(57)【要約】      （修正有）【課題】放射線および地熱を可視光線に変換して太陽光発電システムを利用した発電装置及び発電する方法を提供する。【解決手段】蓄光顔料を含む円筒形の容器（Ａ）の内面に放射線が照射されるよう蓄光顔料円筒内面の全面の成形膜に放射線が当たるように太陽光発電素子（Ｂ）を放射角を調整して配置する。容器に廃棄物（Ｃ）を入れ、廃棄物から放射される放射線（Ｘ線以下の波長の短い放射線）及び波長の長い熱線を受けることにより、円筒形内部の蓄光顔料を含む成形膜は有害な放射線から波長を変換して４１０ナノメートルから５６０ナノメートルの範囲の無害な可視光線を発光し、可視光を太陽光発電素子が受けて直流電気を発生させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４００ナノメートル以下の短波長の紫外線及び放射線を蓄光顔料の成形膜に照射して可視光線に変換し、これを太陽光発電素子に照射することにより発電させることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
可視光線２５００ナノメートル以上の赤外線や熱線を蓄光顔料の成形膜に照射して可視光線に変換し、これを太陽光発電素子に照射することにより発電させることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
７０℃以上になる環境で蓄光顔料成形物を発光させ、その光を太陽光発電素子に照射して太陽光発電システムを活用して発電させることを特徴とする発電方法。
【請求項４】
各地にある地熱発電所の熱排水を蓄光顔料成形体に浴びせかけることにより、蓄光顔料を発光させて、この光を太陽光発電素子に照射し、太陽光発電システムを利用して電力を得ることを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    放射線および地熱を可視光線に変換して太陽光発電システムを利用した発電装置及び発電する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  蓄光顔料は紫外線を受けて発光することはすでに知られており、蓄光性の製品も数多くある。蓄光顔料の蓄光作用は、光の照射などにより、外部から光エネルギーをユウロピュウムを含む半導体に注入すると、自由電子と正孔の対、すなわちキャリアが増加する。キャリアが各種の過程を経た後、再結合して平衡に落ち着こうとする．対のキャリアがエネルギーを放出して再結合する時、ケイ光やリン光を発する。このような作用をする物質が蓄光顔料である。この時発光する波長は４１０ナノメートルから５２０ナノメートルの可視光線であり、太陽光発電素子が発電効率の良い光の波長である。蓄光顔料として市販されている蛍光体はストロンチュームアルミネート（ＳｒＡｌ２Ｏ４）またはカルシュームアルミネート（ＣａＡｌ２Ｏ４）を母体結晶とし、不純物として数種類の希土類元素を含むもので構成されている。主原料は高純度のアルミナで、これに炭酸ストロンチュームと付活剤の希土類元素とをよく混合し、還元性雰囲気の電気炉の中で１．３００℃の温度で３時間以上焼成し溶解した後に徐冷した焼結体を粉砕したものである。これらのものにはＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ及びＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙ及びＳｒＡｌ１２Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙ及びＣａＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｎｄの４種類がある。蓄光顔料が目視できない短波長のｘ線を可視光線にするのであれば、ｘ線より波長の短いα線以下の放射線を受けて蓄光顔料が発光するかどうか確かめることにより、既存の蓄光顔料の利用面が広がるのではないかとの疑問を証明するため４００ｋｖの電源で発生させた放射線の放射により発光することを確かめるため平成２６年１月２２日に東京都立産業技術研究センターに依頼して蓄光顔料に放射線照射により蓄光顔料が発光することを確認した。［図３］はその時の状況である。また、可視出来ない長波長の光線の照射により発光することを確認するため、簡単に実験可能な方法として暗闇の中で蓄光顔料にヘヤードライヤーの赤外線の熱線を当てると７０℃以上になると発光することを確認した。また、７０℃以上の熱湯に蓄光顔料を浸漬すると可視光線を発光することをも確かめた。実験では１００度の沸騰水に接することにより、１２５ミリカンデラ程度の発光エネルギーを得た。その結果、波長０．００４０ｎｍ以上のガンマ線から波長の長い２５００ｎｍ付近の赤外線の光エネルギーを受けても発光することを確認した。この結果を受けて蓄光顔料が目視出来ない赤外線や熱線及び放射線をエネルギー源として発光することを利用面した発明である。東京都立産業技術研究センターにおける試験結果は参考資料のとおりである。
【先行技術文献】
【０００３】  目視できない放射線の可視光線への変換による利用に関する先行文献はない。太陽光発電に関する特許及び出願は多く記載するまでもない。蛍光灯から発せられる紫外線を可視光線に変換する先行技術及び関連技術は下記の通りです。
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１３−２２９９８９
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ウイキペデイアより蓄光顔料  ウイキペデイアより原子力発電所
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  地熱発電所で利用している地熱や温泉地の高温の温泉は利用されないで流れ去っている。この廃棄されている高温のエネルギーを蓄光顔料の発光作用を利用して、光エネルギーに変換し、太陽光発電素子に照射して発電する方法に関する。【０００７】  核分裂により熱と放射線が発生することはよく知られている。核分裂による熱の発生は現在原子力発電や原子力船及び原子力潜水艦の動力源として用いられている。現在は原子力発電所や医療関係などから放射性廃棄物が世界中で日夜発生しており、その処理に困っている現状である。これら各所から発生する放射性廃棄物をエネルギーとして利用して発電する方法に関してのものである。【０００８】  原子力発電所や医療関係などから発生している放射性廃棄物は放射線を出すため、その処理が容易ではない。アルファ線ベータ線ガンマ線はエネルギー強度が高いため、殆どの物質を通過し、重金属や比重の大きい物質を遮蔽物や容器として用いている。現実には処理容器として鉛やコンクリート又は比重の大きい金属で容器を作り処理しているが完全な遮蔽能力はない。人体に影響のない程度に減衰して処理しているが完全に遮蔽することができないためと放射線の半減期が長いので処理する場所が限られて少ないため、原子力規制法などで規制されている。しかし、そのエネルギー量は大きいにもかかわらず利用されていない。この出願は、多量に排出され処理に困っている放射性廃棄物を有効に利用して発電エネルギーとして利用する方法についてのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  蓄光顔料は紫外線を受けると４１０ｎｍから５６０ｎｍの無害な可視光線を発光することで知られている。紫外線のみではなく可視出来ない波長の長い熱線を照射したとき蓄光顔料が発光するかどうかを確かめた。実験によれば、蓄光顔料を暗闇で７０℃以上の熱湯に漬けると暗闇においても発光することが確かめられた。このことは可視光線を含まない波長の長い熱線を受けた場合においても蓄光顔料は、これを可視光線に波長変換することを証明している。可視光線より波長の長い熱線や赤外線を照射しても４１０ｎｍから５６０ｎｍの無害な可視光線を発光することが自主実験で確かめられた。ならば、紫外線より波長の短い放射線（ウラン・プルトニウム・トリウムなど核分裂物質を含む）を照射した時に発光するかどうかを確認するために、東京都立産業技術研究センターに依頼して１００ｋｖと４００ｋｖで発生させた放射線発生装置及びセシウム１３７照射装置から発射された放射線を照射した時に発光するかどうかを確かめた。その結果、その状況の写真が図３である。これにより４００ｎｍ以下の波長の短い放射線を照射した場合でも、蓄光顔料が発光することが確認された。発光輝度は放射線のエネルギー量にも左右されるが蓄光顔料の含有量に左右される。この参考写真［図３］の場合には、蓄光顔料をシリコン樹脂で結合した試験片において輝度は７０ｍｃｄ／平方メートルであった。輝度は照射エネルギーの強弱に比例する。放射線はエネルギー強度か高いので高い輝度が常時得られる。試験片の配合は蓄光顔料とバインダーとしてのシリコン樹脂の割合が５０パーセントで均等である。原電などで発生する放射性廃棄物は常時放射線を発射しており蓄光顔料成形膜を隣接させることにより常時可視光線を発光する。これらの放射性廃棄物と蓄光顔料を隣接して配置すると蓄光顔料は放射線を受けて、可視光線を発光するので、さらに蓄光顔料に隣接させて太陽光発電モジュールを介在させると太陽光発電モジュールは蓄光顔料の発生する可視光線を受けて微弱な直流電気を発生する。このような方式に基ずく構成体模式図を放射線発電ウエハーと称し図１の如くに構成することができる。また蓄光顔料は波長の長い不可視の熱線も感受して可視光線に変換するので放射性物質から発生する熱線を受けても可視光線を発光するため、これによっても蓄光顔料を利用して熱線を可視光線に変換して照射することにより、太陽光発電素子から発電させ得る。２５パーセント蓄光顔料を添加したシリコン樹脂による硬化物は前記の実験時には電源の照射時間が短いため、瞬時ではあるが７０ｍｍｃｄ／平方メートルの輝度を発光した。４００ナノメートルから１，４００ナノメートルの範囲の太陽光を受けた蓄光顔料は晴天時には高い時は１７，０００ｍｍｃｄ／ｍ２程度の輝度を持った燐光を発光する。太陽光発電素子で発電するために有効な輝度の発光エネルギーが得られる。【００１０】光のエネルギーはＥ（ｅｖ）＝１２４０／波長であるから光の波長が短い程エネルギーが高く、この法則によると４００ナノメートル以下の紫外線や放射線の照射によって蓄光顔料の発光輝度は高くなるが、波長の短い放射線は自然界での地上にはオゾン層によって消滅して紫外線以下の波長の短い光線���存在しない。核分裂や人工的に作った放射線は存在するが、人体に悪影響があるため直接使用することはできない。しかし、蓄光顔料はこれら放射線を、人体に有害とされる放射線の波長を人体に無害な可視光線に波長変換するので、蓄光顔料から発せられた光線を太陽光発電素子に照射することは安全といえる。
太陽光発電素子の発電効率の良い波長は４００ｎｍから９００ｎｍのであり、蓄光顔料の発光する波長は４１０ｎｍから６５０ｎｍの範囲の限られた波長の燐光蛍光を発光するので、エネルギー強度は高いが発電効率の悪い放射線やＸ線の波長を発電効率の良い波長に変換するので太陽光発電素子の発電効率の向上に有効である。【００１１】蓄光顔料の発光原理は、先に述べた通りユーロピュームを含む酸化物に光の照射により外部からエネルギーを半導体に注入すると、自由電子と正孔の対、すなわちキャリアが増加し、キャリアが各種の過程を経た後、再結合して平衡に落ち着こうとするときに発生する燐光であるが、隣接させる太陽光発電素子の発電原理はｎ型シリコン半導体に光を照射しするとシリコンの電子が弾かれて軌道を飛び出し、自由に動き回る電導電子になり、半導体に正孔が発生する。電子と正孔が衝突してエネルギーを放出し、どちらも消滅して再結合するときｐｎ接合面で内部電界と呼ばれる層ができて自由に移動していた電子はｐ型半導体に移動できなくなりＩＴｏ電極のほうに近づき正孔がｎ型半導体に移動できなくなるため金属電極側に近づき電極につながれている導線に直流電気が発生して流れる作用である。蓄光顔料の発光は正孔に電子が平衡に戻ろうとする作用であり、太陽光発電素子の発電は正孔と電子の衝突による作用である。この原理の相違により、有害な波長の短い放射線の光エネルギーを直接電気に変換することは出来ない。【００１２】太陽光発電素子と蓄光顔料膜及び放射性物質からなる、数個の放射線発電ウエハーブロックを集積して直列に数段結合することにより、電圧を高め大電力とすれば、放射性廃棄物から発せられる放射線のエネルギー強度は高いので蓄光顔料を含む成形膜は高い輝度を放射線エネルギー強度に従って放射線廃棄物のエネルギーの減衰期間中は可視光線を発生させ常時太陽光発電素子により電気エネルギーとして得ることができる。太陽光発電素子は３５ｍｃｄ／平方メート以上の輝度以上の場合に発電するので、実用的な常時電力をえられ、日没とともに発電作用が停止する太陽光発電装置の欠点を解消する。【００１３】  暗所における実験では市販の太陽光発電素子を用いた、庭園照明灯の発電素子に紫外線発生ランプによって発光させた蓄光顔料成形膜を隣接させると庭園照明灯のランプが点灯した。蓄光顔料成形膜は放射線照射によって発光することは東京都立産業技術試験センターに依頼した［図３］によって確かめられたので放射線をエネルギー源として太陽光発電素子を介して電力を得られることは確認された。【００１４】  紫外線吸収剤と呼ばれるサリチル酸誘導体のフェニル・サリシレート或いはベンゾフェノン系の２．４ジヒドロキシ・ベンゾフェノン又はベンゾトリアゾール系などの紫外線吸収剤は１０から４００ｍμの波長の紫外線を取り込み熱に変換して放出する。即ち紫外線を熱線に変換する作用がある。蓄光顔料は熱線も可視光線に変換するので紫外線吸収剤サリチル酸誘導体を併用することにより、この装置を一層高性能にする効果がある。【００１５】  この発明は物理的な構成のため、従来の原子炉発電に依って発生する化学的な危険がない。制御が簡単である。小型化できる。利用範囲が広い。原子力発���廃棄物は発生しない等の利点も多い。この発明は放射線の発光素子（α・β・γ・ｘ線）から発生する有害な放射線を蓄光顔料により可視光線に変換し、４１０ｎｍから５６０ｎｍの無害な可視光線に変換し、これを受けて太陽光発電モジュールが発電する方式である。個々の装置は発電エネルギーが小さいので放射線発電ウエハーブロックは多数個の単位で多数体で連結する。この装置は放射線発光物質が放射線を発射している間即ち核分裂をしている期間は有効な発電を期待できる。
【発明の効果】
【００１６】  小型化や形態を問わず単純な形で電力が長期間得られるので、自動車船舶電気製品の電源などに広範囲にわたって自前の電源として利用できる。膨大な費用の掛かる発電所も送電線も不要になり、石油も石炭も既存の旧式な原子力発電所も不要となる。
各地にある地熱発電所の熱水を蓄光顔料成形体に接触させ、蓄光顔料成形体を発光させて太陽光発電素子に照射して太陽光発電システムによって電力を得ることが出来る。【００１７】  温泉地における地熱利用の発電は、簡単に計算できる。太陽光発電における発電量は１平方メートルの発電素子において１９３ワットであるとゆう。蓄光顔料皮膜は過熱により太陽光の場合の５０パーセントの輝度で光るとした場合には１平方メートル当たり９７ワットの電力が得られる。直径３５ｃｍの蓄光塗膜を施した発電素子円筒を熱水の出る地中に５０メートル打ち込んだ時、発電素子面積は約５０平方メートルで、一本の蓄光発電素子円筒から得られる発電量は４８５０ワットである。１平方あたり４本の発電素子円筒を打ち込むと、１平方あたり１９．４キロワットの電力が常時得られる。この発明による発電では公害物質を排出せず、騒音も出ない、産業廃棄物は全くでない。発電エネルギーは無限で金銭を消費しない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は放射線を蓄光顔成形膜により可視光線に変換して発光させ太陽光発電モジュールに可視光線を照射することにより発電する工程模式図。
【図２】図２は放射線を蓄光顔料成形膜により可視光線に変換して発光させ太陽光発電モジュールに可視光線を照射することにより発電する発電ウエハーの模式図。
【図３】図３は蓄光顔料をシリコンで固めた成形膜に放射線を照射したときの発光状態の写真。
【図４】図４は円筒形の蓄光顔料を含む成形膜を発光させることにより発電させる場合の発電ブロックの模式図の横断図。
【図５】図５は円筒形の蓄光顔料を含む成形膜を発光させることにより発電させる場合の発電ブロックの模式図の縦断図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】以下本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【実施例】
【００２０】  蓄光顔料の発光は実験によると、エネルギー源としての可視光線は蓄光顔料成形膜の５ミリ程度の厚さまでしか無機質酸化物である蓄光顔料を通過しないので裏側までは発光作用が起こらないが、放射線はエネルギー強度が強くすべての物質を通過することが知られている。このため蓄光顔料で作られた成形膜の裏側においても発光作用が行われて可視光線を発射するので（図２）及び（図５）に示したモデルの場合が成り立つ。（図５）について説明する。蓄光顔料を含む円筒形の容器▲Ａ▼の内面に放射線が照射されるよう蓄光顔料円筒内面の全面の成形膜に放射線が当たるように太陽光発電素子▲Ｂ▼を放射角を調整して配置する。この場合、蓄光顔料を含む成形膜▲Ａ▼と太陽光発電素子▲Ｂ▼は適宜な隙間を取って配置する。太陽光発電素子▲Ｂ▼は蓄光顔料を含む成形膜▲Ａ▼に対面させて空間▲Ｄ▼を設けて円筒形に配置する。太陽光発電素子▲Ｂ▼は太陽光発電素子▲Ｂ▼と太陽光発電素子▲Ｂ▼の間の隙間から放射する放射線の放射角が重なるように配置する。このように配置した太陽光発電素子▲Ｂ▼の形成した円筒形の内部に放射性物質例えば放射線を放射する原子力発電所または医療用などの原子力関係機関から排出される放射線を放射する廃棄物▲Ｃ▼を入れる。かくすることにより、廃棄物▲Ｃ▼から放射される放射線（Ｘ線以下の波長の短い放射線）及び波長の長い熱線を受けることにより、円筒形内部の蓄光顔料を含む成形膜▲Ａ▼は有害な害な放射線から波長を変換して４１０ナノメートルから５６０ナノメートルの範囲の無害な可視光線を発光する。この可視化された発光を対面する太陽光発電素子▲Ｂ▼が受けて直流電気を発生させる。【００２１】  （図５）の理論を証明するため、太陽光により発光した蓄光顔料成形膜を放射線発電ウエハーブロックに隣接したとき発電するかどうかを    試験装置で確認した。紫外線発生装置により１４０００ミリカンデラに発光させた蓄光顔料成形膜を太陽光発電素子に隣接接させたとき放射線発電ウエハーブロックにより発電し電球が点灯した。また別の実験では、市販の太陽光発電による照明灯に紫外線電球で発生させた蓄光顔料板の発光を太陽光発電素子に照射したところ市販の太陽光発電照明灯が点灯した。
蓄光顔料の発光作用により発電することの証明である。放射線の照射により蓄光顔料が発光することの証明のため、東京都立産業技術研究センターに依頼して放射線を照射したとき蓄光顔料の成形膜が発光した状況（図３）は東京都立産業技術研究センターで撮影したものである。これにより、放射性廃棄物をエネルギー源とした蓄光顔料成形膜を介して太陽光発電素子により、放射線廃棄物から発生するエネルギーを電力に変換することを証明できる。
また、放射性廃棄物をエネルギー源とした蓄光顔料成形膜による発光システムの波長変換発電コアは図４及び図５である。【００２２】  熱線で発電することを確かめるため、市販の太陽光発電ランプの受光面に蓄光顔料を含むガラス板を張り付けて、ガラス加工場で熱線に近づけてみた。蓄光顔料を含むガラス板の表面が１１０℃になったとき市販の太陽光発電ランプは光った。実験によれば蓄光顔料は７００℃までは加熱されても発光性能を失はないので、太陽光発電素子を耐熱性にすることにより、熱線をネルギー源として発電させることが出来る。【００２３】  パイプ状の太陽光発電素子を作り、その表面に耐熱性素材による蓄光顔料の被膜を被覆させた、棒状の発電素子を作り、これを熱湯の噴出する地中に打ち込むことにより、永久的に発電することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】  蓄光顔料をシリコン樹脂をバインダーとして平板または円筒形の容器を作り、この中に放射性物質を閉じ込めて、放射線が外部に漏れないようにした成型物を作ると、放射性物質から発せられる４１０ｎｍｅ以下の不可視の放射線即ち紫外線アルファ線ベータ線ガンマ線の照射によって蓄光顔料を含む成形膜は４１０ｎｍから６５０ｎｍまでの可視光線に変換されて発光するので、このまま各種の安全塔や指示灯に利用できる。また、太陽光発電方法と組み合わせることにより、発電装置として利用ができる。この放射性物質をエネルギー源とした蓄光顔料を含む成形膜に隣接させて太陽光発電素子を配置することにより太陽光発電素子は直流電気を発生する。このようにして発生した直流電気は直流電源照明として安全灯や航空標識灯及び電源の得られない航路標識灯などに利用できる。また、太陽光発電システムを利用して交流電源としての利用も可能である。【００２５】  沸騰水型原子炉などを利用した熱水型原子炉等による発電装置は維持管理に多額の費用がかかり、また運用上も問題が多いが、この発明の形式によればメンテナンスはほぼ不要で故障の心配もない。小型化が可能で、設置場所を選ばず、簡単な構造なので多くの産業上の利用が可能である。【００２６】  大規模発電装置が簡単に作れて、構造が簡単で小型化も可能であるから、電気自動車の電源や潜水艦及び船舶などの各種の専用電源としても利用できる。
【符号の説明】
【００２７】▲Ａ▼  ：蓄光顔料を含む成形膜
▲Ｂ▼  ：太陽光発電素子
▲Ｃ▼  ：放射性物質（放射性廃棄物）
▲Ｄ▼  ：地熱発電における外郭円筒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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