JP2005354752A - 太陽光熱を利用した熱電子発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源を有効に、確実に、安全に利用して発電を行なうこと。また、電子放出部材への熱エネルギーを直接供給することで、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を大幅に向上させること。
【解決手段】 太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ１と、このフレネルレンズ１にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー３と、この光導ファイバー３からの熱エネルギーを受けた電子放出部材１３から放出される熱電子ｅにより発電を行なう熱電子発電装置１０とで構成する。熱電子発電装置１０を、透明な石英ガラス製の真空容器１１と、電極１２と、光導ファイバー３からの熱エネルギーによって加熱された熱電子ｅを放出する電子放出部材１３と、熱電子ｅを受ける電極１４と、電極１２と電極１４との間に接続される負荷１５とで構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料が不要な太陽光熱をレンズで集光熱した熱源にて発電を行なう発電システムに関するものであり、より詳しくは、太陽光熱を利用した熱電子発電システムに関するものである。

従来の発電装置としては、一般的には燃料をガソリン等とした内燃機関の発電装置や、また、動力を石油、石炭等の化石型燃料を用いた一般の発電所がある。
このような化石型燃料を燃焼した熱を熱源とした発電装置は多々あるが、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出で大きな問題となっているのが現状である。

そこで、最近では、これら化石型燃料を熱源としない新しいタイプの発電装置が出現してきている。例えば、下記に挙げる特許文献１である。

特開２００３−２５０２８５号公報

この特許文献１に記載されている技術は、カーボンナノチューブからなる電子放出部材と、この電子放出部材から放出される電子を収集する電子収集部材とを真空容器内に配置し、電子放出部材と電子収集部材との間に負荷抵抗を接続して発電を行なうようにしたものである。
また、電子放出部材の前面には熱伝導性部材を設けて、この熱伝導性部材に太陽光を照射し、この太陽光が照射されることで集光した熱を熱源として熱伝導性部材を介して電子放出部材に熱エネルギーを供給している。これにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行なうようにしている。

しかしながら、特許文献１においては、熱源として太陽光熱を熱伝導性部材に単に照射しているだけであり、カーボンナノチューブからなる電子放出部材へ供給する熱源の温度が低く、効率良く熱エネルギーを電気エネルギーに変換できないという問題があった。
また、一般的にはカーボンナノチューブを用いた発電装置において、太陽光熱の熱エネルギーを与えるだけでは、電気への変換効率は、最大約８％と言われている。

また、前記特許文献１では、電子放出部材に熱伝導させるべく熱伝導性部材の材質は特に記載されておらず、「熱吸収性の窓、或いは熱伝導率の高い物質などにより構成されている。」と記載しているに過ぎない。
特に、この特許文献１では、電子放出部材に熱源を供給する場合に、前記熱伝導性部材を介して熱伝導により行なっているため、電子放出部材の温度を高く上げることができず、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が悪いという問題を有している。

かかる問題を有しているために、特許文献１においては、発電の容量を上げる場合には、多数の熱発電モジュールを直列、または並列に多数接続し、集合体として発電を行なうようにしている。そのため、発電容量を上げる場合には、複雑な構成となり、結果としてコスト高になるという問題を有している。

本発明は上述の問題点に鑑みて提供したものであって、少なくとも以下の目的を備えた太陽光熱を利用した熱電子発電システムを提供するものである。
（１）発電するための燃料を不要とすること。
（２）物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を発生させないこと。
（３）地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源を有効に、確実に、安全に利用して発電を行なうこと。
（４）電子放出部材への熱エネルギーを直接供給することで、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を大幅に向上させること。
（５）発電容量を大きくでき、しかも構成を簡素化すること。

そこで、本発明の請求項１記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムでは、太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ１と、このフレネルレンズ１にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー３と、この光導ファイバー３からの熱エネルギーを受けた電子放出部材１３から放出される熱電子ｅにより発電を行なう熱電子発電装置１０とで構成されていることを特徴としている。

請求項２に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムでは、前記熱電子発電装置１０は、
前記光導ファイバー３からの熱エネルギーを受ける透明な石英ガラス製で内部を真空あるいは不活性ガスを封入した容器１１と、
この容器１１内の一方に配置した第１の電極１２と、
前記光導ファイバー３からの熱エネルギーによって加熱された熱電子ｅを放出する電子放出部材１３と、
この電子放出部材１３から放出された熱電子ｅを受ける第２の電極１４と、
前記第１の電極１２と第２の電極１４との間に接続される負荷１５とで構成され、電力を得ることを特徴としている。

請求項３に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムでは、前記電子放出部材１３を多数のカーボンナノチューブ１７を敷き詰めて形成していることを特徴としている。

請求項４に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムでは、前記容器１１の一面のみ光導ファイバー３からの熱エネルギーを透過させる透明な石英ガラス製の光熱透過部１６とし、他は断熱材１８で構成していることを特徴としている。

請求項５に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムでは、太陽光熱を追尾する追尾装置２を備えていることを特徴としている。

本発明の請求項１記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムによれば、フレネルレンズ１で集光した約６００℃から約２０００℃の熱源を光導ファイバー３を介して熱電子発電装置１０へ直接供給していることと、約６００℃から約２０００℃の高温の熱エネルギーを熱電子発電装置１０へ供給していることで、電子放出部材１３を高温にでき、そのため、電子放出部材１３からの熱電子ｅの放出を増加させることができて、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を大幅に向上させることができる。また、発電容量を上げる場合でも、各構成部材を電気的容量の大きい部材で構成することで、特許文献１のように多数のモジュールを接続することなく簡素なシステム構成で対応することができる。
また、熱電子発電装置１０へ供給する熱エネルギーは、太陽光熱を利用しているので、発電するための燃料を不要とすることができ、また、物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を発生させることがなく、そのため、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源を有効に、確実に、安全に利用して発電を行なうことができる。

請求項２に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムによれば、請求項１と同様に、熱電子発電装置１０の透明な容器１１内部へ太陽光熱の熱エネルギーを該透明な容器１１を介して直接に熱伝導でき、そのため、熱エネルギーから電気エネルギーの変換効率を大幅に向上させることができる。

請求項３に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムによれば、電子放出部材１３を多数のカーボンナノチューブ１７を敷き詰めて形成しているので、カーボンナノチューブ１７は直径が極めて小さく、熱電子ｅが放出され易く、電子放出部材１３として好適例である。

請求項４に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムによれば、容器１１の一面のみ光導ファイバー３からの熱エネルギーを透過させる透明な石英ガラス製の光熱透過部１６とし、他は断熱材１８で構成しているので、石英ガラス製の使用を減らすことができて、容器１１の堅牢度を向上させることができ、また、低コストに製作でき、ひいては太陽光熱を利用した熱電子発電システムを安価に構成することができる。

請求項５に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システムによれば、追尾装置２により太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明は、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱をエネルギー源に利用して、石英製の真空容器の中の電子放出部材であるカーボンナノチューブに太陽光熱の熱エネルギーを与え、熱電子を放出させて発電するようにしたものである。

図１は本発明のシステム構成図を示し、太陽光熱を集光熱した熱源を利用するために、アクリル製のフレネルレンズ１で集光熱し、フレネルレンズ１による集光部分からその集光方向に沿って６００℃から２０００℃の任意の温度を得るようにしている。
また、３は石英ガラス製の光導ファイバーであり、この光導ファイバー３により上記フレネルレンズ１にて集光熱した熱源（熱エネルギー）を確実に、安全に、ロス無く、目的の場所に導くようにしている。

前記フレネルレンズ１及び光導ファイバー３により発生する熱エネルギーを熱電子発電装置１０に与えるようにしている。この熱電子発電装置１０は、全体を石英ガラス製とした透明な真空容器１１と、この内部を真空とした真空容器１１内の一方側に配置されている電極１２と、この電極１２の一面に配置されている電子放出部材１３と、前記電極１２と対向して配置されている電極１４と、前記電極１２、１４間に接続されている外部負荷１５とで構成され、クリーン電力を得ることができる。

電極１２を配置している側の真空容器１１の壁状の部分を光導ファイバー３からの太陽光熱（熱エネルギー）を透過させる光熱透過部１６とし、この光熱透過部１６は透明としているが、光熱透過部１６以外の真空容器１１は特に透明でなくても良い。

電極１２は、後述するように６００℃〜２０００℃の高温に耐えられるようにカーボン製で構成している。また、図２に示すように、この電極１２の一面に配置している電子放出部材１３をカーボンナノチューブ１７で構成している。カーボンナノチューブを多数敷き詰めて構成しており、図１では電子放出部材１３として板状に描いている。
他方の電極１４は、高温に耐え得る金属、例えば金、銀、ニッケル、ステンレス製等で構成している。

また、図３は真空容器１１の光熱透過部１６のみを透明な石英ガラス製で構成し、他の部分（図の斜線部分）は堅牢な断熱材１８で構成した場合である。これにより、石英ガラス製の使用を減らすことができて、真空容器１１の堅牢度を向上させることができ、また、低コストに製作でき、ひいては太陽光熱を利用した熱電子発電システムを安価に構成することができる。

また、図１に示すように、太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱するためにフレネルレンズ１側には追尾装置２が設けられており、昼間の時刻と共に太陽の位置が変化するのを図外のセンサにて検出し、太陽の位置変化に応じてフレネルレンズ１の方位角と仰角を制御している。これにより、フレネルレンズ１の集光面を太陽に向けて太陽光熱を有効且つ確実に集光熱している。
なお、追尾装置２は、フレネルレンズ１だけでなく、光導ファイバー３を一体に動かして制御したり、熱電子発電装置１０も光導ファイバー３等と共動するように追尾装置２で制御するようにしても良い。この追尾装置２を備えていることで、太陽光熱を有効に、且つ確実に利用することができるものである。

ここで、フレネルレンズ１は直径が約１ｍ（メートル）から約２０ｍ（メートル）までの任意の直径のものを用いるようにしているが、本実施形態では、直径は約２０ｍのフレネルレンズ１を用いている。これは、熱電子発電装置１０内を高温にして、電子放出部材１３からの熱電子の放出を容易にさせ、且つ熱電子の放出量を増加させるためである。
また、熱電子発電装置１０の容量の大きさに応じて電子放出部材１３に必要な高温を作り出すようにしているものであり、発電容量を最大とした場合に、例えば、直径は約２０ｍのフレネルレンズ１を用いるようにしている。

また、図４に示すように、フレネルレンズ１で集光され、該集光熱した熱源を導く略円柱状の光導ファイバー３の受光部３１は略円錐状に形成されており、この受光部３１は先端に至るほど径を大きくしている。そして、受光部３１の先端面の受光面３２は平坦面となっている。
この光導ファイバー３の受光面３２から流入した熱源は該フレネルレンズ１を介して放出部３３まで導かれる。放出部３３の先端の面は略平坦面となっていて、放出部３３の先端面は真空容器１１の光熱透過部１６の表面に接触ないし近接して配置されている。

ここで、光導ファイバー３の受光部３１の形状を略円錐状に形成しているのは以下の理由による。すなわち、直径が約２０ｍのフレネルレンズ１では焦点付近では約２０００℃の温度を得ることができ、また、熱電子発電装置１０における熱エネルギーから電気エネルギーを大幅に向上させるべく、電子放出部材１３を高温にさせる場合が生じる。

そこで、図４に示すように、光導ファイバー３をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動可能にしておき、例えば、光導ファイバー３の受光面３２の位置が図４のＡに示す位置では集光温度が約６００℃、Ｂに示す位置では集光温度が約１０００℃、Ｃに示す位置では集光温度が約２０００℃となるようにしておくことで、光導ファイバー３の集光温度を任意に設定することが可能となる。
図５（ａ）〜（ｃ）は、図４のＡ，Ｂ，Ｃの位置に対応した集光面積３４を示しており、この集光面積３４が小さいほど集光温度は高い。また、温度が高いほど集光面積３４が光導ファイバー３の受光面３２の面積に対して小さくなるので、集光した熱源が光導ファイバー３の周囲に漏れることがないので、安全性を向上させている。

これにより、光導ファイバー３の受光部３１をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動させることで、光導ファイバー３の受光部３１の受光面３２での集光面積を変えることができて、例えば、約６００〜約２０００℃の所望の温度の熱源を容易に得ることができる。そのため、最大約２０００℃の熱エネルギーを熱電子発電装置１０内に供給できて、電子放出部材１３からの熱電子の放出を容易にしている。また、熱電子発電装置１０の容量の大小に応じた温度の熱源（熱エネルギー）を電子放出部材１３に供給することができる。
また、曇りなどの天候の悪い日にも受光部３１の位置をフレネルレンズ１の焦点方向にずらすことで、容量が小さい場合の電子放出部材１３へ必要な熱源を供給することができる。

そして、図１に示すように、フレネルレンズ１にて太陽光熱を集光熱した熱源は光導ファイバー３を介して真空容器１１に供給される。光導ファイバー３の放出部３３からの熱エネルギーは、真空容器１１の透明な光熱透過部１６を透過して真空容器１１の内部へ直接に熱伝導させることができる。
これにより、電子放出部材１３は高温となり、電子放出部材１３の表面には熱エネルギーを受けて運動エネルギーが増加した熱電子ｅが発生する。ここで、真空容器１１は石英製で構成しているので、断熱性を有し、内部に伝導した熱が外部へでしてロスしてしまうことが防止される。この電子放出部材１３から発生しが熱電子ｅは他方の電極１４にて受けられる。

両電極１２、１４間には外部負荷１５を接続しており、電極１４からの熱電子ｅは外部負荷１５を介して移動し、熱電子ｅが不足する電子放出部材１３へ復帰する。この熱電子ｅの循環現象により電気エネルギーを得ている。
ここで、電子放出部材１３から熱電子ｅが放出されると、電子放出部材１３は熱電子ｅに与えたエネルギーを失うが、この失われるエネルギーを光導ファイバー３からの熱エネルギーを電子放出部材１３へ供給することで、持続的に発電を行なっている。

なお、光導ファイバー３は上述したように石英ガラスを用いているので、集光熱の損失はほとんどなく真空容器１１の電子放出部材１３へ供給することができる。
また、電子放出部材１３を多数のカーボンナノチューブ１７を敷き詰めて形成しているので、カーボンナノチューブ１７は直径が極めて小さく、熱電子ｅが放出され易く、電子放出部材１３として好適例である。

このように、フレネルレンズ１で集光した約６００℃から約２０００℃の熱源を光導ファイバー３を介して熱電子発電装置１０へ直接供給していることと、約６００℃から約２０００℃の高温の熱エネルギーを熱電子発電装置１０へ供給していることで、電子放出部材１３を高温にでき、そのため、電子放出部材１３からの熱電子ｅの放出を増加させることができて、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を大幅に向上させることができる。
また、発電容量を上げる場合でも、各構成部材を電気的容量の大きい部材で構成することで、特許文献１のように多数のモジュールを接続することなく簡素なシステム構成で対応することができる。

特に、熱電子発電装置１０の真空容器１１を透明としていること、あるいは図３の場合では光熱透過部１６の部分だけ透明していることで、光導ファイバー３からの高温の熱エネルギーを真空容器１１内に直接に熱伝導でき、そのため、熱エネルギーから電気エネルギーの変換効率を大幅に向上させることができる。

また、熱電子発電装置１０へ供給する熱エネルギーは、太陽光熱を利用しているので、発電するための燃料を不要とすることができ、また、物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を発生させることがなく、そのため、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源を有効に、確実に、安全に利用して発電を行なうことができる。

なお、電子放出部材１３を内部に収納する容器を真空容器１１として、その内部は真空に維持されているが、容器１１内に不活性ガス、例えば、アルゴン、ネオン等を封入するようにしても良い。
また、電子放出部材１３としてカーボンナノチューブ１７を例にして説明したが、電子放出部材１３として窒化ホウ素を用いても良い。

本発明の実施の形態における太陽光熱を利用した熱電子発電システムのシステム構成図である。 本発明の実施の形態における電子放出部材の具体的な構成を示す図である。 本発明の実施の形態における真空容器の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説明図である。 本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説明図である。

符号の説明

１ フレネルレンズ
２ 追尾装置
３ 光導ファイバー
１０ 熱電子発電装置
１１ 真空容器
１２ 電極
１３ 電子放出部材
１４ 電極
１５ 外部負荷
１６ 光熱透過部
１７ カーボンナノチューブ
１８ 断熱材

Claims (5)

1. 太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ（１）と、
   このフレネルレンズ（１）にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー（３）と、
   この光導ファイバー（３）からの熱エネルギーを受けた電子放出部材（１３）から放出される熱電子（ｅ）により発電を行なう熱電子発電装置（１０）と
   で構成されていることを特徴とする太陽光熱を利用した熱電子発電システム。
2. 前記熱電子発電装置（１０）は、
   前記光導ファイバー（３）からの熱エネルギーを受ける透明な石英ガラス製で内部を真空あるいは不活性ガスを封入した容器（１１）と、
   この容器（１１）内の一方に配置した第１の電極（１２）と、
   前記光導ファイバー（３）からの熱エネルギーによって加熱された熱電子（ｅ）を放出する電子放出部材（１３）と、
   この電子放出部材（１３）から放出された熱電子（ｅ）を受ける第２の電極（１４）と、
   前記第１の電極（１２）と第２の電極（１４）との間に接続される負荷（１５）とで構成され、電力を得ることを特徴とする請求項１に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システム。
3. 前記電子放出部材（１３）を多数のカーボンナノチューブ（１７）を敷き詰めて形成していることを特徴とする請求項２に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システム。
4. 前記容器（１１）の一面のみ光導ファイバー（３）からの熱エネルギーを透過させる透明な石英ガラス製の光熱透過部（１６）とし、他は断熱材（１８）で構成していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システム。
5. 太陽光熱を追尾する追尾装置（２）を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項４にいずれか記載の太陽光熱を利用した熱電子発電システム。
   

Images