(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を格納する燃料容器、前記燃料容器の前記液体燃料に由来する燃料が供給され、前記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を含み、
前記冷却器は、前記燃料容器から前記燃焼器へと送られる前記液体燃料が通過する流路を有する、熱光起電力発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱光起電力発電装置において、
前記液体燃料は前記冷却器の前記流路を通過する間に、熱交換して気化する、熱光起電力発電装置。
【請求項３】
液体燃料を格納する燃料容器、前記燃料容器の前記液体燃料に由来する燃料が供給され、前記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を含み、
前記冷却器は、前記燃焼器に供給する前記燃料が通過する流路を有し、前記冷却器の前記流路を通過して気化した燃料が、前記燃焼器へ供給され、前記燃焼器で燃焼される、熱光起電力発電装置。
【請求項４】
液体燃料を格納する燃料容器、前記燃料容器の前記液体燃料に由来する燃料が供給され、前記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を含み、
前記冷却器は、前記燃料容器から前記燃焼器へと送られる前記液体燃料が通過する流路を有し、前記冷却器の前記流路を通過して気化した燃料が、前記燃焼器へ供給され、前記燃焼器で燃焼される、熱光起電力発電装置。
【請求項５】
液体燃料を格納する燃料容器、前記燃料容器の前記液体燃料に由来する燃料が供給され、前記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を含み、
前記冷却器は複数の流路を有し、
前記複数の流路あるいは前記流路に連結した部分の内部に前記燃料容器からの前記液体燃料を噴射する噴射手段を有する、熱光起電力発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の熱光起電力発電装置において、
冷却器が金属あるいは合金からなる板であり、流れ方向に垂直な流路の断面形状の縦横比が、前記板の厚み方向に長い、熱光起電力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の熱光起電力発電装置において、
前記金属あるいは合金からなる板の前記流路の表面が、燃料に対する腐食防止膜で覆われている、熱光起電力発電装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の熱光起電力発電装置において、
前記燃料がアンモニアであり、前記冷却器の材料である金属あるいは合金部分に少なくとも鉄、クロム、アルミニウムのいずれかひとつを含む、熱光起電力発電装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の熱光起電力発電装置において、
前記燃料がアルコール、ジメチルエーテル、あるいは炭化水素系燃料のいずれかひとつを含み、前記冷却器の材料の少なくとも一部が銅あるいはアルミニウムのいずれかひとつを含む、熱光起電力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光起電力（ＴＰＶ）発電装置に関し、特に熱光起電力発電装置の高出力化と高効率化と軽量化に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料、燃焼器、エミッタ、光電変換素子からなる燃料型ＴＰＶ（Thermo-Photo-Voltaic）発電装置は、高エネルギ密度の軽量小型発電機として有望である。通常、光電変換素子はＰＶ（Photo Voltaic）素子と呼ばれている。燃料型ＴＰＶ発電装置では、燃焼器で加熱したエミッタからの熱放射をＰＶ素子で光電変換する。通常ＴＰＶ発電では、ＧａＳｂを用いたＰＶ素子が用いられる。ＧａＳｂ−ＰＶ素子が変換できる光の波長は１．８μｍ以下である。光の放射強度密度は、ステファンボルツマンの法則に従い、エミッタ温度の４乗に比例する。大気中で加熱して高温にできるＳｉＣは黒体に近い熱放射スペクトルを有する。黒体の熱放射スペクトルはプランク分布をなしており、１．８μｍ以上の波長光を多く含む。そのためＰＶ素子で変換されない波長光は吸収されて、ＰＶ素子を発熱させるという課題がある。なぜならばＰＶ素子が１００℃以上になると変換効率は小さくなってしまうからである。ＧａＳｂ−ＰＶ素子を用いる場合、エミッタからの放射スペクトルを１．８μｍ以下に選択的に狭窄できると、発電効率が高められる。Ｅｒなどの希土類を含む酸化物セラミックを用いたエミッタは、大気中で１０００℃以上に加熱可能である。図１５は、Ａｌ２Ｏ３／Ｅｒ３Ａｌ５Ｏ１２共晶複合材料の熱放射スペクトルと放射率との関係を示すグラフである。非特許文献１には、エミッタからの放射スペクトルにおいて１．８μｍ以上を選択的に抑制できる技術がある。しかし１．８μｍ以上の放射光を完全に除去することはまだできていない。また１．７〜１．８μｍの波長光に対するＰＶ素子の変換効率も１００％ではないため、ＰＶ素子の温度上昇は避けられない。
【０００３】
これまでのＰＶ素子の冷却対策としては、ＰＶ素子にヒートシンクを設置し、空冷ファンによってヒートシンクに外気を送風して冷却するなどが行われている。このように燃料型ＴＰＶ発電装置では、燃焼器で加熱したエミッタからの熱放射により、ＰＶ素子が加熱され、変換効率が低下するという課題があった。
【０００４】
これまでアンモニアは冷媒や触媒や肥料として身近に使用されてきたが、アンモニアは低コストで二酸化炭素を排出しないクリーンな燃料であるため、自動車用の燃料としても注目されている。クリーンな燃料には水素があるが、水素の沸点は−２５４．９℃と低く、液化や安全な取り扱いにコストがかかる。一方、アンモニアは沸点が−３３．３℃であり、プロパンの沸点−４２．１℃と同程度である。アンモニアは常温８．５気圧で液化し、液体プロパンガスと同様の取扱いが可能である。アンモニアを燃料に用いたタービン発電機などの開発なども進められている。
【０００５】
アンモニアの燃焼熱は２２．５ＭＪ／ｋｇであり、メタンの燃焼熱５５．５ＭＪ／ｋｇと較べてやや小さい。またアンモニアの断熱火炎温度は１７５０℃であり、メタンの断熱火炎温度１９７０℃と較べてやや小さい。しかしアンモニアを燃料に用いてＴＰＶ発電で使用する１３００℃程度のエミッタ温度は十分に達成可能である。
【０００６】
アンモニアの最大燃焼速度は７〜８ｃｍ／ｓｅｃと小さく、メタン（ＣＨ４）の燃焼速度の１／５程度しかない。非特許文献１では、アンモニアを旋回燃焼させることで、乱流化を促進させると同時に燃焼器内での滞在時間を増大させ、エミッタを均一かつ効率的に加熱している。
【０００７】
特許文献１には、図１６に示すように、高温になったＰＶ素子を冷媒（水とフロリナート（登録商標））で相変化冷却（沸騰冷却）するＴＰＶ発電装置が提案されている。図１６のＴＰＶ発電装置は、排気ファン１２０１、冷却室１２０２、熱交換器１２０３、冷却フィン１２０４、ＰＶセル１２０５、ＳｉＯ２ガラス１２０６、水１２０７、セル保持部１２０８、外殻部材１２０９などを含む。さらに図１６のＴＰＶ発電装置は、フロリナート１２１０、セル保持部１２１１、エミッタ１２１３、燃焼器１２１４、空気通路１２１５などを含む。図１６のＴＰＶ装置には、冷却用空気１２１２や燃料ガス１２１６が導入される。
【０００８】
図１６のＴＰＶ発電装置では、燃焼器１２１４が燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる。エミッタ１２１３は、燃焼器１２１４から発生する燃焼熱により加熱される。ＰＶセル１２０５は、エミッタ１２１３からの輻射光を電力に変換する。セル保持部１２１１は、ＰＶセル１２０５を保持している。図１６のＴＰＶ発電装置では、セル保持部１２１１の裏面を水１２０７とフロリナート１２１０の二種類の冷却液に接触させて、ＰＶセル１２０５からの熱を二種類の冷却液に吸収させる。図１６のＴＰＶ発電装置は、セル保持部１２１１の、冷却液と接触する面が、非水平方向の面として形成される特徴を有している。
【０００９】
フロリナート１２１０は、米国３Ｍ社の製品であり、比重が１．７で沸点が５０℃の非水溶性冷媒である。水１２０７は比重が１で沸点が１００℃である。フロリナート１２１０は水１２０７より比重が大きく、かつ、沸点が低い。発電のための燃焼が始まると、最初に、沸点の低い方のフロリナート１２１０が、沸騰を開始する。すると、フロリナート１２１０は、水１２０７の上に移動し、冷却室１２０２で冷却されて溜まる。この溜まったフロリナート１２１０は、比重が水よりも大きいため、水１２０７の方に移動するが、水１２０７の温度が高いと、すぐに沸騰し、再び冷却室１２０２に戻る。熱は、冷却フィン１２０４から放出される。ＰＶセル１２０５の裏面が接触するセル保持部１２１１は、水１２０７で覆われている。このＴＰＶ発電装置は、沸点の低いフロリナート流体に満たされた熱回収用装置を光電変換セルの背面に備えることで、沸騰冷却を利用してＰＶセルに対する冷却及び熱回収を行うようにしている。図１６のＴＰＶ発電装置は、セル保持部１２１１の、冷却液と接触する面が、非水平方向の面として形成することにより、気泡が付着しないようにして、冷却性能を高めている。
【００１０】
特許文献２には、図１７で示すように、作動媒体として水あるいはアンモニアを用いて相変化冷却する、太陽電池の冷却構造が提案されている。図１７の太陽電池の冷却構造は、毛細管構造群の流路１３０１、発生器１３０２、凝縮器１３０３、蒸発器１３０５、吸収器１３０６、キャピラリー管１３０７、濃厚水溶液の戻り管１３０８などからなる。発生器１３０２は、水平に対して所定の角度だけ傾斜して配置された太陽電池１３０４の最も低い部位の位置以下に配設される。この発生器１３０２で発生した気相の作動媒体を、凝縮器１３０３が凝縮させる。キャピラリー管１３０７は、凝縮した液相の作動媒体を減圧させる。蒸発器１３０５は、熱授受可能に太陽電池１３０４と接触するよう配設されるとともに、その内部に毛細管構造の流路が形成されている。吸収器１３０６は、発生器１３０２より高い位置に配設され、かつ発生器１３０２の稀薄溶液が毛細管構造群の流路１３０１を介して供給されて、この稀薄溶液に蒸発器１３０５から供給される気相の作動媒体を吸収させて発生器１３０２に供給する。
【００１１】
特許文献３には、図１８で示すように、冷媒として水を用いて電子部品を冷却する相変化冷却器が提案されている。図１８の相変化冷却器は冷媒の相変化によって、冷却対象物である素子１４０１を冷却する装置である。図１８の相変化冷却器では、熱伝導板１４０２が素子１４０１と熱的に接続する。受熱部１４０３は液体冷媒１４０４を貯蔵し、熱伝導板１４０２を介して冷却対象物の熱を受容する。放熱部１４０８は、受熱部１４０３において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒１４０７を、凝縮液化させて放熱を行う。連結部１４０５、１４０６は、受熱部１４０３と放熱部１４０８とを連結する。
【００１２】
特許文献４は液体燃料気化式燃焼器に関するものであり、気化燃焼の立ち上がりを早めることが提案されている。液体燃料をバーナに供給する供給路を、電気抵抗が高く通電によって発熱する発熱管とこれに比べ電気抵抗が低く通電によって発熱し難い非発熱管とを含んで構成し、該非発熱管を電源トランスの鉄心の二次巻線として成る液体燃料気化式燃焼器である。特許文献４ではこれにより、液体燃料をバーナに供給する供給管を均一かつ迅速に加熱することができる。
【００１３】
特許文献５はガスタービンプラントに関するものであり、燃料の気化熱で給気を冷却する燃焼器が提案されている。特許文献５では、吸気を冷却することで空気体積を減少するので、吸気中の酸素量が増大し、燃焼温度が増大する。
【００１４】
特許文献６は発電方法及び発電システムに関するものであり、アンモニアを蒸発させて機械的にタービンを回転させて発電する発電方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３７８８４０５号公報
【特許文献２】特開平８−１７０８６３号公報
【特許文献３】国際公開第２０１５／１４６１１０号
【特許文献４】特許第２６５２８９７号公報
【特許文献５】特許第３７２３９４３号公報
【特許文献６】特表２００７−５２２３８３号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】湯上、斎、「熱放射スペクトル制御技術の熱光起電力発電への応用」、応用物理、２００４年、第７３巻、第７号、ｐ．９５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、背景技術のＴＰＶ発電装置には以下のような課題がある。
【００１８】
ＴＰＶ装置の出力を上げると、ＰＶ素子の温度が上昇するため光電変換効率が低下する、という課題がある。ＴＰＶ装置にＰＶ素子の新たな冷却システムを追加すると、重量が増大しＴＰＶ装置の可搬性が低下する、という課題がある。ＰＶ素子面積を増やすと、ＰＶ素子での発熱密度は低下する。しかしＰＶ素子の冷却板の重量とＴＰＶ装置の体積が増大する、という課題がある。よって、顕著な重量と体積の増加なしにＰＶ素子を冷却できる、高出力かつ高効率の燃料型ＴＰＶ発電装置が望まれる。
【００１９】
特許文献１のＴＰＶ発電装置ではＰＶ素子を１００℃に保つことができるが、２つの課題がある。第一の課題は、ＰＶ素子温度が１００℃では、ＰＶ素子の光電変換効率が小さくなってしまうことである。第二の課題は、水やフロリナートといった重たい液体冷媒と外部部材と冷却室を用いているので、ＴＰＶ装置の可搬性が低下することである。
【００２０】
特許文献２の太陽電池の冷却構造は、太陽電池を作動流体で相変化冷却するものである。太陽光密度はＴＰＶ発電での放射光密度より１桁以上小さく、ＰＶ素子での発熱量は小さい。そのため冷媒の流速が小さい特許文献２の冷却システムが適用できる。しかしながら特許文献２の冷却構造を発熱の大きいＴＰＶ装置のＰＶ素子の冷却に適用した場合には、作動流体と相変化冷却システムによる重量増やコスト増が極めて大きくなるために、携帯性や低コスト性が損なわれる。
【００２１】
特許文献３の相変化冷却器をＴＰＶ装置のＰＶ素子の冷却に適用した場合にも、冷媒である水や相変化冷却器による重量増やコスト増が大きいために、携帯性や低コスト性が損なわれ、上述した解決しようとする課題が解消できない。
【００２２】
特許文献４の気化器の説明で分かるように、液体燃料を燃焼させるには燃料の気化が必要であり、気化器による重量増や気化させるための電力が別途必要になる。
【００２３】
特許文献５及び特許文献６はＴＰＶ発電装置に関するものでなく、顕著な重量と体積の増加なしにＰＶ素子を冷却できる、高出力かつ高効率のＴＰＶ発電装置を提案するものではない。
【００２４】
本発明は、上述の課題を解決し、移動体の電源に適用できる小型・軽量かつ高出力・高効率なＴＰＶ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】
【００２５】
前記目的を達成するため、本発明に係る熱光起電力発電装置は、液体燃料を格納する燃料容器、上記燃料容器の上記液体燃料に由来する燃料が供給され、上記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び上記光電変換素子を含み、
上記燃焼器に供給される上記燃料の少なくとも一部を用いて上記光電変換素子を冷却する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、重量や体積の顕著な増加なしにＰＶ素子を冷却できる、高出力かつ高効率の熱光起電力発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態のＴＰＶ発電装置の外観図である。
【図２】第１実施形態のＴＰＶ装置の垂直断面図である。
【図３】第１実施形態のＴＰＶ装置の水平断面図である。
【図４】第１実施形態の冷却板周辺の断面図である。
【図５】第１実施形態の冷却板のノズル部周辺の断面図である。
【図６】背景技術と本発明の実施形態の冷却システムでのＴＰＶ装置のＰＶ素子の温度分布を示すグラフである。
【図７】ＧａＳｂ製ＰＶ素子の光電変換効率の温度依存性を示すグラフである。
【図８】第２実施形態のＴＰＶ発電装置の外観図である。
【図９】第２実施形態のＴＰＶ装置の断面図である。
【図１０】第２実施形態の冷却板の垂直断面図である。
【図１１】第２実施形態の冷却板の水平断面図である。
【図１２】第２実施形態の燃料分配部周辺の断面図である。
【図１３】第２実施形態の旋回型噴霧ノズル部の断面図である。
【図１４】第２実施形態の旋回型噴霧ノズル部の旋回板周辺の外観図である。
【図１５】Ａｌ２Ｏ３／Ｅｒ３Ａｌ５Ｏ１２共晶複合材料の熱放射スペクトルと放射率との関係を示すグラフである。
【図１６】特許文献１のＴＰＶ発電装置の概観図である。
【図１７】特許文献２の太陽電池の冷却構造の概観図である。
【図１８】特許文献３の相変化冷却器の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態によるＴＰＶ発電装置について、説明する。
【００３０】
（構成）
図１に本発明の第１実施形態のＴＰＶ発電装置の外観を示す。図２に、図１のＴＰＶ装置２の垂直断面を示す。図３に、図１のＴＰＶ装置２の水平断面を示す。本実施形態のＴＰＶ発電装置は燃料型ＴＰＶ発電装置であり主に、ＴＰＶ装置２と、液体燃料４を格納する燃料容器の一例としての燃料タンク３を含む。本実施形態のＴＰＶ発電装置は図１のように、台座１、燃料タンク３、主弁５、圧力調整弁６、および液体燃料供給管７を含む。さらに本実施形態のＴＰＶ発電装置は、液体燃料導入部８、ＰＶ素子９、エミッタ１０、冷却板１１、石英管１２、ヒートシンク１３、気体燃料収集部１４、気体燃料放出部１５、流量制御装置１６、気体燃料供給管１７、および石英管の支持脚１８を含む。さらに本実施形態のＴＰＶ発電装置は、冷却板の支持脚１９、液体燃料分配部２０を含む。さらに、本実施形態のＴＰＶ発電装置は図２のように、エミッタの支持体２１、空気取り入れ孔２３及び気体燃料放出孔２４を有する燃焼器２２、ＰＶ素子電流取り出し部２５を含む。
【００３１】
燃焼器２２には、点火機構が含まれており、導入された気化燃料などの混合ガスに着火する。本実施形態では、エミッタ１０に希土類Ｅｒを含む酸化物セラミックエミッタを用いており、加熱時に波長１．５μｍ帯の強い放射光を選択的に放射する。本実施形態では、ＰＶ素子９にＧａＳｂ製のＰＶ素子を用いている。
【００３２】
燃料タンク３には、８．５気圧に加圧された状態で液体燃料４が入れられている。本実施形態の液体燃料４は、アンモニアである。燃料タンク３内の上部は燃料が気体状態になっており、圧力調整弁６と共に、環境温度の変化に対して、内圧が急激に高まらない様に制御されている。燃料タンク３として、供給圧力の高い自己加圧方式の燃料タンクを用いてもよい。
【００３３】
図２や図３に示すようにエミッタ１０は円筒管形状であり、内側から火炎３１によって加熱される。エミッタ１０は、エミッタの支持体２１によって支えられている。エミッタ１０の外側には、石英管１２が設置されている。石英管１２は、石英管の支持脚１８によって支えられている。石英管１２の周囲には、６枚の冷却板１１が六角柱の側面位置に設置され一体化されている。図３に示されるように、６枚の冷却板１１はお互いに隣接する冷却板１１同士が連結され一体化している。ＰＶ素子９の放熱手段である冷却板１１は、冷却板の支持脚１９によって支えられている。冷却板１１の内側には、ＰＶ素子９が設置されている。冷却板１１の外側には、ヒートシンク１３が設置されている。ヒートシンク１３は、アルミニウムなどの軽量で熱伝導率の高い材料を用いる。
【００３４】
アンモニアは銅を腐食するので、本実施形態では冷却板１１の材料として軽量なアルミニウムを用いる。アルミニウム製の冷却板１１の流路２６の内壁表面は、酸化アルミニウムの被膜（アルマイト）で覆われている。アンモニアはアルミニウムを腐食しにくいが、流路２６の内壁に防食膜である酸化被膜を形成することで、さらに流路２６の寿命を延ばすことができる。
【００３５】
図４に、本発明の第１実施形態の冷却板１１周辺の断面を示す。冷却板１１の上部には六角形の管形状空洞である液体燃料分配部２０があり、冷却板１１の下部には六角形の管形状空洞である気体燃料収集部１４がある。六角形の管形状空洞である液体燃料分配部２０には、液体燃料導入部８から液体燃料４が導入される。冷却板１１の内部には、多数の円柱状空洞の流路２６がお互いに並列して形成されている。冷却板１１の流路２６は円柱状空洞に限定されず、角柱状空洞も可能である。複数の流路が交差した流路網も、本実施形態の冷却板１１に適用可能である。例えば流路２６の直径は２ｍｍであり、１枚の面に１１本の流路が３ｍｍ間隔で形成されている。
【００３６】
すべての流路２６は、図５に示す少なくとも一つの細孔部２７を通して、液体燃料分配部２０につながっている。細孔部２７の直径は、液体燃料の流量も考慮して決める。本実施形態の細孔部２７の直径は０．５ｍｍである。本実施形態では細孔部２７は円柱状としているが、円柱形状には限定されない。細孔部２７から流路２６に向かう方向に、細孔部２７の開口の直径を徐々に広げて、ラッパ形状の噴射口にしてもよい。その場合にはアンモニアの噴射角度が広がり、流路壁に付着しやすくなるので、望ましい。
【００３７】
本実施形態のＴＰＶ発電装置に用いられる液体燃料４としては、プロパンやブタンやヘプタンなどの炭化水素系燃料あるいは水素、アンモニアなどが適用可能である。気体燃料収集部１４、冷却板１１、液体燃料分配部２０の材料は、燃料に応じて選択する。液体燃料４が炭化水素系燃料の場合は、気体燃料収集部１４、冷却板１１、液体燃料分配部２０に、熱伝導率の高い銅やアルミニウムを用いることができる。
【００３８】
（動作）
以下、本実施形態のＴＰＶ発電装置の動作について説明する。本実施形態では、液体燃料の液体アンモニアを用いてＰＶ素子９を相変化冷却し、気化したアンモニアガスを燃焼器２２に供給して、燃焼させてエミッタ１０を加熱して発電する特徴を有する。
【００３９】
燃料タンク３には、８気圧程度に加圧されたアンモニアの液体燃料４が入っている。主弁５を開くと、アンモニアが液体燃料供給管７と液体燃料導入部８を通過して冷却板１１上部にある液体燃料分配部２０に供給される。１ｋＷの発電の場合、液体アンモニアの供給量は１５ｓｃｃｍ程度である。供給量は主弁５の開閉度で制御できるが、流量制御装置を設置して制御してもよい。
【００４０】
図５に冷却板１１のノズル部３０周辺の断面を示す。図５に示すように、冷却板１１のノズル部３０では、液体燃料４のアンモニアは液体燃料分配部２０から、細孔部２７を通過して、噴霧ガス２８として冷却板１１内部に形成された多数の円柱状空洞の流路２６に噴射される。噴射されたアンモニア燃料は、流路２６の側壁に比較的均一に付着した後、蒸発して気化し、気体燃料２９となる。エミッタ１０から放射した赤外光は、ＰＶ素子９で吸収され、約半分が電力として取り出されるが、残りは熱となる。
【００４１】
背景技術では、エミッタからの熱放射によりＰＶ素子の裏面は１００℃以上の高い温度になっていた。これに対し本実施形態では、アンモニアが気化する際に冷却板１１から気化熱を奪うことによって、ＰＶ素子９の温度を５０℃以下にできる。また気化によってアンモニアの体積は８７５倍になり、流路２６での流速は１ｍ／ｓにもなる。高速のアンモニアガスは冷却板１１の熱を速く運ぶために、冷却効果が高まる。アルミニウムの熱伝導率は２４０Ｗ／ｍＫと高い。ＰＶ素子９から発生する熱は、主に冷却板１１の金属部分を伝導してヒートシンク１３に送られ、外気に放出される。
【００４２】
例えば、図示しない空冷ファンを用いて外気をヒートシンク１３に吹き付けることで、冷却板１１の熱を一定の割合で除去できる。そうした典型的な空冷システムの熱伝達率は６０Ｗ／ｍ２Ｋ程度である。
【００４３】
数十℃に加熱されたアンモニアガスは、気体燃料収集部１４に集められ、気体燃料放出部１５から装置の外部に出る。その後アンモニアガスは、流量制御装置１６と気体燃料供給管１７を経由して、燃焼器２２に供給される。燃焼器２２では、燃焼器２２に形成された１０か所の空気取り入れ孔２３から燃焼用空気も燃焼器２２内に取り込まれ、アンモニアガスと混合される。得られた混合ガスは４３ｍ／ｓの速度で気体燃料放出孔２４から放出され、着火によってオレンジ色の火炎３１を円筒管形状のエミッタ１０の内側に形成する。気体燃料の排気ガスは、石英管１２の上部から上に排出される。
【００４４】
後で説明する、第２実施形態の様に石英管の上部を耐熱性のあるアルミナ製の円板で塞げば、エミッタの内側で発生した高温の排ガスが頂部で折り返され、エミッタの外側を加熱するので、加熱効率を向上させることも可能である。
【００４５】
燃焼器２２に、燃焼用空気を旋回させて供給する旋回板を設置することにより、燃焼効率を向上させることも可能である。排ガスが円環形状のエミッタ１０の内側で旋回することにより、エミッタ１０の円環内部での排ガスの滞在時間が増大し加熱効率が上がる。本実施形態ではアンモニアガスが加熱されているので、着火しやすくなっている。気体燃料供給管１７は管の外側にフエルトあるいは高分子材などの断熱性の高い材料が用いられているので、気体燃料供給管１７内のアンモニアの温度が保持されている。
【００４６】
１３００℃程度に加熱された本実施形態のセラミックエミッタからはエネルギ密度１．７５Ｗ／ｃｍ２の放射光がＰＶ素子に放射された。ＰＶ素子の出力エネルギ密度は１．２Ｗ／ｃｍ２であり、ＰＶ素子で発生する熱エネルギ密度は０．５５Ｗ／ｃｍ２であった。石英管の上部を塞いで加熱効率を上げたところ、全体のエネルギの変換効率は２７％であった。これはＰＶ素子温度が５０℃〜６０℃に冷却できたことにより、ＰＶ素子の変換効率が高く保たれたことによる。
【００４７】
本実施形態のＴＰＶ発電装置は１ｋＷの出力を有する。燃料タンクのアンモニア燃料の体積は６６０ｃｃであり、２．５時間、連続的に稼働できる。
【００４８】
（効果）
本実施形態による第１の効果は、高効率のＴＰＶ発電装置を提供できることである。本実施形態のＴＰＶ発電装置では、ＰＶ素子９が設置される冷却板１１の内部に流路２６を形成している。ＴＰＶ発電装置に導入される液体燃料を、この流路２６に供給し、ＰＶ素子９の熱によって流路２６内で気化させた後、燃焼器２２へと送り、燃焼させている。１ｋＷ以上の高出力のＴＰＶ発電装置においても、ＰＶ素子９の温度を６０℃以下に保つことができ、効率２０％以上の高効率のＴＰＶ発電装置を提供できる。
【００４９】
本実施形態では、相変化冷却が可能な冷却板１１に多数の流路２６が均一に形成されている特徴により、ＰＶ素子９の温度を６０℃以下に保てるので、ＰＶ素子９の発電効率は面内で均一になる。
【００５０】
本実施形態では、冷却板１１の流路２６の幅が細いという特徴により、冷却板１１内に流路２６を形成しても、熱伝導による放熱効果は維持される。なぜならＰＶ素子９で発生した熱は、熱伝導率の高い冷却板１１の金属部分を通過してヒートシンク１３に移動できるからである。また流路を流れる気体燃料の流速が大きい特徴により、ＰＶ素子９で発生した熱は、気化で温度が下がった気体燃料に吸収され、速やかに除去される。
【００５１】
一般に、燃焼熱に対する気化熱の割合を「気化率」と定義すると、気化率Ｒｖは
Ｒｖ＝気化熱[kJ/kg]／燃焼熱[kJ/kg]
と表される。燃料の消費エネルギＱｆ[W]に対して、気化で消費されるエネルギＱｖ[W]は
Ｑｖ[W]＝Ｒｖ×Ｑｆ[W]
と表される。本実施形態のＴＰＶ発電装置で、液体燃料４として液体アンモニアを用いた場合、気化率Ｒｖは
Ｒｖ＝１３７２[kJ/kg]／２２．５[MJ/kg]＝０．０６１
となる。つまりアンモニアの場合、気化で消費されるエネルギは、燃料の消費エネルギの６．１％である。表１に液体燃料の気化熱と燃焼率と気化率を示す。炭化水素系の気化率は１％弱であるのに対し、アンモニア、メタノール、エタノールの気化率は高く、それぞれ、６．１％、４．９％、２．８％である。
【００５２】
【表１】
0006747058.tif 000002
【００５３】
本発明の１ｋＷ出力のＴＰＶ発電装置の場合、燃料の消費エネルギ３．６８ｋＷなので、気化で消費されるエネルギは
Ｑｖ[W]＝０．０６１×３．６８[kW]＝２２４[W]
になる。エミッタの加熱効率は約６０％であった。つまり燃料の消費エネルギのおよそ６０％がエミッタからの放射エネルギに変換されたことになる。よってエミッタの放射熱は１．４７ｋＷ、残りの熱は主に排ガスの熱２．２１ｋＷである。ＰＶ素子で変換されない波長成分が含まれているため、エミッタの放射熱の６８％が電力（１ｋＷ）に変換された。従ってＰＶ素子で発生する熱エネルギは４７０Ｗである。気化で消費されるエネルギ２２４Ｗは、ＰＶ素子で発生する熱エネルギの約５０％を占める。発生した熱はアンモニアが気化する際に吸収されるので、ヒートシンクで放熱すべき熱量は２４６Ｗ（＝４７０−２２４）以下に半減される。
【００５４】
本発明の第１実施形態のＴＰＶ発電装置のＰＶ素子は、６．５ｃｍ×２１ｃｍの大きさのパネル６枚からなる。このＰＶ素子の総面積は０．０８ｍ２である。２４６Ｗの熱がＰＶ素子に伝達されるときの熱流束密度Ｐは
Ｐ[W/m2]＝Ｑ[W]／Ｓ[m2]＝２４６[W]／０．０８[m2]＝２９３０[W/m2]
である。典型的な空冷ファンとヒートシンクによる空冷システムを、本実施形態の冷却板１１に適用した場合、冷却板１１から熱伝達率６０[W/m2K]で外部に放熱されると考えられる。環境に対するＰＶ素子の温度上昇は
ΔＴ[K]＝Ｐ[W/m2]／ｈ[W/m2K]＝２９３０[W/m2]／６０[W/m2K]＝４８．８[K]
となる。すなわち環境温度２０℃の場合、ＰＶ素子は６８．８℃になる。しかしながら冷却板１１内部で気化したアンモニアの流速は約１ｍ／ｓもの速さになるため、以下の実験結果が示すように、流路のアンモニアが冷却板１１の熱を除去する効果により、ＰＶ素子９の温度は５０℃以下に保たれる。
【００５５】
気化時の流速増大による冷却効果は、炭化水素系燃料でも同様に得られるので、本発明を実施するにあたって液体燃料として炭化水素系燃料を用いることも有効である。
【００５６】
図６に背景技術と本発明の実施形態の冷却システムでのＴＰＶ装置のＰＶ素子の温度分布を示す。ＰＶ素子が設置される、本発明の実施形態の冷却板は５ｍｍ厚のアルミニウムであり、直径２ｍｍの円柱状の流路が形成されている。ＰＶ素子が設置される、背景技術の冷却板は５ｍｍ厚のアルミニウムの平板であり、流路は形成されていない。
【００５７】
空冷ファンで、ＰＶ素子の上端（ｚ＝２００ｍｍ）から下端（ｚ＝０ｍｍ）に向けて送風した。背景技術の空冷ファンとアルミニウム製ヒートシンクからなる冷却システムの場合は、ＰＶ素子上端から５０ｍｍ進んだ位置（ｚ＝１５０ｍｍ）で７０℃を超えてしまい、ＰＶ素子の下端（ｚ＝０ｍｍ）の位置では、１１７℃に達した（◆は実験値）。ＰＶ素子は直列接続されているので、一部でも変換効率が低いと全体の変換効率が著しく低下してしまう。
【００５８】
本発明の実施形態の冷却板の流路に２０℃の空気を流した場合、ＰＶ素子の温度分布は、ＰＶ素子の上端から１００ｍｍ離れた位置（ｚ＝１００ｍｍ）で６０℃を超えた（□は実験値）。本発明の実施形態の冷却板の流路に液体アンモニアを流してアンモニアを気化させた場合、ＰＶ素子の温度は４８℃で飽和した（●は実験値）。これは、相変化冷却に加えて、アンモニアの温度が２０℃から４８℃に上昇することで吸熱（顕熱）する効果と、冷却板の熱がアンモニアによって効率的に外部に運ばれて除去される効果が加わるために実現される。
【００５９】
本発明の実施形態の出力１ｋＷのＴＰＶ発電装置では、上述した実施形態の冷却板と空冷システムにより、ＰＶ素子を５０℃以下に保てるので、高い発電効率が得られた。結局
η＝１．０[kW]／３．６８[kW]＝０．２７２
より、本発明の実施形態の燃料型ＴＰＶ発電装置の燃料エネルギに対する発電の効率ηは２７．２％であった。
【００６０】
図７にＧａＳｂ製ＰＶ素子の光電変換効率の温度依存性を示す。測定に用いた光源の熱放射スペクトルには幅があり、１．８μｍ以上の波長成分も含まれている。ＰＶ素子の温度はペルチェ素子で制御した。ＧａＳｂ製ＰＶ素子はバンドギャップ０．６７ｅＶと小さく、キャリア閉じ込め構造がない単純なＰ−ＧａＳｂとＮ−ＧａＳｂのＰＮ接合で構成されている。従って素子温度が上がると、キャリアがＰＮ接合部以外の領域に容易に拡散するために、電子と正孔の発光再結合確率が低下する。実験では、温度が６０℃を超えると急速に光電変換効率が低下した。温度が６０℃の時の変換効率は４０％であったのに対し、１００℃の時の変換効率は６％であった。本発明の上述した実施形態の冷却方法により、ＰＶ素子の変換効率は６．６倍に増加した。全効率に関しては、背景技術が３％未満であったものから、２７％と１桁増大した。
【００６１】
本実施形態による第２の効果は、気化した燃料ガスを燃焼してエミッタを加熱する特徴により、軽量なＴＰＶ発電装置を提供できることである。
【００６２】
表２に、背景技術と本発明の実施形態のＴＰＶ装置の総重量の内訳を示す。
【００６３】
【表２】
0006747058.tif 000003
【００６４】
背景技術の空冷の場合、燃料を含めたＴＰＶ装置の総重量は６．２ｋｇである。水冷システムを採用した場合の総重量は１１．２ｋｇ、本発明の実施形態の総重量は６．７ｋｇである。燃料を含めたＴＰＶ装置の重量は、水冷システムを採用した場合には８０．５％増大するのに対して、本発明の実施形態の冷却板を採用した場合には８．１％増にしかならない。以下に詳細を説明する。
【００６５】
背景技術の空冷のＴＰＶ装置の重量の内訳は、アルミ製ヒートシンク２．２７ｋｇ、水冷板０．７２ｋｇ、アルミ製支持具０．１３ｋｇ、配管０．１ｋｇ、エミッタ１．３ｋｇ、ＰＶ素子０．１ｋｇ、アンモニア燃料０．４ｋｇ（６２０ｃｃ）、アルミ製燃料タンク０．９ｋｇ、空冷ファン０．３ｋｇで、合計が７．６ｋｇである。背景技術で用いていた水冷板のアルミニウム板の厚さは３ｍｍで、その重量は０．７２ｋｇである。
【００６６】
ＰＶ素子を水冷する場合は、冷却水、水冷ポンプ、温水を冷却するラジエータなど５ｋｇ程度の水冷システムが必要となり、燃料を含めたＴＰＶ装置の重量は１１．２ｋｇになる。水冷システムを搭載した場合、８０．５％の重量増加が生じる。またそれに加えて水冷ポンプには電源が必要になる。
【００６７】
本発明の実施形態の冷却板は１．２２ｋｇであった。つまり気体燃料収集部１４の重量０．１５ｋｇと５ｍｍ厚のアルミニウム板に流路を切削した冷却板の重量１．０７ｋｇの和が１．２２ｋｇである。燃料を供給する配管の重量は変わらないので、重量増加は０．５０ｋｇ（＝１．２２ｋｇ−０．７２ｋｇ）であった。本発明の実施形態のＴＰＶ発電装置の総重量は８％増にしかならない。燃料タンク内にあるアンモニアには８．５気圧の圧力が掛っているので、アンモニアを送り出すためのポンプやその電源が不要である。
【００６８】
本実施形態による第３の効果は、アンモニアを燃料に用いた場合には、二酸化炭素（ＣＯ２）を発生しないクリーンなＴＰＶ発電装置を提供できることである。完全燃焼の反応式は
４ＮＨ３＋３Ｏ２→６Ｈ２Ｏ＋２Ｎ２＋３８３[kJ/mol]
となる。発生する主な物質はクリーンな水と窒素であり、有毒な一酸化炭素（ＣＯ）や、二酸化炭素（ＣＯ２）を発生しない。
【００６９】
アンモニアは、水素キャリアとしても優れているため、持続可能なＴＰＶ発電装置が得られる利点もある。アンモニアは、天然ガスより低コストであり、ＴＰＶ発電装置の発電運用コストを低下させる。
【００７０】
本発明の実施形態のＴＰＶ発電装置は、アンモニアを燃料に用いているので、排ガスにアンモニアを噴射することで、燃焼時に発生しやすい窒素酸化物ＮＯｘを除害することも可能である。主要なＮＯｘである一酸化窒素（ＮＯ）は、アンモニアと反応すると
３ＮＯ＋２ＮＨ３→３Ｈ２Ｏ＋２．５Ｎ２
となり、除去される。燃料ガスと空気の流量を制御し、一定の混合比の混合気を生成する混合器を設置することで、空気とアンモニア燃料の混合比をやや燃料過剰（当量比＝１．２）に制御することもできる。その場合には、排出されるＮＯ濃度と未燃焼ＮＨ３の濃度を同時に、環境規制値より十分小さい値に抑制できる。
【００７１】
〔液体燃料の選択と放熱部などの材料の選択〕
表１のように、アンモニアの気化熱（蒸発熱）は１３７２ｋＪ／ｋｇと大きいので、冷却効果が高い。ＴＰＶ発電装置の燃料にアンモニアを選択した場合には、放熱部の材料の少なくとも一部が少なくとも鉄、クロム、アルミニウムのいずれかひとつを含んで構成するとよい。
【００７２】
表１のように、メタノールの気化熱は１１０１ｋＪ／ｋｇと大きいので、冷却効果が高い。メタノールは、沸点が６４．７℃であるために、気化熱で冷却する場合には、冷却板が６５℃以上の時に効果が高い。気化率も４．９％と高いため、冷却効果が大きい。冷却板が６５℃以下の温度であっても、流路壁に付着したメタノールは流路内で気化するので冷却効果がある。ＴＰＶ発電装置の燃料にメタノールを選択した場合には、放熱部の材料の少なくとも一部が少なくとも銅あるいはアルミニウムのいずれかひとつを含んで構成するとよい。
【００７３】
エタノールは、沸点が７８．４℃であるために、気化熱で冷却する場合には、冷却板が約８０℃以上の時に効果が高い。冷却板が８０℃以下の温度であっても、流路壁に付着したエタノールは流路内で気化するので冷却効果がある。
【００７４】
放熱部の材料については、液体燃料がメタノール、エタノールなどのアルコールもしくはジメチルエーテルのいずれか、あるいはメタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料のいずれかの場合には、銅あるいはアルミニウムを含んで構成するとよい。
【００７５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態によるＴＰＶ発電装置について、説明する。
【００７６】
（構成）
図８に本発明の第２実施形態の燃料型ＴＰＶ発電装置の外観を示し、図９に本発明の第２実施形態のＴＰＶ装置の断面を示す。本実施形態のＴＰＶ発電装置は、液体燃料としてアルコールを用いた場合である。第１実施形態と同様に、本実施形態のＴＰＶ発電装置は燃料型ＴＰＶ発電装置であり主に、ＴＰＶ装置７２と、液体燃料７４を格納する燃料容器の一例としての燃料タンク７３を含む。本実施形態のＴＰＶ発電装置は、台座７１、燃料タンク７３、主弁７５、圧力調整弁７６、液体燃料供給管７７、液体燃料導入部７８、排ガスガイド板６７、アルミナ板６８、装置カバー６９、燃焼用空気の導入管７０などを含む。さらに本実施形態のＴＰＶ発電装置は、ＰＶ素子７９、エミッタ８０、燃焼器８１、石英管８２、ヒートシンク８３、気体燃料収集部８４、噴霧用燃料ガス取り出し部８５、流量制御装置８６、気体燃料供給管８７などを含む。さらに本実施形態のＴＰＶ発電装置は、石英管の支持脚８８、冷却板の支持脚８９、噴霧用燃料ガス導入管９０、空冷ファン９１、燃料分配部９２、噴霧用燃料ガス導入部９３、旋回型噴霧ノズル部９４、冷却板９５などを含む。
【００７７】
本実施形態では燃料タンク７３の中の液体燃料７４は、アルコールの一例としての、植物起因のバイオメタノールであり、燃料タンク７３にはメタノールとメタノールの取り出しのための加圧された窒素ガスが充填されている。本実施形態は２ｋＷ級のＴＰＶ発電装置である。
【００７８】
空冷ファン９１内部には軸流回転翼があるが、図９には軸流回転翼の図示を省略した。軸流回転翼は市販のものを適用できる。空冷ファン９１は、ヒートシンク８３に送風してヒートシンク８３を空冷する。空冷ファン９１の駆動用電力には、小型の電池を用いることもできるが、本実施形態のＴＰＶ発電装置で発電した電力の一部を適用することもできる。
【００７９】
本実施形態の燃焼器８１は、第１実施形態の燃焼器２２とほぼ同様のものである。ＰＶ素子７９は、第１実施形態のＰＶ素子９と同様のＧａＳｂ−ＰＶ素子であるが、その面積は２倍になっている。エミッタ８０も、第１実施形態のエミッタ１０と同様の円筒型のセラミックエミッタであるが、表面積は２倍になっている。エミッタ８０は内側から火炎で加熱され、外側から高温の排ガスで加熱されるため、１２００℃以上の高温を達成しやすい。高温のエミッタ８０から放射された熱放射スペクトル幅の狭い放射光はＰＶ素子７９に入射し、その６８％のエネルギが電気に変換され、残りはＰＶ素子７９を加熱する。
【００８０】
図１０に本実施形態の冷却板の垂直断面、図１１に本実施形態の冷却板の水平断面、図１２に本実施形態の燃料分配部周辺の断面を示す。ＰＶ素子７９の放熱手段である冷却板９５は、ＰＶ素子７９に隣接して設置されている。冷却板９５は、冷却板の支持脚８９によって支えられている。ＰＶ素子７９で発生した熱の一部は冷却板９５に形成された楕円型流路９６内を通過する燃料に吸収され、燃焼に用いられ、残りの熱は冷却板９５とヒートシンク８３を通してＴＰＶ装置７２の外へ排出される。冷却板９５によって、ＰＶ素子７９は５０℃〜６０℃の温度に保たれる。
【００８１】
燃料の燃焼熱の６０％程度がエミッタ８０の加熱に使われ、残りの熱は排ガスによって装置の外部に放出される。本実施形態の石英管８２の頂上部にはアルミナ板６８があり、燃焼排ガスは、頂上部で折り返され、エミッタ８０あるいは燃焼用空気の導入管７０の外側、かつ石英管８２の内側を通り、下方に導かれた後、排ガスガイド板６７で向きを変えて周囲に放出される。頂上に設置された空冷ファン９１から送風された外気はヒートシンク８３の外側かつ装置カバー６９の内側を通り、下方に導かれる。送風と排ガスガイド板６７により、高温の排ガスはＴＰＶ装置７２の外部に放出される。排ガスガイド板６７の熱は石英管の支持脚８８を通って台座７１に抜ける。
【００８２】
燃焼用空気の導入管７０の内部に旋回子（スワーラー）を設置して、旋回させた状態の燃焼用空気を燃焼器８１の内部あるいはその周囲に供給することもできる。
【００８３】
（動作）
以下、本実施形態のＴＰＶ発電装置の動作について説明する。本実施形態では、液体燃料のアルコールを用いてＰＶ素子７９を相変化冷却し、気化したアルコールを燃焼器８１に供給して、燃焼させてエミッタ８０を加熱して発電する特徴を有する。
【００８４】
燃料タンク７３から供給される液体燃料７４のアルコールは、ＴＰＶ装置７２の液体燃料導入部７８を通り、旋回型噴霧ノズル部９４で噴霧されて、燃料分配部９２の内部に充満し、冷却板９５に形成された複数の楕円型流路９６内に供給される。噴霧された燃料液滴の多くは、楕円型流路９６の壁に付着した後に気化し、燃料ガス６６になる。気化の前後で燃料の温度は変わらないが、燃料は冷却板９５の熱を吸収する。図１１に示されるように、楕円型流路９６の流れ方向に垂直な断面は楕円形であり、その楕円の長径が冷却板９５の厚み方向に整列している特徴を有する。１枚の冷却板９５の幅は６５ｍｍ、長さは２１０ｍｍ、厚さは５ｍｍである。６５ｍｍ幅に１３本の楕円型流路９６が形成されている。楕円型流路９６の中心の間隔は５ｍｍである。楕円型流路９６の断面は、長直径４ｍｍ、短直径２ｍｍの楕円形である。全ての楕円型流路９６は６枚の冷却板９５の上端に設置された燃料分配部９２に繋がっている。また全ての楕円型流路９６は６枚の冷却板９５の下端に設置された気体燃料収集部８４にも繋がっている。燃料を燃料分配部９２に導入する旋回型噴霧ノズル部９４は１つに限定されず、複数でもよい。
【００８５】
燃料ガスは１．５ｍ／ｓの流速で楕円型流路９６を通過し、冷却板９５の下端に設置された気体燃料収集部８４で収集され、気体燃料供給管８７を通過して、燃焼器８１に供給される。気体燃料収集部８４で収集された燃料ガスの一部は、噴霧用のガスとして用いられる。すなわち燃料ガスの一部は、噴霧用燃料ガス取り出し部８５から噴霧用燃料ガス９８として取り出され、噴霧用燃料ガス導入管９０を通して、上方向に上り、旋回型噴霧ノズル部９４に供給される。噴霧用燃料ガス取り出し部８５の口径を調節することで、噴霧の強さを調節できる。
【００８６】
図１３に本実施形態の旋回型噴霧ノズル部の断面を示す。図１４に本実施形態の旋回型噴霧ノズル部の旋回板の外観を示す。旋回型噴霧ノズル部９４は、噴霧用燃料ガス導入部９３、旋回板９９、噴霧管１００、噴霧用燃料ガスの噴き出し口１０１、液体燃料の噴霧口１０２、噴霧用燃料ガスが通る旋回溝１０３などを含む。液体燃料７４は液体燃料導入部７８から入り、燃料供給用絞り１０５を通過した後に噴霧管１００を通り、液体燃料の噴霧口１０２から噴霧される。本実施形態では旋回型噴霧ノズルを用いたが、噴霧ノズルは旋回型に限定されるものではない。
【００８７】
旋回板９９には、噴霧管１００に対して２０°の捻じれ角度１０４で、６個の噴霧用燃料ガスが通る旋回溝１０３が形成されている。噴霧用燃料ガス９８は、旋回型噴霧ノズル部９４の横から入り、旋回板９９を通過して、噴霧用燃料ガスの噴き出し口１０１から旋回しながら勢いよく放出される。
【００８８】
本実施形態の液体燃料７４のアルコールとしては、バイオメタノールなどのメタノール以外に、エタノールなどのアルコール、あるいは植物起因のバイオアルコールを用いることができる。
【００８９】
（効果）
本実施形態による第１の効果は、高効率のＴＰＶ発電装置を提供できることである。本実施形態のＴＰＶ発電装置では、ＰＶ素子７９が設置される冷却板９５の内部に楕円型流路９６を形成している。ＴＰＶ発電装置に導入される液体燃料を、この楕円型流路９６に供給し、ＰＶ素子７９の熱によって楕円型流路９６内で気化させた後、燃焼器８１へと送り、燃焼させている。２ｋＷ以上の高出力のＴＰＶ発電装置においても、ＰＶ素子７９の温度を５０℃〜６０℃に保つことができ、効率２０％以上の高効率のＴＰＶ発電装置を提供できる。
【００９０】
本実施形態では、ＰＶ素子７９に隣接した冷却板９５に熱伝導率の高い銅を用いる特徴と、冷却板９５の内部に楕円型流路９６を形成する特徴と、その楕円型流路９６にメタノール燃料を供給し、楕円型流路９６内で気化させる特徴とを有する。
【００９１】
メタノールにおいてもＰＶ素子７９で発生する熱の半分は、気化熱で除去される。残りの熱をＱとすると、ＱはＴＰＶ発電装置の出力に比例して増大する。ＰＶ素子７９の面積をＳ、外界との温度差をΔＴ、熱伝達率をｈとすると、
Ｑ[W]＝ｈ[W/m2K]・Ｓ[m2]・ΔＴ[K]
が成り立つ。例えば、第２実施形態の２ｋＷ級のＴＰＶ発電装置では、ＰＶ素子の面積が第１実施形態の１ｋＷ級のＴＰＶ発電装置の２倍になっているので、同じ熱伝達率でも、温度差ΔＴを元と同じ程度に低く保つことができる。
【００９２】
加圧用窒素により、燃料タンク７３から出るメタノールの圧力は大気圧より大きいが、そのままでは流路内に勢いよく噴射することができない場合がある。本実施形態のＴＰＶ発電装置では、流路で気化したメタノールの一部を噴霧用燃料ガス９８として旋回型噴霧ノズル部９４に導入することで、メタノールを楕円型流路９６内に均一に噴霧できる特徴がある。本実施形態のＴＰＶ発電装置では、噴霧口１０２から放出された液体燃料７４は、噴霧用燃料ガス９８の旋回流のせん断力によってせん断されて、数ミクロン径の液滴になり、燃料分配部９２の内部に充満する。本実施形態の旋回型噴霧ノズル部９４から放出される燃料液滴は、非常に細かいので、気化が容易に起こり、流路内に均一に拡散するため、冷却板９５を急速かつ均一に冷却する効果がある。メタノールの気化熱は１１０１ｋＪ／ｋｇと大きい。またメタノールの気化率（＝燃焼熱に対する気化熱の比）は４．９％であり、冷却効果が高い。
【００９３】
本実施形態のＴＰＶ発電装置では、燃料にメタノール、冷却板９５の材料に銅を用いている。メタノールは常温常圧で液体であり、沸点が６４．７℃である。メタノールは冷却板９５が６５℃以上の時には沸騰し、直ちに気化する。冷却板９５が６５℃以下の温度であっても、流路壁に付着したメタノールは流路内で気化するので冷却効果がある。６０℃のアルミニウムの熱伝導率は２４０Ｗ／ｍＫであるのに対して、６０℃の銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫと高く、より冷却効果が高い。銅はメタノールによって腐食されないので、冷却板９５の寿命が長い。
【００９４】
本実施形態のＴＰＶ発電装置では、冷却板９５の楕円型流路９６の流れ方向に垂直な断面は楕円形であり、その楕円の長径が冷却板９５の厚み方向に整列している特徴を有する。楕円型流路９６内は燃料ガス６６で占められているので、流路の熱伝導率は、周囲の金属部より極めて小さい。流路断面の楕円面積が同じ冷却板の場合、楕円の長径が冷却板の厚み方向に整列している方が、金属部を通る放熱経路が占める割合が大きいので、冷却板の厚み方向の平均熱伝導率が高くなる。それによって、冷却板がＰＶ素子を冷却する効果が高まる。
【００９５】
本実施形態のＴＰＶ発電装置の冷却板の流路の形状は、上述した形状に限定されるものではない。冷却板の上端に設置された燃料分配部９２と冷却板の下端に設置された気体燃料収集部８４をつなぐ流路であれば、基本的に任意の形状が適用可能である。また流路の断面形状は、通常は製造しやすい円形、矩形や楕円形が用いられるが、それ以外の形状でもよい。上述した実施形態では楕円型流路９６の間隔は等しく５ｍｍとしたが、放射密度が高い冷却板中心部の流路の密度が高くなるように流路間隔を不均一に設定すれば、より均一な冷却板の温度分布を実現することもできる。
【００９６】
本実施形態による第２の効果は、気化した燃料ガスを燃焼してエミッタを加熱する特徴により、軽量なＴＰＶ発電装置を提供できることである。
【００９７】
表３に、背景技術と本発明の第２実施形態のＴＰＶ装置の総重量の内訳を示す。
【００９８】
【表３】
0006747058.tif 000004
【００９９】
背景技術の空冷の場合、燃料を含めたＴＰＶ装置の総重量は８．３ｋｇである。背景技術がさらに水冷システムを採用した場合の総重量は１３．３ｋｇである。これに対し、本発明の実施形態の総重量は９．３ｋｇである。燃料を含めたＴＰＶ装置の重量は、水冷システムを採用した場合には６０％増大するのに対して、本発明の実施形態の冷却板を採用した場合には１２％増にしかならない。以下に詳細を説明する。
【０１００】
背景技術の空冷のＴＰＶ装置の重量の内訳は、アルミ製ヒートシンク２．２７ｋｇ、銅製冷却板２．３５ｋｇ、アルミ製支持具０．１３ｋｇ、配管０．１ｋｇ、エミッタ１．３ｋｇ、ＰＶ素子０．１ｋｇ、メタノール燃料０．８ｋｇ（６６０ｃｃ）、アルミ製燃料タンク０．９ｋｇ、空冷ファン０．３ｋｇで、合計が８．３ｋｇである。背景技術で用いていた水冷板の銅板の厚さは３ｍｍで、その重量は２．３５ｋｇである。
【０１０１】
ＰＶ素子を水冷する場合は、冷却水、水冷ポンプ、温水を冷却するラジエータなど５ｋｇ程度の水冷システムが必要となり、燃料を含めたＴＰＶ装置の重量は１３．３ｋｇになる。水冷システムを搭載した場合、６０％の重量増加が生じる。またそれに加えて水冷ポンプには電源が必要になる。
【０１０２】
本発明の実施形態の冷却板は３．４５ｋｇであった。つまり気体燃料収集部の重量０．３０ｋｇと５ｍｍ厚の銅板に流路を切削した冷却板の重量３．１５ｋｇの和が３．４５ｋｇである。燃料を供給する配管の重量は変わらないので、重量増加は１．１ｋｇ（＝３．４５ｋｇ−２．３５ｋｇ）であった。本発明の実施形態のＴＰＶ装置の総重量は１２％増にしかならない。燃料タンク内にあるメタノールには加圧用窒素で数気圧の圧力をかけられているので、メタノールを送り出すためのポンプやその電源が不要である。
【０１０３】
本発明の実施形態のＴＰＶ発電装置は２ｋＷの出力を有する。燃料タンクのメタノール燃料の体積は６６０ｃｃであり、２．５時間、連続的に稼働できる。メタノール燃料とアンモニア燃料の燃焼熱は約２２．５ＭＪ／ｋｇで、ほぼ等しい。メタノールの分子量が３２ｇ／ｍｏｌでアンモニアの分子量が１７ｇ／ｍｏｌなので、同重量（同熱量）のメタノールの体積はアンモニアの半分で済む利点がある。
【０１０４】
本実施形態による第３の効果は、本発明の実施形態のＴＰＶ発電装置はバイオメタノールを燃料に用いているので、持続的発展が可能なＴＰＶ発電装置を提供できることである。バイオメタノール燃料の場合、二酸化炭素（ＣＯ２）が発生しても、植物起因のＣＯ２であると見なされるので、受容される。
【０１０５】
〔その他の実施形態〕
以上、好ましい実施形態について図面と共に説明したが、本発明はこれら実施形態に限られるものではない。
【０１０６】
例えば第３実施形態のＴＰＶ発電装置として、第２実施形態と同様の構成で、燃料に非極性のＤＭＥ（ジメチルエーテル）やプロパンなどの炭化水素系燃料を用いることも考えられる。ＴＰＶ発電装置の冷却板は銅製で、流路の内壁に有機分子被膜を形成する。また冷却板に鉄を用いることも可能である。
【０１０７】
有機分子被膜は非極性の燃料に溶解しないので、燃料に微量の水分が混入している場合でも有機分子被膜によって銅の酸化腐食や変色を防止できる。銅の酸化防止剤としては、ベンゾトリアゾール系酸化防止剤が市販されている。ベンゾトリアゾール（Benzo Triazole）Ｃ６Ｈ４Ｎ２・Ｈは、イミノ基ＮＨを有する有機の窒素化合物であるが、水溶液中で弱酸性を示す。ベンゾトリアゾールと銅を反応させると、イミノ基のＨがＣｕと置換して、銅の表面に、水に不溶性のベンゾトリアゾール第二銅（Ｃ６Ｈ４Ｎ２・Ｎ）２・Ｃｕの有機分子被膜を形成するため、銅および銅合金の酸化腐食や変色を防止する。１００℃の温度まで安定に使用できる。
【０１０８】
例えば第４実施形態のＴＰＶ発電装置として、第２実施形態と同様の構成で冷却板の材料に鉄を用いることも考えられる。また鉄製冷却板内の流路の壁がクロム（Ｃｒ）メッキされ、クロムの酸化被膜を形成することが考えられる。これによってアンモニアを含む様々な燃料に対応した鉄製冷却板を提供できる。
【０１０９】
上述した第１および第２実施形態では、垂直に立てられた冷却板の上端から、液体燃料分配部を通して冷却板の流路に燃料を供給し、冷却板の下端に設置した気体燃料収集部で気化した燃料を収集して燃焼器に導いたが、本発明はその構成に限定されない。すなわち垂直に立てられた冷却板の下端から、液体燃料分配部を通して冷却板の流路に燃料を供給し、冷却板の上端に設置した気体燃料収集部で気化した燃料を収集して燃焼器に導いた構成も適用可能である。
【０１１０】
本発明のＴＰＶ発電装置をドローンなどの小型飛行体に搭載することにより、燃料と同重量のＬｉイオン電池を用いた背景技術の小型飛行体より１桁長い時間飛行することができる。あるいは本発明をＬｉイオン電池と組み合わせることで、自動車や小型飛行体の運行距離を増大することもできる。本発明のＴＰＶ発電装置は、非常用の電源に用いることができる。普段はＴＰＶ発電装置を倉庫に格納しておき、非常時に被災地に運搬することが容易にできる。本発明のＴＰＶ発電装置の出力２ｋＷは、家庭用の電気炊飯器を駆動するのに適している。あるいは本発明のＴＰＶ発電装置を、より大きくして１０ｋＷで駆動すれば、自動車に搭載することで運行距離を増大することも可能である。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
【０１１２】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）液体燃料を格納する燃料容器、前記燃料容器の前記液体燃料に由来する燃料が供給され、上記燃料を燃焼させる燃焼器、エミッタ、光電変換素子、及び前記光電変換素子を含み、
前記燃焼器に供給する前記燃料の少なくとも一部を用いて前記光電変換素子を冷却する、熱光起電力発電装置。
（付記２）付記１記載の熱光起電力発電装置において、
前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を有し、前記冷却器は前記燃焼器に供給する前記燃料が通過する流路を有する、熱光起電力発電装置。
（付記３）付記１記載の熱光起電力発電装置において、
前記光電変換素子に隣接して配置された冷却器を有し、前記冷却器は前記燃料容器から前記燃焼器へと送られる前記液体燃料が通過する流路を有する、熱光起電力発電装置。
（付記４）付記３記載の熱光起電力発電装置において、
前記液体燃料は前記冷却器の前記流路を通過する間に、熱交換して気化する、熱光起電力発電装置。
（付記５）付記２乃至付記４のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
前記冷却器の前記流路を通過して気化した燃料が、前記燃焼器へ供給され、前記燃焼器で燃焼される、熱光起電力発電装置。
（付記６）付記２乃至付記５のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
前記冷却器は複数の流路を有し、
前記複数の流路あるいは前記流路に連結した部分の内部に前記燃料容器からの前記液体燃料を噴射する噴射手段を有する、熱光起電力発電装置。
（付記７）付記６記載の熱光起電力発電装置において、
前記噴射手段は噴霧ガスを噴射するノズル部である、熱光起電力発電装置。
（付記８）付記６記載の熱光起電力発電装置において、
前記噴射手段は旋回流のせん断力によって前記液体燃料をせん断して噴射する旋回型噴霧ノズル部である、熱光起電力発電装置。
（付記９）付記８記載の熱光起電力発電装置において、
前記旋回型噴霧ノズル部では、前記燃料容器の前記液体燃料の一部が、前記旋回流のせん断力を発生させるのに用いられる、熱光起電力発電装置。
（付記１０）付記２乃至付記９のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
冷却器が金属板であり、流れ方向に垂直な流路の断面形状の縦横比が、金属板の厚み方向に長い、熱光起電力発電装置。
（付記１１）付記１０に記載の熱光起電力発電装置において、
前記金属板の前記流路の表面が、酸化膜あるいは有機分子被膜などの、燃料に対する腐食防止膜で覆われている、熱光起電力発電装置。
（付記１２）付記２乃至付記１１のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
前記燃料がアンモニアであり、前記冷却器の材料の少なくとも一部が少なくとも鉄、クロム、アルミニウムのいずれかひとつを含む、熱光起電力発電装置。
（付記１３）付記２乃至付記１１のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
前記燃料がメタノール、エタノールなどのアルコール、ジメチルエーテル、あるいはメタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料のいずれかひとつを含み、前記冷却器の材料の少なくとも一部が銅あるいはアルミニウムのいずれかひとつを含む、熱光起電力発電装置。
（付記１４）付記１乃至付記１３のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置において、
前記燃焼器で前記燃料を燃焼させて前記エミッタを加熱し、加熱した前記エミッタからの熱放射を前記光電変換素子で光電変換して発電する、熱光起電力発電装置。
【符号の説明】
【０１１３】
１  台座
２  ＴＰＶ装置
３  燃料タンク
４  液体燃料
５  主弁
６  圧力調整弁
７  液体燃料供給管
８  液体燃料導入部
９    ＰＶ素子
１０  エミッタ
１１  冷却板
１２  石英管
１３  ヒートシンク
１４  気体燃料収集部
１５  気体燃料放出部
１６  流量制御装置
１７  気体燃料供給管
１８  石英管の支持脚
１９  冷却板の支持脚
２０  液体燃料分配部
２１  エミッタの支持体
２２  燃焼器
２３  空気取り入れ孔
２４  気体燃料放出孔
２５    ＰＶ素子電流取り出し部
２６  流路
２７  細孔部
２８  噴霧ガス
２９  気体燃料
３０  ノズル部
３１  火炎
６６  燃料ガス
６７  排ガスガイド板
６８  アルミナ板
６９  装置カバー
７０  燃焼用空気の導入管
７１  台座
７２  ＴＰＶ装置
７３  燃料タンク
７４  液体燃料
７５  主弁
７６  圧力調整弁
７７  液体燃料供給管
７８  液体燃料導入部
７９  ＰＶ素子
８０  エミッタ
８１  燃焼器
８２  石英管
８３  ヒートシンク
８４  気体燃料収集部
８５  噴霧用燃料ガス取り出し部
８６  流量制御装置
８７  気体燃料供給管
８８  石英管の支持脚
８９  冷却板の支持脚
９０  噴霧用燃料ガス導入管
９１  空冷ファン
９２  燃料分配部
９３  噴霧用燃料ガス導入部
９４  旋回型噴霧ノズル部
９５  冷却板
９６  楕円型流路
９８  噴霧用燃料ガス
９９  旋回板
１００  噴霧管
１０１  噴霧用燃料ガスの噴き出し口
１０２  液体燃料の噴霧口
１０３  噴霧用燃料ガスが通る旋回溝
１０４  捻じれ角度
１０５  燃料供給用絞り
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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