部位からの輻射光は長波長であるからバンドギャップの小さい半導体材料のセルを割り当てる。一例として、実施形態１で用いたエミッタ温度分布に対しては、高温のエミッタ部位からの輻射光を受光するセルの材料としてはＳｉ等が最適であり、低温のエミッタ部位からの輻射光を受光するセルの材料としてはＧａＳｂ、Ｇｅ等が最適である。
【００２１】
図７に、種々の光電変換用の元素半導体およびIII-V 族化合物半導体について、エネルギーバンドギャップおよび変換適性波長を格子定数に対して整理したグラフを示す。このように、エミッタ各部位の温度に応じて最適な材料のセルを配置することにより、各セルの発電能力が最大限に発揮でき、装置全体としての発電効率を最大化することができる。
【００２２】
なお、図７は光電変換セル材料の一例を示したものであり、選択の対象範囲はこれに限定されず、多種多様な光電変換セルから選択できる。
また、本発明の第１の態様によるエミッタ／セル間距離の最適化と第２の態様によるセル材質の最適化とを組み合わせて適用することもできる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、エミッタの温度分布が不均一であっても、各セルの光電変換効率を最適化して発電効率を高めた熱光発電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の円筒型熱光発電装置の（１）縦断面図および（２）平面図である。
【図２】図２は、エミッタ温度分布が（１）均一および（２）不均一の場合について、図１の円筒型熱光発電装置１０の高さ方向の各位置について、エミッタ温度、エミッタ発光強度およびセル出力を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明による円筒型熱光発電装置の一実施形態を示す（１）縦断面図および（２）平面図である。
【図４】図４は、図３に示した本発明の熱光発電装置の高さ方向位置に対するエミッタ温度、エミッタ発光強度およびセル出力の分布を示すグラフである。
【図５】図５は、図３に示した本発明の装置と比較するための従来の熱光発電装置を示す（１）縦断面図および（２）平面図である。
【図６】図６は、本発明による円筒型熱光発電装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に用いる各種半導体材料のエネルギーバンドギャップおよび光電変換対象波長を格子定数に対して示すグラフである。
【符号の説明】
１…燃焼筒
２…エミッタ
３…フィルタ
４…光電変換セル
【図１】
0003664057.tif 000003
【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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