JP2017184566A - 熱光発電装置及び熱光発電システム - Google Patents
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Abstract
Description
熱輻射光源は、例えば板状の金属材料からなる基材の一方を吸熱面とし、他方を輻射面として構成される。
熱供給部は、熱輻射光源の吸熱面と対向する状態で接触して配置される。光電変換部は、熱輻射光源を挟んで熱供給部とは反対側に、輻射面と対向して配置される。すなわち、光電変換部は、熱供給部に対向して配置される。
さらに、光電変換素子は通常、熱輻射光源からの輻射光を受光した場合にも、受光した輻射光の全てを光電変換して発電することは出来ないため、発電と同時に発熱して、その発熱により発電効率が低下してしまう。
そこで、発電効率を低下させず、発電効率の高い熱光発電装置が望まれる。
熱を輻射光に変換する熱輻射光源を備えた平板状の輻射部と、熱源から供給された熱を前記輻射部に供給する熱供給部と、前記輻射光を受光して発電する光電変換素子を備えた平板状の光電変換部と、を備えた熱光発電装置において、
前記輻射部は、前記熱供給部に、前記熱供給部から熱伝導可能に立設されて、
前記光電変換部は、前記熱輻射光源に前記光電変換素子を対向させた状態で前記輻射部に併設され、
前記光電変換部を冷却する冷却部を備え、
前記光電変換部は、前記冷却部に立設されて、
前記光電変換素子は、前記冷却部に熱伝導可能に接続されている点にある。
そして、熱供給部がたとえば面光源として輻射光を発する場合、熱供給部の輻射面と並行して設けられる面には、熱供給部からの輻射光が直角に入射して、最大の密度で熱供給部の輻射光が輻射されることになる。
しかし、上記構成によれば、光電変換部は、熱供給部に立設された輻射部と対向させた状態で併設されるため、熱供給部の表面と平行になる配置を回避することができ、熱供給部からの輻射光が直角に入射することは無い。特に、熱供給部に輻射部を垂直に立設して、光電変換部と、熱供給部からの輻射光が平行になる場合には、当該輻射光が光電変換部に入射することを回避できる。つまり、光電変換部が受ける熱供給部からの輻射光の密度を低下することができ、光電変換素子の、熱供給部からの輻射光による発熱が回避される構成になっている。
しかし、冷却部に熱伝導可能な光電変換素子は、輻射部からの輻射光によって発熱した熱を、冷却部に逃がすことができる。したがって、光電変換部を、発電効率の高い温度で維持した状態で、発電させることができる。
前記光電変換部は、両面に光電変換面を備えた光電変換素子である点にある。
また、光電変換素子が受光する輻射部からの輻射光の一部は、光電変換素子を透過するのであるが、輻射部からの輻射光の一部が、光電変換部の一方の面に設けられた光電変換素子を透過する場合にも、光電変換部と対向させた状態で併設される輻射部で吸収させられる。よって、光電変換素子で利用できない光を再利用できる。
したがって、発電効率の低下を回避し、発電効率の高い熱光発電装置を提供することができる。
前記輻射部は、赤外線を透過可能な材料で平板状に形成された赤外透明基板を備え、
前記赤外透明基板は、前記熱輻射光源として所定の波長が増幅された輻射光を輻射する熱光変換素子を平板部に備え、前記熱供給部に、前記熱供給部から熱伝導可能に接続されている点にある。
つまり、上記構成によれば、輻射光をほとんど発しない赤外透明基板によって、所定の波長が増幅された輻射光を輻射する熱光変換素子まで、制御されない輻射で熱のエネルギーをロスすることなく、熱供給部から熱を伝熱で供給し、所定の波長が増幅された輻射光を輻射として発することができる。
したがって、発電効率の高い熱光発電装置を提供することができる。
前記輻射部と、前記光電変換部とが、交互に併設されている点にある。
前記熱供給部と、前記光電変換部との間に、前記供給部からの輻射光を遮蔽する遮蔽部を備えた点にある。
前記遮蔽部は、断熱材であり、前記断熱材は、前記熱供給部に覆設される点にある。
したがって、熱供給部からの制御されない輻射光の輻射を抑制し、熱のエネルギーのロスを回避し、また光電変換部は加熱を回避し、発電効率の低下を回避できるから、発電効率の高い熱光発電装置を提供することができる。
前記遮蔽部は、光を反射する光反射体であり、前記光反射体は、前記熱供給部に向けて光を反射するよう設けられているである点にある。
したがって、熱供給部からの制御されない輻射光の輻射を抑制し、熱のエネルギーのロスを回避し、また光電変換部は加熱を回避し、発電効率の低下を回避できるから、発電効率の高い熱光発電装置を提供することができる。
熱光発電装置を、真空容器内に備える点にある。
したがって、発電効率の高い熱光発電システムを提供することができる。
また、光電変換部30を冷却する冷却部40を備えている。
本例では空間60は、0.01mPaから1kPa程度の真空に保たれている。
また、光電変換部30は、対抗する熱供給部20とは設置方向を逆向きに、冷却部40に立設されている。本例では、光電変換部30は、冷却部40に対し、直角に設けられている。
図2は、図1に示す熱光発電システム1の断面と直交する別の断面の模式的な断面図である。図2は、輻射部10と熱供給部20と光電変換部30とおよび冷却部40の関係を模式的に示すための便宜として、輻射部10と光電変換部30とを同一断面上に描いている。
よって、熱供給部20の表面からの制御されない輻射光は、およそ大部分が光電変換部30に対して平行に発せられることになり、光電変換部30が熱供給部20の表面からの制御されない輻射光で加熱されることを回避できる。
以下、熱光発電装置100および熱光発電システム1について、さらに詳述する。
赤外透明基板11としてはたとえば、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、シリコン炭化ケイ素(SiC)、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリアなどを用いることができる。
本例では、赤外透明基板11としてサファイアを用いている。
そして、赤外透明基板11は、熱光変換素子12を支持する支持部として機能している。赤外透明基板11と、熱光変換素子12とは、熱的に接続して、熱伝導可能に接続されている。
本例では、赤外透明基板11は、熱供給部20の表面に設けた細溝に赤外透明基板11の一辺を圧入して固定されている。
したがって、熱供給部20と、熱光変換素子12とは、赤外透明基板11を介して熱伝導可能に形成されている。
熱光変換素子12として用いるに好適な材料や部材としては、タンタルやタングステンなどの金属やシリコン炭化ケイ素などの半導体、その他の絶縁体、金属もしくは半導体もしくは絶縁体に周期構造等の加工を施し輻射を制御した部材を用いることができる。半導体もしくは絶縁体に周期構造等の加工を施し輻射を制御した部材としては、後述する、フォトニック結晶が特に好適である。
熱光変換素子12は、たとえば半導体からなる屈折部13と、屈折部13の半導体よりも光屈折率の小さな光学基板14とを含んで備える。本例の熱光変換素子12は、赤外透明基板11から熱エネルギーを伝熱で受け取る。
なお、屈折部13の配置は、正方格子状に限られない。
したがって、この屈折部13を備える面が、主として輻射光を放出させる向きになり、他方側の面は、屈折部13を備える面よりもやや弱い強度の輻射光を放出させる面になる。つまり、光学基板14の屈折部13を備える面側にやや強度が偏って、光学基板14の両面から輻射光が輻射される。
なお、屈折部13の配置は、正方格子状に限られない。例えば三角千鳥格子を含む、その他の配置、配列をも含み得る。
また、熱光変換素子12を構成する屈折部13および光学基板14は、二次元的な配置・配列には限定されず、三次元的な配置・配列をも含み得る。
本例では屈折部13は、Siの結晶で形成されている。
屈折部13として用いることの出来る、半導体としては、Si結晶のほかに、SiCを好適に用いることもできる。なお、SiやSiCは真性半導体である。
一例を挙げると、屈折部13の直径dはおよそ200nmである。また、屈折部13の高さhはおよそ500nmである。屈折部13は正方格子状に配列され、正方格子の周期長a(隣り合う屈折部13の中心間の距離)はおよそ600nmである。
光学基板14は、可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料で形成されている。
光学基板14に用いる可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料としては、たとえば、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、SiC、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリアなども好適に用いることができる。
冷却部40は、公知の冷却方法で冷却するなどしてその機能を発揮させることができる。本例では、冷却部40は、ステンレス製の外壁(容器)中に、冷却水が通流する態様で構成されている。冷却部40は、この例示の態様に限定されず、その他同様の機能を有する方式や態様を含み得る。
本例では、両面で受光し両面で発電することのできる光電変換素子31を用いている。
つまり、光電変換部30はその両面で輻射部10からの輻射光を受光して発電することができる。
また、光電変換部30は、冷却部40に支持された状態で輻射部10に併設されている。
さらに、光電変換部30は、輻射部10に平行に、併設されている。そして、光電変換部30と熱供給部20と、の間は熱的に隔離されている。
そして、光電変換部30は、熱光変換素子12が輻射する輻射光を受光可能に設けられている。
本例では、光電変換部30の光電変換素子31は、冷却部40に熱伝導可能な状態で接続されており、冷却部40に立設して設けられ、輻射部10に平行に、併設されている。
具体的には、光電変換素子31と冷却部40に熱伝導可能な状態で、互いに直接接触して接続されている。本例では、光電変換素子31の一辺を冷却部40の表面に設けたスリットに、端部を圧入して固定されている。
光電変換素子31としては、例えば一般的な太陽電池を用いることができる。たとえば、シリコン太陽電池、ガリウムアンチモン太陽電池、ゲルマニウム太陽電池、インジウムガリウムヒ素系太陽電池を用いることができる。もちろん光電変換素子31の具体的な様態は、これら例示に限定されるわけではない。
また、これら太陽電池は、長波長の光を受光すると、その光を吸収して発熱する。したがって、冷却部40が光電変換素子31として用いる太陽電池を冷却することで、太陽電池が高温になって発電効率が低下すること回避できる。
光電変換部30は光電変換素子31であり、光電変換素子31のそれぞれの面は、光電変換機能を有する面状の機能部として機能する。つまり、光電変換部30は、両面に光電変換面を備えた光電変換素子31である。
本例では、輻射部10と、光電変換部30とは、熱供給部20の長手方向に交互に繰りかえし、併設されている。
従って、輻射部10の両面から発せられる輻射光を、輻射部10の両面に対応して設けられる光電変換素子31がそれぞれ受光して発電する。
また、輻射部10と、光電変換部30とは、交互に繰りかえすように併設することで、熱供給部20の表面積に対して、より広い面積の輻射部10、すなわち熱光変換素子12とを設けて、熱エネルギーを効率よく輻射光に変換することができる。
補足すると、本例では、熱供給部20の表面により多くの輻射部10を設けることができるから、熱源から熱供給部20に供給される熱の熱エネルギーのうち、より多くのエネルギーを輻射部10からの制御された輻射光に変換し、相対的に熱供給部20からの制御されない輻射光に変換されてしまうエネルギーを減少させることができる。
たとえば熱光変換素子12としてシリコン太陽電池を用いる場合、光電変換素子31の発光スペクトルの波長のピークは1120nm未満とすることが好ましい。これは、シリコン太陽電池は一般に、波長が1120nmを超える光を光電変換することができないためである。その他の太陽電池セルを用いる場合にも、光電変換素子31の発光スペクトルの波長のピークは同様に定めることができる。
熱光変換素子12として用いるに好適な材料として上記に例示列挙した部材は、いわゆる黒体に比べ、輻射光の所定の波長が増幅された分布がシャープな波長スペクトルを有するため、所定の光電変換素子31と組み合わせることで、高い発電効率を得ることができる。
ここで、発電効率とは、入力された熱エネルギーのうち、電気に変換されたエネルギーの割合を言う。
本例で例示したフォトニック結晶を用いた熱光変換素子12の場合の輻射の波長スペクトルは極めてシャープで、熱輻射光源として特に好ましい特徴を持つことがわかる。
この例では、シリコン太陽電池に適した約0.8vの解放電圧の場合に、68%もの高い変換効率を発揮することがわかる。
図7中、グラフの縦軸の「PD」は、発電密度を示す。また、図7中、グラフの横軸の「E」は電圧を示す。
また、図7中、ラインDは、光電変換部30の両面が光電変換素子31である場合を、ラインSは、光電変換部30の片面に光電変換素子31を備えた場合の発電密度の変化をそれぞれ示す。
光電変換部30の両面が光電変換素子31である場合、一平方メートル当たり2200Wの発電密度を発揮する。
一方、光電変換部30の片面にのみ光電変換素子31を備えた場合、一平方メートル当たり1100Wの発電密度となる。
すなわち、光電変換部30の両面が光電変換素子31である場合は、光電変換部30の片面に光電変換素子31を備えた場合に比して、光電変換部30の発電密度が約2倍になる。熱源の表面積に対する発電密度が向上することに繋がり、熱光発電装置100の発電効率は高効率となる。
熱供給部20と、光電変換部30との間に、熱供給部20からの輻射光を遮蔽する遮蔽部50を備えるとよい。
本例では、遮蔽部50として、光を反射する光反射体51を、光電変換部30の熱供給部20に対向させた側の端部に設け、光反射体51で、熱供給部20に向けて熱供給部20が発する制御されない輻射光を反射して、再度、熱供給部20で熱に変換するよう設けられている。
本例では、ステンレス製の平板を300番でバフ研磨した後、さらに電解研磨して、金蒸着した光反射体51を用いている。
(1)上記実施形態では、熱光発電装置100は真空容器61を兼ねた冷却部40の真空の空間60に格納する例を説明した。
しかし、図6に示すように、冷却部40とは別に、真空容器61を設けて、その空間60内に熱光発電装置100を設けて、熱光発電システム1を構成してもよい。
しかし、図6に示すように、輻射部10は、熱供給部20に対し一方向にのみ立設する様態でもよい。
しかし、輻射部10と、光電変換部30とは、熱供給部20の周方向に交互に繰りかえし、併設してもよい。具体的にはたとえば、熱供給部20が円筒状に形成され、熱供給部20の円筒状の表面に輻射部10を立設し、その輻射部10に光電変換部30を対向させて併設してもよい。
しかし、図6に示すように、遮蔽部50として、断熱材52を用い、断熱材52を、熱供給部20に覆設して、熱供給部20からの制御されない輻射光を抑制するように構成してもよい。
10 :輻射部
11 :赤外透明基板
12 :熱光変換素子(熱輻射光源)
20 :熱供給部
30 :光電変換部
31 :光電変換素子
40 :冷却部
50 :遮蔽部
51 :光反射体
52 :断熱材
60 :空間
61 :真空容器
100 :熱光発電装置
Claims (8)
- 熱を輻射光に変換する熱輻射光源を備えた平板状の輻射部と、熱源から供給された熱を前記輻射部に供給する熱供給部と、前記輻射光を受光して発電する光電変換素子を備えた平板状の光電変換部と、を備えた熱光発電装置において、
前記輻射部は、前記熱供給部に、前記熱供給部から熱伝導可能に立設されて、
前記光電変換部は、前記熱輻射光源に前記光電変換素子を対向させた状態で前記輻射部に併設され、
前記光電変換部を冷却する冷却部を備え、
前記光電変換部は、前記冷却部に立設されて、
前記光電変換素子は、前記冷却部に熱伝導可能に接続されている熱光発電装置。 - 前記光電変換部は、両面に光電変換面を備えた光電変換素子である、請求項1に記載の熱光発電装置。
- 前記輻射部は、赤外線を透過可能な材料で平板状に形成された赤外透明基板を備え、
前記赤外透明基板は、前記熱輻射光源として所定の波長が増幅された輻射光を輻射する熱光変換素子を平板部に備え、前記熱供給部に、前記熱供給部から熱伝導可能に接続されている請求項1又は2記載の熱光発電装置。 - 前記輻射部と、前記光電変換部とが、交互に併設されている請求項1〜3の何れか一項に記載の熱光発電装置。
- 前記熱供給部と、前記光電変換部との間に、前記供給部からの輻射光を遮蔽する遮蔽部を備えた請求項1〜4の何れか一項に記載の熱光発電装置。
- 前記遮蔽部は、断熱材であり、前記断熱材は、前記熱供給部に覆設される請求項5に記載の熱光発電装置。
- 前記遮蔽部は、光を反射する光反射体であり、前記光反射体は、前記熱供給部に向けて光を反射するよう設けられている請求項5に記載の熱光発電装置。
- 請求項1〜7の何れか一項に記載の熱光発電装置を、真空容器内に備える熱光発電システム。
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