(57)【要約】【課題】耐熱性を向上させるとともに更なる高効率化を図った熱光発電装置を提供する。【解決手段】燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器１６と、その燃焼器の上側に配置され燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタ２４と、燃焼器の下側に配置されエミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セル１２と、燃焼器と光電変換セルとの間に配置され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フィルタ１４と、を備える熱光発電装置において、エミッタ２４に火炎受け部を設けることにより、燃焼器による火炎がフィルタ１４に直接接触しないようにする。あるいは、燃焼器とフィルタとの間に、透明材料で構成された保持部材と、その保持部材に保持され希土類金属を主成分とする液体状又は粉体状の第二のエミッタと、を設けたことを特徴とする。【選択図】　　　図１
2004088922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に配置され前記燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、前記エミッタに対向する位置に配置され前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、前記エミッタと前記光電変換セルとの間に配置され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フィルタと、を備える熱光発電装置において、前記エミッタに火炎受け部を設けることにより、前記燃焼器による火炎が前記フィルタに直接接触しないようにしたことを特徴とする熱光発電装置。
【請求項２】
燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に配置され前記燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、前記エミッタに対向する位置に配置され前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、前記エミッタと前記光電変換セルとの間に配置され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フィルタと、を備える熱光発電装置において、前記燃焼器と前記フィルタとの間に、透明材料で構成された保持部材と、前記保持部材に保持され希土類金属を主成分とする液体状又は粉体状の第二のエミッタと、を設けたことを特徴とする熱光発電装置。
【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２００１−１２４８０１号の願書に添付した明細書及び図面において、燃料及びエアの供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器（バーナ）と、その燃焼器から発生する燃焼ガスが内部を通過することによって加熱される多孔質体エミッタと、そのエミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、を備える熱光発電装置において、燃焼器の下流側にエミッタを配置し、エミッタに対向する位置に光電変換セルを配置する構造を提案している。
【０００５】
その提案された構造では、エミッタと光電変換セルとの間に、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の側へ反射してエミッタの加熱に利用せしめる波長選択フィルタ（ＳｉＯ２ガラス等）が配置される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＴＰＶシステムでは、発光体であるエミッタの表面温度が上昇するほど効率が良好となり出力が増大するため、高性能化を図るべくエミッタ表面温度を１７００°Ｃ程度の高温とする必要があり、当然、燃焼ガスの温度はそのエミッタ温度よりも高くなる。その結果、燃焼室を構成する部材が高温にさらされて、劣化したり破損したりするおそれがある。
【０００７】
特に、燃焼室と光電変換セルとを隔離するＳｉＯ２ガラス等が高温により軟化して変形したり溶けたりする不具合が発生する。ＳｉＯ２ガラス等に高温の炎が直接当たると、その不具合の程度が大きくなる。
【０００８】
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、耐熱性を向上させるとともに更なる高効率化を図った熱光発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に配置され前記燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、前記エミッタに対向する位置に配置され前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、前記エミッタと前記光電変換セルとの間に配置され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フィルタと、を備える熱光発電装置において、前記エミッタに火炎受け部を設けることにより、前記燃焼器による火炎が前記フィルタに直接接触しないようにしたことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
また、本発明の第二の面によれば、燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の下流側に配置され前記燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、前記エミッタに対向する位置に配置され前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、前記エミッタと前記光電変換セルとの間に配置され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フィルタと、を備える熱光発電装置において、前記燃焼器と前記フィルタとの間に、透明材料で構成された保持部材と、前記保持部材に保持され希土類金属を主成分とする液体状又は粉体状の第二のエミッタと、を設けたことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【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、下側から、冷却器１０、光電変換セル１２、波長選択フィルタ１４、燃焼器（バーナ）１６、多孔質体（ポーラス体）のエミッタ２４、熱交換器２６及び排気ファン２８が配置された構造を有している。燃焼器１６は、矩形の各辺を形成する形状とされ、燃料供給管１８及び予混合室２０を備えている。そして、燃焼器１６には、内側水平方向に形成される燃焼室２２に向けて火炎を噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられている。
【００１３】
空気供給ポート３０から吸入された空気は、光電変換セル１２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。また、冷却器１０に冷却水（図示せず）が流されることによっても、光電変換セル１２の冷却が行われている。
【００１４】
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２６に導かれ、その中の熱交換フィンの中を通ることにより、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。この熱交換により加熱された空気は、燃焼器１６の予混合室２０に導入され、燃料供給管１８からの燃料と混合せしめられる。そして、その混合気が燃焼器１６の噴出口より燃焼室２２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、多孔質体エミッタ２４の内部を通過して上昇する。エミッタ２４は、その通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、赤外光を輻射する。輻射された赤外光は、フィルタ１４に到達する。フィルタ１４は、ＳｉＯ２ガラスであり、燃焼室の下部を形成している。
【００１６】
そして、フィルタ１４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２４の側へ反射してエミッタ２４の加熱に利用する。フィルタ１４を透過した赤外光は、光電変換セル１２に入射して電力に変換される。
【００１７】
エミッタ２４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２６にて前述のように空気を加熱した後、装置の上部に取り付けられた排気ファン２８から排出される。
【００１８】
図１に示されるように、本実施形態におけるエミッタ２４は、上部部材２４ａ、下部部材２４ｂ、及びそれらを中央部分にて連結する連結部材２４ｃからなり、火炎が上部部材２４ａと下部部材２４ｂとの間に噴出するように構成されている。すなわち、エミッタ２４には火炎受け部が設けられている。
【００１９】
これに対し、本願出願人が先にした特願２００１−１２４８０１号の願書に添付した明細書及び図面に記載された熱光発電装置においては、そのような火炎受け部がエミッタに設けられておらず、高温ガスや、ときには直接に火炎がＳｉＯ２ガラス（フィルタ）に当たることがあったため、耐熱性の面で問題があった。
【００２０】
そこで、本実施形態では、エミッタ２４に火炎受け部を設けて、燃焼器１６による火炎や高温ガスがＳｉＯ２ガラス（フィルタ）１４に直接接触しないようにすることで、かかる耐熱性の問題が解消されている。
【００２１】
また、本実施形態では、光は、エミッタ上部部材２４ａの下面２４ａｂからエミッタ下部部材２４ｂの上面２４ｂｔに放射される。なぜならば、下部部材２４ｂの下面２４ｂｂより光電変換セル１２に光が放射され、下部部材２４ｂの温度が低下しており、（２４ｂｔの温度）＜（２４ａｂの温度）、となるからである。つまり、発光面が２４ｂｂとなるのに対し、燃焼からの熱吸収面が２４ｂｔ及び２４ａｂとなっていることとなる。
【００２２】
このように、本実施形態では、従来技術に比較して、火炎及び高温ガスからの熱吸収面が倍化され、その結果、エミッタの発光量が増大して性能が向上する。
【００２３】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、上述した第一実施形態の変形例として、そのエミッタ１２４を示す断面図及び底面図である。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）の底面図に入れた切断線Ｘ−Ｘに沿って切断したときの断面図である。この変形例では、エミッタ上部部材１２４ａの上面に窪みが設けられることで、高温燃焼ガスが上部部材１２４ａを平均的に通過し、結果的に下部部材１２４ｂの発光面１２４ｂｂより均一な光が放射されるように構成されている。このような構成としたのは、光電変換セルに入射する光の密度が変化すると、セルの出力は最小の光密度によって影響され、出力が低下するからである。
【００２４】
図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、上述した第一実施形態のもう一つの変形例として、そのエミッタ２２４を示す断面図、右側面図及び底面図である。なお、図３（Ａ）は、図３（Ｃ）の底面図に入れた切断線Ｙ−Ｙに沿って切断したときの断面図である。この変形例では、上部部材２２４ａと下部部材２２４ｂとの連結が、端部（４箇所）に設けられた連結部材２２４ｃでなされるように構成されている。したがって、この変形例によれば、中央部の発光量を増大させることが可能となる。
【００２５】
以上のような第一実施形態及びその変形例によれば、第一に、ＳｉＯ２ガラス（フィルタ）を熱から保護することができ、第二に、熱吸収面の面積の増大により出力を上昇させることができる、という効果がある。
【００２６】
なお、エミッタの上部部材２４ａ、１２４ａ、２２４ａに比較して下部部材２４ｂ、１２４ｂ、２２４ｂを薄くしてあるのは、熱容量を小にして、発光の運転開始からの立ち上がりを良好にするためである。また、下部部材２４ｂ、１２４ｂ、２２４ｂの厚さは、上部部材２４ａ、１２４ａ、２２４ａからの放射光をそのまま透過することができる厚さであれば、なおさら良い。
【００２７】
図４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。前述した第一実施形態と相違する部分についてのみ説明すると、この第二実施形態では、エミッタ支持部材３５０が大型化され、その上に皿状の下部エミッタ保持部材３５２が設けられている。そして、その下部エミッタ保持部材３５２に下部エミッタ（第二のエミッタ）３５４が保持されている。
【００２８】
エミッタ支持部材３５０の構造が図５に示される。すなわち、図５（Ａ）は、エミッタ支持部材３５０の平面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の平面図に入れた切断線Ｚ−Ｚに沿って切断したときの断面図である。そして、このエミッタ支持部材３５０は、耐熱性の高いセラミック材、例えばＡｌ２Ｏ３等でできている。
【００２９】
また、下部エミッタ保持部材３５２は、ＳｉＯ２等、光学的に透明で、かつ、耐熱性の高い材料でできている。さらに、下部エミッタ３５４は、例えば、ＳｉＯ２に希土類であるＥｒ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３等の発光体を混合したものである。
【００３０】
この第二実施形態においては、下部エミッタ（第二のエミッタ）３５４は希土類を含んでおり、その比率が低いため、希土類の量に対して供給熱量（すなわち燃焼ガスから入ってくる熱量）が多い。したがって、下部エミッタ３５４は、高温となり、強い光を発する。
【００３１】
また、ＳｉＯ２とＥｒ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等とは混合せしめられているため、融点が低下し、下部エミッタ３５４は溶融状態すなわち液体状のエミッタとなる。すると、図６に示されるように、エミッタ３５４内で対流による熱移動が発生し、燃焼ガスとの熱交換率が高くなる。かくして、光発生量が増加し、性能が向上し、さらに高効率化及びコンパクト化が可能となる。
【００３２】
図７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。前述した第一実施形態と相違する部分についてのみ説明する。図７において、４２４は、多孔質体（ポーラス体）のエミッタ、４２５は、密なる組織で構成され、ポーラス体に比較してかなりガスを通しにくいエミッタ部材である。このエミッタ部材４２５は、希土類で作製されている。
【００３３】
また、４５２は、ＳｉＯ２で作製されたプレートである。４１８及び４６０はガス供給管であり、ガス供給管４６０には、装置中央部において上方に向けてガスを放出するためのガス出口が設けられている。４６２は、ガスを通すポーラス体の蓋である。そして、プレート４５２の上には、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等の希土類よりなる粉体（粉体状エミッタ）４５４が存在する。
【００３４】
図８を用いて動作を説明する。前述のように、プレート４５２上には粉体４５４があり、燃料が噴出口４７０及び４７１より供給されて燃焼室にて燃焼する。燃焼したガスは、矢印Ａ及び矢印Ｂに示されるように吹き出す。すると、粉体４５４は、矢印Ａに示される如く吹き飛ばされて中央へと移動し、その後、矢印Ｂに示される如く吹き上げられ、矢印Ｃの経路を通る。
【００３５】
粉体４５４が矢印Ｃの経路を通って周辺に移動すると、その流速は遅くなる。流速が遅くなると、粉体４５４は、重力により下方へと落下する。燃焼ガスは、矢印Ｄで示される経路を通って外に排出されるが、粉体４５４は、Ａ→Ｂ→Ｃの経路を循環し続ける。このとき、粉体４５４は、高温ガスによって熱せられ、熱容量が小さいために極めて高温となって光を発する。すなわち、高性能なエミッタとなる。
【００３６】
この第三実施形態によれば、極めて暖機時間の短い、すなわち立ち上がりの迅速なＴＰＶシステムが構成される。そして、そのエミッタは、発光強度の高い高効率エミッタとなる。さらに、主として発光するのは粉体状エミッタであるため、希土類の使用量を低減させることができ、低コスト化が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱光発電装置において耐熱性が向上するとともに更なる高効率化が図られる。
【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】（Ａ）及び（Ｂ）は、第一実施形態の変形例におけるエミッタを示す断面図及び底面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第一実施形態のもう一つの変形例におけるエミッタを示す断面図、右側面図及び底面図である。
【図４】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５】（Ａ）及び（Ｂ）は、第二実施形態におけるエミッタ支持部材の構造を示す平面図及び断面図である。
【図６】エミッタにおける熱移動の様子を示す図である。
【図７】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８】第三実施形態における動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…冷却器
１２…光電変換セル
１４…波長選択フィルタ
１６…燃焼器（バーナ）
１８…燃料供給管
２０…予混合室
２２…燃焼室
２４…多孔質体（ポーラス体）のエミッタ
２４ａ…エミッタ上部部材
２４ａｂ…エミッタ上部部材２４ａの下面
２４ｂ…エミッタ下部部材
２４ｂｔ…エミッタ下部部材２４ｂの上面
２４ｂｂ…エミッタ下部部材２４ｂの下面
２４ｃ…エミッタ連結部材
２６…熱交換器
２８…排気ファン
３０…空気供給ポート
１２４…エミッタ
１２４ａ…エミッタ上部部材
１２４ｂ…エミッタ下部部材
１２４ｂｂ…エミッタ下部部材１２４ｂの下面
２２４…エミッタ
２２４ａ…エミッタ上部部材
２２４ｂ…エミッタ下部部材
２２４ｃ…エミッタ連結部材
３５０…エミッタ支持部材
３５２…下部エミッタ保持部材
３５４…下部エミッタ（第二のエミッタ）
４１８…ガス供給管
４２４…多孔質体（ポーラス体）のエミッタ
４２５…エミッタ部材
４５２…ＳｉＯ２で作製されたプレート
４５４…粉体（粉体状エミッタ）
４６０…ガス供給管
４６２…ポーラス体の蓋
４７０…噴出口
４７１…噴出口
【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】
2004088922.tif 000009
【図８】
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