(57)【要約】【課題】熱光起電力発電によって製鉄所等の製造設備で発生する熱を利用することに適した熱光起電力発電装置および製造設備を提供する。【解決手段】熱光起電力発電装置１０は、加熱または溶融された高温材料９０からの輻射光を利用するものである。この発電装置１０は、発電装置１０の高温材料９０側に設けられ、高温材料９０の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板３０と、透過性保護板３０を透過した高温材料９０の輻射光が入射する光電素子２２を含んで構成された発電ユニット２０と、透過性保護板３０によって形成された空間１２の側部に設けられることで空間１２に飛散物が混入することを防止する側面保護部４０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備える発電装置。
【請求項２】
前記側面保護部は、空気の通過を許容するように構成されている、
請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記光電素子を冷やす冷却ユニットをさらに備える、
請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記１枚または複数枚の透過性保護板のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであり、
前記１枚または複数枚の透過性保護板の板厚の合計は、２〜８０ｍｍである、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記１枚または複数枚の透過性保護板による波長領域が３〜４μｍの光の透過率は、７０％未満である、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
高温材料が搬送される搬送路と、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の発電装置と、
を備える製造設備。
【請求項７】
前記搬送路を搬送される高温材料から４０ｃｍ以上離れた位置に前記透過性保護板が配置された状態で発電が行われる、
請求項６に記載の製造設備。
【請求項８】
前記搬送路を搬送される高温材料から前記光電素子に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上である状態で発電が行われる、
請求項６または請求項７に記載の製造設備。
【請求項９】
前記発電装置は、発電を行うための発電位置と前記光電素子を保護するための退避位置との間を可動する、
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光起電力発電装置およびこれを備える製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果による熱電発電素子を用い、製鉄所などでこれまで排熱として捨ててきたエネルギーを利用しようとする取組みが行われている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１６６９２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、熱光起電力（Thermophotovoltaic：TPV）を用いた熱光起電力発電（TPV発電）によって、製鉄所などの製造設備で発生する熱を発電に利用することについては検討が進んでいない。
【０００５】
本発明の目的は、熱光起電力発電によって製鉄所等の製造設備で発生する熱を利用することに適した熱光起電力発電装置および製造設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
【０００７】
＜１＞
加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備える発電装置。
【０００８】
＜２＞
前記側面保護部は、空気の通過を許容するように構成されている、
＜１＞に記載の発電装置。
【０００９】
＜３＞
前記光電素子を冷やす冷却ユニットをさらに備える、
＜１＞または＜２＞に記載の発電装置。
【００１０】
＜４＞
前記１枚または複数枚の透過性保護板のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであり、
前記１枚または複数枚の透過性保護板の板厚の合計は、２〜８０ｍｍである、
＜１＞〜＜３＞の何れか一項に記載の発電装置。
【００１１】
＜５＞
前記１枚または複数枚の透過性保護板による波長領域が３〜４μｍの光の透過率は、７０％未満である、
＜１＞〜＜４＞の何れか一項に記載の発電装置。
【００１２】
＜６＞
高温材料が搬送される搬送路と、
＜１＞〜＜５＞の何れか一項に記載の発電装置と、
を備える製造設備。
【００１３】
＜７＞
前記搬送路を搬送される高温材料から４０ｃｍ以上離れた位置に前記透過性保護板が配置された状態で発電が行われる、
＜６＞に記載の製造設備。
【００１４】
＜８＞
前記搬送路を搬送される高温材料から前記光電素子に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上である状態で発電が行われる、
＜６＞または＜７＞に記載の製造設備。
【００１５】
＜９＞
前記発電装置は、発電を行うための発電位置と前記光電素子を保護するための退避位置との間を可動する、
＜６＞〜＜８＞の何れか一項に記載の製造設備。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱光起電力発電によって製鉄所等の製造設備で発生する熱を利用することに適した熱光起電力発電装置および製造設備を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】発電装置を示す装置側方から見た模式的な断面図である。
【図２】複数の透過性保護板を備える発電装置を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図２を用いて説明する。
【００１９】
本発明の一実施形態として、鉄鋼材料を製造する製造設備を備えた製鉄所において、高温の材料の輻射光を利用して発電することを想定した例を説明する。
すなわち、製鉄所では、溶銑や溶鋼などの溶融された高温材料が樋上を流れたり、あるいはスラブや鋼板などの加熱された高温材料がテーブルロール上を搬送される。本実施形態では、これら樋やテーブルロール上の高温材料からの輻射光を利用して、熱光起電力発電装置１０（以下、単に「発電装置１０」という。）により発電を行う。一例として、図１や図２に示すように、発電装置１０を高温材料に対向配置して発電を行う。
【００２０】
なお、溶銑や溶鋼が、本開示の「溶融された高温材料」の一例であり、加熱されたスラグや鋼板が、本開示の「加熱された高温材料」の一例である。また、樋やテーブルロールが、本開示の「搬送路８０」の一例である。
【００２１】
―熱光起電力発電装置１０―
発電装置１０は、図１に示すように、基本的な構成として、発電ユニット２０、透過性保護板３０および側面保護部４０を備える。
【００２２】
＜発電ユニット２０＞
発電ユニット２０は、光起電力効果により光を電力に変換する光電素子２２（光電変換セル、PVセル）を含んで構成される。
光電素子２２としては、ＧａＳｂ系、ＩｎＧａＳａ系、ＩｎＧａＡｓＢｂ系などのものが用いられ、特にＧａＳｂ系のものが好適に用いられる。
ＧｓＳｂ系の光電素子は、波長０．８〜１．８μｍに高い感度領域を有しており、波長０．８〜１．８μｍの近赤外光が入射されることで効率的に起電力を生み出す（熱光起電力発電）。
【００２３】
発電ユニット２０は、図２に示すように、複数の光電素子２２を含んで構成されてもよい。
【００２４】
＜透過性保護板３０＞
透過性保護板３０は、発電装置１０の高温材料９０側（つまり、発電装置１０の前面側）に設けられる。このため、高温材料９０の輻射光は、透過性保護板３０を透過した後、光電素子２２に入射する。
【００２５】
透過性保護板３０は、１枚でもよいし複数枚でもよい。透過性保護板３０を複数枚設ける場合は、図２に示すように、基本的には、それぞれの透過性保護板３０の間に空間１２を形成する。
【００２６】
透過性保護板３０は、基本的には、光電素子２２との間に空間１２を形成するように設けられる。透過性保護板３０が光電素子２２と接触していると、透過性保護板３０が加熱され温度が上がった場合に光電素子２２に熱が直接伝わり、光電素子２２の温度が過度に上がって発電効率が下がるためである。
但し、透過性保護板３０を複数枚設け、透過性保護板３０同士の間に空間１２を形成する場合は、複数枚の透過性保護板３０のうちの１枚を光電素子２２に近接または接触させてもよい。
【００２７】
１枚又は複数枚の透過性保護板３０による、光電素子２２の感度領域（ＧａＳｂ系の場合、波長０．８〜１．８μｍ）の光の透過率は、６０％以上であることが好ましい。より好ましくは、７０％以上である。
他方、１枚又は複数枚の透過性保護板３０による、波長領域３〜４μｍの光の透過率は、７０％未満であることが好ましい。感度領域の外の光を透過性保護板３０に吸収させることで、光電素子２２の不要な温度上昇を抑制するためである。
【００２８】
透過性保護板３０の材質としては、石英ガラス、光学ガラスなどが例示される。
石英ガラスは耐熱性に優れているため、１枚又は複数枚の透過性保護板３０のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであることが好ましい。
１枚又は複数枚の透過性保護板３０の合計の板厚は、例えば、２〜８０ｍｍである。この範囲の厚さであれば、高温での変形、劣化を低減する保護機能、あるいは不要な輻射光を吸収してカットする機能などを高めることができる。
【００２９】
＜側面保護部４０＞
側面保護部４０は、透過性保護板３０により形成された空間１２（透過性保護板３０と光電素子２２との間の空間だけでなく、複数の透過性保護板３０の間の空間をも含む。）に飛散物が混入することを防止するための構成である。ここでいう飛散物とは、製鉄所内を飛散する鉄粉などの粉塵や水分などが想定される。
【００３０】
側面保護部４０は、透過性保護板３０により形成された空間１２の側部に設けられ、上述の空間１２と発電装置１０の外部とを隔離する。
【００３１】
側面保護部４０には、飛散物の通過を阻害するように構成される。
他方、側面保護部４０は、飛散物だけでなく空気の通過をも阻害するように構成されてもよいが、空気の通過は許容するように構成されることが好ましい。側面保護部４０が空気の通過を許容することで、空間１２の中で空気の流れが起こりやすくなり、空間１２の温度上昇が抑制されるからである。空間１２の温度上昇が抑制されると、光電素子２２の温度上昇による発電効率低下が抑制される。
【００３２】
飛散物の通過を阻害しつつ空気の通過を許容する側面保護部４０の具体的構造は、例えば、以下のような構造である。
すなわち、側面保護部４０の一部または全体にフィルターあるいはメッシュが形成されている。空気の通過を良くするには、４面の側面保護部のうち２面以上にフィルターあるいはメッシュが形成されていることが好ましい。材料がエアーフィルターであれば比較的安価であり、寿命の前に交換して目詰まりを抑えることができる。ガラス繊維の不燃性フィルターなどが例示される。また、材料が金属、セラミックス、それら複合材であれば耐熱性が向上することが利点である。ステンレスメッシュ、金属粉末あるいは金属繊維などを焼結した高温フィルターなどが例示される。フィルター、メッシュを側面保護部４０から脱着可能にすることで、交換あるいは洗浄して使用することができる。これにより、使用時の飛散物による目詰まり、汚染などを改善して、通気性、冷却作用を良好な状態に長期間維持できる。
製鉄所の工場において９００℃以上の高温であるスラブからの発電試験において、本発明の発電装置としてガラス繊維の不燃性フィルターを４面に設けた側面保護部を使用したケースでは、発電出力を３ヶ月間保持できることを確認した。比較例として、側面保護部を設けないで側面が開放された発電装置の場合には、発電装置を設置後に１ヶ月以内に発電出力が３０%低下していた。こうした試験からも、本発明の側面保護部を設けることで、長期間安定して発電効率を維持できることを確認した。
【００３３】
また、発電装置１０は、光電素子を冷やす冷却ユニットを備えていてもよい。冷却ユニットとしては、例えば、発電装置１０が空間１２に空気の流れを強制的に作る空冷機構（図示省略）がある。空冷機構により空間１２に空気の流れを作ることで、空間１２の温度上昇を抑制し、光電素子２２の温度上昇による発電効率低下を抑制する。
具体的に説明すると、空冷機構により作った空気の流れにより光電素子２２の温度上昇を抑制する。またそれだけでなく、透過性保護板３０を冷却することで、透過性保護板３０が吸収した不要な波長領域の光が透過性保護板３０から再び放射されることを抑制し、これによっても光電素子２２の温度上昇を抑制できる。
また、冷却ユニットは空冷機構に限定されず、より冷却能が高い水冷機構（一例として後述する水冷機構２６）としてもよい。
【００３４】
発電ユニット２０は、図２に示すように、放熱基板２４を含んで構成されてもよい。放熱基板２４の片面に光電素子２２を搭載することで、光電素子２２の温度上昇を抑制し、温度上昇による発電効果の低下を抑制する。
放熱基板２４としては、セラミックス基板の片面または両面にＣｕを積層したものが一例として挙げられる。
【００３５】
さらに、発電ユニット２０は、水冷機構２６を含んで構成されてもよい。水冷機構２６は、放熱基板２４の光電素子２２が搭載された面とは反対側の面側に設けられる。水冷機構２６としては、例えば、水冷銅板が用いられる。
【００３６】
―製造設備―
上述した発電装置１０が、製鉄所内に設置される。
【００３７】
ここで、発電装置１０は、可動するように構成されてもよい。例えば、図１に実線で示す発電位置Ａと、二点鎖線で示す退避位置Ｂ１またはＢ２との間で可動するように構成されてもよい。発電位置Ａは、発電を行うための位置であり、発電効率などを考慮して決定される位置である。他方、退避位置Ｂ１、Ｂ２は、発電を行わないときの位置であり、熱など光電素子２２の寿命に悪影響を与える要因を考慮して決定される位置、つまり光電素子２２を保護するための位置である。退避位置Ｂ１、Ｂ２は、発電装置１０のメンテナンスのしやすさを考慮して決定されてもよい。
なお、図１の符号Ｂ１は横移動による退避位置を示し、符号Ｂ２は回転移動による退避位置を示している。
【００３８】
勿論、発電装置１０は可動しないように構成されてもよい。その場合、発電装置１０は常に発電位置Ａに配置されているということになる。
【００３９】
発電装置１０は、その透過性保護板３０と高温材料９０との距離Ｄが４０ｃｍ以上の距離となるように設置されることが好ましい。換言すると、発電位置Ａでは、発電装置１０の透過性保護板３０と高温材料９０との距離Ｄが４０ｃｍ以上の距離となることが好ましい。なお、発電装置１０が複数の透過性保護板３０を備えている場合、上記距離Ｄとは、図２に示すように、最も高温材料９０側（最も前面側）の透過性保護板３０と高温材料９０との距離を意味する。
【００４０】
また、光電素子２２に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上となるように発電装置１０を設置することができる。熱光起電力発電では、ゼーベック効果による発電と異なり、発電ユニット内で温度差を設ける必要がないからである。入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上であれば、光電素子による発電出力が高まり、効率的な排熱エネルギーの回収に有利である。入射強度を７ｋＷ／ｍ２以上にするための手段としては、熱源（高温材料）の温度を７００℃以上にすること、あるいは光電素子との距離を近づけることなどがある。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の発電装置１０では、高温材料９０の輻射光が透過性保護板３０を透過し、透過した輻射光が光電素子２２に入射する。これにより発電を行う。したがって、高温材料と光電素子との間にエミッタが設けられ、高温材料からの輻射光を一旦エミッタに吸収させてエミッタを加熱し、加熱されたエミッタから放射される輻射光を光電素子２２に入射させる発電装置と比較して、発電効率および応答性が高くなる。エミッタの温度上昇に消費される輻射光のエネルギーを抑えることで、エミッタを使用しない場合は光電素子に到達する輻射光を増やすことが容易である。また、エミッタを使用する場合はエミッタの温度が上昇するまでの時間が掛かるのに対して、エミッタを使用しない場合は応答性が速いため、連続的に移動する高温材料からの輻射光を利用する場合に有利となる。
【００４２】
また、透過性保護板３０や光電素子２２の表面が汚染されると輻射光が遮られて発電効率が低下する可能性がある。ここで、本実施形態の発電装置１０では側面保護部４０が設けられている。このため、透過性保護板３０によって形成された空間１２に飛散物が混入することが防止され、透過性保護板３０や光電素子２２の表面が汚染されることが抑制される。よって、発電効率の低下が抑制される。
【００４３】
また、本実施形態の発電装置１０は、エミッタを介さず、高温材料９０の輻射光を直接光電素子に入射させるため、必要な発電効率を保ちながら距離Ｄを大きくとることができる。そのため、光電素子２２の過度の温度上昇を抑制でき、上述した水冷機構２６や空冷機構を設ける必要性が比較的低くなる。その結果、水冷機構２６や空冷機構を作動させるための電力が削減され、より効率的に発電を行うことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 熱光起電力発電装置
１２ 透過性保護板によって形成された空間
２０ 発電ユニット
２２ 光電素子
２４ 放熱基板
２６ 水冷機構（冷却ユニット）
３０ 透過性保護板
４０ 側面保護部
８０ 搬送路
９０ 高温材料
Ａ 発電位置
Ｂ１ 退避位置
Ｂ２ 退避位置
【図１】
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【図２】
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