JP2001082167A

JP2001082167A - 発電装置

Info

Publication number: JP2001082167A
Application number: JP25849999A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Murata; 清仁村田; Hideki Nakayama; 英樹中山; Susumu Okawa; 進大川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】熱光発電素子と燃焼機関との複合型であり、
発電効率の高い発電装置を提供する。【解決手段】発電機１２を駆動し、発電動作を行わせ
るガスタービン１０の前段にこれとは別体に燃焼室１６
が設けられ、この燃焼室１６からガスタービン１０駆動
用の燃焼ガスが供給される。燃焼室１６には熱光発電素
子２２が設けられ、燃焼室１６の燃焼中に発生する光に
より光発電も行わせる。熱光発電素子２２で発電動作を
行わせる場合には、短波長の光が有利であるので燃焼室
１６の温度を極力高温に維持し、熱交換器２０によりガ
スタービン１０に供給される燃焼ガスの温度を燃料及び
空気と熱交換することによって低下させ、ガスタービン
１０に最適な温度の燃焼ガスも供給することが可能とな
る。これにより、発電効率を向上させるとともにガスタ
ービン１０の運転も可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱光発電素子と燃
焼機関とを組み合わせた複合型の発電装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来ジェットエンジンを搭載したジェッ
ト機等の装置における電力発生装置は、機械的な回転エ
ネルギを電気エネルギに変換する交流同期発電機が用い
られていた。しかしこのような発電機は、大型でかつ大
重量であるため、小型かつ軽量である熱光発電素子（Ｔ
ＰＶ）を使用することが提案されている。たとえば、特
開昭５２−１５２１８８号公報にも、ジェットエンジン
やガスタービン等の燃焼機関に上記熱光発電素子を付加
し、燃焼により発生する輝光や輻射といった放射エネル
ギを電力に変換し、熱効率を向上させる技術が開示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の熱光発
電素子を用いた発電装置では、十分なエネルギ変換効率
が得られないという問題があった。この理由は主に２つ
あり、１つは、従来技術のように燃焼機関を主とし、熱
光発電素子を補助的に使用する場合には、回転部分を有
し耐熱強度に限界がある燃焼機関の仕様に合わせて燃焼
条件を設定するため、燃焼温度を低く抑える必要があ
り、十分な放射エネルギが得られずに、熱光発電素子に
よる発電効率が低下することによるものであり、２つめ
は、燃焼機関で発生する光の波長が必ずしも熱光発電素
子にとって適切なものとはいえないことによるものであ
る。この２つめの理由に対しては、放射波長をフィルタ
により熱光発電素子にとって最適な波長に変換すること
も考えられる。しかし、そのフィルタとしては非線形光
学素子を用いる必要があり、燃焼熱により配向が失わ
れ、非線形性がなくなって熱光発電素子にとって適切な
波長が得られなくなるという問題がある。

【０００４】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、熱光発電素子と燃焼機関との
複合型であり、発電効率の高い発電装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発
電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関の
前段に、ガスタービン機関とは別体とされ、熱光発電素
子が備えられた燃焼室が独立して設けられ、この燃焼室
で燃料を高温燃焼させつつ熱光発電素子で発電を行わ
せ、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には燃焼ガス
温度が所定の温度まで低下されていることを特徴とす
る。

【０００６】また、上記発電装置において、熱光発電素
子は燃焼室の上流から下流に向けて複数設けられ、上流
側がより短波長の光に適したものであることを特徴とす
る。

【０００７】また、上記発電装置において、燃焼室が並
列に複数設けられ、それぞれに備えられた熱光発電素子
の出力特性を異ならせるとともに、要求出力に応じて燃
焼室が選択使用されることを特徴とする。

【０００８】また、上記発電装置おいて、前段の燃焼室
と後段のガスタービン機関との間に熱交換器が介在さ
れ、燃焼室に供給される燃料または空気がこの熱交換器
で加熱されることを特徴とする。

【０００９】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型
の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機
関と一体の燃焼室に、その燃焼室の上流から下流方向に
複数の熱光発電素子が配設され、複数の熱光発電素子は
上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴
とする。

【００１０】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型
の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機
関と一体の燃焼室内に設けられた燃焼筒壁部が輻射材に
置換され、燃焼筒壁部から発生した光により発電を行う
光発電セルが燃焼筒壁部の周囲に設けられ、燃焼筒壁部
と光発電セルとにより熱光発電素子が構成されているこ
とを特徴とする。

【００１１】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型
の発電装置であって、燃焼機関に配設された熱光発電素
子の前面に波長変換用非線形光学フィルタが設けられ、
このフィルタは高圧電源に接続された電極を備え、非線
形光学フィルタにポーリング電界が形成されることを特
徴とする。

【００１２】また、上記発電装置において、高圧電源は
前記燃焼機関の点火装置の電源であることを特徴とす
る。

【００１３】また、上記発電装置において、燃焼機関は
レシプロ機関であり、燃焼機関の点火と同時に非線形光
学フィルタの電極に電圧が印加されることを特徴とす
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。

【００１５】実施形態１．図１には、本発明に係る熱光
発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態１
の構成が示される。図１において、発電装置はガスター
ビン１０により発電機１２を駆動して発電を行う。発電
機１２により発電された電力はバッテリ１４に蓄えられ
る。このガスタービン１０へは、ガスタービン１０と別
体とされ、独立して設けられた燃焼室１６から燃焼ガス
が供給される。燃焼室１６には、ガスタービン１０の排
気ガスにより、熱交換器１８で加熱された燃料及び空気
が供給され燃料の高温燃焼が行われる。図１に示された
例では、前段の燃焼室１６と後段のガスタービン１０と
の間に熱交換器２０が設けられ、熱交換器１８から燃焼
室１６に供給される燃料及び空気を熱交換器２０で、燃
焼室１６からの燃焼ガスによりさらに加熱する。

【００１６】本実施形態では、燃焼室１６に熱光発電素
子（ＴＰＶ）２２が設けられている。燃焼室１６で燃料
が高温燃焼する際に発生する光により、熱光発電素子２
２により発電が行われ、この電力が上述したバッテリ１
４に蓄えられる。このように、ガスタービン１０の前段
に設けられた燃焼室１６において熱光発電素子２２によ
り発電を行わせ、さらに燃焼室１６からガスタービン１
０に燃焼ガスを供給してこれを駆動することにより発電
機１２で発電を行わせるので、ガスタービン１０のみの
発電装置と比べて発電効率を上昇させることができる。
なお、発電機１２により発電される電力は交流であり、
熱光発電素子２２により発電される電力は直流であるの
で、発電機１２からの交流電力はいったん直流とし、バ
ッテリ１４には直流電力として蓄える。このバッテリ１
４に蓄えられた電力によりモータ２４を駆動して所定の
出力を得る。

【００１７】熱光発電素子２２は、燃焼室１６で発生す
る光の波長が短く光放射エネルギが高いほど高効率の発
電を行うことができる。このためには、燃焼室１６にお
ける燃焼温度をなるべく高くする必要がある。他方、ガ
スタービン１０には回転部分があるので、燃焼室１６か
ら供給される燃焼ガス温度が所定値たとえば１６００°
Ｋより高くなると回転部分の材料が温度に耐えられず破
損する等の問題がある。このため、ガスタービン１０に
供給される燃焼ガス温度は上記所定温度よりも低くする
必要がある。本実施形態では、上述したとおり燃焼室１
６とガスタービン１０との間に熱交換器２０を設けたの
で、この熱交換器２０において燃焼室１６に供給される
燃料及び空気と燃焼室１６からガスタービン１０に供給
される燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、燃焼ガスの温
度を上記所定値以下まで低下させることができる。この
ような構成とすることにより、燃焼室１６における燃料
の燃焼温度を上昇でき、熱光発電素子２２による発電効
率を向上させることができるとともに、ガスタービン１
０に供給する燃焼ガス温度を所定温度まで低下でき、ガ
スタービン１０による発電機１２の駆動を支障なく行わ
せることができる。また、燃焼室１６からの燃焼ガス
と、燃焼室１６へ供給される燃料及び空気との間で熱交
換器２０により熱交換が行われるので、エネルギ効率も
向上させることができる。

【００１８】なお、熱光発電素子２２を構成する発電用
セルは、低温なほど発電効率がよくなるので、動作中冷
却したほうがよい。本実施形態では、ガスタービン１０
の排気から熱交換器１８により排熱を回収し、この排熱
により冷凍機２６を駆動して空気を冷却し、この冷気で
熱光発電素子２２の発電用セルの冷却を行わせている。
上記冷凍機２６としては、たとえば吸収式あるいは吸着
式の冷凍機を使用することができる。

【００１９】図２には、上記ガスタービン１０により駆
動される発電機１２による発電と熱光発電素子２２によ
る発電とを組み合わせた場合の発電効率が示される。前
述したとおりガスタービン１０は材料強度上の制約で１
６００°Ｋ以上の温度では使えない。したがって、ガス
タービン１０を使用した場合の最高効率は、図２のＧＴ
で示される点となる。他方熱光発電素子２２を使用した
場合には、回転部分が存在しないぶんだけ温度限界が回
転機器よりも高くなる。したがって、ガスタービン１０
での最高使用温度よりも高い温度で発電を行わせること
ができる。この結果、熱光発電素子２２における発電効
率は図２のＴＰＶで示される点となる。以上より、熱光
発電素子２２を高温域で利用し、ガスタービン１０をそ
の適温域で利用すれば、これらの組み合わせにより発電
効率をそれぞれ単独で使用した場合よりも高くすること
ができる。たとえば、熱光発電素子を２３００°Ｋで使
用した場合の発電効率は４０％であり、ガスタービン１
０を１６００°Ｋで使用した場合の発電効率は３０％で
ある。したがってこれらを組み合わせた場合の総合発電
効率は４０＋６０×０．３＝５８％となる。

【００２０】図３には、本実施形態に係る発電装置の変
形例が示され、図１と同一部材には同一符号を付してそ
の説明を省略する。本変形例において特徴的な点は、燃
焼室１６の上流から下流に向けて作動温度の異なる複数
の熱光発電素子が設けられた点にあり、図３では、最も
上流の高温域に作動温度が２３００°Ｋの熱光発電素子
２２ａが、中央の中温域に同じく２０００°Ｋの熱光発
電素子２２ｂが、最も下流の低温域に同じく１７００°
Ｋの熱光発電素子２２ｃがそれぞれ設けられている。な
お、上記のように熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ
の作動温度が異なるのは、これらを構成する光発電用セ
ルの最適な光の波長が異なり、これらの波長の光を発生
するための温度が異なるためである。図３の例では、燃
焼室１６の上流側に設けられた熱光発電素子ほどより短
波長の光に適した光発電用セルで構成されていることに
なる。

【００２１】図４には、図３に示された構成の発電装置
の発電効率が示される。図４において、Ａで２３００°
Ｋにおける熱光発電素子２２ａの発電効率が示され、Ｂ
で２０００°Ｋにおける熱光発電素子２２ｂの発電効率
が示され、Ｃで１７００°Ｋにおける熱光発電素子２２
ｃの発電効率がそれぞれ示されている。また、Ｄでガス
タービン１０により駆動される発電機１２の発電効率が
示されている。本変形例では、図４に示されるように、
燃焼室１６の高温域、中温域、低温域に、それぞれの部
分の温度で最高の発電効率となるような光発電用セルで
構成された熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃを設け
たので、ガスタービン１０に最適な温度の燃焼ガスを供
給しつつ発電装置全体としての発電効率をより高めるこ
とができる。

【００２２】なお、本変形例では、燃焼室１６の中を燃
焼ガスが移動する間に熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２
２ｃにより発電のためのエネルギが使われて、燃焼ガス
の温度が低下していく。このため、燃焼室１６とガスタ
ービン１０との間に熱交換器を設けなくとも、ガスター
ビン１０に供給される燃焼ガスの温度は所定の温度まで
低下している。また、上記発電装置においても、ガスタ
ービン１０の排気から熱交換器１８により熱エネルギを
受け取り、冷凍機２６によりセル冷却用の冷気を製造し
てそれぞれの熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃの光
発電用セルの冷却に使用している。

【００２３】図５には、図３に示された燃焼室１６及び
これに設けられた３つの熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、
２２ｃの具体例が示される。図５において、燃焼室１６
の最上流側に配置された第１の熱光発電素子２２ａは、
光発電用のセル２８ａとこのセル２８ａにとって最も発
電効率のよい光のみを透過させる光フィルタ３０ａとバ
ーナ３２による燃焼ガスからの熱を受けて光を発するエ
ミッタ（輻射材）３４ａとにより構成されている。同様
に燃焼室１６の中間位置に配置された第２の熱光発電素
子２２ｂは、光発電用のセル２８ｂと光フィルタ３０ｂ
とエミッタ３４ｂとで構成され、燃焼室１６の最下流側
に配置された第３の熱光発電素子２２ｃは、セル２８ｃ
と光フィルタ３０ｃとエミッタ３４ｃとで構成されてい
る。なお、上記光フィルタ３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、
エミッタ３４ａ、３４ｂ、３４ｃから放射される光を透
過させる光透過部材５６の上に設けられている。

【００２４】これらの熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２
２ｃは、燃焼室１６の上流側に配置されたものほどより
短波長の光に適したものである。これは、上流側の方が
バーナ３２から放出される燃焼ガスの温度が高く、エミ
ッタ３４ａ、３４ｂ、３４ｃから放出される光が燃焼室
１６の上流側ほど短波長となるためである。このように
してバーナ３２から放出された燃焼ガスはそれぞれ熱光
発電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃにおける発電のために
そのエネルギの一部が使用され、その温度が低下してい
き、下流側からガスタービン１０に供給される際には、
ガスタービン１０にとって適切な温度、たとえば１６０
０°Ｋまで温度が低下する。

【００２５】図５に示された燃焼室１６においては、セ
ル２８ａ、２８ｂ、２８ｃを冷却するためのセル冷却用
空気が各セル２８ａ、２８ｂ、２８ｃと光フィルタ３０
ａ、３０ｂ、３０ｃとの間の隙間を流れ、セル２８ａ、
２８ｂ、２８ｃを冷却する。このようにセル２８ａ、２
８ｂ、２８ｃを冷却した後のセル冷却後空気は、引き続
いてエミッタ３４ａ、３４ｂ、３４ｃと接し、ここで加
熱された後、昇温後空気としてバーナ３２に燃焼用空気
として供給される。したがって、図３に示される熱交換
器１８の機能はエミッタ３４ａ、３４ｂ、３４ｃとの熱
交換により代替される。また、バーナ３２は、図３に示
された熱交換器１８により加熱された燃料が供給され
る。

【００２６】図６〜図９には、図５に示された第１、第
２、第３の熱光発電素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃを構成
する光発電用のセル２８ａ、２８ｂ、２８ｃの接続方法
の例が示される。図６において、上流側にあるセルほど
短波長の光に対応したものであり、大きなバンドギャッ
プのものが用いられているので、発生する起電力も大き
くなる。そこで、図６に示された例では、高温域、中温
域、低温域の３つのセル２８ａ、２８ｂ、２８ｃを直列
接続し、これら直列接続したものを複数並列に接続して
所定の電圧及び電流を得ようとしたものである。この場
合、各セル２８ａ、２８ｂ、２８ｃに流れる電流を同一
にする必要があるので、それぞれのセルの面積を調整し
ている。

【００２７】また、図７においては、これら３つのセル
２８ａ、２８ｂ、２８ｃを直列に接続したものを１つの
ユニットとしてあらかじめ製造しておけば、一定の電圧
を発生する電池として利用できることを示している。こ
れら各ユニットは、必要に応じて直列接続すればさらに
高い起電力を得ることもできる。

【００２８】さらに、高い起電力が必要な場合には、図
８（ａ）に示されるように、セル２８ａ、２８ｂ、２８
ｃをそれぞれ複数個接続し、さらにこれらを直列に接続
することも好適である。また、その場合に、図８（ｂ）
に示されるように、セル２８ａ、２８ｂ、２８ｃの直列
接続の数を用途に応じて調整することも可能である。以
上に述べた図７及び図８の場合にも、各セルに流れる電
流を一定とするため、それぞれのセル２８ａ、２８ｂ、
２８ｃの面積は適宜調整する。

【００２９】また、図９に示されるように、直列接続さ
れたそれぞれのセル２８ａ、２８ｂ、２８ｃの起電力が
同一となるように接続するセルの数を適宜調整すること
も好適である。図９に示されるような接続方法によれ
ば、各セルの面積を特に調整しなくても電流の不整合の
問題は生じない。

【００３０】実施形態２．図１０には、本発明に係る熱
光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態
２の構成が示される。図１０においても、図１と同一部
材には同一符号を付してその説明は省略する。

【００３１】図１０において、発電装置には３基の燃焼
室１６が設けられている。これらの燃焼室は並列に設け
られており、それぞれからガスタービン１０に燃焼ガス
が供給される。各燃焼室１６にはそれぞれ熱光発電素子
２２が備えられており、燃焼室１６における燃焼エネル
ギの一部である輻射光により発電を行う。

【００３２】それぞれの燃焼室１６には、たとえばメン
テナンス時等ガスタービン１０の停止中でも燃焼室１６
及び熱光発電素子２２を運転するためのバイパスライン
３６が設けられている。これにより、ガスタービン１０
のメンテナンス中における発電電力の低下を最小限に抑
えることができる。

【００３３】また、燃焼室１６あるいは熱光発電素子２
２のメンテナンス時等燃焼室１６が停止中においてもガ
スタービン１０を運転できるように、予備燃焼室３８も
設けられている。

【００３４】これらの燃焼室１６及び予備燃焼室３８に
は、図１の場合と同様に、熱交換器１８によりガスター
ビン１０からの排気と熱交換され加熱された燃料及び空
気が供給される。

【００３５】上述のように、燃焼室１６が３基設けら
れ、それぞれに熱光発電素子２２が備えられているの
で、これらの運転の組み合わせにより発電電力量を調整
することができる。これによって、負荷側の要求電力に
応じて発電電力を制御することができる。図１１
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、発電電力の制御の説明図
が示される。図１１（ａ）には、ガスタービン１０に流
される燃焼ガスのガス流量と発電機１２により発電され
る電力との関係が示される。また、図１１（ｂ）には、
３基の燃焼室１６にそれぞれ設けられた熱光発電素子２
２の定格出力が等しい場合の発電出力の様子が示され
る。図１１（ｂ）は、各熱光発電素子２２が定格出力で
運転している場合の図であるが、負荷側の電力需要量に
応じて、運転する熱光発電素子２２の数を制御すること
により、３段階で発電電力量を制御できる。したがっ
て、図１１（ａ）と図１１（ｂ）との組み合わせによ
り、負荷側の電力需要に応じることができる。

【００３６】さらに、図１１（ｃ）には、定格出力が異
なる熱光発電素子２２を３基の燃焼室１６にそれぞれ設
けた場合の例が示される。このように、３つの熱光発電
素子２２の出力特性を異ならせることにより、さらにき
め細かな発電電力の制御が可能となる。

【００３７】実施形態３．図１２には、本発明に係る熱
光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態
３に使用される燃焼室の例が示される。図１２におい
て、燃焼室１６には、内部に内筒５２が設けられ、この
内筒５２に燃料噴射弁４０から燃料が噴射され、同時に
一次空気孔４２から一次空気が供給される。このように
噴射された燃料は、点火プラグ４４により点火され、さ
らに内筒５２に設けられた二次空気孔４６、三次空気孔
４８から所定量の空気が供給されつつ高温燃焼される。
この燃焼室１６は、図示しないガスタービン１０と一体
とされており、高温燃焼された燃焼ガスは燃焼室１６か
らガスタービン１０に供給される。なお、二次空気孔４
６及び三次空気孔４８から燃焼室１６に供給される空気
は、空気供給口５０より供給されるが、たとえば図１０
で示された熱交換器１８により、ガスタービンの排気と
熱交換することにより加熱され、図示しないコンプレッ
サにて加圧された状態で供給される。

【００３８】本実施形態においては、燃焼室１６の内筒
５２は輻射材で構成されており、エミッタを形成してい
る。また、内筒５２は、外殻部材５４の内部に収容され
ており、この外殻部材５４の所定位置には孔があけられ
ていて、この位置にＳｉＯ₂ガラスで構成された光透過
部材５６が配置されている。内筒５２の内部で燃料が高
温燃焼し、エミッタとしての内筒５２から光が輻射さ
れ、光透過部材５６を介してその光が外部に取り出され
る。外殻部材５４の外側の光透過部材５６に対応する位
置には、内筒５２の周囲を囲うように光発電用のセル２
８が設けられ、光透過部材５６を透過してきた輻射光に
より光発電が行われる。なお、上述したエミッタとして
の内筒５２が本発明に係る燃焼筒壁部に相当し、内筒５
２と光透過部材５６とセル２８とにより本発明に係る熱
光発電素子が形成される。この熱光発電素子は、燃焼室
１６の上流から下流方向に複数配設されており、上流側
がより短波長の光に適したものとなっている。また、上
述した内筒５２を形成している材料としては、たとえば
ＳｉＣやドープ型のＹＡＧ等を使用することができる。

【００３９】以上のような構成により、従来外殻部材５
４から外部に逃げていた熱エネルギをセル２８により電
気エネルギに変換できるので、熱損失を低減することが
できる。また、本実施形態においては、燃焼室１６中で
発生する燃焼エネルギの一部がセル２８により電気エネ
ルギに変換されるため、燃焼室１６内の燃焼温度をガス
タービン１０の運転温度よりも高く設定しても、ガスタ
ービン１０に供給される燃焼ガスの温度をガスタービン
１０の運転に最適な温度まで低下させることができる。
したがって、燃焼室１６の運転温度を高めに設定でき、
セル２８による発電効率を高く維持することができる。

【００４０】なお、セル２８の外側にセルアッセンブリ
５８を設けることにより、セル２８の外部損傷を防止す
ることもできる。

【００４１】上述したとおり、光透過部材５６は、外殻
部材５４の所定位置に孔をあけて取り付けてあるが、外
殻部材５４の残りの部分である骨格部材６０の部分から
は輻射光は透過してこない。したがって、セル２８は、
この骨格部材６０の影とならないように配置する必要が
ある。図１３には、セル２８の配置の様子が示される。
図１３は、図１２を燃料噴射弁４０の方向から見た図で
ある。また、図１４（ａ）には、図１３からセル２８及
びセルアッセンブリ５８を取り除いた部分が示され、こ
のＢ−Ｂ断面図が図１４（ｂ）に示される。

【００４２】また、図１５（ａ）には、図１３に示され
たセル２８及びセルアッセンブリ５８が示され、このＢ
−Ｂ断面図が図１５（ｂ）に示される。

【００４３】以上の各図より、光透過部材５６の配置及
び骨格部材６０の影とならないようにセル２８を配置し
た様子が示される。

【００４４】図１６には、本実施形態に係る燃焼室１６
の変形例が示され、図１２と同一部材には同一符号を付
してその説明を省略する。図１６において、燃焼用の空
気は空気フィルタ６２を介して外殻部材５４とセルアッ
センブリ５８とで形成される空間のうち、セル２８の隙
間を流れるように供給される。これにより、セル２８の
冷却が行われ、セル２８における発電効率を向上させる
ことができる。セル２８の冷却に使用された空気は、そ
の後図示しないガスタービン１０の排気と熱交換器１８
により熱交換されて加熱され、コンプレッサで加圧され
た後空気供給孔５０から燃焼用の二次空気及び三次空気
として供給される。この空気は、図１２で説明したとお
り、内筒５２に設けられた二次空気孔４６及び三次空気
孔４８から燃焼空気として内筒５２の内部に供給され
る。なお、セル２８の冷却効果をさらに高めるために、
セルアッセンブリ５８に放熱用のフィン６６を取り付け
るのも好適である。

【００４５】図１７には、本実施形態に係る燃焼室１６
の他の変形例が示され、図１２と同一部材には同一符号
を付してその説明を省略する。図１７において、光透過
部材５６の外面には光フィルタ６８が設けられている。
この光フィルタ６８は、セル２８において光電変換効率
の高い波長のみを透過させ、他の波長の光を燃焼室１６
内に反射する機能を有している。これにより、セル２８
における発電効率を向上させるとともに、一部の光を反
射することにより、光電変換に使用されずに外部に熱損
失として逃げるエネルギを低減させることができる。こ
れによって、燃焼室１６の熱効率を向上させることがで
きる。さらに、光フィルタ６８を設けることにより、発
電にさほど寄与できない波長の光がカットされるので、
セル２８の温度を低下させることができ、これによって
も発電効率を向上させることができる。

【００４６】なお、光フィルタ６８の配置される位置と
しては、光透過部材５６の外面に限らずその内面もしく
は光透過部材の両面あるいは光透過部材５６の近傍に設
けることができる。

【００４７】図１８には、本実施形態に係る燃焼室１６
のさらに他の変形例が示され、本例でも図１２と同一部
材には同一符号を付してその説明を省略する。図１８に
おいて、セルアッセンブリ５８の外側には冷却器７０が
設けられている。この冷却器７０には、たとえば図１に
示された吸着式あるいは吸収式の廃熱を利用した冷凍機
により生成された冷気が流され、これによりセル２８を
冷却する構成となっている。図１８に示された冷却器７
０は、セルアッセンブリ５８の外側に巻かれたパイプで
構成されている。このようにセル２８を冷却することに
より、セル２８における発電効率を向上させることがで
きる。

【００４８】また、Ｇｅ、ＧａＳｂ等で構成されたセル
よりもエネルギギャップが小さい、すなわちより長波長
側で発電できるセルの材料であるＩｎＳｂ等は、高温に
なると発電能力がなくなり、熱光発電素子のセル２８と
して使用することは困難であるが、本変形例のように冷
却器７０で冷却すれば使用が可能となる。これにより、
一部のセルを上記ＩｎＳｂで構成することにより、より
長波長側での発電も効率よく行うことができるので、さ
らに光電変換効率を向上させることができる。

【００４９】図１９及び図２０には、本実施形態に係る
燃焼室１６のさらに他の変形例が示され、本例でも図１
２と同一部材には同一符号を付してその説明を省略す
る。燃焼室１６内の温度は、燃焼初期においてはさほど
高温になっておらず、エミッタとしての内筒５２からの
発光量は極めて少量である。このため、燃焼初期段階に
おいては、内筒５２からの輻射光ではなく、燃焼室１６
内において燃焼している炎の光により直接発電するほう
が効率がよい。そこで、本変形例では図１９に示される
ように、燃焼初期段階では、内筒５２を図の下方向にず
らし、内筒５２の上部に所定の間隙をあけてここから出
てくる炎の光によりセル２８で発電する構成となってい
る。この場合、内筒５２は、形状記憶合金ばね７２によ
り支持された構造となっている。この形状記憶合金ばね
７２は、温度の低い、すなわち燃焼初期段階では内筒５
２を図の下方向に下げた位置で支持している。これに対
して、図２０に示されるように、燃焼温度が上昇した段
階では、内筒５２を図の上方向に押し上げ、内筒５２の
上部の隙間を閉じるように変形する。

【００５０】図１９において、燃焼の初期段階では、上
述のとおり内筒５２の上部に間隙があるので、前述した
各燃焼室１６の例のように、内筒５２に設けられた二次
空気孔４６及び三次空気孔４８から二次空気及び三次空
気を供給することが困難となっている。そこで、燃料噴
射弁４０の近傍下部に臨時空気供給口７４を設け、ここ
から初期段階での燃焼用空気を供給する。なお、点火プ
ラグ４４も上下に移動する内筒５２の胴部ではなく移動
しない上部に取り付けられている。

【００５１】図１９に示された状態で初期段階の燃焼が
行われ、燃焼室１６内の温度が上昇していくと、上述の
とおり形状記憶合金ばね７２の変形により内筒５２が上
部に移動され、図２０に示されるように間隙が閉じられ
る。この段階では、内筒５２の温度も十分高くなってい
るので、セル２８はエミッタである内筒５２からの輻射
光を光透過部材５６を介して受け取り発電動作を行う。

【００５２】以上のような構成により、燃焼初期段階に
おける発電効率をより向上させることができる。

【００５３】実施形態４．図２１（ａ）、（ｂ）には、
本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電
装置の実施形態４の構成が示される。図２１（ａ）にお
いて、光発電用のセル２８は、燃焼機関としてのレシプ
ロ機関のシリンダの胴部に設けられている。このセル２
８が設けられたシリンダの胴部は、ＳｉＯ₂ガラスで構
成されており、セル２８の保護とともに光透過部材５６
としても機能している。これらのセル２８及び光透過部
材５６は、アルミケース７６により一体化されており、
アルミケース７６の外側には冷却水通路７８が設けられ
ている。これにより、冷却水通路７８を流れる冷却水に
よりアルミケース７６を介してセル２８が冷却される構
成となっている。

【００５４】図２１（ａ）に示された内燃機関において
は、シリンダヘッドに吸排気弁８０が設けられており、
これにより吸排気を行わせながらコネクティングロッド
８２が接続されたピストン８４が燃料の爆発エネルギよ
り上下運動を行う。この際、燃料の爆発時にエネルギの
一部が光となるので、この光を光透過部材５６を介して
光発電用のセル２８が受け取り光発電を行う。従来この
ような光は、その後熱エネルギとなって外部に逃げ、熱
ロスとなっていたが、本実施形態のようにこれを電気エ
ネルギに変換することにより有効利用することができ
る。

【００５５】各セル２８は、図２１（ｂ）に示されるよ
うに接続線８６により円周方向に配置されたセル毎に直
列に接続されている。また、セル２８で発電された電力
は、引き出し線８８により外部に取り出される構成とな
っている。

【００５６】上述のセル２８は、ダイオード特性を有す
るので、光が当たっていない場合には電流が流れない。
したがって、あるセル２８に光が当たり光発電が行われ
ていても、これと直列に接続されたセル２８に光が当た
っていない場合には回路全体としては電流が流れなくな
る。例えば、シリンダ中のピストン８４の位置を図２２
に示されるように各セル２８の縦方向の位置毎にＡ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ点とする。ただしＤ点はピストンの最下位点
を示す。このような構成において、上段、中段、下段の
セル２８をすべて直列に接続した場合には、光セル２８
に生じる電圧Ｖと流れる電流ｉの時間変化は図２３
（ａ）、（ｂ）に示されるようになる。すなわち、ピス
トン８４の位置が図２２のＣまで降りるまでは、一部に
光の当たっていないセル２８（最下段のセル２８）が存
在するため、電圧を発生していても電流が流れないこと
となる。これに対してピストン８４がＣ点まで到達する
と、すべてのセルに光が当たり始めるので電流が立ち上
がり、Ｄ点とＣ点の間にいる時のみ最高の電流が流れ
る。したがって、セル２８の数を増やしても、セル２８
による発電電力を大きくすることができない。

【００５７】そこで、セル２８はシリンダの円周方向に
のみ直列に接続し、各段のセル２８から電力を取り出す
回路にスイッチを設け、光の当たっているセル２８の回
路のみＯＮとする構成とすれば、光の当たっているセル
２８から常に発電電力を取り出すことが可能である。図
２４（ａ）には、このための回路構成が示される。図２
４（ａ）において、Ａ、Ｂ、Ｃは図２２におけるピスト
ン８４の位置がそれぞれＡ、Ｂ、Ｃにあるときに爆発に
よる光が当たるセル２８を示す。また、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ
３は、それぞれ切り替えスイッチを示し、図示しない制
御回路により制御される。この切り替えスイッチがａ側
にあるときにはそのセル２８から発電電力が取り出さ
れ、ｂ側にあるときには下段のセル２８と直列接続の状
態となる。また、それぞれのセル２８から取り出された
発電電力はいったんバッテリ２４に蓄えられる。

【００５８】図２４（ａ）に示された回路により取り出
される発電電流及び電圧の様子が図２４（ｂ）、（ｃ）
に示される。図２４（ｃ）では、各スイッチの位置とそ
の場合に発生する電圧との関係が示される。たとえば、
ピストン８４の位置がＡであり、最上段のセル２８にの
み光が当たっている場合には、スイッチＫ１をａ側に倒
し、最上段のセル２８における発電電圧のみにより発電
電流を取り出す。次にピストン８４が位置Ｂまで降りて
きたときには、スイッチＫ１をｂ側に、スイッチＫ２を
ａ側に倒せば、最上段と中段のセル２８とが直列接続と
なり、これに対応した電圧により発電電流を取り出すこ
とができる。さらに、ピストン８４の位置がＣより下が
った場合には、すべてのスイッチをｂ側に倒し、上段、
中段、下段のセル２８を直列接続として発電電流を取り
出す。以上のようにして発電電流を取り出した場合の様
子が図２４（ｂ）に示される。この図からわかるよう
に、常に光の当たっているセル２８のみバッテリ１４と
接続できるようにスイッチＫ１、Ｋ２、Ｋ３を制御する
ので、光の当たっていないセル２８のダイオード特性に
より、発電電流が取り出せなくなる時間をなくすことが
でき、図２３（ａ）と比較して大幅に電流量を増加させ
ることができている。

【００５９】なお、セル２８による発電は、シリンダ内
における燃料の爆発時のみ行われるので、爆発工程の後
の排気及び吸気行程では光発電は行われない。したがっ
て、上述した発電工程は、シリンダ内における爆発工程
においてのみ実行されるものである。このため、爆発工
程以外の時間では、たとえばバッテリ１４に接続された
スイッチＫ４をＯＦＦとしておく。

【００６０】図２５には、上記スイッチ制御の工程のフ
ローが示される。図２５において、図示しない制御回路
によりエンジン回転数を計測し（Ｓ１）、ピストン速度
を算出する（Ｓ２）。

【００６１】また、シリンダ内の爆発工程を検知するた
めに点火信号を確認する（Ｓ３）。

【００６２】以上のピストン速度及び点火信号の有無に
より制御回路がシリンダ内の爆発工程時において図２４
（ｃ）に示されるようなスイッチ制御を行う（Ｓ４）。

【００６３】図２６には、本実施形態に係る発電装置の
変形例が示され、図２１（ａ）と同一部材には同一符号
を付してその説明を省略する。図２６において、光発電
用のセル２８はピストン８４の上部に設けられており、
このセル２８の上部にはＳｉＯ₂等の材料で構成された
光透過部材５６が設けられている。また、セル２８で発
電された電力は引き出し線８８により取り出され、コネ
クティングロッド８２を通じてスリップリング等から取
り出される。

【００６４】このような構成とすることにより、ピスト
ン８４がどの位置にあっても、常に爆発による光をセル
２８で受けることができ、図２４で示されたような複雑
な制御回路を不要とすることができる。

【００６５】図２７には、本実施形態に係る発電装置の
他の変形例が示され、本例でも図２１（ａ）と同一部材
には同一符号を付してその説明を省略する。本変形例で
は、セル２８がシリンダヘッドに設けられている。この
ような構成とすれば、セル２８が常に静止状態であるの
で、引き出し線８８からの発電電力の取り出しを容易に
行うことができる。

【００６６】図２８には、本実施形態に係る発電装置の
さらに他の変形例が示され、本例でも図２１（ａ）と同
一部材には同一符号を付してその説明を省略する。本変
形例でも、セル２８はシリンダヘッドに設けられている
が、ピストン８４の上面に、たとえば銀めっき等による
反射部９０が設けられている。これにより、爆発により
生じた光のうちピストン８４側に向かった光も、反射部
９０で反射され、すべてセル２８の方向に向かわせるこ
とができる。これにより、セル２８における発電効率を
向上させることができる。なお、かかる反射部９０は、
ピストン８４上面のみならずシリンダの内面にも施すの
が好適である。

【００６７】実施形態５．以上に述べた各実施形態にお
いては、光の発生源とセル２８との間に設けられた光透
過部材５６としては、ＳｉＯ₂ガラス等が用いられてい
た。この光透過部材５６として、たとえば二次非線形性
を有する材料を用い、発光源の光をより短波長化すれば
セル２８により光電変換できなかった長波長側の光も発
電に利用可能となる。そこで、図５、図１２、図１６、
図１７、図１８、図１９、図２０において、熱光発電素
子を構成するセル２８の前面に設けられた光透過部材５
６として波長変換用非線形光学フィルタを使用すること
が好適である。ただし、非線形光学フィルタは、高温に
さらされるとその二次非線形性が消失するので、高圧電
源に接続された電極を備え、この電極により常にこの非
線形光学フィルタにポーリング電界を印加する必要があ
る。このように、非線形光学フィルタにポーリング電界
を印加するための高圧電源としては、たとえば燃焼機関
の点火プラグ４４に点火用の電力を供給する電源等が考
えられる。

【００６８】図２９（ａ）、（ｂ）には、本実施形態に
係る発電装置の変形例が示される。本変形例において、
実施形態４に示されたレシプロ機関のシリンダを構成す
る光透過部材５６がその半径方向に２分割されており、
内側にはＳｉＯ₂ガラスが配置され、外側には二次非線
形性を有するＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラスが配置されてい
る。この様子が図２９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図２
９（ｂ）に示されている。また、これらのＳｉＯ₂ガラ
ス及びＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラスの間には、ＳｉＯ₂−Ｇ
ｅＯ₂ガラスにポーリング電界を印加するための電極９
２が設けられている。この電極９２には、点火プラグ４
４に電圧を印加するためのイグニッション回路から高圧
電源がレシプロ機関の点火と同時に印加される。これに
より、点火のたび毎に高圧電界がＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラ
スに印加され、点火動作のたび毎にポーリングが実施さ
れる。したがって、ＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラスが燃焼機関
の高温状態にさらされても、二次非線形性を常に維持す
ることができる。したがって、爆発工程で発生した光の
波長を常に短波長化することができ、高効率の光発電を
行うことができる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガスタービン機関の前段に設けられた燃焼室の燃焼温度
を高温に維持して熱光発電素子での発電効率を高めると
ともに、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には、燃
焼ガスの温度が降温されているのでガスタービン機関の
運転と調和させることが可能となる。

【００７０】また、上記燃焼室の上流側から下流側に向
けて熱光発電素子を複数設け、かつ上流側をより短波長
の光に適したものとするので、発電効率を向上させるこ
とができる。

【００７１】また、並列に複数設けられた燃焼室に備え
られる熱光発電素子の特性を異ならせ、これを選択使用
すれば、負荷側の要求出力に応じた最適な発電を行うこ
とができる。

【００７２】また、燃焼室とガスタービン機関との間に
熱交換器を設ければ、ガスタービン機関へ供給する燃焼
ガスの温度を最適に調整でき、燃焼室の温度を高温に維
持して運転できるので、熱光発電素子による発電効率が
向上できる。

【００７３】また、ガスタービン機関と一体の燃焼室に
複数の熱光発電素子を設け、上流側の素子をより短波長
に適したものとすれば、高い発電効率と、ガスタービン
機関へ供給する前の燃焼ガスの十分な降温とを両立する
ことができる。

【００７４】また、燃焼室内に輻射材で構成された燃焼
筒壁部を設けることにより、熱光発電素子に適した波長
の光を得ることができ、発電効率を向上できるととも
に、燃焼ガス温度をガスタービン機関に適する温度まで
十分に降温することができる。

【００７５】また、熱光発電素子の前面に非線形光学フ
ィルタを設け、より長波長側の光まで発電に利用すると
ともに、この非線形光学フィルタをポーリングにより再
生し、長期間効果を維持することができる。

【００７６】また、ポーリング電界として燃焼機関の点
火装置の電源を用いることにより、自動的に上記ポーリ
ングを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複
合発電装置の実施形態１の構成図である。

【図２】図１に示された発電装置における発電効率の
説明図である。

【図３】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複
合発電装置の実施形態１の変形例を示す図である。

【図４】図３に示された発電装置の発電効率の説明図
である。

【図５】図３に示された燃焼室の構成例を示す図であ
る。

【図６】図３に示された複数のセルの接続例を示す図
である。

【図７】図３に示された複数のセルの接続例を示す図
である。

【図８】図３に示された複数のセルの接続例を示す図
である。

【図９】図３に示された複数のセルの接続例を示す図
である。

【図１０】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態２の構成を示す図である。

【図１１】図１０に示された発電装置の運転例の説明
図である。

【図１２】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３の構成を示す図である。

【図１３】図１２に示された発電装置の平面図であ
る。

【図１４】図１２に示された骨格部材の平面図及び断
面図である。

【図１５】図１２に示されたセルアッセンブリの平面
図及びＢ−Ｂ断面図である。

【図１６】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３の変形例を示す図である。

【図１７】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３の他の変形例を示す図であ
る。

【図１８】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３のさらに他の変形例を示す図
である。

【図１９】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３のさらに他の変形例を示す図
である。

【図２０】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態３のさらに他の変形例を示す図
である。

【図２１】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態４の構成を示す図及びＢ−Ｂ断
面図である。

【図２２】図２１に示されたピストンの位置の説明図
である。

【図２３】本実施形態に係る工夫を施さない場合のセ
ルにおける発電電流及び発電電圧を示す図である。

【図２４】本実施形態に係る制御回路及びこの制御回
路使用した場合の発電電流及び発電電圧を示す図であ
る。

【図２５】図２４に示された制御回路における運転工
程を示すフロー図である。

【図２６】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態４の変形例を示す図である。

【図２７】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態４の他の変形例を示す図であ
る。

【図２８】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態４のさらに他の変形例を示す図
である。

【図２９】本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との
複合発電装置の実施形態５の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１０ガスタービン、１２発電機、１４バッテリ、
１６燃焼室、１８，２０熱交換器、２２熱光発電
素子、２４モータ、２６冷凍機、２８，２８ａ，２
８ｂ，２８ｃセル、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ光フィ
ルタ、３２バーナ、３４ａ，３４ｂ，３４ｃエミッ
タ、３６バイパスライン、３８予備燃焼室、４０
燃料噴射弁、４２一次空気孔、４４点火プラグ、４
６二次空気孔、４８三次空気孔、５０空気供給
口、５２内筒、５４外殻部材、５６光透過部材、
５８セルアッセンブリ、６０骨格部材、６２空気
フィルタ、６４コンプレッサ、６６フィン、６８
光フィルタ、７０冷却器、７２形状記憶合金ばね、
７４臨時空気供給口、７６アルミケース、７８冷却
水通路、８０吸排気弁、８２コネクティングロッ
ド、８４ピストン、８６接続線、８８引き出し
線、９０反射部、９２電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大川進愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 AA01 AA08 JA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発
電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関の
前段に、ガスタービン機関とは別体とされ、熱光発電素
子が備えられた燃焼室が独立して設けられ、この燃焼室
で燃料を高温燃焼させつつ前記熱光発電素子で発電を行
わせ、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には燃焼ガ
ス温度が所定の温度まで低下されていることを特徴とす
る発電装置。
【請求項２】請求項１記載の発電装置において、前記
熱光発電素子は前記燃焼室の上流から下流に向けて複数
設けられ、上流側がより短波長の光に適したものである
ことを特徴とする発電装置。
【請求項３】請求項１記載の発電装置において、前記
燃焼室が並列に複数設けられ、それぞれに備えられた前
記熱光発電素子の出力特性を異ならせるとともに、要求
出力に応じて燃焼室が選択使用されることを特徴とする
発電装置。
【請求項４】請求項１記載の発電装置において、前段
の前記燃焼室と後段の前記ガスタービン機関との間に熱
交換器が介在され、前記燃焼室に供給される燃料または
空気がこの熱交換器で加熱されることを特徴とする発電
装置。
【請求項５】熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発
電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と
一体の燃焼室に、その燃焼室の上流から下流方向に複数
の熱光発電素子が配設され、前記複数の熱光発電素子は
上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴
とする発電装置。
【請求項６】熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発
電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と
一体の燃焼室内に設けられた燃焼筒壁部が輻射材に置換
され、前記燃焼筒壁部から発生した光により発電を行う
光発電セルが前記燃焼筒壁部の周囲に設けられ、前記燃
焼筒壁部と前記光発電セルとにより熱光発電素子が構成
されていることを特徴とする発電装置。
【請求項７】熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発
電装置であって、燃焼機関に配設された熱光発電素子の
前面に波長変換用非線形光学フィルタが設けられ、この
フィルタは高圧電源に接続された電極を備え、前記フィ
ルタにポーリング電界が形成されることを特徴とする発
電装置。
【請求項８】請求項７記載の発電装置において、前記
高圧電源は前記燃焼機関の点火装置の電源であることを
特徴とする発電装置。
【請求項９】請求項８記載の発電装置において、前記
燃焼機関はレシプロ機関であり、前記燃焼機関の点火と
同時に前記フィルタの電極に電圧が印加されることを特
徴とする発電装置。