(57)【要約】【課題】熱エネルギーを効率良くエミッタに取り込むことができるとともに、かつ、その熱エネルギーを効率良く放射エネルギーとして取り出すことができるようにして、システム効率の向上を図る。【解決手段】この熱光発電装置は、燃焼ガスが内部を通過することによって加熱されるエミッタ１０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手段１６と、を備え、エミッタ１０が、単独で燃焼ガス流路を構成するとともに、光電変換手段１６が、エミッタ１０の側面からの輻射光を電力に変換するように構成されている。エミッタは、ポーラス体の側面を孔を有しない壁状に形成したものである。あるいは、チューブを束ねることにより燃焼ガスの流れ方向に複数の貫通穴が開いている形状に形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスが内部を通過することによって加熱されるエミッタと、該エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換手段と、を備える熱光発電装置において、該エミッタが、単独で燃焼ガス流路を構成するとともに、該光電変換手段が、該エミッタの側面からの輻射光を電力に変換するように構成されていることを特徴とする熱光発電装置。
【請求項２】
前記エミッタが、ポーラス体の側面を孔を有しない壁状に形成したものである、請求項１に記載の熱光発電装置。
【請求項３】
前記エミッタが、チューブを束ねることにより燃焼ガスの流れ方向に複数の貫通穴が開いている形状に形成されている、請求項１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】
例えば、下記特許文献１には、燃料及びエアの供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、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素子と、を備えるとともに、燃焼器の上側にエミッタを配置し、燃焼器の下側に光電変換セルを配置したことを特徴とする熱光発電装置（平面型ＴＰＶシステム）が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３１９６９３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように高熱源体から放射する赤外光を電気エネルギーに変換して取り出すシステムであるＴＰＶシステムにおいては、赤外光を発する物体すなわちエミッタに、いかに効率良く熱エネルギーを伝達して、エミッタを昇温させ、また、エミッタからいかに多くの赤外光を得るかがシステム効率上重要な要素技術となる。
【０００７】
上述したような従来の平面型ＴＰＶシステムでは、燃焼ガス等の熱エネルギーを効率良くエミッタに伝達するために、スポンジのような多孔質体（ポーラス体）のエミッタを燃焼ガス流路に挿入し、一面からの赤外光を光電変換セルで受けている。すなわち、エミッタ形状の一面からの赤外光しか発電に利用されていない。これは、燃焼ガス流路に挿入されたエミッタが、その保持とガス流路構成のため、上流及び下流の２断面しか開放されていないことによる。
【０００８】
また、エミッタが捕捉した熱エネルギーの多くが熱伝導及び放射で失われ、あるいは、断熱、熱回収等のために手間のかかった機構を必要としている。これらは、ポーラス体エミッタが単独で燃焼ガス流路を構成することができていないことに起因する。
【０００９】
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、下面のみならず側面からの赤外光をも光電変換セルで受光し得るように構成することにより、熱エネルギーを効率良くエミッタに取り込むことができるとともに、かつ、その熱エネルギーを効率良く放射エネルギーとして取り出すことができるようにして、システム効率の向上を図った熱光発電装置を提供することにある。
【００１０】
【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、燃焼ガスが内部を通過することによって加熱されるエミッタと、該エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換手段と、を備える熱光発電装置において、該エミッタが、単独で燃焼ガス流路を構成するとともに、該光電変換手段が、該エミッタの側面からの輻射光を電力に変換するように構成されていることを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１１】
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、前記エミッタは、ポーラス体の側面を孔を有しない壁状に形成したものである。
【００１２】
また、本発明の第三の面によれば、前記本発明の第一の面による熱光発電装置において、前記エミッタは、チューブを束ねることにより燃焼ガスの流れ方向に複数の貫通穴が開いている形状に形成されている。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、本実施形態においては、円柱形のエミッタ１０と、円筒形の側面部分１２ａ及び円形の底面部分１２ｂからなるガラス（フィルタ）１２と、円筒形の側面部分１４ａ及び円形の底面部分１４ｂからなる発電モジュール１４と、が配置された構造となっている。発電モジュール１４は、その表面に複数の光電変換セル１６を搭載するとともに、冷却装置を備えている。
【００１５】
特に、エミッタ１０の形状について図２の斜視図により説明する。エミッタ１０は、図２（Ａ）に示されるような円柱状のポーラス体（多孔質体）に対して、その側面を、孔を有しない壁状に形成して、図２（Ｂ）に示されるような構造にしたものである。なお、エミッタの材料としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｙｂ２Ｏ３（イッテルビウムオキサイド）、Ｅｒ２Ｏ３（エルビウムオキサイド）等が使用される。
【００１６】
図２（Ｂ）に示される構造を有するエミッタ１０は、その側面が壁状となっていて孔を有しないため、単独でガス流路を構成することができる。そのため、エミッタの下面のみならず側面からも放射エネルギーを取り出すことができる。また、従来課題となっていた装置への熱伝導及び放射によるエネルギーロスを抑制することができ、これまで手間のかかっていたシステムの断熱構造や熱回収機構の複雑さを緩和することもできる。
【００１７】
なお、単独でガス流路を構成することができる他のエミッタ構造としては、細いチューブを束ねた形状、すなわち高温ガスの流れ方向に無数の貫通穴が開いている形状としてもよく、この場合にも、効率良く熱エネルギーを吸収することができる。
【００１８】
図１の実施形態においては、燃焼用空気が、空気入口１８から導入され、熱交換器２０に導かれ、その中を通過することにより、後述の如くエミッタ１０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燃焼用空気は、空気流路２２を通って燃焼室２４に入る。
【００１９】
燃焼室２４では、燃料ガス管２６から導入された燃料ガスが空気と混合されて燃焼する。その燃焼により発生した燃焼ガスは、エミッタ１０の内部を通過していく。エミッタ１０を通過した燃焼ガスは、熱交換器２０に導かれて前述の如く燃焼用空気を加熱した後、燃焼ガス出口２８から装置外部に排出される。
【００２０】
高温の燃焼ガスがエミッタ１０の内部を通過すると、エミッタ１０は、熱エネルギーを得てガラス（フィルタ）１２ａ及び１２ｂへ向けて発光する。ガラス１２ａ及び１２ｂは、エミッタ１０からの光のうちセル１６の光電変換に有効な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波長成分をエミッタ１０の側へ反射してエミッタ１０の加熱に寄与せしめる。セル１６は、ガラス１２を透過した光を受けて発電する。
【００２１】
このように、エミッタ１０は単独でガス流路を構成しているため、その側面も解放されており、高温となる下面及び側面の両方から発せられる赤外光を発電モジュール１４で受けて電気エネルギーに変換することが可能となる。かくして、エミッタ１０の下面のみならず側面からも放射エネルギー（赤外光）を取り出すことができるとともに、熱伝導によるエネルギー損失を抑制することができる。
【００２２】
図３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。図３に示されるように、本実施形態においては、内側より、円筒形のエミッタ１１０と、円筒形のガラス（フィルタ）１１２と、円筒形の発電モジュール１１４と、が配置された構造となっている。
【００２３】
エミッタ１１０は、第一実施形態におけるエミッタと同様に、ポーラス体の側面を孔を有しない壁状に形成した構造を有し、単独でガス流路を構成している。また、発電モジュール１１４は、その表面に複数の光電変換セル１１６を搭載するとともに、冷却装置を備えている。
【００２４】
図３の実施形態においては、燃焼用空気が、空気入口１１８から導入され、空気流路１２２を通って熱交換器１２０に導かれ、その中を通過することにより、後述の如くエミッタ１１０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燃焼用空気は、燃焼室１２４に入る。
【００２５】
燃焼室１２４では、装置中央上部から導入された燃料ガスが空気と混合されて燃焼する。その燃焼により発生した燃焼ガスは、エミッタ１１０の下面から入り、その内部を通過していく。エミッタ１１０を通過した燃焼ガスは、熱交換器１２０に導かれて前述の如く燃焼用空気を加熱した後、燃焼ガス出口１２８から装置外部に排出される。
【００２６】
高温の燃焼ガスがエミッタ１１０の内部を通過すると、エミッタ１１０は、熱エネルギーを得てガラス１１２へ向けて発光する。ガラス１１２は、エミッタ１１０からの光のうちセル１１６の光電変換に有効な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波長成分をエミッタ１１０の側へ反射する。発電モジュール１１４上のセル１１６は、ガラス１１２を透過した光を受けて発電する。
【００２７】
この実施形態においても、エミッタ１１０が単独でガス流路を構成しているため、その側面が解放されており、高温となる側面から発せられる赤外光を発電モジュール１１４で受けて電気エネルギーに変換することが可能となる。かくして、効率良く燃焼ガスの熱エネルギーを捕捉し、かつ、広い発光面積を得ることができる。また、従来の円筒型ＴＰＶシステムにおける板状エミッタの場合と比較して、燃焼ガスからエミッタへの熱伝達効率を飛躍的に向上させることができる。
【００２８】
図４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。図４に示されるように、本実施形態においては、円筒形の多孔質エミッタ２１０と、円形の板状エミッタ２１１と、円筒形部分２１２ａ、有底円筒形部分２１２ｂ及び円形部分２１２ｃからなるガラス（フィルタ）２１２と、円筒形部分２１４ａ、円柱形部分２１４ｂ及び円形部分２１４ｃからなる発電モジュール２１４と、が配置された構造となっている。
【００２９】
多孔質エミッタ２１０は、第一実施形態におけるエミッタと同様に、ポーラス体の側面を孔を有しない壁状に形成した構造を有し、単独でガス流路を構成している。また、発電モジュール２１４は、その表面に複数の光電変換セル２１６を搭載するとともに、冷却装置を備えている。
【００３０】
図４の実施形態においては、燃焼用空気が、空気入口２１８から導入され、熱交換器２２０に導かれ、その中を通過することにより、後述の如くエミッタ２１０及び２１１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燃焼用空気は、空気流路２２２を通って燃焼室２２４に入る。
【００３１】
燃焼室２２４では、燃料ガス管２２６から導入された燃料ガスが空気と混合されて燃焼する。その燃焼により発生した燃焼ガスは、板状エミッタ２１１を加熱するとともに、多孔質エミッタ２１０の内部を通過していく。エミッタ２１０を通過した燃焼ガスは、熱交換器２２０に導かれて前述の如く燃焼用空気を加熱した後、燃焼ガス出口２２８から装置外部に排出される。
【００３２】
加熱された板状エミッタ２１１は、熱エネルギーを得てガラス２１２ｂ及び２１２ｃへ向けて発光する。また、加熱された多孔質エミッタ２１０は、熱エネルギーを得てガラス２１２ａ及び２１２ｂへ向けて発光する。ガラス２１２ａ、２１２ｂ及び２１２ｃは、エミッタからの光のうちセル２１６の光電変換に有効な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波長成分をエミッタの側へ反射してエミッタの加熱に寄与せしめる。セル２１６は、ガラスを透過した光を受けて発電する。
【００３３】
このように、多孔質エミッタ２１０は単独でガス流路を構成しているため、その側面及び内面も解放されており、さらに、板状エミッタ２１１も設けられているため、高温となる下面、側面及び内面から発せられる赤外光を発電モジュール２１４で受けて電気エネルギーに変換することが可能となる。かくして、下面、側面及び内面から放射エネルギー（赤外光）を取り出すことができるとともに、熱伝導によるエネルギー損失を抑制することができる。
【００３４】
【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、下面のみならず側面からの赤外光をも光電変換セルで受光し得るように構成され、熱エネルギーを効率良くエミッタに取り込むことができるとともに、かつ、その熱エネルギーを効率良く放射エネルギーとして取り出すことができるようにされ、システム効率の向上が図られる。
【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】エミッタの形状を説明するための斜視図である。
【図３】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４】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。
【符号の説明】
１０…エミッタ１０
１２…ガラス（フィルタ）
１４…発電モジュール
１６…光電変換セル
１８…空気入口
２０…熱交換器
２２…空気流路
２４…燃焼室
２６…燃料ガス管
２８…燃焼ガス出口
１１０…エミッタ
１１２…ガラス（フィルタ）
１１４…発電モジュール
１１６…光電変換セル
１１８…空気入口
１２０…熱交換器
１２２…空気流路
１２４…燃焼室
１２８…燃焼ガス出口
２１０…多孔質エミッタ
２１１…板状エミッタ
２１２…ガラス（フィルタ）
２１４…発電モジュール
２１６…光電変換セル
２１８…空気入口
２２０…熱交換器
２２２…空気流路
２２４…燃焼室
２２６…燃料ガス管
２２８…燃焼ガス出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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