JP2005302819A - 熱光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エミッタの発光面に存在する温度分布に拘わらず、発電効率の高い熱光発電装置を得る。
【解決手段】 高温に加熱することによって赤外光を発光するエミッタ２と、このエミッタ２の発光面に対向して配置された複数の光電池セル５ａとを備える熱光発電装置において、複数の光電池セル５ａのそれぞれにおいてその受光面積をエミッタ２の発光面の温度分布にしたがって変化させることによって各光電池セル５ａの発電量を等しくする。これによって、全ての光電池セル５ａを直列に接続した場合であっても、発電効率の低下を防止できる。
【選択図】 図１

Description

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。

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輻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、分散型の発電装置として将来が期待されている。

現在開発されている熱光発電装置では、エミッタに高温の燃焼ガスを供給してこれを加熱するものであり、エミッタ全体にわたって発光面の温度分布を均一にすることは困難である。エミッタ発光面の温度分布が不均一であると、エミッタの発光強度はさらに不均一となる。通常の熱光発電装置では、１個の光電池セルの発電量は小さいので、複数の光電池セルを直列に接続して光電池モジュールを構成し、このモジュールをエミッタの発光面に対向して配置することにより、光電変換部を構成している。

そのため、エミッタの発光強度が発光面内で不均一となると、各光電池セルの発電量が不均一となり、モジュール内で直列に接続された複数の光電池セルにおいて、最も弱い光を受けて発電するセルが他のセルの電流、即ち発電量を律速するようになる。それによって、各光電池セルは本来の発電能力を発揮できず、モジュールの発電効率は大きく低下する。

このように、従来の熱光発電装置では、エミッタ発光面の温度分布における不均一性に起因する発電効率の低下が大きな問題となっている。この問題を解決するために、例えば特開平２００２−７８３６５号（特許文献１）に記載の熱光発電装置が提案されている。この装置では、円筒状エミッタの軸方向に同心円状に複数層となるように光電池セルを配置し、エミッタの温度が高い部分の層ではエミッタとセルとの距離を大きくし、エミッタの温度が低い部分の層ではエミッタとセル間の距離を小さくすることによって、各光電池セルの発電効率を最適化している。

このように、特許文献１に記載の装置では、エミッタと光電池セル間の距離をエミッタの温度勾配にしたがって変化させることにより、各セルの発電効率を最適化するものであるため、複数の光電池セルで構成する光電池モジュールの構造が複雑となる欠点を有している。また、各層間で出力電圧が異なるため、各層を並列接続して大きな出力電流を得ることはできず、その応用範囲が限られている。

特開平２００２−７８３６５号

本発明は、従来の熱光発電装置の上記のような問題点を解決する目的で為されたもので、光電池モジュールの構造を複雑化させること無く、エミッタの温度分布の不均一性に起因する発電効率低下の問題を解決することが可能な、熱光発電装置を得ることをその課題とする。

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、高温に加熱することによって赤外光を発光するエミッタと、前記エミッタの発光面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、前記複数の光電池セルのそれぞれにおいてその受光面積を前記エミッタの発光面の温度分布にしたがって変化させることによって、各光電池セルの発電量を等しくしたことをその特徴とする。

この熱光発電装置では、エミッタ発光面の高温部分に対向して配置される光電池セルの受光面積を小さくし、発光面の低温部分に対向して配置される光電池セルの受光面積を大きくすることによって、エミッタ発光面が温度勾配を有するにもかかわらず、全光電池セルの発電量を均一にすることができる。その結果、全ての光電池セルを直列に接続した場合であっても各光電池セルが本来の発電能力を発揮し、全体として高い発電効率を保つことができる。

本発明の第２の熱光発電装置は、高温に加熱することによって赤外光を発光するエミッタと、前記エミッタの発光面に対向して設けられた複数の光電池セルを含む光電池モジュールとを備える熱光発電装置において、前記光電池モジュールは、前記エミッタの発光面における等温領域に対向して設けられた複数の光電池セルのみを直列に接続して構成した複数の光電池ユニットを備え、前記各光電池ユニットの出力端電圧が等しくなるように各光電池ユニット内の光電池セル数を変化させたことをその特徴とする。

上記熱光発電装置によれば、異なる等温領域に形成された複数の光電池ユニット間で、各ユニットの出力端電圧が等しくなるように構成されているので、エミッタ発光面に温度分布があり各光電池セルの発電量が異なっても、ユニットを並列に接続することによって光電池モジュール全体の発電効率を損なうことなく電力を取り出すことができる。

さらに上記第２の熱光発電装置において、光電池モジュールの個々の光電池セルの受光面積をエミッタ発光面の温度分布にしたがって変化させ各光電池セルの発電量を均一とすることにより、全ての光電池セルを直列に接続して使用してもモジュール全体の発電効率は低下しない。したがって、光電池ユニットを並列に接続する使用方法にも、さらに全ユニットあるいは複数のユニットを直列に接続して使用する場合にも適した熱光発電装置を得ることができる。

[実施形態１]
図１は、本発明の実施形態１にかかる熱光発電装置の、特に熱光電変換部の構造を示す図である。図１において、（ａ）は熱光電変換部１の断面を示し、（ｂ）は熱光電変換部１が作動中のエミッタ発光面の温度勾配を示す。さらに（ｃ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線上を矢印方向から見た平面図であり、光電池モジュールにおける光電池セルの配列構造を示す。

図１（ａ）および（ｃ）に示すように、熱光電変換部１は全体として平板型の構造を有している。図において、２は例えばＳｉＣセラミック（緻密層）で構成されたエミッタ、３は燃焼ガス流路であって例えばＳｉＣセラミックのポーラス体（多孔質体）で構成されている。エミッタ２は、燃焼ガスによって効率よく加熱されかつ効率よく赤外光を発光するものであればどのようなものでもよい。燃焼ガス流路３は、熱伝導率の良い構造であればどのようなものでも良く、例えば中空またはフィン構造とすることができる。

４は石英ガラス等で構成されるフィルタであって、光電池セルでの光電変換に寄与しない不要な波長の光を除去し光電池セルの過熱を防ぐものである。５は、複数の光電池セル５ａで構成される光電池モジュール、６は光電池モジュール５を冷却するための冷却モジュールである。燃焼ガスとしては例えばブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）が使用される。

図（ａ）においては、燃焼ガス７は、エミッタ２の左端よりエミッタ内に流入し、右端から流出する。したがってエミッタの発光面には必然的に燃焼ガスの上流から下流に向かう温度勾配が形成され、図（ｂ）に示すようにエミッタ２の左端で最も高く（例えば１７００℃程度）、右端で最も低くなる（例えば１０００℃程度）。

光電池モジュール５は、図（ｃ）に示すように、エミッタ２の発光面に対向して複数の光電池セル５ａを平板状に配列した構成を有する。光電池セル５ａは例えばシリコンの太陽電池で構成される。

本実施形態の光電池モジュール５は、エミッタ２の等温部分、即ち燃焼ガス７の流入出方向に垂直な方向に複数の光電池セルを直列に接続して１個の光電池ユニット８を構成し、このユニット８を燃焼ガスの流入出方向に複数列（８ａ、８ｂ、・・・８ｈ）配置した構成を有する。個々の光電池セル５ａは個々の光電池ユニット内では同じ受光面積を有しているが、各光電池ユニット間では異なる受光面積を有している場合がある。

具体的には、エミッタ２の上流側から下流側に向かって光電池ユニット８ａ〜８ｈの各セル５ａの幅を必要に応じて大きくすることによって、セルの受光面積を変化させている。その面積は、エミッタ２の温度低下によるセル発電量の低下を補償することができるように選択される。エミッタ２が図（ｂ）に示すような温度勾配を有することによって、発光強度も温度勾配に沿って低下するが、１個の光電池セルの受光面積を発光強度の低下を補償するように必要に応じて大きくして受光量を増やすことにより、それぞれの光電池セル５ａの発電量を等しくすることができる。

このように、本実施形態の熱光発電装置では、エミッタの温度勾配の方向に光電池セルの幅を大きくして、モジュール全体の各セルが等しい発電量（電流値）を有するようにしている。

図２は、図１（ｃ）に示す光電池モジュール５を直列接続した構造を示す図である。図示の例では、１０個の光電池セル５ａを直列に接続した光電池ユニット８ａ〜８ｈを配線９によって直列に接続している。電力は、端子１０、１１から取り出される。このような光電池モジュール５において、直列接続された全ての光電池セル５ａはそれぞれに等しい発電量を有するので、従来装置の場合のように最も発電量の小さい光電池セルに全体の発電量が律速されるようなことは無く、モジュール全体の発電効率を従来の装置に比べて大きく改善することができる。

［実施形態２］
図３は、本発明の実施形態２にかかる熱光発電装置の光電池モジュールを示す図である。なお、本実施形態では、実施形態１と光電池モジュールにおけるセルの配列構造が異なっているが、その他の、例えばエミッタ、フィルタおよび光電池冷却モジュール等の構造は同じであるのでその説明は省略する。図３において、（ａ）は光電池モジュール５’の平面構造を示し、（ｂ）はモジュール５’内の各セルの配線構造を示す。図（ｂ）に示すように、本実施形態の光電池モジュール５’は、各光電池ユニット８ａ’、８ｂ’・・・８ｊ’を並列接続して使用する場合に適した構造を有する。

本実施形態では、各光電池ユニット８ａ’〜８ｊ’を構成するセルの幅はモジュール全体で同じであるが、１個の光電池ユニット内に形成されるセルの個数が光電池ユニット間で相違している。具体的には、エミッタの温度が低くなる方向において、１個の光電池ユニット内に直列接続される光電池セル５ａの数を多くしている。例えば、光電池ユニット８ａ’〜８ｆ’はそれぞれが等しい受光面積を有する１０個の光電池セル５ａを含んでいるが、光電池ユニット８ｇ’は光電池ユニット８ａ’〜８ｆ’と同じ光電池ユニット面積内にそれぞれが等しい受光面積を有する１１個の光電池セルを含み、さらに光電池ユニット８ｈ’は１２個、８ｉ’は１３個、８ｊは１４個の光電池セル５ａを含んでいる。なお、本光電池モジュール５’において、出力は端子１２、１３間より取り出される。

光電池セルは、一般に、受光強度が低下すると発生する電流量は低下するが、電圧はほとんど低下しないという特性を有している。しかしながら、受光強度の低下と共にわずかに出力電圧が低下し、直列接続される光電池セルが多い場合、ある範囲を超えるとその低下が顕著となる。等温領域内の光電池セルを直列接続して構成した光電池ユニットを並列接続して使用する場合、各ユニットの出力端電圧が異なると電圧の高いユニットから低いユニット方向に電流が逆流する現象が生じる。その結果、モジュールの発電効率が低下する。

本実施形態では、このような現象を防止しモジュールの高い発電効率を維持するために、エミッタ温度が低い部分の光電池ユニットにおいて、１個のユニット内の光電池セル枚数を光電池ユニット両端の電圧低下を補償する数だけ増加させるようにしている。これにより、エミッタの温度低下による光電池ユニットの出力電圧低下が有効に補償され、各光電池ユニット間での電圧差を解消することができるので、エミッタからの光エネルギーを無駄なく電力に変換し取り出すことができる。

［実施形態３］
図４は、本発明の実施形態３にかかる熱光発電装置の光電池モジュール５”を示す図である。本実施形態の光電池モジュール５”は、実施形態１および２に示す光電池モジュールの特徴を結合して構成されたもので、光電池ユニット８ａ”〜８ｈ”はエミッタの温度が高い方向から低い方向に向かって、各光電池ユニットの個々のセルの受光面積を増加させ且つ光電池ユニット単位での電圧低下を補償するために、光電池ユニット８ｇ”および８ｈ”でセル枚数を増加させている。

本実施形態では、エミッタ発光面の温度分布に拘わらず、モジュール全体の各セルの発電量が等しくなるように構成すると共に、光電池ユニット単位で出力電圧が等しくなるようにしているので、全セルを図２に示すように直列接続して使用しても、あるいは図３（ｂ）に示すように光電池ユニット単位で並列接続して使用しても、どちらの場合であっても発電効率を低下させることなく電力を取り出すことができる。即ち本実施形態の熱光発電装置は、並列および直列接続の両者に有効に対応することができる。

なお、図５（ａ）および（ｂ）は、従来の光電池モジュールの接続態様を示す図であり、本発明の効果の理解を容易にするために示したものである。図示するように、従来の光電池モジュール１００では、受光面積が等しい光電池セル１００ａを、エミッタの温度分布を考慮せず発光面に対向して均一に配置し、これを図（ａ）に示すように直列接続し、あるいは図（ｂ）に示すようにユニット毎に並列接続して使用している。

そのため、図（ａ）の直列接続の場合は、モジュール全体の発電量が最も発光強度の低い部分の光電池セルの発電量に律速されることとなり、発電効率が大幅に低下する。また図（ｂ）の並列接続の場合は、エミッタの発光強度の低下による光電池ユニットの電圧低下に基づいて光電池ユニット間で電流の逆流現象が起こり、その結果発電効率が大幅に低下する。

［実施形態４］
図６は、本発明の実施形態４にかかる熱光発電装置の構成を示す図面であり、図（ａ）はエミッタ部分の断面図を示し、図（ｂ）はエミッタに対向して配置される光電池モジュールの構成を示す。さらに、図（ｃ）はエミッタの中心からの距離と温度の関係を示すグラフである。図（ａ）において、２１は例えばＳｉＣの緻密層で形成された円盤状エミッタ、２２は燃焼ガス流路であり、例えば中空もしくはフィン、ＳｉＣセラミックのポーラス体（多孔質体）で構成されている。燃焼ガス２３は円盤状エミッタ２１の中心部分から円周方向に供給されているので、図（ｃ）に示すように、エミッタ２１の発光面はその中心部分において最も温度が高くなり、周辺方向に向かって低下する。

２４は石英等で構成されるフィルタ、２５は光電池モジュール、２６は光電池冷却モジュールである。本実施形態の光電池モジュール２５は、複数の光電池セル２５ａをエミッタ２１の中心に対して同心円状に配置した構成を有する。この構成において、光電池ユニット２６、２７、２８は、等温領域上の複数の光電池セル２５ａを直列に接続して構成されている。ユニット内の各光電池セル２５ａは同じ受光面積を有しているが、各ユニット間ではエミッタの温度変化に対応して各光電池セルの受光面積を変化させ、モジュール全体で個々の光電池セルの発電量が等しくなるようにされている。また、最外郭の光電池ユニット２８では、ユニット内の光電池セル２５ａの個数を他のユニットよりも１個増やしてあり、これによって図３および図４に示す実施形態の場合と同様に、ユニット間の出力電圧を等しく保っている。

この結果、本実施形態の熱光発電装置では、図４に示す実施形態３と同様の効果を得ることができる。

［実施形態５］
図７は、本発明の実施形態５にかかる熱光発電装置の構成を示す図面であり、図（ａ）は円筒形エミッタの軸方向断面図を示し、図（ｂ）は軸に垂直な方向の断面図を示す。また図（ｃ）はエミッタの燃焼ガス流入口からの距離と発光面温度との関係を示すグラフであり、図（ｄ）はエミッタに対向して配置される光電池モジュールの展開図である。

図７の（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態のエミッタ３１は円筒形であり、その内部に燃焼ガス流路３２を有している。３３はフィルタ、３４は光電池モジュール、３５は光電池冷却モジュールである。なお、本実施形態の各部の材料は、実施形態１〜４に示したものと同様であるのでその説明は省略する。

本実施形態における光電池モジュール３４は、図（ｄ）に示すように、エミッタの最も高い温度領域に対向して配置される複数の光電池セル３６ａを直列に接続して光電池ユニット３６を構成し、次に高い温度領域に対向して配置される複数の光電池セル３７ａを直列に接続して光電池ユニット３７を構成し、同様にして光電池ユニット３８、３９を構成している。

光電池ユニット３６〜３９において、個々の光電池３６ａ〜３９ａは、エミッタ発光面の温度低下を補償するようにその受光面積を大きくしてあり、さらに発光面の最も温度が低い領域に対向して配置される光電池ユニット３９ではユニット内の光電池セルの枚数を他のユニットよりも多くしてある。これにより、エミッタ発光面に温度勾配があっても、光電池モジュール３４内の全セルが同じ発電量を有し、かつ各ユニット間で同じ出力電圧が得られるようにしている。

その結果、実施形態４および５の場合と同様に、直列接続にも並列接続にも適した熱光発電装置を得ることができる。

以上、種々の実施形態を示して説明したように、本発明では、エミッタの温度変化、温度分布変化にも適切に対応し効率よく電力を取り出すことが可能な熱光発電装置を得ることができる。

本発明の実施形態１にかかる熱光発電装置の構成を示す図。 図１に示す光電池モジュールの接続構造を示す図。 本発明の実施形態２にかかる熱光発電装置の光電池モジュールの構成を示す図。 本発明の実施形態３にかかる熱光発電装置の光電池モジュールの構成を示す図。 従来の光電池モジュールの接続構造を示す図。 本発明の実施形態４にかかる熱光発電装置の構成を示す図。 本発明の実施形態５にかかる熱光発電装置の構成を示す図。

符号の説明

１…光電変換部
２…エミッタ
３…燃焼ガス流路
４…フィルタ
５、５’、５”…光電池モジュール
５ａ…光電池セル
６…光電池冷却モジュール
７…燃焼ガス
８…光電池ユニット

Claims (5)

1. 高温に加熱することによって赤外光を発光するエミッタと、前記エミッタの発光面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、前記複数の光電池セルのそれぞれにおいてその受光面積を前記エミッタの発光面の温度分布にしたがって変化させることによって、各光電池セルの発電量を等しくしたことを特徴とする、熱光発電装置。
2. 請求項１に記載の熱光発電装置において、前記複数の光電池セルは直列に接続されていることを特徴とする、熱光発電装置。
3. 高温に加熱することによって赤外光を発光するエミッタと、前記エミッタの発光面に対向して設けられた複数の光電池セルを含む光電池モジュールとを備える熱光発電装置において、前記光電池モジュールは、前記エミッタの発光面における等温領域に対向して設けられた複数の光電池セルのみを直列に接続して構成した複数の光電池ユニットを備え、前記各光電池ユニットの出力端電圧が等しくなるように各光電池ユニット内の光電池セル数を変化させたことを特徴とする、熱光発電装置。
4. 請求項３に記載の熱光発電装置において、前記各光電池ユニットは並列に接続されていることを特徴とする、熱光発電装置。
5. 請求項３に記載の熱光発電装置において、前記光電池モジュールの個々の光電池セルはその受光面積を前記エミッタの発光面の温度分布にしたがって変化させることによって、各光電池セルの発電量を等しくしたことを特徴とする、熱光発電装置。

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