(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の発熱もしくは加熱装置による加熱によりふく射エネルギーを放出するふく射放射部と、蓄熱層と、蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替え手段と、光発電素子とで構成される発電装置であって、前記蓄熱層には前記光発電素子が有効に発電する波長域に対して透過性を持つふく射波長選択性材料が用いられ、かつ前記蓄熱層はふく射放射部に対向して配置した２つの蓄熱層からなり、各蓄熱層の外側であって蓄熱槽を透過したふく射を受光しうる位置に前記光発電素子が対向して配置されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
蓄熱層が、角型棒状のふく射波長選択性材料を並行または格子状に組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
角型棒状のふく射波長選択性材料の端面が、透過する波長域以下の荒さに研磨されていることを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
蓄熱層が、平板状のふく射波長選択性材料に複数の気体通過孔を設けた目ざら状のものを複数枚並列に配置した形状であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項５】
平板状のふく射波長選択性材料に設けた気体通過孔の内面が、透過する波長域以下の荒さに研磨されていることを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項６】
蓄熱層と光発電素子との間に、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射に対して透過性を持つ赤外光フィルターをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の発電装置。
【請求項７】
蓄熱層と光発電素子との間に、光発電素子が有効に発電できない波長域のふく射に対して反射性を持つリフレクターをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の発電装置。
【請求項８】
作動流体の流路を囲む壁面に、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射に対して反射性を持つリフレクターをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし７いずれか記載の発電装置。
【請求項９】
光発電素子に熱的に接して冷却用媒体の流路が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８いずれか記載の発電装置。
【請求項１０】
冷却用媒体が作動流体であり、流路を通過することにより光発電素子と作動流体との間で熱交換が行われるようにされていることを特徴とする請求項９記載の発電装置。
【請求項１１】
光発電素子の受光側とは反対の面にペルチェ素子を配置してなることを特徴とする請求項９または１０記載の発電装置。
【請求項１２】
ふく射波長選択性を持つ第１の蓄熱層の低温側に、ふく射波長選択性を持たない材料を用いた第２の蓄熱層がさらに備えられており、作動流体は第２の蓄熱層をも通過するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１１記載の発電装置。
【請求項１３】
ふく射放射部は加熱用バーナーを備えることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか記載の発電装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３いずれか記載の発電装置を用いた発電システム。
【請求項１５】
作動流体の全部または一部として、他の産業機器または施設から、あるいは自然界から、排出あるいは発生する希薄な可燃性気体を用いることを特徴とする請求項１４記載の発電システム。
【請求項１６】
希薄な可燃性気体の可燃性成分を濃縮した後に、発電装置に作動流体として導入することを特徴とする請求項１５記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱光発電（thermophotovoltaic）を用いた発電装置と発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光発電を用いた発電装置は、熱源、熱源からの熱を受けてふく射を発生するエミッタ、および、光発電素子の３の要素で構成され、高温に加熱されたエミッタから出るふく射を光発電素子に入射し、起電力を得るシステムである。太陽電池発電と異なり、一般的に高温物質からでるふく射光全般を光源として利用できることなどの理由から、この発電装置は高い将来性が期待されている。
【０００３】
米国特許第４８３６８６２号明細書には、熱光発電を用いた発電装置の一例が記載されている。ここでは、ガス燃焼ゾーン内にジルコニアの小球を配置して蓄熱層とし、燃焼ガス顕熱をジルコニアの小球で熱回収し、そこに燃焼空気を通して予熱を行うようにし、かつ、燃焼空気は蓄熱層内で流動方向の切り替えが行えるようにして、熱回収をはかっている。一方、蓄熱層から放射されるふく射は、石英ガラスであるフィルタを通過して光発電素子に入射する。石英ガラスを通過することで、特定の波長域、すなわち、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射のみが、光発電素子に達するようになっている。
【０００４】
米国特許第５５５１９９２号明細書には、熱光発電を用いた発電装置の他の例が記載されている。ここでは、ガス燃焼により希土類金属を添加したエミッターを加熱し、そこから放射される特定の波長域のふく射を光発電素子に向けて通過させるために、２種類のフィルターを組み合わせて用いている。エミッターは孔を持つディスク状で、これを多段に積み上げた構造であり、各段において孔の位置をずらすようにして積み上げることにより、燃焼ガスに乱流を発生させて、電熱効率を向上させている。また、同様の構造の熱交換器を備え、燃焼排ガスから熱回収もはかっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、熱光発電を用いた発電装置は、光発電素子が有効に発電できる波長域のふく射を、波長選択性を持つ材料により作られたフィルターを透過させることにより選択するようにしている。しかし、ふく射のうち、当該フィルターを透過しない波長域（発電に無効なふく射）の多くは、フィルター自身に吸収されて熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーは、通常、フィルターの冷却手段によって、発電に寄与しない無効エネルギーとして系外に排出されるか、もしくは、フィルターの昇温を招くことによりフィルターからのふく射の再射出が行われるため、結果として、発電に寄与しないふく射の波長成分が光発電素子に入射するようになり、発電効率を低下させる。
【０００６】
例えば、米国特許第４８３６８６２号明細書に記載の熱光発電装置では、フィルタである石英ガラスを透過できない波長域のエネルギーの一部は石英ガラスに吸収され、石英ガラスを加熱して温度を上昇させるために、石英ガラスから光発電素子に向けてふく射の再射出が生じる。その結果、光発電素子が有効に電力に変換できない無効なふく射波長成分が光発電素子に入射することになる。米国特許第５５５１９９２号明細書に記載の熱光発電装置でも同様であり、２種類のフィルターを用いても、フィルターに吸収されたふく射波長成分の持つエネルギーを有効に利用することはできない。
【０００７】
上記の事情から、従来の熱光発電を用いた発電システムでは、光発電素子が発電に有効に利用できる波長域が狭いこともあって、ふく射放射部に投入したエネルギーの多くは、光発電素子の温度の上昇に使用されるか、系外への熱損失となってしまっており、実際の発電に寄与する割合は小さく、発電効率は高くない。また、光発電素子が規定値以上に温度上昇するのを回避するために冷却のためのエネルギーを必要とし、さらに効率を低下させる。そのために、実用的レベルでの発電効率を得るには至っていないのが実状である。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、熱光発電を用いた発電装置および発電システムにおいて、実用に耐えるレベルにまで発電効率を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による発電装置は、作動流体の発熱もしくは加熱装置による加熱によりふく射エネルギーを放出するふく射放射部と、蓄熱層と、蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替え手段と、光発電素子とで構成される発電装置であって、前記蓄熱層として、前記光発電素子が有効に発電する波長域に対して透過性を持つふく射波長選択性材料を用い、かつ、該蓄熱層を透過したふく射を受光しうる位置に光発電素子が配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、作動流体とは、ふく射放射部の加熱に作動流体の発熱を用いる場合には、可燃性気体と支燃性気体（酸素など）を含むものであれば任意であり、また、ふく射放射部の加熱に加熱装置を用いる場合には、流動性を有する気体であれば任意であり、特に制限はない。また、本発明による発電装置では、後記する理由から、可燃性気体の濃度がきわめて希薄な場合であっても、作動流体として有効に用いることができる。
【００１０】
ふく射放熱部は、作動流体の燃焼熱を有効にふく射に変換するものであれば任意であり、特に制限はない。例えば、発泡状の多孔質体、ファィバー状の多孔質体、通気孔を有する板状の固体のようなものが用いられる。ネオジウム、エルビウム、イッテルビウム、ホスフェンなどの希土類が添加されたものは、光発電素子が有効に電力に変換できる波長範囲のふく射を多く放射することからさらに好ましい。
【００１１】
光発電素子は、Ｓｉ，ＧａＳｂ，ＩｎＧａＡｓ，Ｇｅ，ＣｄＴｅ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＰ，ＡｌＳｂ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＺｎＳｅなどの、従来知られているものをそのまま用いればよい。
蓄熱層の素材であるふく射波長選択性材料としては、石英ガラス、結晶化ガラス、低膨張ガラスのようなものが用いられる。実機においては、使用する光発電素子の発電波長特性などに応じて、適切なふく射波長選択性を持つ材料を選択して使用する。
【００１２】
本発明による発電装置では、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射を選択的に透過させるためのふく射波長選択性材料が蓄熱層を兼ねており、そこを透過しない、すなわち光発電素子での発電に寄与しない無効な波長域のふく射は蓄熱層に吸収される。そしてそのエネルギーは蓄熱層を加熱する。蓄熱層は作動流体（燃焼ガス）が流れることによっても加熱され、蓄熱層の温度は、ふく射放射部に近いところが最も高く、光発電素子に面した側が最も低くなる。
【００１３】
一方、作動流体は蓄熱層内での流動方向が切り替えられるので、作動流体はすでに加熱されている蓄熱層を通過するときに予熱される。すなわち、光発電素子での発電に寄与しない無効な波長域の持つエネルギーは、蓄熱層を通過する作動流体により効果的に回収される。そして、予熱された作動流体がふく射放射部に流入して燃焼し、燃焼ガスの持つ熱エネルギーはふく射放射部を加熱して、ふく射放射部からふく射エネルギーを放出する。それにより、光発電素子による発電が起こるとともに、前記のように光発電素子の発電に寄与しない波長域のエネルギーは蓄熱層を加熱する。以下、それが作動流体の流動方向の切り替えごとに反復する。すなわち、本発明による発電装置では、発電に有効な波長域のみが光発電素子に主として入射し、それ以外の波長域が持つエネルギーは蓄熱層を媒体として作動流体の予熱に用いられるために、投入する熱量、すなわち、作動流体の流量もしくは可燃性成分の濃度、もしくは加熱装置に投入する燃料の量を減少させることができ、システムとしての効率が向上する。また、作動流体が効果的に予熱されることから、産業機器、産業施設、もしくは自然界から排出、発生する、通常利用できない程度の低濃度の可燃性気体を含む記載を作動流体として用いて、発電を行うことが可能となる。
【００１４】
加熱された蓄熱層の温度は、ふく射放射部に近いところが最も高く、光発電素子に面した側が最も低い。そして、ふく射放射部に近い蓄熱層領域からはふく射が再射出されるが、そのふく射のうち、無効な波長域のふく射は蓄熱層の他の領域に吸収され、光発電素子には達しない。そのために、従来の光発電素子のように、波長選択性のためのフィルターにおける、吸収・再射出による発電効率の低下も回避することができ、ここでもシステム効率の向上が図られる。
【００１５】
好ましくは、発電装置は、ふく射放射部に対向して２つの蓄熱層が配置しており、各蓄熱層の外側に光発電素子が対向して配置していることを特徴とする。このような形態とすることにより、蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替えによる熱回収と、発電効率との双方を高効率化することができる。
【００１６】
好ましい態様において、蓄熱層は、角型棒状のふく射波長選択性材料を並行または格子状に組み合わせた形状とされ、さらに好ましくは、該角型棒状のふく射波長選択性材料の端面が、そこを透過する波長域以下の荒さに研磨される。別の態様では、蓄熱層は、平板状のふく射波長選択性材料に複数の気体通過孔を設けた目ざら状のものを複数枚並列に配置した形状のものとされ、そこにおいて、好ましくは、平板状のふく射波長選択性材料に設けた気体通過孔の内面が、そこを透過する波長域以下の荒さに研磨される。
【００１７】
蓄熱層を上記のような形状とすることにより、ふく射放射部から放射されるふく射のうち、光発電素子に向かわない方向成分が、上記の端面もしくは内面において反射され、光発電素子へのふく射の入力量を増加させることが可能となる。蓄熱層と光発電素子との間に、光発電素子が有効に発電できない波長域のふく射に対して反射性を持つリフレクターをさらに備えるようにしてもよい。それにより、反射されたふく射は、蓄熱層もしくはふく射放射部に吸収され、作動流体の予熱もしくはふく射放射部の加熱に有効に用いることができるため、エネルギー効率を高めることが可能となる。
【００１８】
上記のように、本発明による発電装置では、蓄熱層を光発電素子が有効に発電する波長域に対して透過性を持つふく射波長選択性材料を用いて作ることにより、高い発電効率を得ることができる。しかし、蓄熱層を構成するふく射波長選択性材料のみで、所要の短波長（例えば、２ミクロン）以上のものをすべてカットすることは実際上は困難である。そのために、本発明による発電装置の好ましい態様では、蓄熱層と光発電素子との間に、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射に対して透過性を持つ赤外光フィルター、および／または、光発電素子が有効に発電できない波長域のふく射に対して反射性を持つリフレクター、をさらに備えるようにしている。このようなフィルターを備えることにより、有効に発電する波長域のふく射をより限定的に光発電素子へ入射させることが可能となり、光発電素子の温度上昇による効率低下を抑制することができる。
【００１９】
光発電素子の温度上昇を回避するために、光発電素子に熱的に接して放熱フィンを設けたり、光発電素子に熱的に接して冷却用媒体の流路を設けて冷却用媒体を流下させることは効果的である。さらに、ふく射放射部の加熱源である作動流体を上記の冷却用媒体として用いることもできる。その場合には、作動流体が冷却用の流路を通過することにより、光発電素子と作動流体との間で熱交換が行われて作動流体が予熱され、それがふく射放射部に供給されることから、トータルとしての効率が改善される。光発電素子の受光側とは反対の面に低温側が面するようにしてペルチェ素子を積層して、該ペルチェ素子を光発電素子から作動流体への熱輸送手段として用いるようにしてもよい。この場合には、光発電素子を発電効率の高い比較的低い温度に維持しながら、作動流体を比較的高温度にまで予熱することができる利点がある。ペルチェ素子に投入する電力は、ふく射放射部の加熱として用いられるので、損失とはならない。
【００２０】
ふく射放射部を加熱した後の作動流体は、蓄熱層を予熱しながら系外に排出される。蓄熱層を通過後の作動流体（例えば、燃焼ガス）は、通常、依然として高い熱エネルギーを有しており、このまま放出することは、効率の低下を招く。従って、好ましい態様において、本発明による発電装置は、ふく射波長選択性を持つ第１の蓄熱層の低温側に、ふく射波長選択性を持たない材料を用いた第２の蓄熱層がさらに備える。この形態では、作動流体（例えば、燃焼ガス）は第２の蓄熱層を通過して系外に排出され、かつ、作動流体（例えば、未燃焼の混合気）は予熱された第２の蓄熱層を通過して系内に導入される。それにより、さらに熱効率の改善が図られる。第２の蓄熱層は１つの第１の蓄熱層に対して１つであってもよく、直列あるいは並列に複数個が配置されてもよい。
【００２１】
本発明は、上記した発電装置を用いた発電システムをも開示する。前記したように、本発明による発電装置は作動流体の予熱を効果的に行うことができるので、常態では燃焼しないような可燃成分が希薄な混合気を作動流体として用いても発電を継続することができる。従って、本発明による発電システムの好ましい態様においては、他の産業機器、産業施設、もしくは自然界から排出、発生する常態では燃焼しない希薄な可燃性成分を含む気体を作動流体の全部または一部として用いるようにする。その際に、希薄な可燃性気体の可燃性成分を濃縮した後に、発電装置に作動流体として導入するようにしてもよい。
【００２２】
前記した他の産業機器または施設から排出あるいは発生する希薄な可燃性成分を含む気体としては、固定電解質燃料セルからの排気流体や内燃機関からの排気流体などのように可燃限界以下ではあるが可燃性成分として炭化水素類、水素、一酸化炭素などを含むような流体や、し尿処理場、下水処理場、汚泥処理場、ランドフィル場、家畜飼育場、たい肥堆積場、穀類堆積場、炭坑、湖沼などから発生する、微量のメタンなどの炭化水素類を含有する流体、などがあげられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、いくつかの実施の形態に基づき、本発明を詳細に説明する。図１は本発明による発電装置の一実施の形態を示しており、発電装置１は、作動流体により発熱しふく射エネルギーを放出するふく射放射部１０と、該ふく射放射部１０に対向して配置する一対の蓄熱層２０Ａ，２０Ｂと、蓄熱層２０Ａ，２０Ｂの背面側に配置した光発電素子３０とを備え、さらに、図示されないが、蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替え手段とを備えている。
【００２４】
作動流体は、炭化水素、水素、一酸化炭素などの可燃性気体と酸素などの支燃性気体との混合気であり、ふく射放射部１０内あるいはその近傍に供給されて燃焼し、燃焼熱によりふく射放射部１０を加熱する。ふく射放射部１０はこの例では多孔性であるかファイバー状の固体であり、通気性と高熱伝達性を備える。そして、作動流体の燃焼熱を有効にふく射に変換する。ネオジウム、エルビウム、イッテルビウム、ホスフェンなどの希土類を添加して、ふく射変換率を高めるようにしてもよい。
【００２５】
蓄熱層２０Ａ，２０Ｂは、石英ガラス、結晶化ガラス、低膨張ガラス、低温熱戦反射ガラスのような材料で作られており、作動流体の通過が可能であるとともに、所要のふく射波長域に対しては選択的透過性を有し、他の波長域のふく射は吸収する。吸収されたふく射は熱エネルギーに変換し蓄熱層を加熱する。所定温度に達すると、ふく射を再放出する。光発電素子３０は従来知られたものであり、説明は省略する。蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替え手段も従来知られた適宜の流路切り替え手段であってよく、ここでは、説明は省略する。
【００２６】
図１に示す発電装置１の運転状態を説明する。作動流体、例えばメタンと空気の希薄混合気が、切り替え手段の操作により、蓄熱層２０Ａの背面側からふく射放射部１０に向けて供給される（矢印Ａ１）。供給された混合気はふく射放射部１０で燃焼し、燃焼熱によりふく射放射部１０を例えば１５００℃程度に昇温させる。それにより、多くの波長域のふく射が放射される。燃焼ガスは他方の蓄熱層２０Ｂを熱交換により加熱しながら通過してその背面から系外に放出される（矢印Ａ２）。
【００２７】
所定時間経過後に、切り替え手段を操作して混合気の流れ方向を逆転する。それにより、作動流体は加熱されている蓄熱層２０Ｂの背面側からふく射放射部１０に向けて流れ（矢印Ｂ１）、その間に予熱される。予熱された混合気はふく射放射部１０で燃焼し、ふく射放射部１０から多くの波長域のふく射を放射させる。燃焼ガスは他方の蓄熱層２０Ａを熱交換により加熱しながら通過してその背面から系外に放出される（矢印Ｂ２）。上記混合気の流れ方向の切り替えにより、蓄熱層２０Ａ，２０Ｂには、ふく射放射部１０側が高温、光発電素子３０側が低温となった温度が形成される。
【００２８】
放射されたふく射は蓄熱層２０Ａ，２０Ｂ内に進入し、一部、すなわち、光発電素子３０が有効に発電する波長域のものは、矢印Ｘで示すように、蓄熱層２０を透過して光発電素子３０に入射し発電に寄与する。他の波長域のものは、矢印Ｙで示すように、蓄熱層２０に吸収されて熱に変換し、光発電素子３０に入射することはない。それにより、光発電素子３０が加熱されるのは抑制され、昇温による光発電素子の発電効率の低下を回避することができる。。
【００２９】
無効な波長域のふく射を吸収して蓄熱層２０は加熱され、ふく射を再射出する。再射出されたふく射のうち、有効な波長域は蓄熱層を透過して光発電素子３０に入射し発電に寄与する。しかし、無効な波長域のふく射はやはり蓄熱層の他の部分で吸収されるので光発電素子３０に入射することはない。蓄熱層２０内で熱に変換したエネルギーは混合気（作動流体）の予熱するので、発電に寄与する波長域以外のふく射も有効利用されることとなり、全体としての熱効率は大きく向上する。光発電素子３０は、好ましくは、それぞれが電力端子を有する複数個の光発電素子で構成されており、個々の光発電素子の電力端子を直列または直並列に接続させて、昇圧した電圧を得るようにしている。
【００３０】
図２および図３は、蓄熱層２０の内部のいくつかの例を示す。図２ａでは、角型棒状のふく射波長選択性材料２１を間隔をおいて並行に多数本配置しており、図２ｂでは、同じ角型棒状のふく射波長選択性材料２１を間隔をおいて格子状に多数本組み合わせた形状である。必須ではないが、いずれにおいても角型棒状のふく射波長選択性材料２１のふく射放射部から光発電素子に向かうふく射方向成分２７に平行な端面２２を透過する波長域以下の荒さに研磨しておく。このような形状とすることにより、ふく射放射部から放射されるふく射のうち、光発電素子に向かわず、流路壁面に吸収されてしまう方向の成分が端面２２で反射されることとなり、光発電素子へのふく射入射量を増加させることが可能となる。
【００３１】
図３ａは、平板状のふく射波長選択性材料２３に、複数の円形の気体通過孔２４を設けた目ざら状のものであり、図３ｂは、細長い長孔２５を気体通過孔として複数個形成したものであり、図３ｃは、ほぼ正方形である気体通過孔２６を複数個形成したものである。図３ｄは、これらの平板状のふく射波長選択性材料２３のうち、同種のもの、あるいは異種のものを、複数枚並列に配置し、蓄熱層２０を形成したものである。図３ｄにおいて、２９はふく射のうち光発電素子に向かう方向成分を示す。図３ｄにおいて、好ましくは、軸線方向に連通する気体通過空間が形成されないように、各平板状のふく射波長選択性材料２３を配置する。また、各平板状のふく射波長選択性材料２３の周側面および気体通過孔２４、２５、２６の内面を、透過する波長域以下の荒さに研磨する。この形状の蓄熱層２０においても、ふく射放射部から放射されるふく射のうち、光発電素子に向かわず、流路壁面に吸収されてしまう方向の成分が端面２４、２５、２６で反射されることとなり、光発電素子へのふく射入射量を増加させることが可能となる。なお、図２および図３に示すふく射波長選択性材料の形状と構成は好ましい態様であって、単にブロック状のふく射波長選択性材料により蓄熱層を形成する場合でも、所期の目的が達成されることはいうまでもない。
【００３２】
図４は、本発明による発電装置の他の実施の形態を示しており、ここでは、蓄熱層２０と光発電素子３０との間に、光発電素子３０が有効に発電する波長域のふく射に対して透過性を持つ赤外光フィルター３５をさらに備えている点で、図１に示したものと相違している。実機において、蓄熱層２０を構成するふく射波長選択性材料のみで、例えば２ミクロン以上の波長域のものをすべてカットすることは実際上は困難であり、わずかとはいえ、発電に寄与しない長い波長のものが蓄熱層２０を透過してしまうことを避けられない。上記のように光発電素子３０が有効に発電する波長域に対して透過性を持つ赤外光フィルター３５を配置することにより、波長の長いふく射が光発電素子３０に入射するのを回避することができ、光発電素子３０が必要以上に昇温するのが避けられる。赤外光フィルター３５としては、例えば誘電体フィルターが用いられる。
【００３３】
光発電素子３０が有効に発電する波長域のふく射に対して透過性を持つ赤外光フィルター３５に代えて、あるいは、そのフィルター３５に加えて、光発電素子が有効に発電できない波長域のふく射に対して反射性（矢印Ｚ）を持つリフレクター３６を備えるようにしてもよい。この場合にも、同じ理由により、光発電素子３０の温度上昇による効率低下は抑制される。リフレクター３６としては、例えば低温熱線反射ガラス、誘電体フィルター、金属や金属酸化物薄膜などが用いられる。
【００３４】
さらに、作動流体の流路を囲む壁面に、光発電素子が有効に発電する波長域のふく射に対して反射性を持つリフレクター（不図示）をさらに備えるようにしてもよい。このようなリフレクターを配置することにより、発電に有効な波長域のふく射が系外に放散するのを阻止することができる。リフレクターとしては、例えば熱線反射ガラス、誘電体フィルター、金属や金属酸化物薄膜などが用いられる。
【００３５】
図５は、本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を示しており、ここでは、光発電素子３０の背面に熱的に接触した状態で放熱フィン３１を設けるとともに、該放熱フィン３１と熱交換のできる位置に、光発電素子３０の冷却用媒体流路３２が設けられている点で、図１に示したものと異なっている。この形態では、光発電素子３０を積極的に冷却することができるので、光発電素子３０の温度上昇による発電効率低下を確実に抑制することができる。冷却用媒体としては、空気のような気体でもよく、冷却水のような液体であってもよい。また、作動流体（混合気）を冷却用媒体として用いることもできる。
【００３６】
図６は、作動流体（混合気）を冷却用媒体として用いる場合を示している。この場合に、混合気は、光発電素子３０の背面に形成された流路３２を通過して（矢印ＡＰ）、蓄熱層２０Ａの背面側からふく射放射部１０に向けて流れる（矢印Ａ１）。もし、そのときに光発電素子３０が混合気の温度以上に加熱されている場合には、そこで熱交換が行われ、光発電素子３０は降温し、混合気は予熱される。予熱された混合気はそのまま蓄熱層２０Ａに流入するので、高い熱回収率が得られ、効率が向上する。混合気の流動方向を切り替えた場合には、蓄熱層２０Ｂ側の流路３２において、矢印ＢＡ、Ｂ１で示す流れにより、同様な熱回収が行われる。
【００３７】
図７は、本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を示しており、ここでは、ふく射波長選択性を持つ前記第１の蓄熱層２０の低温側に、ふく射波長選択性を持たない材料を用いた第２の蓄熱層４０をさらに備えており、作動流体（混合気および燃焼ガス）は第２の蓄熱層４０をも通過するように構成されている点で、上記した形態と異なっている。なお、図７では、作動流体のための配管系および流動方向切り替え手段も示している。
【００３８】
この例において、蓄熱層２０と光発電素子３０との間には、石英ガラスからなる仕切板４１が取り付けてあり、該仕切板４１の背面に密閉箱４２（光発電素子３０の冷却用媒体のための流路３２としての機能を果たす）を配置して、その中に光発電素子３０が収容されている。好ましくは図示のように、光発電素子３０の前面に赤外光フィルター３５も配置する。左右の密閉箱４２Ａ、４２Ｂの一方端には、作動流体（混合気）の供給ライン５０から分岐した流入管路５１Ａ、５１Ｂが接続しており、他方端には流出管路５２Ａ、５２Ｂが接続している。流出管路５２Ａ、５２Ｂの他端側は管路５３により連通しており、該管路５３からは２本の分岐管５４Ａ、５４Ｂが分岐している。各分岐管の他端側は流入側開閉弁５５Ａ、５５Ｂを介して第２の蓄熱層４０Ａ、４０Ｂの一端側に連通しており、該第２の蓄熱層４０Ａ、４０Ｂの他端側は管路５６Ａ、５６Ｂを介して、それぞれ蓄熱層２０Ａ、２０Ｂの背面側に連通している。さらに、第２の蓄熱層４０Ａ、４０Ｂには、流出側開閉弁５８Ａ、５８Ｂを備えた排気管路５７Ａ、５７Ｂの一方端が接続しており、該排気管路５７Ａ、５７Ｂの他端側は共通の作動流体（燃焼ガス）の排出ライン５９に接続している。
【００３９】
図７に示す発電装置１の運転状態を説明する。供給ライン５０からの作動流体（混合気）（通常、室温２５℃程度）が分岐した流入管路５１Ａ、５１Ｂを通って左右の密閉箱４２Ａ、４２Ｂ内に流入する。そこを通過するときに、光発電素子３０（高い発電効率が得られる１００℃以下に維持されているのが好ましい）および赤外光フィルター３５と熱交換を行い、混合気は予熱（例えば、５０℃程度）される。ここで、図示のように、流入側開閉弁５５Ａは開、流入側開閉弁５５Ｂは閉、流出側開閉弁５８Ａが閉、流出側開閉弁５８Ｂが開、の状態にそれぞれ設定されているとすると、予熱された混合気は管路５２Ａ、Ｂおよび５３Ａ、Ｂ、から管路５４Ａおよび開閉弁５５Ａを通って、第２の蓄熱層４０Ａに流入する。前の回の逆方向の作動流体（燃焼ガス）の通過により第２の蓄熱層４０Ａは流入する混合気の温度以上の温度にすでに予熱されており、第２の蓄熱層４０Ａを通過することにより、混合気はさらに高温に予熱される。そのようにして予熱された混合気が蓄熱層２０Ａの背面側から流入する。流入した予熱混合気が、蓄熱層２０Ａ，ふく射放射部１０，蓄熱層２０Ｂを通過するときの態様、および光発電素子３０による発電の態様は、上述した発電装置と同様である。
【００４０】
他方の蓄熱層２０Ｂから排出（矢印Ａ２）されるときの作動流体（燃焼ガス）の温度は、蓄熱層２０Ｂで熱回収されるとはいえ依然として高温（４００℃程度）であり、そのまま系外に放出すると熱損失となる。そこで、この形態の発電装置では、燃焼ガスを管路５６Ｂを通して第２の蓄熱層４０Ｂに流入させ、そこで熱交換を行い排熱回収を行う。熱が回収された燃焼ガスは排気管路５７Ｂ、排出ライン５９を介して、系外に排出される。所要時間経過後に、開閉弁５５Ａを閉、開閉弁５５Ｂを開、第２の開閉弁５８Ａを開、第２の開閉弁５８Ｂを閉、の状態に切り替える。それにより、蓄熱層２０および第２の蓄熱層４０内での作動流体の流動方向が切り替えられて放熱と熱回収のパターンが逆転する。しかし、光発電素子３０による発電は連続して行われる。この態様の発電装置では、高効率での熱回収を行うことができ、かつ、燃焼前の混合気を高い温度にまで予熱することができることから、高効率での運転が可能となることに加え、可燃限界以下の超希薄混合気であっても、それを作動流体として支障なく用いることができる。
【００４１】
図８は、本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を示しており、ここでは、光発電素子３０の背面に熱輸送手段としてペルチェ素子６０が積層されている点で、上述した発電装置と異なっている。なお、ペルチェ素子６０は、低温側が光発電素子３０の背面に接するようにして積層される。すでに記載したように、光発電素子３０において有効に発電に用いられなかった熱エネルギー（光発電素子を加熱するだけの熱）は、可能な限り作動流体の予熱に用いることが望ましい。今、作動流体を４０℃温度上昇させるだけの熱量を光発電素子３０から作動流体に移動させると仮定する。作動流体（混合気）は室温２５℃で流入するとすると、作動流体の温度を（２５℃＋４０℃＝）６５℃に予熱するには、光発電素子３０の温度が６５℃以上になっていなければ、熱を輸送することはできない。一方、光発電素子３０自身の温度は低い方が効率がよいので、光発電素子３０をより低い温度に維持しながら、作動流体には所要の熱輸送を行うことができれば、最も好ましい発電態様が得られる。
【００４２】
光発電素子３０の背面（受光側とは反対の面）にペルチェ素子６０を熱輸送手段として積層することにより、上記のことが達成できる。すなわち、高温側と低温側の温度差が１０℃程度の場合には、ペルチェ素子の効率は、ＣＯＰ＝４（１の電力を投入して、４の熱を低温側から高温側に移動できる）程度であり、光発電素子３０の温度が例えば５５℃（高い発電効率が得られる）であっても、効果的に、光発電素子３０を冷却しながら、作動流体を（光発電素子３０の温度以上に）予熱することが可能となる。ペルチェ素子の作動のために投入する電力は、ふく射放射部や蓄熱層の加熱として用いられるので、熱損失が生じることはない。
【００４３】
図８に示す例において、蓄熱層２０と光発電素子３０との間に赤外光フィルター３５が配置されており、その背面に熱的に接触して密閉箱４２（光発電素子３０の冷却用媒体のための流路３２としての機能を果たす）を配置し、その中に、低温側が光発電素子３０の受光側とは反対の面になるようにペルチェ素子６０を積層した光発電素子３０が収容されている。左右の密閉箱４２Ａ、４２Ｂの一方端には、作動流体（混合気）の供給ライン５０から分岐した流入管路５１Ａ、５１Ｂが接続しており、他方端は共通の流出管路５３により連通している。流出管路５３からは２本の分岐管５４Ａ、５４Ｂが分岐しており、各分岐管の他端側は、流入側開閉弁５５Ａ、５５Ｂを介して、それぞれ蓄熱層２０Ａ、２０Ｂの背面側の一端に連通している。蓄熱層２０Ａ、２０Ｂの背面側の他端には、流出側開閉弁５８Ａ、５８Ｂを備えた排気管路５７Ａ、５７Ｂの一方端が接続しており、該排気管路５７Ａ、５７Ｂの他端側は共通の作動流体（燃焼ガス）の排出ライン５９に接続している。
【００４４】
図８に示す発電装置１の運転状態を説明する。供給ライン５０からの作動流体（混合気）は分岐した流入管路５１Ａ、５１Ｂを通って左右の密閉箱４２Ａ、４２Ｂ内に流入する。そこを通過するときに、ペルチェ素子６０による熱の移動を受け混合気は予熱される。ここで、図示のように、流入側開閉弁５５Ａは開、流入側開閉弁５５Ｂは閉、流出側開閉弁５８Ａが閉、流出側開閉弁５８Ｂが開、の状態にそれぞれ設定されているとすると、予熱された混合気は、管路５３、５４Ａ、開閉弁５５Ａを通って、蓄熱層２０Ａの背面側から流入する。流入した予熱混合気が、蓄熱層２０Ａ，ふく射放射部１０，蓄熱層２０Ｂを通過するときの態様、および光発電素子３０による発電の態様は、上述した発電装置の同様である。他方の蓄熱層２０Ｂから排出される作動流体（燃焼ガス）は、排気管路５７Ｂ、流出側開閉弁５８Ｂ、排出ライン５９を介して、系外に排出される。所要時間経過後に、流入側開閉弁５５Ａを閉、流入側開閉弁５５Ｂを開、流出側開閉弁５８Ａを開、流出側開閉弁５８Ｂを閉、の状態に切り替えて運転することは、上記した発電装置の場合と同じである。
【００４５】
図９は、本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を示しており、ここでは、加熱用のバーナー６１がふく射放射部１０の近傍に備えられている点で図１に示したものと相違している。このバーナー６１の燃焼熱により、起動時に、ふく射放射部１０を予め加熱しておくことにより、可燃性成分が低濃度である希薄混合気を運転当初から作動流体として用いることが可能となる。あるいは、ふく射放射部１０の加熱を当該バーナ６１により連続的に行ってもよい。
【００４６】
図１０は、上記の発電装置を用いて発電を行う発電システムの一例を説明している。ここでは、他の産業機器または施設の例として従来型の発電装置を用い、そこから排出する排気ガスを、本発明による発電装置の作動流体として用いている。すなわち、既存型の発電装置１００は、燃料１０１をエネルギー源として電力１１１と熱１２１および排気ガス１０２発生する。既存型の発電装置としては内燃機関を駆動源とするものや燃料電池などがあるが、いずれの発電装置も排気ガス１０２中に多少なりとも可燃性ガス（炭化水素類、水素、ＣＯなど）を含んでいる。その排気ガス１０２は、作動流体として本発明による発電装置１に送られ燃料源となる。発電装置１は、電力１１２と熱１２２および排気ガス１０３を発生する。
【００４７】
上記のように、本発明による発電装置は作動流体の予熱を効果的に行うことができるので、常態では燃焼しない可燃限界以下の混合気を作動流体として用いても発電を継続することができるので、高い効率での発電が可能となる。さらに、発電装置１で既存の発電装置１００からの排気ガス１０２を燃焼処理するため、最終的な排気ガス１０３はより清浄なものとなる。このように、本発明による発電装置１と既存型の発電装置１００と組合わせることで、排気ガスの浄化を行いつつ、高効率なエネルギー回収を行うことが可能となる。
【００４８】
なお、本発明による発電装置で発生した排熱は上記した作動流体の予熱だけでなく、その温度レベルに応じて様々な熱利用が可能である。各排ガス温度における利用例を表１に示す。排熱の利用法の詳細は『天然ガスコジェネレーション排熱利用設計マニュアル』(社団法人日本エネルギー学会編、日本工業出版社)に記載されている。なお、高温の排ガスであれば冷却過程を経ることにより低温側での利用形態で利用することも当然可能である。また、蒸気・温水を製造すれば、蒸気・温水を利用した吸収式ヒートポンプや、蒸留・分離技術、デシカント空調等の各種の熱プロセス・熱機器への利用が可能なことはいうまでもない。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
図１１は、本発明による発電装置で発生した排ガスが高温時のときの熱利用の形態を示す一例である。本発明による発電装置から発生する排ガスで蒸気ボイラを駆動する。なお本例では、排ガスの熱が不足した場合のバックアップとして予備の燃料（燃焼機）を備えている。製造した蒸気は（背圧）蒸気タービンの駆動に用いられ、電力を得る。電力を得た後の蒸気は蒸気焚きの吸収式ヒートポンプを駆動し、冷温水を得る。一方、蒸気ボイラで熱交換をした排ガスは利用に足る温度を持っているので、温水ボイラを駆動して温水を得る。
【００５１】
図１２は、排熱温度が低く温水ボイラを駆動する場合の熱利用例である。温水ボイラで得た温水を吸収冷温水器機（冷凍機）、例えば温水吸収冷温水機（冷凍機）、一重二重収吸収冷温水機（冷凍機）、排熱投入型吸収冷温水機（冷凍機）などに利用するものである。この場合、温水は吸収液の再生過程で利用され、システム全体のエネルギー効率が向上する。なお、発生した温水を吸収冷温水機以外の用途、すなわち給湯や暖房などに利用しても、システム全体のエネルギー効率が上がることはいうまでもない。図１３は、さらに排ガス温度が低温で温水ボイラが駆動できない場合の熱利用法である。この場合、排ガスの熱を直接デシカント空調機の吸湿剤の再生に使用する。これにより、５５℃程度の低温熱であっても有効に利用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、蓄熱層として、光発電素子が有効に発電する波長域に対して透過性を持つふく射波長選択性材料を用いることにより、光発電素子が発電できない無効なふく射は蓄熱層に吸収され、蓄熱層温度を上昇させる。蓄熱層に吸収されたふく射エネルギーの一部は、この温度上昇により再射出するが、やはり、発電に寄与しない無効な波長域のふく射は蓄熱層の他の部位に熱として蓄積される。これら蓄積された無効なふく射エネルギーは、蓄熱層内での作動流体の流動方向の切り替え手段を備えることにより、作動流体の予熱に有効に用いられ、ふく射放射部の温度を上昇させ、短波長域の（すなわち、光発電素子が有効に発電する波長域の）ふく射を増大させる。それらのことから、発電効率は大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電装置の一実施の形態を説明する図。
【図２】蓄熱層を構成するふく射波長選択性材料のいくつかの形態を説明する図。
【図３】蓄熱層を構成するふく射波長選択性材料のさらに他のいくつかの形態を説明する図。
【図４】本発明による発電装置の他の実施の形態を説明する図。
【図５】本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図６】本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図７】本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図８】本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図９】本発明による発電装置のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図１０】本発明による発電システムの一例を説明する図。
【図１１】本発明による発電装置からの排熱を利用する形態の一例を示す図。
【図１２】本発明による発電装置からの排熱を利用する形態の他の例を示す図。
【図１３】本発明による発電装置からの排熱を利用する形態のさらに他の例を示す図。
【符号の説明】
１…発電装置、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…作動流体の流れ、Ｘ…蓄熱層を透過して光発電素子に入射し発電に寄与する波長域のふく射、Ｙ…他の波長域のふく射、１０…ふく射放射部、２０Ａ，２０Ｂ…蓄熱層、２１…角型棒状のふく射波長選択性材料、２２…角型棒状のふく射波長選択性材料のふく射放射部から光発電素子に向かうふく射方向成分に平行な端面、２３…平板状のふく射波長選択性材料、２４、２５、２６…平板状のふく射波長選択性材料の気体通過孔、２７、２９…光発電素子に向かうふく射方向成分、３５…赤外光フィルター、３０…光発電素子、３１…放熱フィン、３２…冷却用媒体流路、４０…ふく射波長選択性を持たない材料を用いた第２の蓄熱層
【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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