(57)【要約】【課題】  容積の小さい燃焼室であっても、燃焼効率が高くかつ発電効率の高い熱光発電装置を得る。【解決手段】  高温に加熱されることにより赤外光を放射するエミッタ（５）と、このエミッタ（５）の一表面にその受光面を対向させて近接配置した複数の光電池セル（６）と、エミッタ（５）の前記一表面を加熱するための燃焼ガスを生成する第１の燃焼室（３）と、第１の燃焼室（３）で生成された燃焼ガスをエミッタ（５）の一表面に導くための流路（１４）とを備える熱光発電装置において、エミッタ（５）の前記一表面をドーム状に形成することにより複数の光電池セル（６）との間にスペースを設けて第２の燃焼室（４）を構成し、第１の燃焼室（３）で生成された燃焼ガス中の未燃焼分を第２の燃焼室（４）で燃焼させる。【選択図】      図１
2005310823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温に加熱されることにより赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの一表面にその受光面を対向させて近接配置した複数の光電池セルと、前記エミッタの前記一表面を加熱するための燃焼ガスを生成する第１の燃焼室と、前記第１の燃焼室で生成された前記燃焼ガスを前記エミッタの一表面に導くための流路とを備える熱光発電装置において、
前記エミッタの前記一表面をドーム状に形成することにより前記複数の光電池セルとの間にスペースを設けて第２の燃焼室を構成し、前記第１の燃焼室で生成された燃焼ガス中の未燃焼分を該第２の燃焼室で燃焼させるようにしたことを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱光発電装置において、前記第２の燃焼室内で燃焼ガスによるスワール流が形成されるように、前記燃焼ガスの流路を前記第２の燃焼室への流入面に対して角度を設けて形成したことを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱光発電装置において、前記エミッタの前記一表面以外の表面に対向して反射板が設けられていることを特徴とする、熱光発電装置。
【請求項４】
高温に加熱されることにより赤外光を放射する柱状のエミッタと、前記柱状エミッタの軸方向の側壁に受光面を対向させかつ前記側壁を取り囲むように配置された複数の光電池セルと、前記エミッタの前記側壁を加熱するための燃焼ガスを生成する第１の燃焼室と、前記第１の燃焼室で生成された前記燃焼ガスを前記エミッタの側壁に導くための流路とを備える熱光発電装置において、
前記柱状エミッタの側壁と前記複数の光電池セル間にスペースを設けて第２の燃焼室を構成し、前記第１の燃焼室で生成された燃焼ガス中の未燃焼分を該第２の燃焼室で燃焼させ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、前記第２の燃焼室内で前記柱状エミッタ側壁を取り囲む燃焼ガスのスワール流が形成されるように、前記燃焼ガスの流路を前記第２の燃焼室への流入面に対して角度を設けて形成したことを特徴とする、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、燃料の燃焼エネルギーを効率良くエミッタに伝達しエミッタ温度を高温とすることが必要である。そのためには、エミッタの直前で高温の燃焼反応を起こすことが望ましいが、その場合、完全燃焼を起こすためにエミッタと光電池セル間に充分な容積の燃焼室を確保しなければならない。その結果、エミッタと光電池セルとの距離が大きくなりエミッタからの放射光が光電池セルに効率よく伝達されず、外部に熱として漏洩するものが多くなって装置の発電効率を低下させる問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、エミッタと光電池セル間とは別の部分に燃焼室を設け、そこで燃焼し高温となったガスをエミッタの発光面に供給する構成とすることにより、エミッタと光電池セル間の距離を可能な限り小さくして放射光の漏洩を防止することが行われている。ところがこの場合は、エミッタとは離れた燃焼室で高温の燃焼反応を起こすために、燃焼室からの放熱が大きく、燃焼エネルギーが効率よくエミッタに伝達されない。
【０００５】
本発明に関連する技術は、以下の特許文献１〜５に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１０６００１号公報
【特許文献２】特開２０００−１０６４５２号公報
【特許文献３】特開２００２−３１５３７１号公報
【特許文献４】特開２００２−３１９６９３号公報
【特許文献５】特開２００３−４６１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の熱光発電装置における上記の問題を解決するためになされたもので、燃料の完全燃焼が可能でしかも燃焼室からの放熱量を小さく維持しかつ放射光の漏洩を効果的に防止することが可能な、新規な構造の熱光発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の熱光発電装置は、上記課題を解決するために、高温に加熱されることにより赤外光を放射するエミッタと、前記エミッタの一表面にその受光面を対向させて近接配置した複数の光電池セルと、前記エミッタの前記一表面を加熱するための燃焼ガスを生成する第１の燃焼室と、前記第１の燃焼室で生成された前記燃焼ガスを前記エミッタの一表面に導くための流路とを備える熱光発電装置において、前記エミッタの前記一表面をドーム状に形成することにより前記複数の光電池セルとの間にスペースを設けて第２の燃焼室を構成し、前記第１の燃焼室で生成された燃焼ガス中の未燃焼分を該第２の燃焼室で燃焼させるように構成する。
【０００８】
上記装置によれば、エミッタの燃焼ガスによって加熱される表面、即ち発光面が光電池セルを囲むようにドーム状に形成されているので、エミッタ発光面と光電池セル間にスペースが形成され、このスペースが第２の燃焼室（副燃焼室）として動作して第１の燃焼室（主燃焼室）で未燃焼分を完全に燃焼させる。そのため、第１の燃焼室において燃料の完全燃焼を達成する必要は無く、燃焼量を少なくして燃焼ガスの温度を下げることができる。これによって、第１の燃焼室からの放熱量が少なくなる。なお、エミッタの発光面をドーム状として光電池セルの受光面を包囲することにより、エミッタからの放射光は光電池セルの受光面に集光し、光電池セル以外の部分にもれることが少なくなり、装置の発電効率が向上する。
【０００９】
第２の燃焼室では、第１の燃焼室で高温となった燃焼ガスをさらに燃焼するため、第２の燃焼室、すなわちエミッタの直前でガスが最高温度に達する。従って、エミッタ温度が上昇し光電池セルへの放射量が増加する。なお、熱放射における放射量は絶対温度の４乗に比例するため、温度のわずかな上昇であってもそれが放射量の増加に与える影響は大きい。さらにエミッタが高温となることによって、放射光スペクトルのピーク波長は短波長側へシフトするが、光電池セルは短波長側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、装置の発電効率が向上する。
【００１０】
本発明では、上記第１の熱光発電装置において、第２の燃焼室内で燃焼ガスによるスワール流が形成されるように、第１の燃焼室から第２の燃焼室に向かう燃焼ガスの流路を第２の燃焼室への流入面に対して角度を設けて形成している。
【００１１】
第２の燃焼室内でスワール流を起こすことにより、燃料と空気の混合が促進し燃焼反応が起こりやすくなる。そのため、燃焼ガス温度がさらに高温となって装置の発電効率が向上する。また、燃焼室の容積が小さくても燃焼反応が促進されるので、第２の燃焼室を小さくして、装置を小型化することが可能である。さらに、第２の燃焼室を小さくすることによって燃焼室からの放熱量が少なくなるので、エミッタの加熱効率が上昇しエミッタがさらに高温となる効果がある。
【００１２】
また、スワール流を起こすことにより、燃焼ガスの流れが安定してエミッタ温度分布予測が容易となる効果もある。
【００１３】
本発明では、上記第１の装置において、さらに、エミッタの前記一表面以外の表面に対向して反射板を設けることにより、エミッタの光電池セル方向以外へ放射される光をこの反射板によってエミッタ方向に反射し、エミッタにより回収させる。これによってエミッタはさらに加熱され高温となるので、装置の発電効率が向上する。
【００１４】
本発明の第２の熱光発電装置は、高温に加熱されることにより赤外光を放射する柱状のエミッタと、前記柱状エミッタの軸方向の側壁に受光面を対向させかつ前記側壁を取り囲むように配置された複数の光電池セルと、前記エミッタの前記側壁を加熱するための燃焼ガスを生成する第１の燃焼室と、前記第１の燃焼室で生成された前記燃焼ガスを前記エミッタの側壁に導くための流路とを備える熱光発電装置において、前記柱状エミッタの側壁と前記複数の光電池セル間にスペースを設けて第２の燃焼室を構成し、前記第１の燃焼室で生成された燃焼ガス中の未燃焼分を該第２の燃焼室で燃焼させる構成を取っている。
【００１５】
また、上記第２の熱光発電装置において、第２の燃焼室内で前記柱状エミッタ側壁を取り囲む燃焼ガスのスワール流が形成されるように、前記燃焼ガスの流路を前記第２の燃焼室への流入面に対して角度を設けて形成している。
【００１６】
上記構成により、第１の熱光発電装置について説明したのと同様の効果を有する熱光発電装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［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り、図２は図１に示す主燃焼室および副燃焼室の構造を示す要部断面図である。本実施例の熱光発電装置は、断熱材製の壁面１、２で構成される主燃焼室（第１の燃焼室）３と、主燃焼室３で燃焼したガスを再燃焼させる副燃焼室（第２の燃焼室）４を備えている。副燃焼室４は、選択波長発光エミッタ５の底面をドーム型に構成し、その下方に光電池モジュール６を配置して構成されている。光電池モジュール６は周知のように、複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。７は石英等で構成されたフィルタであって、エミッタ５の放射光のうち、光電池セルでの光電変換に寄与しない波長成分をカットして光電池セルの不必要な加熱を防止するためのものである。
【００１８】
８は光電池モジュール６の冷却ブロックであり、空気導入口９から導入された外気によって冷却され、光電池モジュール６を冷却する。エミッタ５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。副燃焼室４で燃焼したガスは、多孔性セラミックであるエミッタ５を通過して熱交換器１０に導入され、その後排気口１１より装置外部に排出される。
【００１９】
１２は空気と燃料の混合室、１３は燃料パイプである。空気導入口９から導入された空気は、主燃焼室４の側壁の外周を介して熱交換器１０に導入され、燃焼ガスによって発生する熱を吸収することによって加熱された後、混合室１２に送られ、ここで燃料と混合されて主燃焼室３に供給され燃料を燃焼させる。
【００２０】
このように、本実施例では、主燃焼室３に対してエミッタ直前に副燃焼室４を設けた２段燃焼の構造を取り、主燃焼室３での未燃焼分を副燃焼室４で完全燃焼させエミッタを高温の燃焼ガスで効率よく加熱するようにしている。そのため、主燃焼室３では完全燃焼させる必要が無く、燃焼温度を下げて燃焼させることができる。従って、主燃焼室３からの放熱量は大きく減少する。副燃焼室４で完全燃焼し高温となった燃焼ガスは、多孔質（ポーラス）体であるエミッタ５を通過する間に熱伝導によりエミッタ５を加熱し、高温とする。これによって、エミッタ５は赤外光を放射すようになる。エミッタ５からの赤外光は、光電池モジュール６によって受光されて電気エネルギーに変換される。
【００２１】
エミッタ５は、燃焼ガスの熱エネルギーをできる限り吸収するために、その容積は大きいほうが良い。図１の装置では、エミッタ５は２段に分割された構造をとっている。これは、エミッタを分割することによってエミッタ材を介した熱伝導を一旦遮断することと、下段のエミッタで生じた発光を上段のエミッタで反射させ回収することによって、エミッタをさらに高温とするためである。
【００２２】
本実施例では、さらに、図２に示すように、主燃焼室３から副燃焼室４への燃焼ガスの流路１４に角度を設けることにより、流入する燃焼ガスにより副燃焼室４内にスワール流を起こすことを特徴としている。このスワール流によって、副燃焼室４内で燃料と空気の混合が促進し、完全燃焼が起こりやすくなる。そのため、主燃焼室３および副燃焼室４のスペースをさらに小さくすることができ、装置全体を小型、軽量化することができる。また、スワール流を起こすことにより燃焼ガスの流れが安定するので、エミッタの温度分布予測が容易となる。
【００２３】
［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。本実施例の装置は、図１および２に示す熱光発電装置において、エミッタ５０の光電池モジュール６と対向する表面以外の表面５１に対向する断熱性筐体部材１６に反射面１７を設け、高温に加熱されたエミッタ５０から放射される赤外光のうち、光電池モジュール６方向以外に放射される光を反射し再びエミッタ５０に戻すようにしたことを特徴としている。なお、１８は石英ガラスであって、燃焼ガスと反射面１７を隔離し、反射面への熱伝達を防ぎ反射面１７を保護するために設けられている。
【００２４】
エミッタ５０は、反射面１７で反射された光を回収することにより、さらに加熱され高温となるため、光電池モジュール６方向への放射量が増加すると共に、発光波長が短波長側へシフトするので光電変換に寄与する有効波長率が向上して発電効率が改善される効果がある。
【００２５】
また、本実施例においても、主燃焼室３から副燃焼室４への燃焼ガスの流路に角度を持たせることにより、副燃焼室４内にてスワール流を起こし燃焼を促進できることは勿論である。
【００２６】
なお、図３において、図１および２に示したものと同じ符号は、同じかあるいは類似の構成部材を示すので、その重複した説明は省略する。
【００２７】
［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。本実施例では、装置の底部に主燃焼室を設け、筒状エミッタの側面に副燃焼室を設けることによって、全体として縦長の構造とした熱光発電装置を提供する。
【００２８】
図４において、２０は断熱性の部材２１で構成した主燃焼室、２２は燃料の供給パイプ、２３は空気燃料混合室である。２４は柱状の選択波長発光エミッタ、２５は石英フィルタ、２６は光電池モジュール、２７は光電池モジュール２６の冷却ブロック、さらに２８はエミッタ２６の柱状側面と光電池モジュール２６とで構成した副燃焼室である。本実施例では、柱状エミッタ２４の側面をドーム状、すなわち凹面状に形成して光電池モジュール２６との間にスペースを構成し、副燃焼室２８を構成している。
【００２９】
選択波長発光エミッタ２４はＳｉＣ、Ｙｂ2Ｏ3等を材料とする多孔性セラミックであって、副燃焼室２８で完全燃焼した燃焼ガスを通過させ、その間に熱伝導によって燃焼ガスの熱エネルギーを吸収して自身が加熱される。なお、燃焼ガスは開口２９を介して熱交換器３０に導入され、ここで空気配管３１を経由して導入された空気との間で熱交換を行って冷却され、排出口３２より装置外部に輩出される。
【００３０】
なお、図４では明示していないが、本実施例においても、主燃焼室２０から副燃焼室２８への燃焼ガスの流路３３は、副燃焼室２８への流入面に対して角度を付けて形成されており、それによって副燃焼室２８内でスワール流３４を発生させることが行われる。このスワール流３４によって副燃焼室２８内で燃焼が促進され、さらに燃焼ガスの流れが安定することによりエミッタの温度分布予測が容易となる効果がある。また、副燃焼室２８の容積を小さくし、装置の小型、軽量化を図ることができる。
【００３１】
以上のように、本発明の熱光発電装置では、光電池セルに対向するエミッタの発光面をドーム状としてエミッタ周辺から放射光が光電池セル以外の部分に洩れることを防ぎながら、エミッタと光電池セル間に副燃焼室を確保し、主燃焼室で未燃焼の燃料をエミッタ直前で完全燃焼させる構成を取っている。これによって、燃料によるエミッタの加熱効率が向上し、さらにエミッタからの放射光の光電池セル方向以外への漏洩も少なくなるので、装置の発電効率が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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。
【図２】図１に示す装置の要部の構造を示す断面図。
【図３】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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３３】
１、２…断熱材製壁面
３…主燃焼室
４…副燃焼室
５…選択波長発光エミッタ
６…光電池モジュール
７…石英フィルタ
８…冷却ブロック
１０…熱交換器
１１…排気口
１４…ガス流路
【図１】
2005310823.tif 000003
【図２】
2005310823.tif 000004
【図３】
2005310823.tif 000005
【図４】
2005310823.tif 000006