JP2004363297A

JP2004363297A - 熱光発電装置

Info

Publication number: JP2004363297A
Application number: JP2003159520A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Murata; 清仁村田; Tomokazu Iida; 智一飯田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】エミッタの発光量の増加とエミッタの温度分布の均一化とを図った熱光発電装置を提供する。
【解決手段】この熱光発電装置は、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスをガイドする緻密質エミッタ１４と、その緻密質エミッタ１４とともに燃焼ガスの流路を形成しつつ燃焼ガスを透過させる多孔質エミッタ１２と、緻密質エミッタ１４の、多孔質エミッタ１２の側と反対の側に配置された光電変換セル１８と、を具備する。
【選択図】図１

Description

【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（ｔｈｅｒｍｏｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）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】
特開２００２−３１９６９３号公報記載の技術のように、エミッタの一面からの発光が利用される場合には、略均一なエミッタ発光が得られるが、小型化を目的として、多面からの発光を利用する多面エミッタとした場合には、不均一な発光となるという問題がある。これは、燃焼器における火炎発生部位の分布や位置、エミッタ通過流路抵抗の不適合、燃焼ガス流量分布の不適合、等による。また、エミッタへの熱伝達量が小さいことや、高温ガスの逃げといった問題もある。
【０００７】
エミッタ（発光部）の発光が不均一である場合には、複数の光電変換セル（受光部）に入射するエネルギー量が個々にばらつくため、各セルの発電量に差が生ずる。その結果として、セル間に発電量に応じた電流量の差が発生する。一方、複数の光電変換セルは一般に直列に接続されているため、総発電量は、「各セル発生電圧の和」×「最小発電量セルの電流」により決まる。したがって、ばらつきが大きいと、「最小発電量セルの電流」が小さくなり、結果として、電力変換効率が低下するという問題が生ずる。
【０００８】
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、エミッタの発光量の増加とエミッタの温度分布の均一化（即ち、各セル出力間の差の低減）とを図った熱光発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスをガイドする緻密質エミッタと、前記緻密質エミッタとともに燃焼ガスの流路を形成しつつ燃焼ガスを透過させる多孔質エミッタと、前記緻密質エミッタの、前記多孔質エミッタの側と反対の側に配置された光電変換セルと、を具備することを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、前記緻密質エミッタと前記多孔質エミッタとの間及び前記多孔質エミッタの内部を通過した燃焼ガスが燃焼用空気を加熱するための熱交換器が更に具備される。
【００１１】
また、本発明によれば、燃焼ガスの流路の抵抗が略等しくなるように前記多孔質エミッタの厚さ及び前記緻密質エミッタと前記多孔質エミッタとの間隔が調節される。
【００１２】
また、本発明によれば、前記多孔質エミッタにおいて下流側の空孔粗さが上流側の空孔粗さに比較して細かくされる。
【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、同心円上に装置内側より、円筒形の燃焼室１０、円筒形の多孔質エミッタ１２、有底円筒形の緻密質エミッタ１４、有底円筒形のフィルタ１６、及び複数個集まって有底円筒形を形成する光電変換セル１８が配置された構造となっている。
【００１５】
ブロア２０がブロアモータ２２によって駆動されることにより、燃焼用空気が、燃焼用空気入口２４から導入され、フィルタ１６とセル１８との間を通過する。その際、燃焼用空気は、セル１８を冷却することにより、セル１８の温度上昇による光電変換効率の低下を防止する。
【００１６】
その後、燃焼用空気は、熱交換器２６に導かれ、その中の管を通過することにより、後述の如くエミッタ１２及び１４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、燃料ガス入口２８から導入された燃料ガスと混合室３１にて混合される。
【００１７】
その混合気は、燃焼室１０の入口で点火され、燃焼室１０の内部で燃焼する。その燃焼により発生した燃焼ガスは、図２に示されるように、多孔質エミッタ１２と緻密質エミッタ１４との間を通過しつつ多孔質エミッタ１２の内部をも通過していく。
【００１８】
高温の燃焼ガスが多孔質エミッタ１２の内部を通過すると、多孔質エミッタ１２は、熱を得て緻密質エミッタ１４へ向けて発光する。緻密質エミッタ１４は、多孔質エミッタ１２からの発光熱を受け、温度が上昇し、フィルタ１６及びセル１８へ向けて発光する。
【００１９】
フィルタ１６は、緻密質エミッタ１４からの光のうちセル１８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緻密質エミッタ１４の側へ反射して緻密質エミッタ１４の加熱に寄与せしめる。セル１８は、フィルタ１６を透過した光を受けて発電する。
【００２０】
エミッタ１２及び１４を加熱した燃焼ガスは、円周上均等に配置された熱交換器入口３０より熱交換器２６に導かれて前述の如く燃焼用空気を加熱した後、排気口３２から装置外部に排出される。
【００２１】
セル１８は受光により温度が上昇して効率が低下するため、燃焼用空気による冷却に加えて冷却水による冷却が実施される。すなわち、冷却水入口３４から導入された冷却水が、セル１８の裏面側を通過することによりセル１８を冷却した後、冷却水出口３６から排出されるように構成されている。
【００２２】
上述した実施形態においては、装置内側より、燃焼室１０、多孔質エミッタ１２、緻密質エミッタ１４、フィルタ１６及びセル１８が配置され、温度のより高い部位の順となっている。すなわち、装置内側に高温部が配され、外側に低温部が置かれるため、装置自体が断熱構造となり、装置の熱効率が向上してエミッタの発光熱量が増加する。
【００２３】
また、燃焼室１０から排出される高温ガスは、緻密質エミッタ１４によりガイドされるため、フィルタ１６側に流れることがなく、外部への熱伝達（熱の逃げ）が抑制される。また、多孔質エミッタ１２が、その内部に高温ガスが流れるように配されているため、熱交換面積を大きくとることができ、高温ガスから多くの熱を奪うことができる。
【００２４】
さらに、フィルタ１６は、燃焼ガスをガイドする必要がないため、緻密質エミッタ１４が光電変換に有効な一定波長の光のみ放射する材料で構成される場合には、フィルタ１６を省略することができ、コストの低減が図られる。
【００２５】
また、本実施形態においては、図２に示されるように、燃焼室１０から熱交換器入口３０までの高温ガス流路の抵抗が略等しくなり、発光が均一となるように、多孔質エミッタ１２の厚さ及び多孔質エミッタ１２と緻密質エミッタ１４との間隔が適正化されているため、多孔質エミッタ１２の部位による流量のバラツキが抑えられている。
【００２６】
すなわち、多孔質エミッタ１２のどの部分を高温ガスが通過しても、その流路抵抗が定格出力状態にて一定となるようにされ、圧損及び流量が調整されることにより、発光量が略均一となるように構成されている。エミッタ１２の部位によるガス流量が均一になる結果、高温ガスとエミッタ１２との熱交換量が部位によらず均一になる。ひいては、エミッタの発光量が部位によることなく一定となり、セルごとの受光量及び出力のバラツキを小さくして装置の効率を向上させることができる。
【００２７】
また、多孔質エミッタ１２においては、下流側部分の空孔粗さが上流側部分の空孔粗さに比較して細かくされている。これは、下流側部分では燃焼ガスの温度が低くなるため、熱伝達面積が大きくなるようにしているためである。また、ガス流速の増大による熱交換量の増大も図られている。
【００２８】
このように、エミッタ１２及び１４の各部表面温度がほぼ一定となるように、各発光表面の受けるエネルギー量が一定とされている。ガス温度が低くなる下流側エミッタ表面の流速が大きくなり、熱伝達率が向上することで、エミッタ発光量のバラツキが抑えられる。
【００２９】
多孔質エミッタ１２から緻密質エミッタ１４への発光は、両者の温度差の４乗に比例する。そのため、図３に示されるように、緻密質エミッタ１４の温度の低い部位に多孔質エミッタ１２からの発光熱が与えられることとなり、緻密質エミッタ１４において部位による温度のバラツキが小さくなる。その結果、緻密質エミッタ１４からの発光量の部位によるバラツキが小さくなる。
【００３０】
また、本実施形態においては、図４に示されるように、高温ガス流路の断面積が円周上で均等に配され、円周方向のガス流量の片寄りが無いように構成されている。
【００３１】
図５は、本発明による熱光発電装置の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態においては、装置内部に、円筒形を形成する複数個の光電変換セル１１８が配置され、それを囲む形で内側より、円筒形のフィルタ１１６、円筒形の緻密質エミッタ１１４、円筒形の多孔質エミッタ１１２が配置された構造となっている。そして、緻密質エミッタ１１４と多孔質エミッタ１１２との間に燃焼室１１０が形成される。
【００３２】
ブロア１２０によって燃焼用空気導入部１２４から導入された燃焼用空気は、セル１１８とフィルタ１１６との間を通過してセル１１８を冷却した後、装置外側部分から熱交換器１２６に導かれ、エミッタ１１２及び１１４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、燃料ガスパイプ１５０から供給される燃料ガスと混合される。
【００３３】
その混合気は、燃焼室１１０の入口で点火され、燃焼室１１０の内部で燃焼する。その燃焼により発生した燃焼ガスは、緻密質エミッタ１１４と多孔質エミッタ１１２との間を通過しつつ多孔質エミッタ１１２の内部を通過していく。
【００３４】
高温の燃焼ガスが多孔質エミッタ１１２の内部を通過すると、多孔質エミッタ１１２は、熱を得て緻密質エミッタ１１４へ向けて発光する。緻密質エミッタ１１４は、多孔質エミッタ１１２からの発光熱を受け、温度が上昇し、フィルタ１１６及びセル１１８へ向けて発光する。
【００３５】
フィルタ１１６は、前述のように選択的な透過及び反射を行い、セル１１８は、フィルタ１１６を透過した光を受けて発電する。エミッタ１１２及び１１４を加熱した燃焼ガスは、排気ガス熱交換器入口１３０より熱交換器１２６に導かれて燃焼用空気を加熱した後、排気口１３２から装置外部に排出される。また、冷却水入口１３４から導入された冷却水が、セル１１８を冷却した後、冷却水出口１３６から排出されるように構成されている。
【００３６】
この実施形態においても、前述した第一の実施形態における効果とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３７】
【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エミッタの発光量の増加とエミッタの温度分布の均一化（即ち、各セル出力間の差の低減）とが図られ、発電効率の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱光発電装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】燃焼ガスの流れを示す図である。
【図３】多孔質エミッタ及び緻密質エミッタの発光の様子を示す図である。
【図４】流路面積の均一化について説明するための図である。
【図５】本発明による熱光発電装置の他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…燃焼室
１２…多孔質エミッタ
１４…緻密質エミッタ
１６…フィルタ
１８…光電変換セル
２０…ブロア
２２…ブロアモータ
２４…燃焼用空気入口
２６…熱交換器
２８…燃料ガス入口
３０…熱交換器入口
３１…混合室
３２…排気口
３４…冷却水入口
３６…冷却水出口
１１０…燃焼室
１１２…多孔質エミッタ
１１４…緻密質エミッタ
１１６…フィルタ
１１８…光電変換セル
１２０…ブロア
１２４…燃焼用空気導入部
１２６…熱交換器
１３０…排気ガス熱交換器入口
１３２…排気口
１３４…冷却水入口
１３６…冷却水出口
１５０…燃料ガスパイプ

Claims

燃料の燃焼により発生する燃焼ガスをガイドする緻密質エミッタと、前記緻密質エミッタとともに燃焼ガスの流路を形成しつつ燃焼ガスを透過させる多孔質エミッタと、前記緻密質エミッタの、前記多孔質エミッタの側と反対の側に配置された光電変換セルと、を具備することを特徴とする熱光発電装置。
前記緻密質エミッタと前記多孔質エミッタとの間及び前記多孔質エミッタの内部を通過した燃焼ガスが燃焼用空気を加熱するための熱交換器を更に具備する、請求項１に記載の熱光発電装置。
燃焼ガスの流路の抵抗が略等しくなるように前記多孔質エミッタの厚さ及び前記緻密質エミッタと前記多孔質エミッタとの間隔が調節されている、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記多孔質エミッタにおいて下流側の空孔粗さが上流側の空孔粗さに比較して細かくされている、請求項１に記載の熱光発電装置。