(57)【要約】【課題】  電磁流体力学（ＭＨＤ）を使用した光電変換装置、光電変換方法、およびエネルギー伝送方法を提供すること。【解決手段】  本発明の光電変換装置は、レーザ光線により与えられる光エネルギーを電気エネルギーに変換しており、光電変換装置１０は、レーザ光線を生成するレーザ装置１２と、作動流体が導入され、レーザ光線が照射されて作動流体から生成したプラズマを放出するための絞り部を備えた放射状ノズルと同心状に互いに離間して配置された複数の電極とを備えたＭＨＤアセンブリ１４と、ＭＨＤアセンブリ１４のレーザ光線の進行方向に沿って磁場を発生する磁場発生装置とを備えている。レーザ光線により生成されたプラズマは、磁場Ｂが印加された状態で、電磁流体力学（ＭＨＤ）効果により、光エネルギーを電気エネルギーへと変換している。【選択図】  図１
2006320092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線により与えられる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置であって、前記光電変換装置は、
レーザ光線を生成するレーザ装置と、
前記レーザ光線が照射されて作動流体から生成したプラズマを放出するための放射状ノズルと同心状に互いに離間して配置された複数の電極とを備え、前記作動流体が導入されるＭＨＤアセンブリと、
前記ＭＨＤアセンブリから排出される前記プラズマの進行方向に垂直な磁場を発生する磁場発生装置と
を備える光電変換装置。
【請求項２】
前記レーザ装置は、パルス的にレーザ光線を発生させる、パルスレーザである、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記ＭＨＤアセンブリは、上側ディスクと下側ディスクとを備え、前記上側ディスクと前記下側ディスクとが対向して放射状ノズルを形成しており、さらに前記下側ディスクの中心部分に配置された光学要素を含む、請求項１または２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記レーザ装置は、太陽光レーザである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
レーザ光線により与えられる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換方法であって、前記光電変換方法は、
レーザ装置によりレーザ光線を生成する段階と、
前記レーザ光線を、作動流体が導入され、放射状ノズルと同心状に互いに離間して配置された複数の電極とを備えたＭＨＤアセンブリの内部に集光する段階と、
前記作動流体から生成したプラズマの進行方向に垂直な磁場中で前記同心ノズルから前記ＭＨＤアセンブリの外部に膨張させる段階と、
前記同心状の電極から電気エネルギーを導出する段階とを
含む光電変換方法。
【請求項６】
前記レーザ装置は、パルス的にレーザ光線を発生させる、パルスレーザである、請求項５に記載の光電変換方法。
【請求項７】
前記レーザ装置は、太陽光レーザである、請求項５または６に記載の光電変換方法。
【請求項８】
高指向性光線を生成する段階と、
前記高指向性光線を光電変換装置に空間を経由して伝搬させる段階と、
前記光電変換装置により前記高指向性光線の有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する段階とを含み、
前記高指向性光線はレーザ光線であり、
前記光電変換装置は、前記光エネルギーにより作動流体から生成したプラズマの進行方向に垂直な磁場中での放射状ノズルを通過する前記プラズマの流動による電磁流体力学を使用して電気エネルギーを生成する、エネルギー伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁流体力学を使用した光電変換に関し、より詳細には、レーザにより発生したプラズマを使用した光電変換技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子を磁場Ｂ中で速度ｕで移動させることにより、ｕ×Ｂの方向に電流を流す起電力が生成し、従来から、電磁流体力学（ＭＨＤ）を使用する発電方法（以下、ＭＨＤ発電として参照する。）として知られている。従来のＭＨＤ発電は、化石燃料を利用し、これを作動流体として発電を行なうものが知られており、例えば、ＭＨＤ発電は、モスクワの市街の発電として実際に利用された経緯がある。しかしながら、そのＭＨＤ発電は、作動流体の温度が２５００Ｋ程度であり、電気伝導度が低く効率が悪いために、タービンと競合できるレベルにはなっていない。
【０００３】
また、本発明者らは、http://www.es.titech.ac.jp/okuno/mhd-m-j.html（非特許文献１）において、ＭＨＤ発電の原理について解説しており、化石燃料の燃焼により生成した２０００〜３０００Ｋの高温作動流体に対して、熱電離を促進する物質を添加してその効率の検討を行っている。しかしながら、熱的に作動流体を高温化することは、ある程度効率が制限されることや、そのための化石燃料を燃焼させることが必要とされ、またそれに伴って装置の大型化が必要となり、効率的および環境的な観点から、さらに効率的に高温の作動流体を生成することが期待されている。
【０００４】
これとは別に、太陽光を用いてＭＨＤ発電を行う方法もKRIBUSにより２００２年に提案されている（A HIGH-EFFICIENCY TRIPLE CYCLE FOR SOLAR POWER GENERATION, ABRAHAM
KRIBUS, Solar Energy Vol. 72, No. 1, pp. 1-11, 2002、非特許文献２）。非特許文献２では、太陽光を利用して作動流体を高温とするために、太陽光を１万倍程度にまで集光しなければならず、それでも到達できる温度は、約２０００Ｋ程度であるということが指摘されている。
【０００５】
現実的な観点からいえば、集光系の劣化や精度などを考え、太陽光のエネルギー密度を１万倍程度にまで集光することは、太陽炉などを使用したとしても現実的なことではないということができる。さらに、太陽炉などを使用して宇宙や、日照時間の長い地域などで高い効率でエネルギーを生成させたとしても、電力を必要とするサイトまで効率的に伝送するためには、レーザ光線などへ変換する必要があり、レーザ光線から電気への効率的なエネルギー変換を行うための変換技術が必要となる。
【０００６】
現在、太陽光を３０％以上の高効率で変換できるレーザが提案されているが（特許文献１）、これにより太陽光を高密度に圧縮し、伝送することが可能となる。太陽光レーザを使用して発生されたレーザ光を直接動力として取出すことも可能であるが、用途に応じて電気として取出すことも必要となるものと考えられる。この場合、既存の光―電気変換素子はあるが、専ら通信用で、大電力の変換は考えられていない。このため、大電力における光−電気エネルギー変換システムが必要とされている。
【非特許文献１】http://www.es.titech.ac.jp/okuno/mhd-m-j.html
【非特許文献２】A HIGH-EFFICIENCY TRIPLE CYCLE FOR SOLAR POWER GENERATION, ABRAHAM KRIBUS, Solar Energy Vol. 72, No. 1, pp. 1-11, 2002
【特許文献１】特願２００５−０７９４４６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、太陽光レーザなどにより生成されたレーザ光線のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換するための光電変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、レーザ光線により生成したプラズマを使用して光電変換を行う方法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】
【０００９】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、レーザ光線を用いて気体を高温に加熱して作動流体とし、太陽光レーザにより高温・高圧とした作動流体を磁場中に通すことによって、レーザ光線によるプラズマ発生とＭＨＤ発電とを組み合わせることによって、レーザ光線の保有するエネルギーを、電気エネルギーに変換する。レーザは、燃焼や衝撃波管などを使用して高温の作動流体を生成するよりも遙かに効率的に荷電粒子を含む高温の作動流体を生成し、効率的なＭＨＤ発電のための作動流体を生成する。レーザ光線により生成された作動流体は、ＭＨＤ発電用のディスクに形成されたノズルを通して膨張し、亜音速〜超音速の荷電粒子の流れを形成し、ホール電流をディスクに形成された電極の間に生成させることにより、光電変換を達成する。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、レーザ光線により与えられる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置であって、前記光電変換装置は、
レーザ光線を生成するレーザ装置と、
前記レーザ光線が照射されて作動流体から生成したプラズマを放出するための放射状ノズルと同心状に互いに離間して配置された複数の電極とを備え、前記作動流体が導入されるＭＨＤアセンブリと、
前記ＭＨＤアセンブリから排出される前記プラズマの進行方向に垂直な磁場を発生する磁場発生装置と
を備える光電変換装置が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、前記レーザ装置は、パルス的にレーザ光線を発生させる、パルスレーザとすることができる。
【００１２】
さらに本発明によれば、前記ＭＨＤアセンブリは、上側ディスクと下側ディスクとを備え、前記上側ディスクと前記下側ディスクとが対向して放射状ノズルを形成しており、さらに前記下側ディスクの中心部分に配置された光学要素を含むことができる。
【００１３】
本発明では、前記レーザ装置は、太陽光レーザとすることが好ましい。
【００１４】
本発明の第２の構成によれば、レーザ光線により与えられる光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換方法であって、前記光電変換方法は、
レーザ装置によりレーザ光線を生成する段階と、
前記レーザ光線を、作動流体が導入され、放射状ノズルと同心状に互いに離間して配置された複数の電極とを備えたＭＨＤアセンブリの内部に集光する段階と、
前記作動流体から生成したプラズマの進行方向に垂直な磁場中で前記同心ノズルから前記ＭＨＤアセンブリの外部に膨張させる段階と、
前記同心状の電極から電気エネルギーを導出する段階とを
含む光電変換方法が提供される。
【００１５】
本発明の前記レーザ装置は、パルス的にレーザ光線を発生させる、パルスレーザとすることができる。
【００１６】
本発明の前記レーザ装置は、太陽光レーザとすることができる。
【００１７】
本発明の第３の構成によれば、高指向性光線を生成する段階と、
前記高指向性光線を光電変換装置に空間を経由して伝搬させる段階と、
前記光電変換装置により前記高指向性光線の有する光エネルギーを電気エネルギーに変換する段階とを含み、
前記高指向性光線はレーザ光線であり、
前記光電変換装置は、前記光エネルギーにより作動流体から生成したプラズマの進行方向に垂直な磁場中での放射状ノズルを通過する前記プラズマの流動による電磁流体力学を使用して電気エネルギーを生成する、エネルギー伝送方法が提供できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い効率で光電変換を可能とする光電変換装置が提供できる。また、本発明によれば、光電変換装置として利用するに適したＭＨＤを使用したエネルギー変換方法を提供することができる。さらに、本発明によれば、遠隔的に生成された光学的エネルギーを受け取って電気エネルギーに変換することができる、エネルギー伝送方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の光電変換装置１０の概略的な構成を示した図である。図１に示した光電変換装置１０は、ＭＨＤアセンブリ１４と、ＭＨＤアセンブリ１４により発生したホール電流を取り出して周波数変換するインバータ１６と、インバータ１６からの出力を蓄積または消費する負荷２０とを備えている。ＭＨＤアセンブリ１４には、紙面上方から、レーザ装置１２により発生したレーザ光線が入射されており、同時に熱交換器１８を通過した作動流体が、コンプレッサ２２により加圧された後、熱交換器１８を経由してＭＨＤアセンブリ内に導入されて、連続的な光電変換を行っている。さらに、ＭＨＤアセンブリ１４には、永久磁石、電磁石、または超電導磁石などの磁場発生装置（図示せず）の磁場中に配置されていて、作動流体から生成したプラズマ中の荷電粒子の運動に応じて、ホール起電力を生成している。また、磁場Ｂは、ＭＨＤアセンブリ１４内に流れる作動流体に対して垂直方向となるように加えられていて、高い効率で電力を生成することが可能とされている。
【００２０】
レーザ装置１２としては、より詳細には後述するが、ルビー、Ｎｄ３＋：ＹＡＧ、アレキサンドライト、サファイア、炭酸ガス、希ガスエキシマなどをレーザ媒体とし、フラッシュランプや半導体レーザ、または太陽光線などにより励起される固体レーザを使用することができる。また、レーザ光線は、ＭＨＤアセンブリのプラズマ生成部分に集光され、作動流体から多光子吸収などを用いて高温のプラズマを生成させている。本発明の作動流体としては、希ガス、空気、窒素などを使用することができ、この他にも、使用するレーザ光線の波長における光吸収断面積の高い物質を作動流体として、または光吸収断面積が大きく、イオン生成断面積の大きな物質を添加した希ガス、空気、窒素などの作動流体を使用することができる。
【００２１】
図２は、本発明の光電変換装置１０の第２の実施の形態を示した図である。図２に示した光電変換装置１０は、レーザ光線により生成された高温プラズマの有するエネルギーを再生利用するために、熱交換器１８により加熱した作動流体がさらにタービンへ２４へと導入され、発電のために使用されている。発電機２６により生成された電力の一部は、コンプレッサ２２へと送られ，その残りはＭＨＤ発電により生成された電力を出力するインバータ１６の出力に重畳され、負荷２０へと送られている。
【００２２】
図３は、本発明の好適な実施の形態で使用することができる太陽光レーザ２８の実施の形態を示す。図３に示した太陽光レーザの基本的構成については、例えば、特許文献１に詳細に記述されているため、本発明では概略的な構成について説明を行う。図３に示した太陽光レーザ２８は、レーザ媒体３６と、レーザ媒体３６を収容する収容装置４０と、レーザ媒体３６の一端に配設された全反射ミラー３２と、他端に配設されたハーフ・ミラー３４とを含んで構成されている。収容装置４０は、さらに太陽光３０をレーザ媒体１２へと集光する反射要素３８を含んでいて、レーザ媒体３６を光学的に励起させ、反転分布を形成させている。
【００２３】
図３に示した収容装置４０の両端は、収容装置４０の端部を形成する材料、または、レーザ媒体３６が収容装置４０の端部に直接露出している場合には、レーザ媒体３６と空気とにより規定されるブリュースター角度を与えている。なお、本発明において特にブリュースター角を設けることが必要でない場合には、他の角度の端部を使用することができる。収容装置４０は、レーザ媒体３６と一体として形成されていてもよいし、収容装置４０の端面に、適切なフランジ、Ｏ−リングなどを使用して固定されていてもよい。さらに、図３に示した実施の形態では、収容装置４０の端面には、反射防止膜ＡＲＣ(anti-reflection coating)が施されていて、発生したレーザ光線の反射を低下させている。なお、ＡＲＣは、誘電体多層膜コーティングまたは金属蒸着膜として形成することができ、本発明において反射防止処理を施すことなく使用することができる場合には、必ずしも必要とされるものではない。
【００２４】
収容装置４０の内部には、水、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、有機酸、アルカリなどの冷却液体が満たされていて、レーザ発振に伴うレーザ媒体３６を冷却し、熱衝撃によるレーザ媒体の損傷を防止している。収容装置４０の形状は、断面が円形、楕円形、放物線形などを使用することができ、円形断面の収容装置を使用する場合には、収容装置の曲率と冷却冷媒の屈折率に応答した位置にレーザ媒質が配置される。また、収容装置が楕円形の場合には、レーザ媒質を一方の焦点に配置し、他方の焦点に太陽光を集光した配置とすることができ、これらの形状を組み合わせてレーザ媒質に集光させることができる。
【００２５】
また、図３に示した太陽光レーザ２８は、レーザを適切にトリガすることができるように、レーザ波長に対応する波長のレーザ光を発生させる発光ダイオードや半導体レーザを使用することができる。さらに、レーザ発振をトリガする目的で、外部からの電気的なトリガで偏光角度を偏光する、光カー効果を使用する材料と偏光板とを使用することができるし、また過飽和色素を使用してレーザ発振をＱスイッチ・モードでトリガすることもできる。
【００２６】
本発明では、上述したように、レーザ媒体の励起光源を太陽光の他、上述したようにフラッシュランプまたは半導体レーザなどと組み合わせて励起することができる。このためのレーザ媒体としては、太陽光や他の励起光源が含む波長の波長範囲を効率的に吸収して、レーザ活性種を励起し、反転分布を生成することができる限り、本発明では、レーザ媒体はその形状、固体または液体または炭酸ガスレーザやヨウ素レーザ、またはＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＦなどのエキシマレーザなど気体といったレーザ媒体の状態、および化学組成には特に限定されることなく使用することができる。
【００２７】
本発明において使用することが固体レーザを与えるレーザ媒体３６としては、例えば、ルビー（Ｃｒ３＋：Ａｌ２Ｏ３）、ＹＡＧ（Ｎｄ３＋：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、アレキサンドライト（Ｃｒ３＋：ＢｅＡｌ２Ｏ４）、エメラルド（Ｃｒ３＋：Ｂｅ３Ａｌ２（ＳｉＯ３）６）、一般式がＡ３Ｂ２Ｃ３Ｏ１２で与えられ、サイトＡには、ＧａまたはＡｌからなる群から選択される元素が使用され、サイトＢには、Ｇａ、Ｓｃ、Ｌｕからなる群から選択される元素が使用され、サイトＣには、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕからなる群から選択される元素が用いられる、所謂ガーネットにＣｒ３＋、Ｎｄ３＋を添加したレーザ媒体、サファイア（Ｔｉ３＋：Ａｌ２Ｏ３）、Ｃｏ２＋：ＭｇＦ２、Ｃｒ３＋：ＳｃＢＯ３、Ｎｄ３＋：ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）、Ｃｒ、Ｎｄ：ＧＳＧＧ（Ｇｄ３（ＧａＳｃ）５Ｏ１２）などを挙げることができる。また、本発明で使用することができるレーザ媒体３６には、さらに他の希土類元素、例えば、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどのランタノイド元素、またはそれらのイオンや、遷移金属元素または遷移金属イオンがドーピングされた異なる特性のレーザ媒体を使用することができる。
【００２８】
図４は、本発明のエネルギー電変換装置が使用するＭＨＤアセンブリ１４による光電変換の本質的な原理を示した概略図である。ＭＨＤアセンブリ１４には、作動流体導入部材４２と、作動流体導入部材４２に連続する上側ディスク４４と、作動流体を矢線Ａの方向に加速するための下側ディスク５２とを備えている。上側ディスク４４および下側ディスク５２には、生成したホール電流を外部に抽出するための銅などの導電材料で形成されたリング電極４６および４８がそれぞれ配置されている。リング電極４６および４８には、出力ケーブルが接続されており、外部負荷５０へと電力供給している。作動流体導入部材４２から導入された作動流体は、概ねレーザ光線ＬＢと同心状に入射され、上側ディスク４４と下側ディスク５２との間の適切な位置において集光されるレーザ光線ＬＢにより加熱されてプラズマを生成する。上側ディスク４４と下側ディスク５２とは、対向する内側領域に放射状ノズル構造を形成しており、高圧のプラズマを亜音速から超音速にまで加速して、効率的にホール電流を生成させている。
【００２９】
図４に示したＭＨＤアセンブリ１４の上側ディスク４４は、リング電極４８の内側に配置される外側リングと、作動流体導入部材４２に連続し、リング電極４６の内側に配置される内側リングとから形成されている。各リング電極４６、４８は、外側リングおよび内側リングに対して高温下での熱膨張率の差を吸収することができるように、僅かに遊びが形成されるように、外側リングおよび内側リングに対して互いに嵌合されている。外側リングおよび内側リングは、耐熱性、耐摩耗性などの点からセラミック材料から形成することが好ましく、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯなどのセラミックスから、熱間静水圧成型法(Hot Isotropic Pressing: HIP)などの粉体冶金法を使用して形成されている。図４に示したＭＨＤアセンブリ１４には、磁場Ｂが印加されていて、矢線Ａ方向に流れるプラズマ中の荷電粒子が、まずｕ×Ｂのベクトル積の方向にファラデー起電力を発生させ，このことにより流れ方向にホール起電力が発生し、ホール電流を生成する。リング電極４６、４８は、作動流体の移動する領域から電流を抽出し、外部負荷５０へと電流を供給する。
【００３０】
本発明で磁場Ｂを発生するための磁場発生装置（図示せず）は、１Ｔ〜１０Ｔ程度の磁場をレーザ光線の進行方向に沿った方向に発生することができることができる限り、永久磁石、電磁石、超電導磁石などを用いる既存の磁場発生装置を使用することができる。また、本発明の磁場発生装置により発生される磁場Ｂは、ＭＨＤアセンブリの上側ディスク４４および下側ディスク５２に対して略垂直な方向、より具体的には作動流体のＭＨＤアセンブリ１４内での放射状ノズルからの放出方向に垂直である限り、特に制限はない。
【００３１】
図５は、本発明で使用するＭＨＤアセンブリ１４を一部切り欠いて示した、一部切り欠き斜視図である。図５に示したＭＨＤアセンブリ１４は、上側ディスク４４と下側ディスク５２とが対向してその中心部に周方向に延びた放射状ノズルを形成しており、高圧のプラズマが各ディスク４４、５２の間を径方向へと進行するにつれて、亜音速から超音速まで流体力学的に加速される構成とされている。また、図５に示すように、リング電極４６、４８は、作動流体の流れる領域にまで延びていて外部へと電力を抽出している。放射状ノズルは、焦点位置Ｐで生成したプラズマを径方向外部へと一端膨張させ、それぞれ周方向に延びる拡大部と、拡大部に連続するノズルと、絞り部に連続する膨張部とを備えている。
【００３２】
また、作動流体導入部材４２の内側壁の適切な位置には、突出部が形成されていて、作動流体の流入速度を調節すると共に、焦点位置Ｐ近傍で発生するプラズマが、紙面上部方向へと漏れ出さないように、スロート部５８を形成している。このスロート部５８は、レーザ光線が入射できるだけの開口を形成しており、焦点位置Ｐへとレーザ光線を通過させ、かつ、生成したプラズマを焦点位置Ｐ近傍に閉じこめて、効率を向上させている。なお、本発明において作動流体をタービンの出力またはコンプレッサにより加圧して導入する場合には、スロート部５８で作動流体を加速した後、焦点位置Ｐへと集中して導入することができるので、プラズマの生成効率を向上することができ、電磁流体力学によりホール電流をより効率的に生成させることができる。
【００３３】
図６は、図５に示したＭＨＤアセンブリ１４の断面図を示す。上側ディスク４４には、作動流体導入部材４２が連結されていて、作動流体（図示せず）が高温・高圧状態でスロート部５８を通して導入されている。また、作動流体度同軸に、スロート部５８を通してレーザ光線が集光されつつＭＨＤアセンブリ１４内に照射され、ＭＨＤアセンブリ１４の内部の適切な焦点位置Ｐで集光されて高温・高圧のプラズマを発生させている。下側ディスク５２の内側面には、同心状に形成された曲面が与えられており、上側ディスク４４の内側面と協働して、放射状ノズルを形成している。高温・高圧のプラズマは、放射状ノズルの絞り部５４を通過して矢線ＣＰで示す方向に膨張しながら加速される。その速度は、絞り部５４の内側では、亜音速程度であり、絞り部５４を通過する時点で、マッハ１となり、絞り部５４を通過した段階で音速を超えさらに加速される挙動を示し、作動流体の種類によっても異なるものの、最終的には、約１０００ｍ／ｓ〜約３０００ｍ／ｓ程度の速度にまで加速される。
【００３４】
図７は、本発明のＭＨＤアセンブリ１４の第２の実施の形態を示した図である。図７に示した実施の形態では、下側ディスク５２の中心に光透過性のセラミックス窓５６が光学要素として配設されており、下側からもレーザ光線ＬＢが照射され、効率的なプラズマ発生を可能としている。また、同心状に上側から照射されるレーザ光線ＬＢは、焦点位置Ｐにおいて下側からのレーザ光線ＬＢと共通焦点を形成していて、レーザ光線による加熱およびプラズマ生成を可能としている。なお、本発明では、レーザ光線照射により形成されるプラズマは、燃焼または衝撃波管などに生成される高温・高圧の作動流体よりも局所的に形成されるので、プラズマの保有するエネルギーを効率的に形成させるため、放射状ノズルをプラズマの形成される領域に近接して配置することが好ましい。また、図７に示した実施の形態では、スロート部５８は、作動流体の流入方向に対して対称的な形状の突起により形成されていて、作動流体のスロート部５８での速度を高めている。なお、本発明において、スロート部５８を形成する突起の形状および位置については、効率を最適化させるために、使用する作動流体の種類、レーザ装置の種類などに対応して適宜設定することができる。
【００３５】
レーザの集光性は、波長によっても異なるものの、最大でレーザ光線の波長程度であることを考えると集光位置Ｐから数ｃｍ程度の範囲内に放射状ノズルを形成することが好ましい。したがって、本発明によれば、ＭＨＤアセンブリを著しく小型化することができ、光電変換装置として効果的に使用することができるＭＨＤアセンブリを提供することができる。さらに、本発明の他の実施の形態では、下側ディスク５２の中心部に反射コーティングまたは鏡面研磨を施した反射鏡を形成して上側から照射されるレーザ光線を反射し、位置Ｐに集光させ、さらに効率を向上させることもできる。
【００３６】
また、本発明においては、スロート部５８を光学的ウィンドウとして閉鎖し、スロート部５８の下側に逆止弁構造を含む他の作動流体導入部を構成し、焦点位置Ｐ近傍の密閉性を高めつつ、プラズマの密閉性およびリング電極を通過する速度を高めることもできる。また、本発明のさらに別の実施の形態では、図７のスロート部５８近傍に紙面左右または上下方向方向に向いた磁場を加えて、電磁気学的にプラズマを封じ込めることもでき、上述した構成は、適宜、効率および操作性の観点から組み合わせて使用することができる。
【００３７】
また、レーザ光源を数千ｐｐｍのパルス駆動することにより、局所的および時間的に１００００Ｋを超えるプラズマを形成でき、ディスク内壁に対する熱衝撃も低減することができ、さらには、ＭＨＤアセンブリ１４への影響も柔軟に制御することができる。本発明者らは、太陽光レーザを使用して生成したプラズマを用いて再生型のＭＨＤ発電システムについて所定のレーザ光線エネルギーに対する光エネルギー変換効率をシミュレーションしたところ、最大では約７０％のエネルギー変換効率を得ることができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
すなわち、本発明によれば、高い効率で光電変換を可能とする光電変換装置が提供できる。また、本発明によれば、光電変換装置として利用するに適したＭＨＤを使用したエネルギー変換方法を提供することができ、宇宙または遠隔地で生成された光学的エネルギーを、効率的に電力が必要とされるサイトにおいて提供することが可能な光電変換装置、光電変換方法、およびエネルギー伝送方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の光電変換装置の第１の実施の形態のブロック図。
【図２】本発明の光電変換装置の第２の実施の形態のブロック図。
【図３】本発明で使用することができるレーザ装置の実施の形態を示した図。
【図４】本発明の光電変換を行うＭＨＤアセンブリの機能を示した概略図。
【図５】本発明で用いるＭＨＤアセンブリの一部切り欠き斜視図。
【図６】本発明で用いるＭＨＤアセンブリの第１の実施の形態の断面図。
【図７】本発明で用いるＭＨＤアセンブリの第２の実施の形態の断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１０…光電変換装置、１２…レーザ装置、１４…ＭＨＤアセンブリ、１６…インバータ、１８…熱交換器、２０…負荷、２２…コンプレッサ、２４…タービン、２６…発電機、２８…太陽光レーザ、３０…太陽光、３２…全反射ミラー、３４…ハーフ・ミラー、３６…レーザ媒体、３８…反射要素、４０…収容装置、４２…作動流体導入部材、４４…上側ディスク、４６…リング電極、４８…リング電極、５０…外部負荷、５２…下側ディスク、５４…絞り部、５６…セラミックス窓（光学要素）、５８…スロート部、ＬＢ…レーザ光線、Ｐ…焦点位置
【図１】
2006320092.tif 000003
【図２】
2006320092.tif 000004
【図３】
2006320092.tif 000005
【図４】
2006320092.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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