(57)【要約】【課題】装置の小型化を図ることができつつも、所定の電力を得ることができる発電装置を提供する。【解決手段】光及び熱を受けて電子を放出するエミッタ１と、エミッタ１から放出された電子を捕獲するコレクタ２とを有する光熱発電素子３を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置Ｓであって、７００Ｋ程度以上に加熱された高温輻射発生体７ｂからの輻射光Ｌを１０倍以上、１１０倍以下の集光率で集光してエミッタ１に照射する集光照射手段４とを備え、エミッタ１を構成する半導体のバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている。【選択図】図１
2015195703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、
７００Ｋ程度以上に加熱された高温輻射発生体からの輻射光を１０倍以上、１１０倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段を備え、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている発電装置。
【請求項２】
前記高温輻射発生体が、セラミックバーナに設けられ火炎を形成して１０００Ｋ程度以上に加熱されるセラミック板である請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記高温輻射発生体が、地中のマグマによって１０００Ｋ程度以上に加熱された地中の岩盤又は１０００Ｋ程度以上に加熱された地中のマグマである請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記高温輻射発生体が、燃焼排気ガスの通流によって７００Ｋ程度以上に加熱された排気管である請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．４ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている請求項２に記載の発電装置。
【請求項６】
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に選択されている請求項３の発電装置。
【請求項７】
前記集光照射手段は、前記輻射光を９０倍から１１０倍の集光率で集光し、
前記バンドギャップが、０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である請求項５又は６に記載の発電装置。
【請求項８】
前記エミッタが硫化鉛ＰｂＳで構成されている請求項５〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項９】
前記集光照射手段は、前記輻射光を９０倍から１１０倍の集光率で集光し、
前記バンドギャップが、０．５５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下である請求項５に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．３９ｅＶ以下に選択されている請求項４に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記エミッタがインジウム砒素ＩｎＡｓで構成されている請求項１０に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の非特許文献１には、光電変換と熱電子発電を組み合わせた光励起熱電子放出（Photon Enhanced Thermionic Emission：ＰＥＴＥ）により発電する発電装置が開示されている。
この発電装置は、半導体で構成されたエミッタに集光した太陽光が照射されるように構成され、太陽光の短波長域の光を半導体中の光励起に、長波長領域の光を半導体の加熱に利用することで、光励起と加熱との相乗効果によりエミッタから電子を放出するとともに、放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子（ＰＥＴＥ素子）を備えている。また、この文献に記載の発電装置では、太陽光のみを発電のエネルギ源として使用しており、エミッタに照射する太陽光の集光率を例えば１０００倍以上とすることで、所定の電力を得ている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】J.W.Schwede, I.Bargatin, D.C.Riley, B.E.Hardin, S.J.Rosenthal, Y.Sun, F.Schmitt, P.Pianetta, R.T.Howe, Z.-X.Shen, N.A.Melosh, “Photon Enhanced Thermionic Emission for Solar Concentrator Systems,” Nature Materials 9, 762-767, (2010)
【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、上記非特許文献１の発電装置において、所定の電力を得るためには、太陽光の集光率を１０００倍以上にすることが必要となる。よって、このような集光率を実現する大型の集光装置が必要となり、発電装置が大型化するという問題がある。さらに、悪天候等で十分な太陽光が得られない場合では、安定して発電出力が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、装置の小型化を図ることができつつも、太陽光とは異なる輻射光をエネルギ源として、安定して所定の電力を得ることができる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するための本発明に係る発電装置は、
光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、その第１特徴構成は、
７００Ｋ程度以上に加熱された高温輻射発生体からの輻射光を１０倍以上、１１０倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段を備え、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている点にある。
【０００７】
上記発電装置の第１特徴構成によれば、エミッタに光エネルギ及び熱エネルギを与えるエネルギ源として、７００Ｋ程度以上に加熱された高温輻射発生体から発生する高いエネルギ密度を有する輻射光を利用するので、例えば、エネルギ密度が比較的低い太陽光をエネルギ源とする場合よりも集光率を低くすることが可能となり、集光照射手段における輻射光の集光率を比較的低い１０倍以上、１１０倍以下に構成して小型化を図ることができる。
【０００８】
さらに、本特徴構成によれば、エミッタを構成する半導体のバンドギャップが、０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている。
本願において、このようなバンドギャップの材料をエミッタの材料として選択する理由を、図２、図３、図５、図７及び図８に基づいて説明する。
【０００９】
これらの図は、エミッタを構成する材料のバンドギャップ〔ｅＶ〕とエネルギの変換効率η〔％〕との関係を示す図であり、図２及び図５が高温輻射発生体が１０００Ｋである場合の変換効率の例を、図３が高温輻射発生体が１３００Ｋである場合の変換効率の例を、図７が高温輻射発生体が７００Ｋである場合の変換効率の例を、図８が太陽光をエネルギ源とする場合の変換効率の例を示すものである。
これらの図において各線に〔○○倍〕と記載しているのは、各例における輻射光の集光率を示している。即ち、各検討例において輻射光の集光率を１０倍及び１００倍に変化させ、さらに、２５倍、５０倍の両方又は何れか一方に変化させた場合の変換効率の例を示している。
【００１０】
これらの結果を参照すると、何れの例の場合も、集光率が上昇するに従って、変換効率は向上するが、同時に、変換効率が高くなるバンドギャップの範囲は制限されてくる。例えば、図２に示す場合は、この範囲は０．４ｅＶ〜０．６ｅＶの範囲となる。一方、図８に示す場合は、全体に変換効率は低いものの１．３ｅＶ〜１．６ｅＶの範囲となる。
【００１１】
従って、高温輻射発生体からの輻射光を受けて、その輻射光をある程度（１０倍から１１０倍程度）集光して、光熱発電原理で発電を行なおうとする場合、従来、太陽光を基準に検討がされてきた材料より、低いバンドギャップの材料をエミッタに採用するほうが、高い変換効率（発電効率）を得ることができる。
【００１２】
また、図２、図３、図５、図７に示した夫々の例において１０倍〜１００倍の集光率の変換効率のピークを包含するバンドギャップの範囲は、図２及び図５に示す場合は、０．４４ｅＶ〜０．４７ｅＶの範囲となる。図３に示す場合は、０．５５ｅＶ〜０．６ｅＶの範囲となる。図７に示す場合は、０．３５ｅＶ〜０．３９ｅＶの範囲となる。よって、高温輻射発生体が７００Ｋ〜１３００Ｋ程度の温度範囲にある場合には、変換効率のピークを包含するバンドギャップの範囲は、０．３５ｅＶ〜０．６ｅＶの範囲となる。なお、図８に示す従来例としての太陽光の場合は、バンドギャップ１．４ｅＶ程度において１０倍〜１００倍の集光率の変換効率のピークとなる。
【００１３】
そこで、上述の如く、７００Ｋ程度以上に加熱されて輻射光を発する高温輻射発生体をエネルギ源とする場合に、エミッタのバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下の材料で構成することで、高い発電電力を得ることができる。
以上より、装置の小型化を図ることができつつも、高いエネルギ変換効率で安定して発電電力を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る発電装置の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記高温輻射発生体が、セラミックバーナに設けられ火炎を形成して１０００Ｋ程度以上に加熱されるセラミック板である点にある。
【００１５】
上記発電装置の第２特徴構成によれば、通常であればセラミックバーナの周囲に放熱されて有効に利用されることのないセラミック板から放出される輻射光のエネルギ（光エネルギ及び熱エネルギ）を、光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができる。
また、１０００Ｋ程度以上に加熱されたセラミック板から発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができるので、高い発電電力を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る発電装置の第３特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記高温輻射発生体が、地中のマグマによって１０００Ｋ程度以上に加熱された地中の岩盤又は１０００Ｋ程度以上に加熱された地中のマグマである点にある。
【００１７】
上記発電装置の第３特徴構成によれば、地下に存在するマグマによって加熱された岩盤又はマグマから放出される輻射光のエネルギを利用して光熱発電素子により電気エネルギに変換することができる。
また、１０００Ｋ程度以上に加熱された岩盤又はマグマから発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができるので、高い発電電力を得ることができる。
【００１８】
本発明に係る発電装置の第４特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記高温輻射発生体が、燃焼排気ガスの通流によって７００Ｋ程度以上に加熱された排気管である点にある。
【００１９】
上記発電装置の第４特徴構成によれば、通常であれば排気管の周囲に放熱されて排熱となる排気管から放出される輻射光のエネルギを、光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができる。
また、７００Ｋ程度以上に加熱された排気管から発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができるので、高い発電電力を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る発電装置の第５特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．４ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されている点にある。
【００２１】
上記発電装置の第５特徴構成によれば、バンドギャップが０．４ｅＶ以上０．６ｅＶ以下に選択されるので、この選択されたバンドギャップ範囲内には、上述の如く、１０００〜１３００Ｋ程度に加熱される高温輻射発生体としてのセラミック板から発生する輻射光をエネルギ源とする場合における１０〜１１０倍程度の集光率の変換効率の最大値を得ることができるバンドギャップが包含されるので、各集光率において高い発電電力を得ることができる。
【００２２】
さらに、１０００〜１３００Ｋ程度の温度範囲において、０．４ｅＶ以上０．６ｅＶ以下のバンドギャップ範囲から最適なバンドギャップを選択することで、１０〜１００倍程度の集光率の範囲において、高温輻射発生体としてのセラミック板から発生する輻射光により得られる変換効率を、その輻射光と同一の集光率として太陽光によりバンドギャップ１．４ｅＶ程度で得られる変換効率の最大値よりも高い変換効率とすることができる。
なお、最適なバンドギャップの選択については、１０００〜１３００Ｋ程度の温度範囲において高温輻射発生体の温度が高くなるほど、０．４ｅＶ以上０．６ｅＶ以下のバンドギャップ範囲において大きいバンドギャップを選択することで、高温輻射発生体としてのセラミック板から発生する輻射光の各集光率における変換効率を、太陽光を利用する場合において各集光率の変換効率の最大値よりも高い変換効率とすることができる。
【００２３】
本発明に係る発電装置の第６特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に選択されている点にある。
【００２４】
上記発電装置の第６特徴構成によれば、バンドギャップが０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に選択されるので、例えば、１０００Ｋ程度（９５０Ｋ〜１０５０Ｋの範囲の温度）に加熱されて輻射光を発する高温輻射発生体としての地中のマグマに加熱された岩盤をエネルギ源とする場合の各集光率の変換効率のピークを得ることができるバンドギャップが包含されるので、各集光率において高い発電電力を得ることができる。
さらに、バンドギャップが０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に選択されることで、高温輻射発生体の各集光率における変換効率を、太陽光の各集光率における変換効率よりも高い変換効率とすることができる。
【００２５】
本発明に係る発電装置の第７特徴構成は、上記第５又は第６特徴構成に加えて、
前記集光照射手段は、前記輻射光を９０倍から１１０倍の集光率で集光し、
前記バンドギャップが、０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である点にある。
【００２６】
上記発電装置の第７特徴構成によれば、例えば、１０００Ｋ程度（９５０Ｋ〜１０５０Ｋの範囲の温度）に加熱された高温輻射発生体から発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を９０から１１０倍に集光してエミッタにエネルギを与える状態とする場合に、エミッタの構成材料に関して、そのバンドギャップを０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下とすることで、エミッタからの熱電子の放出を促進することができ、図２及び図５に示すように、高い発電効率で安定して発電電力を得ることができる。
【００２７】
本発明に係る発電装置の第８特徴構成は、上記第５乃至第７特徴構成に加えて、
前記エミッタが硫化鉛ＰｂＳで構成されている点にある。
【００２８】
上記発電装置の第８特徴構成によれば、硫化鉛のバンドギャップは先に示した０．４ｅＶ以上０．６ｅＶの範囲内、さらには、０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶの範囲内である、０．４１ｅＶにあるため効率のよい発電を行なえる。
さらに、硫化鉛は安価であり且つ加工性に優れるので、エミッタを安価且つ容易に形成することができる。
【００２９】
本発明に係る発電装置の第９特徴構成は、上記第５特徴構成に加えて、
前記集光照射手段は、前記輻射光を９０倍から１１０倍の集光率で集光し、
前記バンドギャップが、０．５５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下である点にある。
【００３０】
上記発電装置の第９特徴構成によれば、例えば、１３００Ｋ程度（１２５０Ｋ〜１３５０Ｋの範囲の温度）に加熱された高温輻射発生体から発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を９０〜１１０倍に集光してエミッタにエネルギを与える状態とする場合に、エミッタの構成材料に関して、そのバンドギャップを０．５５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下とすることで、エミッタからの熱電子の放出を促進することができ、図３に示すように、高い発電効率で安定して発電電力を得ることができる。
【００３１】
本発明に係る発電装置の第１０特徴構成は、上記第４特徴構成に加えて、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．３９ｅＶ以下に選択されている点にある。
【００３２】
上記発電装置の第１０特徴構成によれば、バンドギャップが０．３５ｅＶ以上０．３９ｅＶ以下に選択されるので、例えば、７００Ｋ程度（６５０Ｋ〜７５０Ｋの範囲の温度）に加熱された高温輻射発生体から放射される輻射光をエネルギ源とする場合の各集光率の変換効率のピークを得ることができるバンドギャップが包含されるので、各集光率において高い発電電力を得ることができる。
【００３３】
本発明に係る発電装置の第１１特徴構成は、上記第１０特徴構成に加えて、
前記エミッタがインジウム砒素ＩｎＡｓで構成されている点にある。
【００３４】
上記発電装置の第１１特徴構成によれば、インジウム砒素のバンドギャップは先に示した０．３５ｅＶ以上０．６ｅＶの範囲内、さらには、０．３５ｅＶ以上０．３９ｅＶの範囲内である、０．３６ｅＶにあるため効率のよい発電を行なえる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施形態に係る発電装置を示す概略立面図
【図２】１０００Ｋに加熱された高温輻射発生体からの輻射光をエミッタに照射した場合のバンドギャップと変換効率の関係を示す図
【図３】１３００Ｋに加熱された高温輻射発生体からの輻射光をエミッタに照射した場合のバンドギャップと変換効率の関係を示す図
【図４】第２実施形態に係る発電装置を示す概略立面図
【図５】１０００Ｋに加熱された高温輻射発生体からの輻射光をエミッタに照射した場合のバンドギャップと変換効率の関係を示す図
【図６】第３実施形態に係る発電装置を示す概略立面図
【図７】７００Ｋに加熱された高温輻射発生体からの輻射光をエミッタに照射した場合のバンドギャップと変換効率の関係を示す図
【図８】太陽光をエミッタに照射した比較例のバンドギャップと発電出力の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の発電装置の第１実施形態について図１に基づいて説明する。
図１に示すように、発電装置Ｓは、対向配置された電極であるエミッタ１とコレクタ２との間を移動する熱電子を利用して光エネルギ及び熱エネルギを電気エネルギに変換して負荷５に電力を供給する光熱発電素子３を備えている。
そして、光熱発電素子３のエミッタ側には、火炎を形成して、１０００〜１３００Ｋ程度以上に加熱されて輻射光Ｌを発生する高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート７ｂ（セラミック板の例）を備えたセラミックバーナ７と、その輻射光Ｌを集光してエミッタ１に照射する集光照射手段としての集光レンズ４とが備えられている。また、光熱発電素子３のコレクタ側には、コレクタ２を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路８が設けられている。
【００３７】
以下、発電装置Ｓの各構成について説明する。
図１に示すセラミックバーナ７は、側部に開口部を備える筐体７ａと、筐体７ａの開口部に保持されたセラミックバーナプレート７ｂと、筐体７ａに接続された導管７ｃとを備えている。セラミックバーナプレート７ｂは、例えば、アルミナ、シリカ等を成分とするコーディエライト等の耐熱衝撃性を備える多孔質セラミックからなり、厚さ方向に貫通する複数の炎口７ｄを備えている。導管７ｃは、都市ガス等の燃料ガスと空気とが混合された混合ガスＧを、筐体７ａに供給する。
【００３８】
セラミックバーナ７は、導管７ｃにより筐体７ａに供給される混合ガスＧをセラミックバーナプレート７ｂで燃焼させて、セラミックバーナプレート７ｂの温度を１０００Ｋ〜１３００Ｋ程度に加熱する。これにより、セラミックバーナプレート７ｂから輻射光Ｌが放射される。放射された輻射光Ｌは後述する集光レンズ４に入射する。
【００３９】
集光照射手段としての集光レンズ４は、耐熱性の石英ガラスにより構成された耐熱性の凸面状のレンズである。この、石英ガラスの耐熱性は１３００Ｋ程度であるので、上述の如く、セラミックバーナプレート７ｂの温度を１０００Ｋ〜１３００Ｋ程度に加熱することが好ましい。この集光レンズ４は、輻射光Ｌを１０倍以上１１０倍以下の集光率で集光することができるものであり、光熱発電素子３の輻射光入射側に図示しない固定手段により固定されて設けられている。
【００４０】
光熱発電素子３は、光エネルギにより光励起され且つ熱エネルギにより加熱されることにより熱電子を放出するエミッタ１と、当該エミッタ１と離間して対向配置されエミッタ１から放出した熱電子を捕獲するコレクタ２とを有する。エミッタ１とコレクタ２とは真空空間Ｖに配置されている。具体的には、エミッタ１は硫化鉛（ＰｂＳ）で構成され板状に形成されている。一方、コレクタ２はリンドープダイヤモンド（phosphorus-doped diamond）で構成されている。エミッタ１は、熱電子を放出する熱電子放出面１ａを備え、コレクタ２は、エミッタ１から放出された熱電子を捕獲する熱電子捕獲面２ａを備えており、熱電子放出面１ａと熱電子捕獲面２ａとが互いに平行になるように真空空間Ｖに配設されている。
【００４１】
従って、本実施形態では、集光レンズ４による輻射光Ｌのエミッタ１への照射により光エネルギ及び熱エネルギをエミッタ１に与える状態で、効果的にエミッタ１からの熱電子の放出が促進され、高い発電電力を得ることができるバンドギャップを有する硫化鉛でエミッタ１が構成されている。この点に関しては、先に図２、図３、図８に基づいて説明したとおり、例えば、輻射光Ｌに替えて太陽光を同じ倍率で集光してエミッタ１に照射する場合よりも、高い発電電力を得ることができる。
【００４２】
そして、エミッタ１及びコレクタ２との間に接続された導線部６に負荷５が設けられている。光熱発電素子３から出力された電力が導線部６を介して負荷５に供給される。
【００４３】
光熱発電素子３のコレクタ２側には、コレクタ２を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路８が設けられている。この冷却水通路８はコレクタ２の非エミッタ側に設けられ、冷却水通路８内を流れる冷却水Ｗによってコレクタ２が冷却される。コレクタ２を冷却することで加熱された冷却水Ｗは、図示しない温水供給手段等に供給されて有効に使用される。この冷却水通路８はコレクタ２と電気的に絶縁された状態で設けられている。
【００４４】
〔好適なバンドギャップ範囲の検討〕
以下、先に本願の説明に使用した図２、図３、図８について説明する。
これらの図面は、エミッタ１を構成することとなる構成材料のバンドギャップ〔ｅＶ〕と発電出力〔Ｗ／ｍ２〕との関係を示す図面であり、太陽光を含む輻射光Ｌの集光率に関しては、各図において、１０倍、５０倍、１００倍を前提としている。さらに、高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート７ｂの温度としては、図２の場合１０００Ｋを、図３の場合１３００Ｋを前提とした。一方、コレクタ２の温度は５００Ｋとした。
【００４５】
バンドギャップと変換効率（発電効率）との関係を求めるために使用した式を、以下に示す、所謂、エミッタのエネルギ収支式である（非特許文献１に記載の式（２１））。
【００４６】
〔数１〕
Ｐｎｅｔ，ｃ＝Ｐｓｕｎ
−σＴＣ４
−（ｅｘｐ（（ＥＦ，ｎ−ＥＦ，ｐ）／ｋＴＣ）−１）ＰＢＢ
＋ＪＡ（φＣ＋２ｋＴＡ）
−ＪＣ（φＣ＋２ｋＴＣ）
【００４７】
この式において、各項は、以下の内容を表す。なお、以下において、エミッタからの放射エネルギは、エミッタからの放射が黒体放射であるとして求めた。また、コレクタからエミッタへの入力エネルギとは、コレクタから放出された電子がエミッタに捕集されたときに熱に変わるエネルギのことである。
【００４８】
〔数２〕
Ｐｎｅｔ，ｃ                ：エミッタのエネルギ収支
Ｐｓｕｎ                    ：図２、図３の場合は高温輻射発生体の輻射光の光子
エネルギ
：図８の場合は太陽光の光子エネルギ
σＴＣ４                    ：エミッタからの黒体放射エネルギ
（ｅｘｐ（（ＥＦ，ｎ−ＥＦ，ｐ）／ｋＴＣ）−１）ＰＢＢ
：伝導帯電子密度が増加したことにより高められた、
バンドギャップ以上のエネルギを持つ黒体放射光子
エネルギ
ＪＡ（φＣ＋２ｋＴＡ）      ：コレクタからエミッタへの入力エネルギ
ＪＣ（φＣ＋２ｋＴＣ）      ：エミッタの出力エネルギ
さらに、
ＥＦ，ｎ                    ：電子の擬似フェルミエネルギ
ＥＦ，ｐ                    ：正孔の疑似フェルミエネルギ
ＰＢＢ                      ：バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光
子エネルギ 
ＪＡ，ＪＣ                  ：コレクタ及びエミッタの電流密度
φＡ，φＣ                  ：コレクタ及びエミッタの仕事関数
ＴＡ                        ：コレクタの温度
ＴＣ                        ：エミッタの温度
である。
【００４９】
以下、上記式を使用して、本願発明者が実施したバンドギャップをパラメータとして、発電効率の最大効率ηを求める手順について説明する。
工程１    検討対象とするバンドギャップＥｇを仮定する。
工程２    検討対象とする電子親和力Ｅ＿Ａを仮定する。
工程３    工程１、工程２で仮定したバンドギャップＥｇ、及び電子親和力Ｅ＿Ａ、を使用して、エミッタに入射した光子（電子）の数と、放出された光子（電子）の数＋再結合した光子（電子）の数との和が０となるとの条件の下、エミッタのエネルギ収支式を使用して、エミッタのエネルギ収支Ｐｎｅｔ，ｃを求める。
【００５０】
本検討に当たり輻射光エネルギの集光倍率については１０倍、５０倍、１００倍を前提とするため固定とした。さらに、電子の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｎ、エミッタ温度ＴＣ、エミッタの電流密度ＪＣ、正孔の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｐは可変とし、コレクタの電流密度ＪＡ、コレクタの温度ＴＡを固定した。
【００５１】
引き続いて、
工程４    エミッタ温度ＴＣを設定範囲で変化させて、工程３を繰り返し、Ｐｎｅｔ，ｃが最小となるエミッタ温度ＴＣを求める。
この工程４を実行することで、検討対象としている状態のバンドギャップＥｇ、電子親和力Ｅ＿Ａ、エミッタ温度ＴＣが決定される。
【００５２】
この系では、系に投入される輻射光の光子エネルギＰｓｕｎ、コレクタ及びエミッタの電流密度ＪＡ，ＪＣ及びコレクタ及びエミッタの仕事関数φＡ，φＣが特定できるため、その値を使用して、以下の式に基づいて、検討対象としている状態での発電効率を以下の式で求めた。
【００５３】
〔数３〕
η＝（ＪＣ−ＪＡ）×（φＣ−φＡ）／Ｐｓｕｎ
【００５４】
以下、
工程５    電子親和力Ｅ＿Ａを設定範囲で変動させて、工程２〜工程４を繰り返し、発電効率が最大効率を示すパラメータ（電子親和力Ｅ＿Ａ、エミッタ温度ＴＣ）を求める。
そして、得られたパラメータ（電子親和力Ｅ＿Ａ、エミッタ温度ＴＣ）での最大効率を、検討対象としているバンドギャップＥｇにおける素子の発電効率とした。
【００５５】
上記の条件で検討を行なったところ、検討対象としたバンドギャップ範囲内（０．５ｅＶから２ｅＶ）で、エミッタの温度は、バンドギャップの上昇に従って、概ね１０００Ｋ〜２０００Ｋまで上昇した。一方、電子親和力は、バンドギャップ０．４５ｅＶ未満で１．４〜１．４５ｅＶ程度となり、その値より上昇するに伴って１．４５ｅＶから３．１ｅＶまで上昇した。
【００５６】
そして、図２に示すように、本願においてセラミックバーナプレート７ｂを１０００Ｋに加熱した場合、高温輻射発生体が７００Ｋ〜１３００Ｋ程度の温度範囲にある場合の輻射光Ｌにおいて、集光率を１０〜１１０倍程度とした場合の変換効率のピークを包含するバンドギャップの範囲とした０．３５ｅＶから０．６ｅＶの範囲内（図２のＲ１）にあり、さらに、１０〜１１０倍程度の集光率の範囲において、セラミックバーナプレート７ｂから発生する輻射光Ｌにより得られる変換効率が、その輻射光Ｌと同一の集光率において太陽光によってバンドギャップ１．４ｅＶ程度で得られる変換効率の最大値よりも高い変換効率となる０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶの範囲内（図２のＲ２）にある硫化鉛ＰｂＳでは、そのバンドギャップが０．４１ｅＶ（図２のＰ１）であるため、最適なエミッタ１の材料となる。なお、この場合、集光率５０倍でエミッタ温度が１１６０Ｋとなり、電子親和力が１．４ｅＶで最適化された。一方、集光率１００倍の場合は、エミッタ温度が１２６０Ｋとなり、電子親和力が１．５ｅＶで最適化された。セラミックバーナプレート７ｂからの放射率は０．７とした。
この硫化鉛（ＰｂＳ）でエミッタ１を構成する場合は、集光率１０倍で変換効率１７．８％、集光率５０倍で変換効率２８．４％、集光率１００倍で変換効率３２．１％となった。
【００５７】
そして、集光率１００倍の時の上式の各項及び各パラメータの数値の一例を示すと、エミッタのエネルギ収支Ｐｎｅｔ，ｃは６０２Ｗ／ｍ２、輻射光の光子エネルギＰｓｕｎは１１５４６２８Ｗ／ｍ２、エミッタのからの黒体放射エネルギσＴＣ４は１４１５５５Ｗ／ｍ２、伝導帯電子密度が増加したことにより高められた、バンドギャップ以上のエネルギを持つ黒体放射光子エネルギ（ｅｘｐ（（ＥＦ，ｎ−ＥＦ，ｐ）／ｋＴＣ）−１）ＰＢＢは１０２０４９Ｗ／ｍ２、コレクタからエミッタへの入力エネルギＪＡ（φc＋２ｋＴＡ）は４５０Ｗ／ｍ２、エミッタの出力エネルギＪＣ（φＣ＋２ｋＴＣ）は９１０８７２Ｗ／ｍ２となる。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｎは０．２６５ｅＶ、正孔の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｐは０．１６１ｅＶ、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギＰＢＢは６４０００Ｗ／ｍ２、コレクタ電流密度ＪＡは２６０Ａ／ｍ２、エミッタ電流密度ＪＣは４８００００Ａ／ｍ２、コレクタ仕事関数φＡは０．９ｅＶ、エミッタ仕事関数φＣは１．６７ｅＶとなる。
【００５８】
さらに、図２に示すように、例えば、エミッタ１を０．４５ｅＶ以上０．５ｅＶ以下の範囲にバンドギャップを有する材料で構成することで、集光率１０倍で変換効率１７％以上、集光率５０倍で変換効率３０％程度、及び、集光率１００倍で変換効率３５％以上の高い変換効率を得ることができる。
また、図３に示すように、本願においてセラミックバーナプレート７ｂを１３００Ｋに加熱した場合では、例えば、エミッタ１を０．５５ｅＶ以上０．６ｅＶ以下の範囲にバンドギャップを有する材料で構成することで、集光率１０倍で変換効率２５％以上、集光率５０倍で変換効率３９％以上、及び、集光率１００倍で変換効率４３％以上の高い変換効率を得ることができる。
【００５９】
現今の太陽光のみをエネルギ源とする発電装置では、集光率１０倍から１００倍とした場合において、図８に示すように変換効率が１２〜３２％に収まっていることを考慮すると、本実施形態に係る発電装置が実用性を備えた好ましい結果となっている。
【００６０】
〔第２実施形態〕
図４に基づいて本発明の発電装置の第２実施形態について説明する。上述の第１実施形態では、高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート７ｂから放射される輻射光Ｌを利用して発電したが、この第２実施形態では、地下のマグマＭによって加熱された岩盤Ｎからの輻射光Ｌを利用する点で異なるものである。また、上述の第１実施形態では、集光照射手段が集光レンズ４で構成されたが、この第２実施形態では、集光照射手段が集光レンズ４と光ファイバ１０とで構成されている点で異なるものである。よって、以下の記載においては、輻射光Ｌを放射する岩盤Ｎ及び集光照射手段について説明する。
【００６１】
輻射光Ｌを放射する高温輻射発生体としての岩盤Ｎはマグマ溜り付近に位置するものであり、マグマ溜りのマグマＭによって１０００Ｋ程度以上に加熱されて輻射光Ｌを放射する。なお、マグマ溜りは、地面Ｄから１ｋｍ〜１０ｋｍの深さに存在することがある。
【００６２】
図４に示すように、地面Ｄから岩盤Ｎまで地中Ｄｂを掘削して、岩盤Ｎから発生する輻射光Ｌを集光する集光照射手段を挿入する集光照射手段挿入穴Ｄａを地中Ｄｂに形成する。
【００６３】
また、本実施形態においては、上述の如く、集光照射手段が集光レンズ４と光ファイバ１０とで構成されている。そして、集光照射手段挿入穴Ｄａの内部において、集光レンズ４がマグマ溜りのマグマＭによって加熱された岩盤Ｎに近接する位置に配設され、その集光レンズ４で集光された輻射光Ｌが光ファイバ１０の地中側端部１０ｂに入射するように光ファイバ１０が配設される。また、光ファイバ１０を保護する円筒状の保護管１１が設けられている。なお、光ファイバ１０は、複数の光ファイバの集合体で形成されている。
【００６４】
一方、地上においては、光ファイバ１０の地上側端部１０ａから出射する輻射光Ｌが光熱発電素子３のエミッタ１に照射される状態となるように光ファイバ１０の地上側端部１０ａが設置されている。また、光熱発電素子３のコレクタ側には、コレクタ２を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路８が設けられている。
【００６５】
このように、マグマＭによって熱せられた岩盤Ｎから放出される輻射光Ｌを集光レンズ４で集光し、光ファイバ１０により輻射光Ｌのエネルギを地上まで輸送して、輸送した光エネルギーを用いて光熱発電素子３により発電するように構成されている。
【００６６】
図５に示すように、マグマＭによって岩盤Ｎが１０００Ｋに加熱されている場合、高温輻射発生体が７００Ｋ〜１３００Ｋ程度の温度範囲にある場合の輻射光Ｌにおいて、集光率を１０〜１１０倍程度とした場合の変換効率のピークを包含するバンドギャップの範囲とした０．３５ｅＶから０．６ｅＶの範囲内（図５のＲ１）にあり、さらに、１０〜１１０倍程度の集光率の範囲において、岩盤Ｎから発生する輻射光Ｌにより得られる変換効率が、その輻射光Ｌと同一の集光率において太陽光によってバンドギャップ１．４ｅＶ程度で得られる変換効率の最大値よりも高い変換効率となる０．４ｅＶ以上０．５５ｅＶの範囲内（図５のＲ２）にある硫化鉛ＰｂＳ（図５のＰ１）では、そのバンドギャップが０．４１ｅＶであるため、最適なエミッタ１の材料となる。なお、集光率１００倍でエミッタ温度が１２７５Ｋとなり、電子親和力が１．５ｅＶで最適化された。岩盤Ｎからの放射率は０．９とした。
この硫化鉛（ＰｂＳ）でエミッタ１を構成する場合は、集光率１０倍で変換効率１９％、集光率２５倍で変換効率２５％、集光率１００倍で変換効率３３％となった。
【００６７】
第２実施形態の変換効率において、集光率１００倍の時の上記エミッタのエネルギ収支式の各項及び各パラメータの数値の一例を示すと、エミッタのエネルギ収支Ｐｎｅｔ，ｃは−１７７５Ｗ／ｍ２、輻射光の光子エネルギＰｓｕｎは１４８４５２２Ｗ／ｍ２、エミッタからの黒体放射エネルギσＴＣ４は１４９８３９Ｗ／ｍ２、伝導帯電子密度が増加したことにより高められた、バンドギャップ以上のエネルギを持つ黒体放射光子エネルギ（ｅｘｐ（（ＥＦ，ｎ−ＥＦ，ｐ）／ｋＴＣ）−１）ＰＢＢは１１６５８２Ｗ／ｍ２、コレクタからエミッタへの入力エネルギＪＡ（φc＋２ｋＴＡ）は４４８Ｗ／ｍ２、エミッタの出力エネルギＪＣ（φＣ＋２ｋＴＣ）は１２２０３２４Ｗ／ｍ２となる。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｎは０．２７ｅＶ、正孔の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｐは０．１６２ｅＶ、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギＰＢＢは６９０００Ｗ／ｍ２、コレクタ電流密度ＪＡは２６０Ａ／ｍ２、エミッタ電流密度ＪＣは６５００００Ａ／ｍ２、コレクタ仕事関数φＡは０．９ｅＶ、エミッタ仕事関数φＣは１．６６ｅＶとなる。
【００６８】
さらに、図５に示すように、例えば、エミッタ１を０．４５ｅＶ以上０．５ｅＶ以下の範囲にバンドギャップを有する材料で構成することで、集光率１０倍で変換効率１９％以上、集光率２５倍で変換効率２６％以上、及び、集光率１００倍で変換効率３７％以上の高い変換効率を得ることができる。
【００６９】
よって、この場合も、現今の太陽光のみをエネルギ源とする発電装置では、集光率１０倍から１００倍とした場合において、変換効率が１２〜３２％に収まっていることを考慮すると、本実施形態に係る発電装置が実用性を備えた好ましい結果となっている。
【００７０】
〔第３実施形態〕
図６に基づいて本発明の発電装置の第３実施形態について説明する。上述の第１実施形態では、輻射光Ｌを発生する高温輻射発生体を、セラミックバーナ７のセラミックバーナプレート７ｂとしたが、この第３実施形態では、輻射光Ｌを発生する高温輻射発生体を燃焼排気ガスＥが流れる排気管９とする点で異なるものである。よって、以下の記載においては、燃焼排気ガスＥが流れる排気管９について説明する。
【００７１】
輻射光Ｌを発生する高温輻射発生体としての排気管９はステンレスを材料とするものであり、例えば、ガスエンジンから排出された高温の燃焼排気ガスＥが管内を通流することで、７００Ｋ程度以上に加熱されている。
【００７２】
図６に示すように、本実施形態では、排気管９の管軸方向の沿って３つの光熱発電素子３が並設されている。夫々の光熱発電素子３のエミッタ側には、燃焼排気ガスＥにより加熱された排気管９から放出された輻射光Ｌを集光して光熱発電素子３のエミッタ１に照射する集光レンズ４が設けられている。また、夫々の光熱発電素子３のコレクタ側には、コレクタ２を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路８が設けられている。
【００７３】
図７に示すように、排気管９が７００Ｋに加熱されている場合、高温輻射発生体が７００Ｋ〜１３００Ｋ程度の温度範囲にある場合の輻射光Ｌにおいて、集光率を１０〜１１０倍程度とした場合の変換効率のピークを包含するバンドギャップの範囲とした０．３５ｅＶから０．６ｅＶの範囲内（図７のＲ１）にあり、さらに、７００Ｋに加熱された排気管９から放射される輻射光Ｌをエネルギ源とする場合の、１０〜１１０倍程度の集光率の変換効率のピークを得ることができるバンドギャップが包含される０．３５ｅＶから０．３９ｅＶの範囲内（図７のＲ４）にあるインジウム砒素（ＩｎＡｓ）では、そのバンドギャップが０．３６ｅＶ（図７のＰ２）であるため、最適なエミッタ１の材料となる。なお、集光率１００倍でエミッタ温度が１１０７Ｋとなり、電子親和力が１．４ｅＶで最適化された。なお、排気管９からの放射率は０．８とした。
そして、このインジウム砒素でエミッタ１を構成する場合は、集光率１０倍で変換効率８％、集光率２５倍で変換効率１４％、集光率５０倍で変換効率２０％、集光率１００倍で変換効率２６％となる。
【００７４】
第３実施形態の変換効率において、集光率１００倍の時の上記エミッタのエネルギ収支式の各項及び各パラメータの数値の一例を示すと、エミッタのエネルギ収支Ｐｎｅｔ，ｃは−２０Ｗ／ｍ２、輻射光の光子エネルギＰｓｕｎは２８００６９Ｗ／ｍ２、エミッタのからの黒体放射エネルギσＴＣ４は８５１４８Ｗ／ｍ２、伝導帯電子密度が増加したことにより高められた、バンドギャップ以上のエネルギを持つ黒体放射光子エネルギ（ｅｘｐ（（ＥＦ，ｎ−ＥＦ，ｐ）／ｋＴＣ）−１）ＰＢＢは６９６Ｗ／ｍ２、コレクタからエミッタへの入力エネルギＪＡ（φc＋２ｋＴＡ）は４２３Ｗ／ｍ２、エミッタの出力エネルギＪＣ（φＣ＋２ｋＴＣ）は１９４６６６Ｗ／ｍ２となる。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｎは０．１９５ｅＶ、正孔の擬似フェルミエネルギＥＦ，ｐは０．１９３ｅＶ、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギＰＢＢは３９０００Ｗ／ｍ２、コレクタ電流密度ＪＡは２６０Ａ／ｍ２、エミッタ電流密度ＪＣは１１００００Ａ／ｍ２、コレクタ仕事関数φＡは０．９ｅＶ、エミッタ仕事関数φＣは１．５７ｅＶとなる。
【００７５】
〔別実施形態〕
最後に、本発明の別実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、夫々単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（Ａ）上記実施形態では、集光照射手段を凸面状の集光レンズ４として輻射光Ｌを集光したが、これに限らず、集光照射手段を平面状又は凹面状の鏡面体で構成した反射板として、輻射光Ｌを反射してエミッタ１に集光する構成としてもよい。
【００７６】
（Ｂ）上記実施形態では、コレクタ２の冷却は、コレクタ２に設けられた冷却水通路８内を流れる冷却水Ｗによって冷却される水冷式としたが、これに限らず、コレクタ２の周囲の空気により冷却される空冷式としてもよい。この場合、コレクタ２に放熱板等を設けてもよい。
【００７７】
（Ｃ）上記第１及び第２実施形態では、エミッタ１を、バンドギャップが０．４１ｅＶである硫化鉛ＰｂＳで構成し、上記第３実施形態では、エミッタ１を、バンドギャップが０．３６ｅＶであるインジウム砒素ＩｎＡｓで構成したが、これに限らず、エミッタ１を、０．３５ｅＶから０．６ｅＶの範囲内にバンドギャップを有する半導体で構成してもよい。
【００７８】
（Ｄ）上記第１及び第２実施形態では、単数の光熱発電素子３及び単数の集光照射手段が設けられ、上記第３実施形態では、３つの光熱発電素子３及び３つの集光照射手段が設けられたが、これに限らず、これに限らず、３つ以外の複数の光熱発電素子３を設けてもよく、また、３つ以外の複数の集光照射手段を設けてもよい。
【００７９】
（Ｅ）上記第２実施形態では、高温輻射発生体を、地中ＤｂのマグマＭによって加熱された地中Ｄｂの岩盤Ｎとしたが、これに限らず、高温輻射発生体を、地中ＤｂのマグマＭとしてもよい。
【００８０】
（Ｆ）上記第３実施形態では、排気管９の管軸方向の沿って３つの光熱発電素子３が並設されているが、これに限らず、排気管９の管径方向に排気管９を囲む状態で光熱発電素子３が設けられてもよい。この場合、３つ以外の複数の光熱発電素子３が設けられてもよい。
【００８１】
（Ｇ）上記第３実施形態では、排気管９内にガスエンジンから排出された高温の燃焼排気ガスＥが通流するように構成されたが、これに限らず、排気管９内にガラス溶解炉等から排出された高温の燃焼排気ガスＥが通流するように構成してもよい。
【００８２】
（Ｈ）上記第３実施形態では、排気管９の材料をステンレスとしたが、これに限らず、排気管９の材料を鉄等のステンレス以外の金属としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上説明したように、装置の小型化を図ることができつつも、所定の電力を得ることができる発電装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１    エミッタ
２    コレクタ
３    光熱発電素子
４    集光レンズ（集光照射手段）
７ｂ  セラミックバーナプレート（高温輻射発生体、セラミック板）
８    冷却水通路
９    排気管（高温輻射発生体）
Ｄｂ  地中
Ｌ    輻射光
Ｍ    マグマ
Ｎ    岩盤（高温輻射発生体）
Ｓ    発電装置
【図１】
2015195703.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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【図８】
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