(57)【要約】【課題】空気と燃料ガスとの予混合を効率良く行うことで燃焼効率を改善し結果としてエネルギー変換効率を向上させた熱光発電装置（ＴＰＶシステム）を提供する。【解決手段】空気の存在下での燃料ガスの燃焼によりエミッタ１８を加熱し、該エミッタからの輻射光を光電変換素子１０によって電力に変換する熱光発電装置において、燃料ガスパイプ１４の内部に空気を導入することにより燃料ガスと空気とを燃焼以前に予め混合するように構成する。また、燃料ガスパイプ１４の空気導入部の開口面積を変化させる調節手段３０を具備する。さらに、燃料ガスパイプに導入される空気の温度及び流量を計測し該計測値に応じて該調節手段を制御する制御手段を具備する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の存在下での燃料ガスの燃焼によりエミッタを加熱し、該エミッタからの輻射光を光電変換素子によって電力に変換する熱光発電装置において、燃料ガスパイプの内部に空気を導入することにより燃料ガスと空気とを燃焼以前に予め混合するように構成したことを特徴とする熱光発電装置。
【請求項２】
前記燃料ガスパイプの空気導入部の開口面積を変化させる調節手段を具備する、請求項１に記載の熱光発電装置。
【請求項３】
前記燃料ガスパイプに導入される空気の温度及び流量を計測し該計測値に応じて前記調節手段を制御する制御手段を具備する、請求項２に記載の熱光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱源から輻射される赤外光（赤外線、熱線ともいう）を光電変換素子（光電変換セル）にて電力に変換する熱光起電力変換（ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）により発電を行う熱光発電装置（ＴＰＶシステム）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光発電装置では、エミッタ（輻射体）を加熱することにより、そのエミッタから一定の波長の赤外光を輻射させ、その赤外光を光電変換素子に入射させて電力に変換する。熱光発電装置は、可動部分を持たないため、低騒音・低振動システムを実現することができる。
【０００３】
次世代のエネルギー源として、熱光発電は、クリーン性、静粛性などの点で優れている。エミッタを加熱するために、燃焼熱、太陽熱、原子核崩壊熱などが利用可能であるが、一般的には、ブタンなどのガス燃料や灯油などの液体燃料に代表される化石燃料の燃焼により発生する燃焼ガスがエミッタ加熱用に利用される。
【０００４】
本願出願人は、先にした特願２００１−１１５４８９号の願書に添付した明細書及び図面において、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱を燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用するとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光を効率よく光電変換素子で受けることにより、全体として発電効率を大きく向上させた熱光発電装置を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＴＰＶの効率を上げるためには、燃焼ガスの温度を高めることによりエミッタの温度を高めることが重要である。そして、燃焼ガスの温度を高めるためには、燃焼用空気と燃料ガスとの予混合及び燃焼用空気の予熱を効率良く行うことが必要である。
【０００６】
しかし、ＴＰＶシステムでは、エミッタとセル間の距離が短いほど有利であることに基づき燃焼室が限られた空間に形成される関係上、燃焼室内での燃料ガスと空気との予混合が不足するため、完全燃焼させることが困難であり、燃焼効率が低いという問題がある。現在、かかる予混合については十分に検討が行われていない状況にある。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、空気と燃料ガスとの予混合を効率良く行うことで燃焼効率を改善し結果としてエネルギー変換効率を向上させた熱光発電装置（ＴＰＶシステム）を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面（ａｓｐｅｃｔ）によれば、空気の存在下での燃料ガスの燃焼によりエミッタを加熱し、該エミッタからの輻射光を光電変換素子によって電力に変換する熱光発電装置において、燃料ガスパイプの内部に空気を導入することにより燃料ガスと空気とを燃焼以前に予め混合するように構成したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の第二の面によれば、前記本発明の第一の面による熱光発電装置において、前記燃料ガスパイプの空気導入部の開口面積を変化させる調節手段が具備される。
【００１０】
また、本発明の第三の面によれば、前記本発明の第二の面による熱光発電装置において、前記燃料ガスパイプに導入される空気の温度及び流量を計測し該計測値に応じて前記調節手段を制御する制御手段が具備される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明による熱光発電装置の第一実施形態を示す断面図である。図１に示されるように、この熱光発電装置は、光電変換セル１０、燃焼室と発電室とを隔離するＳｉＯ２ガラスフィルタ１２、バーナ（燃焼器）を構成する燃料ガスパイプ１４、燃焼ガス噴出し口用プレート１６、ポーラス（多孔質）構造を有するエミッタ（発光体）１８、熱交換器２０、燃焼用空気供給ポート２２及び排気ガス排出用ポート２４を備えている。
【００１３】
空気供給ポート２２から供給された空気は、光電変換セル１０の表面部分を通過することにより、光電変換セル１２の冷却に利用される。次いで、空気は、装置の側面に設けられた配管を通して熱交換器２０に導かれ、その中の配管を通ることにより、後述の如くエミッタを加熱した後の燃焼ガスとの間で熱交換を行う。
【００１４】
この熱交換により加熱された空気は、予混合室２６に導入され、燃料ガスパイプ１４から噴出される燃料ガスと予混合せしめられる。そして、その予混合されたガスは燃焼室２８に噴出して燃焼し、ほぼ水平方向の火炎を形成する。
【００１５】
燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、ポーラス構造を有するエミッタ１８（ＳｉＣ、希土類酸化物）の内部を通過して上昇する。エミッタ１８は、その通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、その表面より赤外光を輻射する。輻射された赤外光は、ＳｉＯ２ガラスからなるフィルタ１２に到達する。
【００１６】
そして、フィルタ１２は、光電変換に寄与する波長成分のみを選択して透過せしめる一方、光電変換に寄与しない成分をエミッタ１８の側へ反射してエミッタ１８の加熱に利用する。フィルタ１２を透過した赤外光は、光電変換セル１０に入射して電気エネルギーに変換される。
【００１７】
エミッタ１８の内部を通過してエミッタを加熱した後の燃焼ガスは、熱交換器２０にて前述のように空気を加熱することで低温になった後、装置の上部に取り付けられた排出用ポート２４から排気ガスとして排出される。
【００１８】
このように予混合室２６が設けられてはいるが、それだけでは予混合は不十分であり、未燃ガスが発生して燃焼効率が低下してしまう。それに起因して、エミッタ温度が上昇しないため、エミッタからの輻射光強度が小さくなり、その結果、発電性能が低下してしまうという問題が発生する。
【００１９】
そこで、本実施形態においては、図１に示されるように、空気供給ポート２２から供給された空気が、予混合空気調節バルブ３０を用いて燃料ガスパイプ１４の内部に直接導入され得るようにも構成されている。この予混合空気調節バルブ３０は、テーパ状ネジを用いて燃料ガスパイプ１４の空気導入部の開口面積を変化させる構造を有している。
【００２０】
予め燃料ガスパイプ１４の内部で燃料ガスと空気とが予混合されることにより、予混合の効率が向上する。結果として、未燃ガス成分がなくなり、エミッタ温度が上昇してセル発電密度が向上する。
【００２１】
燃料ガスパイプ１４内部への予混合空気量は、使用される燃料ガスの燃焼範囲外に設定される。例えば、燃料ガスとしてｎ−ブタンが使用される場合には、その燃焼範囲は１．９〜８．５％であり、予混合空気量が９％程度に設定される。なお、予混合空気量が燃焼範囲内に設定されると、燃焼速度がガス流速を超えた場合に燃料ガスパイプの内部で燃焼が起こるという不具合が発生する。
【００２２】
予混合空気量の調節は予混合空気調節バルブ３０を用いて行われ、燃焼状態が最適化するようにバルブ３０を調節することができる。このように、予混合空気調節バルブ３０を用いて燃料ガスパイプ１４の内部に導入される予混合空気量を最適化することにより、予混合効率を高め燃焼効率を向上させてエミッタ温度を高めることが可能となる。
【００２３】
図２は、本発明による熱光発電装置の第二実施形態を示す断面図である。この実施形態においては、図２に示されるように、光電変換セル１０を冷却した後の空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるように、予混合空気調節バルブ３０の取り付け位置が設定されている。
【００２４】
すなわち、前述した第一実施形態（図１）の場合、室温の空気が直接に燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるのに対し、この第二実施形態（図２）では、光電変換セル１０を冷却した後の空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるため、温度の高い空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されることとなる。その結果、第一実施形態に比較して、燃焼ガス温度が高くなり、エミッタ温度が上昇して、システム性能が向上する。
【００２５】
図３は、本発明による熱光発電装置の第三実施形態を示す断面図である。この実施形態においては、図３に示されるように、熱交換器２０での燃焼ガスとの熱交換により更に加熱された空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるように、予混合空気調節バルブ３０の取り付け位置が設定されている。かくして、第二実施形態に比較して、燃焼ガス温度が更に高くなり、エミッタ温度が更に上昇して、システム性能が更に向上する。
【００２６】
また、この第三実施形態では、予混合空気量を調節して燃焼状態を最適化するために、燃料ガスパイプ１４の内部に導入される空気の流量及び温度をそれぞれ計測するための流量センサ３２及び温度センサ３４が設けられている。
【００２７】
図４は、これらの流量センサ３２及び温度センサ３４の出力をモニタすることにより予混合空気の流量を制御するフローを示す図である。まず、ステップ１０２では、流量センサ３２の出力に基づいて、予混合空気の現在の流量を計測する。次いで、ステップ１０４では、温度センサ３４の出力に基づいて、予混合空気の現在の温度を計測する。
【００２８】
そして、次のステップ１０６では、計測された空気温度が燃料ガスの自然発火温度条件を満たし、かつ、計測された予混合空気流量が燃焼範囲にあるか否かを判定する。
【００２９】
その判定結果がＹＥＳの場合には、ステップ１０８に進み、予混合空気調節バルブ３０を用いて予混合空気流量を減らす操作を行う。
【００３０】
一方、判定結果がＮＯとなる場合、すなわちパイプ内部で燃焼しない範囲にある場合には、ステップ１１０に進み、予混合空気調節バルブ３０を用いて予混合空気流量を増やす操作を行う。これにより、予混合の効率を上げて燃焼温度を高めることができる。
【００３１】
ステップ１０８又は１１０の実行後には、ステップ１０２に戻り、以上の動作を繰り返す。
【００３２】
なお、図３に示されるように、電子制御装置（ＥＣＵ）３６が、流量センサ３２及び温度センサ３４による計測値に基づいて、予混合空気調節バルブ３０を駆動するアクチュエータ（モータ等）３８を自動的に制御するように構成することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による熱光発電装置（ＴＰＶシステム）によれば、空気と燃料ガスとの予混合を効率良く行うことで燃焼効率を改善し結果としてエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱光発電装置の第一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明による熱光発電装置の第二実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明による熱光発電装置の第三実施形態を示す断面図である。
【図４】流量センサ及び温度センサの出力をモニタすることにより予混合空気の流量を制御するフローを示す図である。
【符号の説明】
１０…光電変換セル
１２…ＳｉＯ２ガラスフィルタ
１４…燃料ガスパイプ
１６…燃焼ガス噴出し口用プレート
１８…エミッタ（発光体）
２０…熱交換器
２２…燃焼用空気供給ポート
２４…排気排出用ポート
２６…予混合室
２８…燃焼室
３０…予混合空気調節バルブ
３２…流量センサ
３４…温度センサ
３６…電子制御装置（ＥＣＵ）
３８…アクチュエータ（モータ等）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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