(57)【要約】【課題】  装置外部への光の漏洩を防止して、発電効率の高い熱光発電装置を得る。【解決手段】  熱光発電装置は、燃焼室２と、この燃焼室２を取り囲む形状を有し燃焼室２における燃焼により高温に加熱されて赤外光を放射するエミッタ３と、このエミッタ３の燃焼室２方向とは反対側の少なくとも一部の表面に対向して配置される複数の光電池セル７とを備え、さらに燃焼室２のエミッタ３側表面を反射面４ａで構成する。これによって、エミッタ３の燃焼室内に向かう放射光は再びエミッタにより回収され、エミッタを加熱することにより光電池セルにおける発電に寄与するようになる。【選択図】      図１
2005304250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、該燃焼室を取り囲む形状を有し前記燃焼室における燃焼により高温に加熱されて赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの前記燃焼室方向とは反対側の少なくとも一部の表面に対向して配置される複数の光電池セルとを備える熱光発電装置において、前記燃焼室の前記エミッタ側表面を反射面で構成したことを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項２】
高温に加熱することによって赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの放射面の少なくとも一部に対向して配置された複数の光電池セルとを備える熱光発電装置において、前記エミッタの放射面を前記複数の光電池セルと共に実質的に包囲する反射板を設け、該反射板によって前記エミッタからの放射を前記複数の光電池セルにガイドするようにしたことを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱光発電装置において、前記複数の光電池セルの受光面積は、前記エミッタからの放射光を最も発電効率が高い受光密度で受光することができる値に設定されていることを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の熱光発電装置において、前記エミッタの前記燃焼室とは反対側の表面を前記複数の光電池セルと共に実質的に包囲する反射板を設け、該反射板によって前記エミッタからの放射を前記複数の光電池セルにガイドするようにしたことを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱光発電装置において、前記複数の光電池セルの受光面積は、前記エミッタからの放射光を最も発電効率が高い受光密度で受光することができる値に設定されていることを特徴とする、熱光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱源体から放射される赤外光を電気エネルギーに変換して出力するための、熱光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光発電装置（Ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ−Ｓｙｓｔｅｍ）は、エミッタと呼ばれる物体を高温に熱することによって主に赤外光を発生させ、これを光電池で受光し電気エネルギーとして取り出す発電装置である。この装置では、エミッタの加熱温度を調節することによって、光電池の高感度領域に対応したスペクトルの放射光を生成することが可能であり、それによって高いエネルギー変換効率、即ち発電効率を期待することができる。また、可動部を有さないことから、低騒音、低振動の装置を実現することが可能であり、高寿命、分散型の発電装置として将来が期待されている。
【０００３】
現在開発されている熱光発電装置は、高温の燃焼ガスによって加熱されるエミッタの発光面の周りに多数の光電池セルを配置した構造を有する。この場合、装置の発電効率を上げるためには、エミッタからの放射光の全てが光電池セルによって受光される必要があり、そのために光電池セルをエミッタの発光面に近接しかつこれを覆うように配置するなどの方法を取っている。しかしながら、配置されたセル間の隙間などから放射光が漏れることを完全に防止することはできず、また光電池セルの受光面の構成および配置がエミッタ発光面の構成および配置に制約され、装置設計の自由度を低下させる欠点がある。即ち、光電池セルの受光面およびエミッタ発光面の形状および配置を、それぞれが最も効率よく動作する形状および配置とすることが困難であるという欠点を有する。
【０００４】
さらに、エミッタからの放射はエミッタの表面全体から行われるが、エミッタの裏面側に燃焼室を設けるタイプの装置では光電池セルはエミッタの表面側にしか配置できず、そのためエミッタ裏面からの放射光は光電池セルの発電に寄与することができず、その多くが外部に熱として排出される。その結果、装置の発電効率は大きく低下する。
【０００５】
なお、プリズムあるいはレンズを使用して太陽光を光電池セルに効率よく集光し、発電効率を上げる技術（例えば特許文献１および２参照）が開発されているが、熱光発電装置にこのような新たな部品を付加することは、装置のサイズを大きくしまた光電池セルの受光面とエミッタの発光面の構成および配置においてさらに設計の自由度を下げる結果となり、適切ではない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７７３９９号公報
【特許文献２】特開２００１−３１３４１０号公報
【特許文献３】特開２００２−３５４８５４号公報
【特許文献４】特開２００３−１６８８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、既に開発されている熱光発電装置の上記のような欠点を解決することを目的として為されたもので、エミッタと光電池セルの構造および配置関係に自由度を持たせると共に、エミッタからの放射光を損失なく光電池セルに導くことによって、発電効率を大幅に向上させた熱光発電装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、第１の発明にかかる熱光発電装置では、燃焼室と、該燃焼室を取り囲む形状を有し前記燃焼室における燃焼により高温に加熱されて赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの前記燃焼室方向とは反対側の少なくとも一部の表面に対向して配置される複数の光電池セルとを備える熱光発電装置において、前記燃焼室の前記エミッタ側表面を反射面で構成したことを特徴とする。
【０００９】
上記装置では、燃焼室のエミッタに対向する表面が反射面とされているので、エミッタから燃焼室方向に放射され本来は光電池セルによる発電に寄与しない放射を、燃焼室反射面による反射によってエミッタにより回収することができる。これによってエミッタはさらに加熱され高温となって放射量を増加させると共に、放射スペクトルにおけるピーク波長を短波長側にシフトさせる。その結果、光電池セルにおける光電変換の有効波長放射量が増加し、光電池セル出力を増大させる。
【００１０】
また、第２の発明にかかる熱光発電装置では、高温に加熱することによって赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの放射面の少なくとも一部に対向して配置された複数の光電池セルとを備える熱光発電装置において、前記エミッタの放射面を前記複数の光電池セルと共に実質的に包囲する反射板を設け、該反射板によって前記エミッタからの放射光を前記複数の光電池セルにガイドするようにしたことを特徴とする。
【００１１】
上記装置では、エミッタの放射面が反射板と複数の光電池セルとで実質的に包囲されているので、エミッタからの放射光の装置外部への漏洩が効果的に防止される。また、エミッタからの放射光は反射板によりガイドされて複数の光電池セルに向かうので、複数の光電池セルの受光面積をエミッタの放射面全体を包囲するものとする必要がない。したがって、複数の光電池セルの受光面積を、エミッタからの放射光を最も発電効率の高い受光密度で受光することができる値に設定して、さらに装置の発電効率を上げることができる。
【００１２】
さらに、第３の発明にかかる熱光発電装置では、上記第１の発明の熱光発電装置において、前記エミッタの前記燃焼室とは反対側の表面を前記複数の光電池セルと共に実質的に包囲する反射板を設け、該反射板によって前記エミッタからの放射を前記複数の光電池セルにガイドするようにしたことを特徴とする。
【００１３】
この装置によれば、エミッタから燃焼室方向に向かう放射を燃焼室の反射面によってエミッタにより回収させ光電池セルにおける発電に寄与させることができる。同時にエミッタから複数の光電池セル方向に放射した光は、反射板によって装置外部に漏洩することなく複数の光電池セル方向にガイドされる。その結果、本熱光発電装置の発電効率をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図である。図において、１は耐熱性セラミックで構成された円筒状の筐体であって、内部に燃焼室２およびこの燃焼室２を取り囲むように設けられたエミッタ３を有している。燃焼室２は、燃焼ガスおよび空気の供給用ノズル５を取り囲んで設けた筒状ガイド４で構成される。筒状ガイド４のエミッタと対向する表面４ａは、金メッキ等の鏡面仕上げにより反射面（第１の反射面）とされている。この反射面４ａは、アルミ、ステンレスの研磨面によって構成することも可能であり、また、金、銀、プラチナ、アルミ等の蒸着によっても構成される。なお、反射面の材料は耐酸化性、耐熱性の要求により適宜選択される。
【００１５】
エミッタ３は、ＳｉＣあるいはＹｂ2Ｏ3等を材料とする多孔性セラミックで構成され、例えば１５００℃程度に加熱されることによって赤外光を効率よく発光する。６は光選択フィルタであって、石英ガラス等にコーティングを施して光電池セルでの発電に有効な波長の光を透過し、発電に寄与しない波長の光を反射して、光電池セルが不必要に加熱されることを防止している。７は、筐体１の内部底面に設けられた光電池モジュールであって、多数の光電池セルを直列、あるいは直並列に接続して構成されている。８は光電池モジュール７の冷却ブロックである。
【００１６】
本装置において、筐体１の底面以外の内壁全体には、第２の反射面９が形成されている。反射面９は第１の反射面と同様に、金メッキ、ステンレスあるいはアルミ等の鏡面仕上げによって構成される。
【００１７】
図１において、１０は熱交換器、１１は排気口、１２は空気導入パイプを示す。ブタンなどの燃料は図示しない導入口（矢印方向に存在する）から筐体に導入され、ノズル５から空気と共に燃焼室２内に導入されて燃焼する。燃焼ガスは、筒状ガイド４によってエミッタ３の底部に導かれ、その後エミッタ３の側壁に沿って上昇しながらエミッタ３を均一に加熱し、開口１４を介して熱交換器１０に導かれる。熱交換器１０では、空気導パイプ１２より導入された空気と排出される燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、空気が加熱されると共に燃焼ガスは冷却され、排気口１１から外部に排出される。
【００１８】
以上のように、実施例１に示す熱光発電装置では、光電池モジュールを装置の内部底面にのみに配置し、それ以外の装置内壁に反射面を形成したこと、および燃焼室を構成する筒状ガイド４の表面（エミッタ３に対向する面）を反射面とした構成を特徴とする。
【００１９】
以下に、図２を参照して実施例１にかかる熱光発電装置の作用効果について説明する。図２において、矢印１５はエミッタ３の内面、即ち燃焼室２に対向する側の表面より発光した光を示し、矢印１６はエミッタ３の外面、即ち筐体１の内壁方向の表面より発光した光を示す。エミッタ３は高温に加熱されることによって放射光を出力するものであり、放射方向に指向性を持たないので、エミッタ３の両面で同じように放射が起こる。エミッタ３の内面から発光した光１５は、燃焼室を構成する筒状ガイド４の反射面４ａ（第１の反射面）で反射され、再びエミッタ３に入射して吸収されエミッタ３を加熱する。
【００２０】
この加熱によってエミッタ３はさらに高温となり、放射量を増加させる。また、エミッタの温度が上がることにより、放射スペクトルのピーク波長は短波長側へシフトする。光電池セルは短波長領域で発電効率が高いので、放射スペクトルのうち光電変換に有効な波長の割合、即ち有効波長率が向上する。その結果、発電効率が向上する。本装置では、このようにして、エミッタの燃焼室方向に放射され本来は光電池セルの発電に寄与せず放熱される光を回収し、光電池セルの発電に有効に寄与させることができる。
【００２１】
また、図２に示すように、エミッタ３の筐体１内壁方向に放射された光１６は、直接あるいは第２の反射面９によって反射されて、そのほとんど全てが筐体１底面に配置された光電池モジュールに入射し、受光される。筐体１の内壁は底面を除いてそのほとんどが反射面で覆われているので、筐体１の壁面を介して光が外部に漏れることもなくまた壁材によって吸収されることがない。そのため、エミッタからの放射を光電池モジュールで損失なく受光し発電に寄与させることができる。
【００２２】
また、エミッタのセル側発光面を反射板で取り囲んで、エミッタからの放射光を光電池モジュール方向にガイドする構成であるため、エミッタ発光面および光電池モジュールの受光面をそれぞれ独立した構成として設計することができ、装置の設計上の自由度が増加する。その結果、エミッタ発光面および光電池モジュール受光面がそれぞれの動作性能においてピーク値を示す形状および大きさを採用することができるので、熱光発電装置の発電効率をさらに向上させることができる。また、熱光発電装置の形状の自由度が増すので、例えば車載用の熱光発電装置を構成する場合等、形状における制約が小さくなる利点を有している。
【００２３】
なお、エミッタ発光面および光電池モジュール受光面の形状と効率の関係を以下に簡単に説明する。エミッタの放射熱量Ｑは、Ｑ＝εσＴ4Ａで示される。ここで、εはエミッタ材料の放射率、σはステファンボルツマン係数（放射の係数）、Ｔはエミッタ発光面温度、さらにＡは発光面積を示す。今、エミッタがある熱量Ｑ１を放射しようとするとき、温度をＴ１に昇温し、発光面積をＡ１とすることがエミッタの加熱機構および構造から最も効率が良いとする。
【００２４】
一方、光電池セルは受光密度によって発電効率が変化するので、ある熱量Ｑ１を受光する場合の最も発電効率の高いセル面積Ａ２が存在する。ここで面積Ａ１とＡ２は相違するのが通常であるが、従来の熱光発電装置では、光の漏洩を防止するためエミッタの周りを取り囲んで受光セルを配置する関係上、エミッタ面積Ａ１あるいはセル面積Ａ２のいずれかをその効率を犠牲にして決定する必要があった。
【００２５】
ところが、図１に示す熱光発電装置では、エミッタ面積Ａ１およびセル面積Ａ２をいずれもがピークの動作性能を示す値に設定し、面積の相違する部分を反射面で構成して放射光をセル上にガイドすることにより、エミッタおよびセル共に効率を犠牲にして面積を決定する必要が無くなる。そのため、熱光発電装置の発電効率をさらに向上させることができる。
【００２６】
［実施例２］
図３は本発明の実施例２にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図である。なお、以降の実施例を示す図において、図１に示すものと同じ符号は、同一または同様の部材を示すため、従ってその重複した説明は行わない。
【００２７】
図示するように、実施例２にかかる熱光発電装置は、筐体１の側壁１ａの下部を筐体１の底面の面積を狭める方向に変形した構造を特徴とする。側壁１ａの下部を図示のように変形することによって、光電池モジュール７の設置面積が小さくなり、図１に示す実施例に比べてより少ない面積領域にセルを配置することができる。壁面１ａの内面は、実施例１と同様に反射面９とされているので、エミッタ３から発生した放射光はそのほとんどが反射面９により反射されて、あるいはエミッタ３から直接、光電池モジュール７に入射し、筐体外部に漏れることが無い。したがって、本実施例では、エミッタ３の発光量を同じとすると、実施例１に比べて光電池セルの受光密度は高くなる。
【００２８】
［実施例３］
図４は、本発明の実施例３にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図である。本実施例の装置では、筐体１の底面を実施例１および２の装置に比べて大きくし、筐体１の内壁１ｂを、底面方向に向かって広がるように湾曲させた構造としたことをその特徴としている。即ち、本実施例の側壁１ｂはランプの傘の形状に構成され、中心のエミッタ３からの放射光が傘の開いた部分、即ち光電池モジュール７の設置面方向に反射されるようにしている。この結果、エミッタ３からの放射光を光電池モジュール７に対してより均一に照射することができる。この実施例は、光電池モジュール７の受光面の面積を実施例１および２の場合に比べて広くし、セルの受光密度を小さくする場合に適している。
【００２９】
［実施例４］
図５は、本発明の実施例５にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図である。図において、２０は円筒状の筐体、２１は筐体２０内に設けられた光電池モジュール設置用の壁面である。この壁面２１上には、エミッタ２３を取り囲むように光電池モジュール２２が設置されている。２４は燃焼室、２５は燃焼室側壁部材、２６は空気噴出口、２７は燃料ガス流入口、２８は空気および燃料ガスの混合室、さらに２９は空気導入口である。またエミッタ２３の外側には光電池モジュール２２での発電に寄与しない光を反射するためのフィルタ３０が設けられている。
【００３０】
図５の装置において、空気導入口２９から導入された空気は、光電池モジュール２２を冷却しながら熱交換器３１に達し、ここで排気ガスとの間に熱交換が行われ、高温に加熱された後、空気噴出口２６を介して混合室２８に供給される。一方、ブタン等の燃料ガスは流入口２７から混合室２８に供給され、ここで空気と混合されて燃焼室２４に供給され燃焼する。燃焼ガスはエミッタ２３の側壁に沿ってエミッタを加熱しながら上昇し、熱交換器３１を経て排気口３２から外部に放出される。なお、３３は光電池モジュール２２を背後から冷却する冷却部材である。
【００３１】
本装置では、燃焼室２４を構成する側壁部材２５のエミッタ２３と対向する表面に、実施例１〜３に示す第１の反射面と同様の反射面２５ａが形成されている。したがって、エミッタ２３が燃焼ガスによって加熱されて放射光を発光する場合、燃焼ガス方向に向かって本来は光電池セルでの発電に寄与しない放射光を、反射面２５ａによってエミッタ２４方向に反射させる。これによって、エミッタ２４が加熱されさらに高温となって光電池セル方向への放射量を増加させると共に、発電に寄与する有効波長率も向上させる。
【００３２】
なお、本実施例においても、熱光発電装置の各部の材料、反射面の構成等は実施例１で説明したものと同じかあるいは類似のものを採用しているので、その重複した説明は行わない。
【００３３】
以上、種々の実施例を示して説明したように、本発明の第１の発明にかかる熱光発電装置では、燃焼室のエミッタ側表面を反射面としたことにより、本来は光電池セルでの発電に寄与しないエミッタの放射光エネルギーをエミッタで回収し、光電池セルの発電に寄与させることができる。そのため、熱光発電装置の発電効率が大幅に向上する。
【００３４】
また、本発明の第２の発明にかかる熱光発電装置では、エミッタの光電池セル方向の発光面を反射面および光電池セルとで取り囲んだ構造であるため、エミッタからの放射光が筐体外部に漏洩するのを効果的に防止できると共に、光電池セルの面積をエミッタの形状に拘わらず自由に選択することができる。そのため、エミッタの発光効率および光電池セルの受光効率を最も高いに設定して熱光発電装置を構成することができ、発電効率をさらに向上させることができる。また、形状の選択の自由度が向上するので、車載用等の特殊な用途に対しても適した構造とすることが容易となる。
【００３５】
また、第１の発明と第２の発明とを組み合わせた熱光発電装置を構成することによって、さらに装置の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施例にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の装置の作用効果を示すための図。
【図３】本発明の第２の実施例にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図。
【図４】本発明の第３の実施例にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図。
【図５】本発明の第４の実施例にかかる熱光発電装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…円筒状筐体
２…燃焼室
３…エミッタ
４…筒状ガイド
４ａ…第１の反射面
５…燃焼ガスおよび空気の供給用ノズル
６…フィルタ
７…光電池モジュール
８…冷却ブロック
９…第２の反射面
１０…熱交換器
１１…排気口
１２…空気導入口
【図１】
2005304250.tif 000003
【図２】
2005304250.tif 000004
【図３】
2005304250.tif 000005
【図４】
2005304250.tif 000006
【図５】
2005304250.tif 000007