(57)【要約】【課題】熱源とエミッタとの距離を制御することによりエミッタの温度を最適化し、変換効率を向上した熱光発電装置を提供すること。【解決手段】熱光発電装置（１）は、熱源（１０）と、熱源（１０）からの輻射光を吸収するアブソーバ（１２ａ）と、アブソーバ（１２ａ）と一体化されて熱源（１０）とは反対側に所定の波長が増強された輻射光を放出するエミッタ（１２ｂ）と、エミッタ（１２ｂ）からの輻射光を光電変換する光電変換素子（１３）と、を備え、アブソーバ（１２ａ）を駆動することにより、熱源（１０）とアブソーバ（１２ａ）との距離を可変とする。【選択図】図１
2014217110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、前記熱源からの輻射光を吸収するアブソーバと、前記アブソーバと一体化されて前記熱源とは反対側に所定の波長が増強された輻射光を放出するエミッタと、前記エミッタからの輻射光を光電変換する光電変換素子と、を備えた熱光発電装置において、
前記アブソーバを駆動することにより、前記熱源と前記アブソーバとの距離を可変とすることを特徴とする熱光発電装置。
【請求項２】
前記熱源と前記光電変換素子との距離は、固定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱光発電装置。
【請求項３】
前記熱源と前記アブソーバとの距離ｚは、下記式（３）を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱光発電装置。
【数１】
2014217110.tif 000007
ただし、ＴＡはアブソーバの温度、Ｔ０は光電変換素子の熱平衡温度、ＴＳは熱源の温度、Ｄは熱源と対向するアブソーバ面の大きさ、σはシュテファン・ボルツマン定数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電力に変換する熱光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温の熱により加熱されたエミッタから発生する熱放射エネルギーを光電変換する熱光起電力（ＴＰＶ：Thermophotovoltaic）発電が知られている。ＴＰＶ発電を行う熱光発電装置の一例として、熱源であるバーナと、バーナの火炎により加熱されるエミッタと、エミッタに対してバーナと反対側に設けられた光電変換セルと、から構成される装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７８３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した熱光発電装置においては、熱源とエミッタとの距離が規定されておらず、エミッタの温度が最適化されずに変換効率の向上に限界があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱源とエミッタとの距離を制御することによりエミッタの温度を最適化し、変換効率を向上した熱光発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱光発電装置は、熱源と、前記熱源からの輻射光を吸収するアブソーバと、前記アブソーバと一体化されて前記熱源とは反対側に所定の波長が増強された輻射光を放出するエミッタと、前記エミッタからの輻射光を光電変換する光電変換素子と、を備えた熱光発電装置において、前記アブソーバを駆動することにより、前記熱源と前記アブソーバとの距離を可変とすることを特徴とする。
【０００７】
上記熱光発電装置によれば、熱源とアブソーバとの距離を可変としていることから、この距離を制御することによりアブソーバ及びエミッタの温度を最適化することができ、変換効率を向上することが可能となる。
【０００８】
上記熱光発電装置において、前記熱源と前記光電変換素子との距離は、固定されていることが好ましい。この場合には、熱源と光電変換素子との距離は固定されていることから、配線などが不要なアブソーバだけを可動とする構成とできるので、熱光発電装置の機構を単純にすることが可能となる。
【０００９】
上記熱光発電装置において、前記熱源と前記アブソーバとの距離ｚは、下記式（３）を満たすことが好ましい。
【数１】
2014217110.tif 000003
ただし、ＴＡはアブソーバの温度、Ｔ０は光電変換素子の熱平衡温度、ＴＳは熱源の温度、Ｄは熱源と対向するアブソーバ面の大きさ、σはシュテファン・ボルツマン定数である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱源とエミッタとの距離を制御することによりエミッタの温度を最適化し、変換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱光発電装置の構造を模式的に示す図である。
【図２】アブソーバ・エミッタの特性を示すグラフである。
【図３】図３Ａは距離ｚと変換効率ηｍａｘとの関係を示すグラフであり、図３Ｂは温度Ｔｓと変換効率ηｍａｘとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る熱光発電装置の構造を模式的に示す図である。熱光発電装置１は、熱源１１と、アブソーバ・エミッタ１２と、光電変換素子１３と、アブソーバ・エミッタ１２を駆動する駆動系１４と、を含んで構成される。アブソーバ・エミッタ１２は、板状の金属材料からなる基材１２ｃの一方の主面に設けられたアブソーバ面１２ａと、他方の主面に設けられたエミッタ面１２ｂと、で構成される。
【００１３】
熱源１１は、アブソーバ・エミッタ１２のアブソーバ面１２ａと対向して配置される。光電変換素子１３は、アブソーバ・エミッタ１２を挟んで熱源１１とは反対側に、アブソーバ・エミッタ１２のエミッタ面１２ｂと対向して配置される。
【００１４】
熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との間に、熱源１１から発せられた熱エネルギーを、アブソーバ・エミッタ１２のアブソーバ面１２ａに効率よく集熱するための集熱系を設けてもよい。
【００１５】
図１において、Ｈ，Ｄは、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２の対向する面の大きさをそれぞれ示している。ｚは、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離を示している。
【００１６】
このような熱光発電装置１によれば、熱源１１から発せられた熱エネルギーは、アブソーバ・エミッタ１２のアブソーバ面１２ａに吸収される。アブソーバ・エミッタ１２は、アブソーバ面１２ａに吸収された熱エネルギーをエミッタ面１２ｂで赤外線に変換して放出する。光電変換素子１３は、エミッタ面１２ｂから放出された赤外線が入射することにより、起電力が得られる。
【００１７】
アブソーバ・エミッタ１２のアブソーバ面１２ａ、エミッタ面１２ｂ及び基材１２ｃは、例えば、タングステン、モリブデン又はこれらを主成分とする合金からなる板状の金属板で構成される。エミッタ面１２ｂの最表面には、微細な凹凸構造が設けられていることが好ましい。このようなアブソーバ・エミッタ１２は、基材１２ｃの一主面に微細な凹凸構造を設けることにより形成される。
【００１８】
アブソーバ面１２ａは、図２Ａに示すような特性を持つように設計される。図２Ａにおいて、縦軸は放射率、横軸は波長［μｍ］を示している。図２Ａに示すように、アブソーバ面１２ａは、波長３〜２０［μｍ］の赤外線を放射するようなピークを有するように設計されている。
【００１９】
エミッタ面１２ｂは、最表面に設けられた微細な凹凸構造により、図２Ｂに示すような特性を持つように設計される。図２Ｂにおいて、縦軸は放射効率、横軸は波長［μｍ］を示している。エミッタ面１２ｂにおける微細な凹凸構造は、例えば、一定方向に延びる矩形状の断面を有する溝が一定周期で形成された構造を有する。なお、図２Ｂにおいて、グラフ（Ｆｌａｔ）は、表面に微細凹凸構造が形成されたエミッタ面１２ｂのグラフ（ＥＭ）と比較するため、基材１２ｃの表面に微細凹凸構造が形成されていない場合の結果を示している。
【００２０】
図２Ｂに示すように、エミッタ面１２ｂは、エミッタ面１２ｂの表面に形成された周期的な微細凹凸構造により誘起される表面プラズモンポラトリン共鳴のため、特定の波長（図２Ｂにおいて、１．５〜２．０［μｍ］）の赤外線を強く放射する性質をもっている。このように、エミッタ面１２ｂは、基材１２ｃの表面に微細凹凸構造が形成されていない場合（グラフ（Ｆｌａｔ））と比較して、放射効率が大幅に向上している。すなわち、エミッタ面１２ｂの表面に微細凹凸構造を形成することで、アブソーバ面１２ａにより吸収した熱エネルギーを、エミッタ面１２ｂから赤外線として効率よく放射でき、放射効率のよいアブソーバ・エミッタ１２が実現できる。
【００２１】
図２Ｃは、図２Ｂに示すエミッタ特性に温度依存性を組み合わせた変換スペクトルと光電変換素子の感度領域との関係を示す図である。図２Ｃにおいては、温度Ｔ＝１３００［Ｋ］であり、光電変換素子としてＧａＩｎＡｓＳｂを用いる構造が適用されている。光電変換素子に入射する光のうち、起電力を得るために利用できる光は、感度領域内の波長範囲の光に限られる。図２Ｃにおいては、感度領域の下限のエッジは０．５〜１［μｍ］であり、上限のエッジは２〜２．５［μｍ］である。図２Ｂに示すような特性を持つようにエミッタ面１２ｂを設計することにより、エミッタ面１２ｂは、光電変換素子１３の感度領域内に波長を有する赤外線を効率的に放射する。
【００２２】
ところで、アブソーバ・エミッタ１２のエミッタ面１２ｂから放射される赤外線の波長は、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡが高くなるほど短波長側にシフトし、温度ＴＡが低くなるほど長波長側にシフトする。したがって、熱光発電装置１においては、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡが高すぎても低すぎても、光電変換素子１３による変換効率が悪くなる。
【００２３】
熱光発電装置において、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離ｚが固定されている場合には、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡを制御することは困難であり、光電変換素子１３による変換効率の最適化を図ることができない。
【００２４】
これに対して、本発明の実施の形態に係る熱光発電装置１においては、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離ｚを可変とすることにより、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡを制御して、光電変換素子１３による変換効率の最適化を図っている。具体的には、駆動系１４によって、アブソーバ・エミッタ１２を図示矢印ＸまたはＹ方向に移動することにより、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離ｚを可変とし、この距離ｚを調整することにより温度ＴＡを制御することが可能となる。
【００２５】
一方、熱光発電装置１においては、熱源１１と光電変換素子１３との距離は固定されていることが好ましい。これにより、配線などが不要なアブソーバ・エミッタ１２だけを可動とする構成とできるので、熱光発電装置１の機構を単純にすることが可能となる。また、熱光発電装置１全体のサイズを固定化できるため、熱光発電装置１の設置が容易となる。
【００２６】
続いて、熱光発電装置１における、変換効率ηｍａｘと距離ｚ［ｃｍ］との関係について詳細に説明する。
【００２７】
熱光発電装置１における変換効率ηｍａｘは、次の式（１）で示される。
【数２】
2014217110.tif 000004
ここで、Ｔ０は光電変換素子１３の熱平衡温度、σはシュテファン・ボルツマン定数である。
【００２８】
式（１）より、熱光発電装置１における変換効率の最適値ηｍａｘ（ｏｐｔ）は、次の式（２）で示される。
【数３】
2014217110.tif 000005
【００２９】
また、熱光発電装置１において、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡと距離ｚとの関係は、次の式（３）で示される。
【数４】
2014217110.tif 000006
【００３０】
式（１），（３）より、変換効率ηｍａｘと距離ｚ［ｃｍ］との関係を示すグラフが得られる（図３Ａ参照）。なお、図３Ａは、熱源１１の温度ＴＳ＝８００［℃］、アブソーバ・エミッタ１２の大きさＤ＝５［ｃｍ］の場合のグラフを示している。
【００３１】
図３Ａに示すグラフより、０＜ｚ＜２の範囲で、変換効率ηｍａｘは最大値を取る。変換効率ηｍａｘが最大値をとるときの距離ｚの値を求めることにより、距離ｚの最適値であるｚ（ｏｐｔ）を求めることができる。
【００３２】
続いて、距離ｚが最適値ｚ（ｏｐｔ）をとることにより、変換効率ηｍａｘが最適化されることを説明する。図３Ｂは、変換効率ηｍａｘと熱源１１の温度ＴＳ［Ｋ］との関係を示すグラフである。なお、図３Ｂは、アブソーバ・エミッタ１２の大きさＤ＝２［ｃｍ］の場合のグラフを示している。グラフ１０１はｚ＝ｚ（ｏｐｔ）の場合のグラフであり、グラフ１０２，１０３はそれぞれ任意の値であるｚ＝０，２［ｃｍ］の場合のグラフである。
【００３３】
図３Ｂに示すグラフより、距離ｚとして最適値ｚ（ｏｐｔ）を選択した場合には、距離ｚとして任意の値（ｚ＝０，２）を選択した場合と比較して、温度ＴＳ［Ｋ］の値にかかわらず変換効率ηｍａｘが最も高い値となる。
【００３４】
このように、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離ｚを制御し、距離ｚの最適値ｚ（ｏｐｔ）をとることにより、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡの制御が可能となる（式（３））とともに、変換効率ηｍａｘの最適化が可能となる（式（２））。
【００３５】
続いて、距離ｚを制御することによりアブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡを最適値とする方法について説明する。距離ｚを制御するパラメータとしては、例えば、熱源１１の温度ＴＳ、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡ、光電変換素子１３の出力などを用いることができる。
【００３６】
距離ｚを制御するパラメータとして、熱源１１の温度ＴＳを用いる場合には、温度ＴＳをモニタリングし、その結果を熱光発電装置１の制御系（図１において不図示）に送る。熱源１１の温度ＴＳは、放射温度計や熱電対など（図１において不図示）を用いてモニタリングすることができる。
【００３７】
制御系は、計測された温度ＴＳから、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡの最適値ＴＡ（ｏｐｔ）を実現する距離ｚの最適値ｚ（ｏｐｔ）を算出する。この結果に基づいて、駆動系１４は、距離ｚが最適値ｚ（ｏｐｔ）を満たすようにアブソーバ・エミッタ１２を駆動する。
【００３８】
熱源１１の温度ＴＳのモニタリングは、リアルタイムに随時行ってもよいし、間隔をあけて定期的に行ってもよい。
【００３９】
また、距離ｚを制御するパラメータとして、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡを用いる場合には、温度ＴＡをモニタリングし、その結果を熱光発電装置１の制御系（図１において不図示）に送る。アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡは、熱電対など（図１において不図示）を用いてモニタリングすることができる。
【００４０】
制御系は、計測された温度ＴＡから、アブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡの最適値ＴＡ（ｏｐｔ）を実現する距離ｚの最適値ｚ（ｏｐｔ）を算出する。この結果に基づいて、駆動系１４は、距離ｚが最適値ｚ（ｏｐｔ）を満たすようにアブソーバ・エミッタ１２を駆動する。
【００４１】
また、距離ｚを制御するパラメータとして、光電変換素子１３の出力を用いる場合には、光電変換素子１３の出力値とモニタ用受光素子（図１において不図示）の出力値をモニタリングし、その結果を熱光発電装置１の制御系（図１において不図示）に送る。
【００４２】
制御系は、光電変換素子１３とモニタ用受光素子との出力比をとり、しきい値判定を行う。しきい値判定の結果に基づいて、駆動系１４は、距離ｚを大きくあるいは小さくするようにアブソーバ・エミッタ１２を駆動する。
【００４３】
以上説明したように、熱光発電装置１において、熱源１１とアブソーバ・エミッタ１２との距離ｚを可変としていることから、距離ｚを制御することによりアブソーバ・エミッタ１２の温度ＴＡを最適化することができ、変換効率を向上することが可能となる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  熱光発電装置
１１  熱源
１２  アブソーバ・エミッタ
１２ａ  アブソーバ面
１２ｂ  エミッタ面
１２ｃ  基材
１３  光電変換素子
１４  駆動系
【図１】
2014217110.tif 000008
【図２】
2014217110.tif 000009
【図３】
2014217110.tif 000010