JP2006228821A - 熱光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギーの有効利用が図れる熱光発電装置を提供する。
【解決手段】
加熱することにより光３ａ，３ｂを輻射するエミッタ３と、エミッタ３が輻射した光３ａを電気エネルギーに変換する光電池モジュール４と、を備える熱光発電装置１であって、エミッタ３の周囲に開閉可能に設けられ、開閉動作によって、エミッタ３が輻射した光３ｂを当該熱光発電装置１の外部へ射出させる開閉体６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱光発電（Thermophotovoltaic;TPV）装置に関する。

従来、加熱により光を輻射し、この光を電気エネルギーに変換する熱光発電装置が知られている。この例として、特許文献１に開示された熱光発電装置がある。この装置は、燃焼機、エミッタ、及び光電変換素子を備えている。まず、燃料を燃焼機により燃焼させて、熱を有する燃焼ガスを発生させる。次に、この燃焼ガスをエミッタに通過させて、光を輻射させる。そして、この光を光電変換素子により電気エネルギーに変換させている。
特開２００２−３１９６９３号公報

特許文献１に記載の装置では、エミッタから輻射された光のうち、エミッタの下面から輻射された光のみが光電変換素子に入射している。このため、エミッタの下面以外から輻射された光は電気エネルギーに変換されず、エネルギーの有効利用が十分に行われていない。

そこで本発明は、エネルギーの有効利用が図れる熱光発電装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る熱光発電装置は、加熱することにより光を輻射する輻射手段と、輻射手段が輻射した光を電気エネルギーに変換する光電変換手段と、を備える熱光発電装置であって、輻射手段の周囲に開閉可能に設けられ、開閉動作によって、輻射手段が輻射した光を当該熱光発電装置の外部へ射出させる開閉手段を備えることを特徴とする。

本発明では、加熱により輻射手段が輻射した光は、開閉手段の開閉動作によって、当該熱光発電装置の外部へ射出される。これにより、開閉手段に向けて輻射された光を、照明光として有効利用することができる。このため、本装置を照明装置として機能させることが可能となる。従って、この光のエネルギーの有効利用を図ることができる。

また、開閉手段は、閉じた際に輻射手段と対向する面に反射面を有し、輻射手段が輻射した光を輻射手段へ向けて反射させるのも好ましい。

これにより、開閉手段が閉じた際に、輻射手段が輻射した光は輻射手段へ向けて反射される。このため、開閉手段に向けて輻射された光のエネルギーを輻射手段の加熱に用いることが可能となる。従って、この光のエネルギーを十分に有効利用することができる。

また、開閉手段は、閉じた際に輻射手段と対向する面に反射面を有し、輻射手段が輻射した光を光電変換手段と対向する輻射手段の対向部へ向けて反射させるのも好ましい。

これにより、開閉手段が閉じた際に、輻射手段が輻射した光は輻射手段の対向部へ向けて反射される。このため、開閉手段に向けて輻射された光のエネルギーを対向部の加熱に用いることが可能となる。従って、この光のエネルギーを十分に有効利用することができる。

また、開閉手段は、閉じた際に輻射手段と対向する面に反射面を有し、輻射手段が輻射した光を光電変換手段へ向けて反射させるのも好ましい。

これにより、開閉手段が閉じた際に、輻射手段が輻射した光は光電変換手段へ向けて反射される。このため、開閉手段に向けて輻射された光のエネルギーを電気エネルギーへの変換に用いることが可能となる。従って、この光のエネルギーを十分に有効利用することができる。

また、輻射手段の周囲に設けられ、可視光を透過するとともに赤外光を反射する赤外光反射手段を備えるのも好ましい。

これにより、開閉手段の開閉動作によって射出される光のうち、可視光が赤外光反射手段を透過して本装置の外部へ射出され、赤外光が赤外光反射手段により反射される。従って、可視光を照明光として有効利用することができる。また、照明光として利用できない赤外光のエネルギーを輻射手段の加熱に用いることが可能となる。従って、赤外光のエネルギーを十分に有効利用することができる。

本発明によれば、エネルギーの有効利用が図れる熱光発電装置を提供することが可能である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を附し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１及び２に、本実施形態に係る第１実施形態の熱光発電装置１の構成概略図を示す。

本実施形態に係る熱光発電装置１は、図１に示すように、エミッタ（輻射手段）３と光電池モジュール（光電変換手段）４とを備えている。ここで、エミッタ３を加熱することにより、光３ａ，３ｂが輻射される。光３ａは、光電池モジュール４により電気エネルギーに変換される。このように、装置１は、エミッタ３の加熱により最終的に電気エネルギーを発生する装置である。また、装置１は、光３ｂを照明光として装置１の外部へ射出することが可能な装置である。

装置１は、装置台７を設けている。装置台７は、装置１の土台となる。装置台７は、バーナ２を装置台７上に有することにより、輻射熱を持つ赤外光を受ける。このため、装置台７は、耐熱性部材からなるのが好ましい。また、装置台７は、光電池モジュール４を冷却する機構（図示せず）を有している。

装置台７上には、バーナ２が設けられている。バーナ２は、エミッタ３を加熱する加熱手段であって、燃料の燃焼により燃焼ガス２ｂを発生させる器具である。まず、装置１内部において、図１における水平方向にガス状燃料が噴出される。次に、このガス状燃料に点火してガス状燃料を燃焼させる。これにより、装置１内部に火炎２ａが放射され、燃焼ガス２ｂが発生する。なお、燃焼ガス２ｂは熱を有している。

バーナ２の上方には、エミッタ３が設けられている。すなわち、エミッタ３は、図１に示すように燃焼ガス２ｂが上昇して通過し得る位置に設けられている。エミッタ３は、燃焼ガス２ｂによる加熱が行われると、光３ａ，３ｂを輻射する。このエミッタ３としては、例えば酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）や酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）を含む多孔質体が用いられる。エミッタ３は、燃焼ガス２ｂからの熱伝達により加熱されて高温になるほど、光３ａ，３ｂを多く輻射する。

エミッタ３の下方には、光電池モジュール４が設けられている。すなわち、光電池モジュール４は、図１に示すように光３ａが入射する位置に設けられている。光電池モジュール４は、光電変換素子から構成されている。光電変換素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）やガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）からなる。光電変換素子により、光３ａに含まれる赤外光が電気エネルギーに変換される。光電変換素子に光３ａが多く入射されるほど、光３ａは電気エネルギーに多く変換される。なお、光３ａは、後述のガラス部材５ａを透過して光電池モジュール４に入射する。また、光電池モジュール４に入射しない光３ｂは、後述のように照明光としてまたはエミッタ３の加熱に利用される。

光電池モジュール４上には、ガラス部材５ａが配置されている。ガラス部材５ａは、光電池モジュール４を覆うように設けられている。これにより、燃焼ガス２ｂ及び光電池モジュール４が互いに直接触れ合うことを防ぐことができる。

エミッタ３上には、熱排気部８が設けられている。熱排気部８は、不要となった燃焼ガス２ｂを装置１の外部へ排気する。なお、熱排気部８は、熱交換器（図示せず）を有している。熱交換器により、排気されるガスの熱エネルギーが、吸入される新気に予熱として用いられる（熱損失の低減）。

エミッタ３の周囲には、ガラス部材５ｂが設けられている。すなわちガラス部材５ｂは、装置台７とバーナ２と熱排気部８とによりエミッタ３を覆うように設けられている。ガラス部材５ｂは、断熱性及び透光性を有する部材からなる。これにより、燃焼ガス２ｂの装置１外部への漏洩が防止されるとともに、光３ｂが装置１外部へ透過される。

ガラス部材５ｂの周囲には、開閉体（開閉手段）６が開閉可能に設けられている。開閉体６は、光学ミラー６ａ及び軸部材６ｂを有する。軸部材６ｂは、ガラス部材５ｂの外周面に支持固定されている。また、開閉体６を閉じた際にエミッタ３と対向する面に、光学ミラー６ａが設けられている。光学ミラー６ａは、入射光を反射する反射手段である。開閉体６及び光学ミラー６ａは、軸部材６ｂを回転中心として回転可能である。開閉体６が開閉動作を行うことで、開閉体６及び光学ミラー６ａが回転する。なお、開閉体６は、図１に示すような回転開閉式に限られず、開閉体６のスライド移動により開閉するスライド開閉式であってもよい。また、開閉体６の開閉動作は、手動式としてもよく、自動式としてもよい。

ここで、開閉体６が図１に示すように水平方向になるように光学ミラー６ａを回転させることで、開閉体６は開放される。これにより、光３ｂが装置１の外部へ射出される。光３ｂは、開閉体６に向けて輻射され、光電池モジュール４に入射しない光である。この結果、電気エネルギーへの変換に寄与しない光３ｂを、照明光として有効利用できる。一方、開閉体６が図２に示すように鉛直方向になるように光学ミラー６ａを回転させることで、開閉体６は閉鎖される。これにより、光３ｂはエミッタ３へ向けて反射される。このため、光３ｂのエネルギーをエミッタ３の加熱に十分に有効利用できる。エミッタ３は、加熱されて光３ａ，３ｂを輻射する。なお、開閉体６へ入射する光は、光学ミラー６ａにより反射されるので、開閉体６を断熱構造とする必要が無い。

次に、本実施形態に係る熱光発電装置１の動作及び作用効果について説明する。

まずバーナ２に点火して、装置１内部に燃焼ガス２ｂを発生させる。ここで、燃焼ガス２ｂは高温ガスであって所定の熱を有する。次に、燃焼ガス２ｂによりエミッタ３が加熱される。加熱されたエミッタ３は、光３ａ，３ｂを輻射する。ここで、光３ａは、光電池モジュール４に入射する。次に光電池モジュール４により、光３ａは電気エネルギーに変換される。すなわち、光電池モジュール４に入射する光３ａ（図１における鉛直方向の光）が、電気エネルギーに変換される。

ここで、開閉体６を図１に示すように水平方向として開くと、光３ｂを装置１外部へ導く光路が形成され、光３ｂが装置１の外部へ射出される。なお、光３ｂは、開閉体６に向けて輻射され光電池モジュール４に入射しない光であって、電気エネルギーへの変換に寄与しない光である。この光３ｂを、装置１の外部へ射出することにより、照明光として利用することができる。この結果、装置１が照明装置として機能する。このため、光３ｂのエネルギーの十分な有効利用を図ることができる。また、暗い場所での作業効率を向上させることができる。さらに、照明のために改めて用意すべき燃料が不要となるので、消費するエネルギーの全体量を抑制することができる。また、装置１は、断熱のために別途設けるべき断熱構造が不要となる。このため、装置１の構造はコンパクトでシンプルになり、装置１の製造や取扱いが容易となる。

一方、開閉体６を図２に示すように鉛直方向として閉じると、開閉体６に入射する光３ｂが光学ミラー６ａによって反射される。反射された光３ｂは、図２に示すようにエミッタ３に入射する。これにより、光３ｂをエミッタ３の加熱に有効利用することができる。エミッタ３は、加熱されて高温になるほど光３ａ，３ｂを多く輻射する。このため、光３ｂのエネルギーが十分に有効利用されることになる。

以上のことから、開閉体６の開閉により、発電機能及び照明機能を使い分けることが容易に可能となる。このため、熱光発電装置１の周囲の環境や状況に合わせて、発電量や照明のための光量を調節することができる。

［第２実施形態］
図３及び４に、本実施形態に係る第２実施形態の熱光発電装置１Ａの構成概略図を示す。

熱光発電装置１Ａは、図３に示すように、ガラス部材５ｃの形状を除いて第１実施形態と同様の構成となっている。ガラス部材５ｃは、ガラス部材５ｂの形状が変形した形状である。より詳しくは、ガラス部材５ｃは、装置台７とバーナ２と熱排気部８とによりエミッタ３を覆うとともに、熱排気部８側から装置台７側に近づくに従って裾が広がる形状となっている。

ガラス部材５ｃの周囲には、開閉体６が開閉可能に設けられている。軸部材６ｂは、ガラス部材５ｃの外周面に支持固定されている。ここで、開閉体６は、開放されて図３に示すように水平方向になる。これにより、光３ｂが装置１Ａの外部へ射出される。この結果、電気エネルギーへの変換に寄与しない光３ｂを、照明光として有効利用できる。一方、開閉体６は、閉鎖されて図４に示すようにガラス部材５ｃの外周面と平行になる。これにより、光３ｂはエミッタ３の対向部３ｅへ向けて反射される。なお、対向部３ｅは、エミッタ３のうち光電池モジュール４に近い側の部分であり、図４における下方部分である。このため、光３ｂのエネルギーを対向部３ｅの加熱に十分に有効利用できる。対向部３ｅは、加熱されて光３ａ，３ｂを輻射する。

次に、本実施形態に係る熱光発電装置１Ａの動作及び作用効果について説明する。

上述のように、バーナ２からの燃焼ガス２ｂが、エミッタ３及び光電池モジュール４により、最終的に電気エネルギーに変換される。

ここで、開閉体６が開閉されて水平方向になると、図３に示すように光３ｂが装置１Ａの外部へ射出される。この結果、開閉体６に向けて輻射された光３ｂを照明光として有効利用できる。これにより、装置１Ａが照明装置として機能する。このため、光３ｂのエネルギーの有効利用を図ることができる。また、暗い場所での作業効率を向上させることができる。さらに、消費するエネルギーの全体量を抑制することができる。また、装置１Ａの製造や取扱いが容易となる。

一方、開閉体６が閉鎖されてガラス部材５ｃの外周面と平行になると、図４に示すように光３ｂは対向部３ｅへ向けて反射される。この結果、電気エネルギーへの変換に寄与しない光３ｂを、エミッタ３の加熱に有効利用することができる。これにより、対向部３ｅが加熱されて光３ａ，３ｂが輻射される。このため、光３ｂのエネルギーの十分な有効利用を図ることができる。ここで、加熱される対向部３ｅは、エミッタ３のうち光電池モジュール４に近い側の下方部分である。これにより、光電池モジュール４に、対向部３ｅからの光３ａをより多く入射させることができる。

以上のことから、開閉体６の開閉により、発電機能及び照明機能を容易に使い分け、装置１Ａの周囲の環境に合わせて発電量や光量を調節することができる。

［第３実施形態］
図５及び６に、本実施形態に係る第３実施形態の熱光発電装置１Ｂの構成概略図を示す。

熱光発電装置１Ｂは、図５に示すように、ガラス部材５ｄの形状を除いて第２実施形態と同様の構成となっている。ガラス部材５ｄは、ガラス部材５ｃの形状が変形した形状である。より詳しくは、ガラス部材５ｄは、装置台７とバーナ２と熱排気部８とによりエミッタ３を覆うとともに、熱排気部８側から装置台７側に近づくに従って裾がガラス部材５ｃよりもさらに広がる形状となっている。

ガラス部材５ｄの周囲には、開閉体６が開閉可能に設けられている。軸部材６ｂは、ガラス部材５ｄの外周面に支持固定されている。ここで、開閉体６は、開放されて図５に示すように水平な方向になる。これにより、光３ｂが装置１Ｂの外部へ射出される。この結果、開閉体６に向けて輻射された光３ｂを、照明光として有効利用できる。一方、開閉体６は、閉鎖されて図６に示すようにガラス部材５ｄの外周面と平行になる。すなわち、開閉体６は、回転して、水平方向に対して斜め４５度前後の角度をなす。これにより、光３ｂは光電池モジュール４へ向けて反射される。このため、光３ｂのエネルギーを電気エネルギーへの変換に有効利用される。

次に、本実施形態に係る熱光発電装置１Ｂの動作及び作用効果について説明する。

上述のように、バーナ２からの燃焼ガス２ｂが、エミッタ３及び光電池モジュール４により、最終的に電気エネルギーに変換される。

ここで、上述のように開閉体６が図５に示すように開放されると、光３ｂが装置１Ｂの外部へ射出される。この結果、電気エネルギーへの変換に寄与しない光３ｂを、照明光として有効利用できる。また、暗い場所での作業効率の向上と、消費するエネルギーの全体量の抑制が可能となる。

一方、開閉体６が図６に示すように閉鎖されると、光３ｂは光電池モジュール４へ向けて反射される。すなわち、光３ａに加えて、光電池モジュール４に入射しない光３ｂが、光電池モジュール４に入射することになる。この結果、電気エネルギーへの変換に寄与しない光３ｂを、電気エネルギーへの変換に有効利用することができる。ここで、光電池モジュール４に光３ａ，３ｂが多く入射されるほど、光３ａ，３ｂは電気エネルギーに多く変換される。このため、光３ｂのエネルギーの十分な有効利用を図ることができる。

以上のことから、熱光発電装置１Ｂにより、周囲の環境に合わせて発電量や光量の調節ができる。

［第４実施形態］
図７及び８に、本実施形態に係る第４実施形態の熱光発電装置１Ｃの構成概略図を示す。

熱光発電装置１Ｃは、図７に示すように、第１実施形態の構成においてガラス部材５ｄの周囲に光学フィルタ（赤外光反射手段）９を更に備えた構成となっている。

ガラス部材５ｄの周囲には、図７に示すように光学フィルタ９が設けられている。なお、ガラス部材５ｄはエミッタ３の周囲に設けられている。光学フィルタ９は、例えばシリカ（ＳｉＯ_２）や酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる。光学フィルタ９は、光３ｂのうち可視光３ｃを透過するとともに、光３ｂのうち赤外光３ｄを反射する。なお、可視光３ｃは照明光になり得るが、赤外光３ｄは照明光になり得ない。

次に、本実施形態に係る熱光発電装置１Ｃの動作及び作用効果について説明する。

上述のように、バーナ２からの燃焼ガス２ｂが、エミッタ３及び光電池モジュール４により、最終的に電気エネルギーに変換される。

ここで、光３ｂが光学フィルタ９に入射した際に、光３ｂのうち可視光３ｃは光学フィルタ９を透過する。これにより、開閉体６が図７に示すように水平方向として開放されると、可視光３ｃが装置１Ｃの外部へ射出される。ここで、可視光３ｃは照明光になり得る。この結果、可視光３ｃを照明光として有効利用できる。また、暗い場所での作業効率の向上と、消費するエネルギーの全体量の抑制が可能となる。

一方、光３ｂのうち赤外光３ｄは光学フィルタ９においてエミッタ３へ向けて反射される。これにより、赤外光３ｄの装置１Ｃの外部への無駄な射出を防ぐことができる。ここで、赤外光３ｄは照明光になり得ない。この結果、照明光になり得ない赤外光３ｄのエネルギーを、エミッタ３の加熱に有効利用することができる。エミッタ３は、加熱されて高温になるほど光３ａ，３ｂを多く輻射する。この結果、赤外光３ｄのエネルギーを、エミッタ３の加熱に有効利用することができる。

また、開閉体６が図８に示すように鉛直方向として閉鎖されると、可視光３ｃが光学ミラー６ａにより反射される。反射された可視光３ｃは、図８に示すようにエミッタ３に入射する。これにより、赤外光３ｄに加えて可視光３ｃをエミッタ３の加熱に有効利用することができる。エミッタ３は、加熱されて高温になるほど光３ａ，３ｂを多く輻射する。この結果、可視光３ｃのエネルギーをエミッタ３の加熱に有効利用することができる。

以上のことから、照明光として寄与しない赤外光３ｄを、熱光発電装置１Ｃ内部に常に閉じ込めることができるので、赤外光３ｄのエネルギーの不要な損失を抑えることができる。また、装置１Ｃの周囲の環境に合わせて、発電量や光量の調節ができる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。なお、上記の実施形態及び下記の変形例は、本発明の範囲を制限するものではなく、当業者がこれらの実施形態及び変形例を本発明の特許請求の範囲の主題に反することなく発展させることができるものである。

例えば、第４実施形態の熱光発電装置１Ｃでは、ガラス部材５ｄの周囲に光学フィルタ９を設けた構成となっているが、可視光３ｃを透過するとともに赤外光３ｄを反射するガラス部材を用いて、ガラス部材５ｄ及び光学フィルタ９を置き換えてもよい。

以上説明したように、実施形態１、２、及び４に係るそれぞれの熱光発電装置１、１Ａ、及び１Ｃによれば、開閉体６を開放させることで、開閉体６に向けて輻射された光３ｂを照明光として有効利用することができる。また、開閉体６を閉鎖させることで、光３ｂのエネルギーをエミッタ３の加熱に十分に有効利用することができる。

また、実施形態３に係る熱光発電装置１Ｂによれば、開閉体６に向けて輻射された光３ｂを照明光として有効利用することができる。また、開閉体６を閉鎖させることで、光３ｂのエネルギーを電気エネルギーの変換に十分に有効利用することができる。

第１実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第１実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第２実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第２実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第３実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第３実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第４実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。 第４実施形態の熱光発電装置の構成概略図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｃ…熱光発電装置、２…バーナ、２ａ…火炎、２ｂ…熱、３…エミッタ、３ａ，３ｂ…光、３ｃ…可視光、３ｄ…赤外光、３ｅ…対向部、４…光電池モジュール、５ａ〜５ｄ…ガラス部材、６…開閉体６ａ…光学ミラー、７…装置台、８…熱排気部、９…光学フィルタ。

Claims (5)

1. 加熱することにより光を輻射する輻射手段と、前記輻射手段が輻射した光を電気エネルギーに変換する光電変換手段と、を備える熱光発電装置であって、
   前記輻射手段の周囲に開閉可能に設けられ、開閉動作によって、前記輻射手段が輻射した光を当該熱光発電装置の外部へ射出させる開閉手段を備えることを特徴とする熱光発電装置。
2. 前記開閉手段は、閉じた際に前記輻射手段と対向する面に反射面を有し、前記輻射手段が輻射した光を前記輻射手段へ向けて反射させることを特徴とする請求項１に記載の熱光発電装置。
3. 前記開閉手段は、閉じた際に前記輻射手段と対向する面に反射面を有し、前記輻射手段が輻射した光を前記光電変換手段と対向する前記輻射手段の対向部へ向けて反射させることを特徴とする請求項１に記載の熱光発電装置。
4. 前記開閉手段は、閉じた際に前記輻射手段と対向する面に反射面を有し、前記輻射手段が輻射した光を前記光電変換手段へ向けて反射させることを特徴とする請求項１に記載の熱光発電装置。
5. 前記輻射手段の周囲に設けられ、可視光を透過するとともに赤外光を反射する赤外光反射手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱光発電装置。
   
   
   

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