JP4710161B2 - 熱光発電装置 - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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(thermophotovoltaic energy conversion)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、輻射体（エミッタ）を加熱することにより、その輻射体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、無騒音・無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、特開昭６３−３１６４８６号公報には、多孔質固体により製作されたエミッタと、燃焼ガスがそのエミッタ内を通過するように構成されたエミッタ加熱手段と、そのエミッタからの輻射エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、から構成される熱光発電装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスバーナによるガス燃料の燃焼には空気（エア）が必要であるが、この空気の温度によって燃焼は異なってくる。しかし、従来の熱光発電装置においては、この空気の温度について何ら考慮されていない。
【０００６】
その一方、従来の熱光発電装置は、エミッタを加熱した後の排気ガスを有効に利用していない。排気ガスを外部の熱交換器により熱回収すると、装置が大きくなり、発電効率が低下してしまう。
【０００７】
また、従来の平板型熱光発電装置は、エミッタ下部あるいはエミッタ上部から加熱して片面からの輻射エネルギのみをセルで受光させて発電するため、発電効率が低い。このように、熱光発電装置においては、高い光電変換効率を得るという観点からは未だ改善の余地が残されている。
【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、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱を燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用するとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光を効率よく光電変換素子で受けることにより、全体として発電効率を大きく向上させ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、本発明の第一の側面によれば、燃料と空気とによる燃焼ガスにより輻射体を加熱し、該輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、該輻射体を加熱した後の燃焼ガスの余熱により、燃焼に必要な空気が予熱されるように構成したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
この熱光発電装置においては、輻射体を加熱した後の燃焼ガスの余熱により燃焼に必要な空気が予熱され、この予熱された空気と燃料とにより燃焼が起こるため、燃焼ガスの温度が上昇し、それに応じて輻射体の温度が上昇し、その結果、輻射強度が増大し、かくして、光電変換素子で発生する電力が増大する。すなわち、熱エネルギから電気エネルギへの変換効率が向上する。
【００１１】
また、本発明の第二の側面によれば、燃料と空気とによる燃焼ガスにより輻射体を加熱し、該輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、該輻射体の内部空洞部分に空気配管を配置し、該輻射体の外側に燃焼ガスを該輻射体に向けて供給する燃焼ガス供給体を配置し、更に該燃焼ガス供給体の外側に輻射光を受ける光電変換素子を配置したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１２】
この熱光発電装置においては、前記した第一の側面による熱光発電装置の作用に加え、輻射体の内部空洞部分に空気配管を配置したので、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【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及び図２は、本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図及び平面図である。燃料ガスは、燃料配管１２を介して予混合室１４に導入され、後述する空気配管から導入された空気と混合せしめられる。その混合ガスは、混合ガス配管１６ａを介して上側バーナ１８ａに供給されるとともに、混合ガス配管１６ｂを介して下側バーナ１８ｂに供給される。
【００１５】
燃焼ガス供給体としての上側バーナ１８ａ及び下側バーナ１８ｂは、円筒形の配管が長方形の各辺を形成する形状とされている。そして、バーナ１８ａ及び１８ｂには、内側水平方向に混合ガスを噴出するための噴出口２０が所定間隔ごとに設けられている。各噴出口２０にて点火せしめられた混合ガスは、燃焼してほぼ水平方向の火炎を形成する。
【００１６】
上側バーナ１８ａと下側バーナ１８ｂとの間には、ポーラス体からなるエミッタ２２が配置されている。このエミッタ２２は、内部に空洞を有している。エミッタ２２の上面側及び下面側にて燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、ポーラスエミッタ２２を通過してその内部空洞部分に導かれ、排気口２４から排出される。
【００１７】
エミッタ２２は、通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、その上面及び下面の両面から赤外光を輻射する。上側バーナ１８ａの外側には、上側フィルタ２６ａ及び複数の光電変換セル２８ａが配置されている。同様に、下側バーナ１８ｂの外側には、下側フィルタ２６ｂ及び複数の光電変換セル２８ｂが配置されている。
【００１８】
輻射された赤外光は、フィルタ２６ａ又は２６ｂを通過し、光電変換セル２８ａ又は２８ｂに入射して電力に変換される。なお、フィルタ２６ａ及び２６ｂは、光電変換に寄与する成分のみを透過する一方、光電変換に寄与しない成分をエミッタ２２の側へ反射してエミッタ２２の加熱に利用する。
【００１９】
このように、本実施形態に係る平板型熱光発電装置においては、エミッタの両面からの輻射赤外光が両面に配置された光電変換セルで受光されるため、発電効率が向上する。
【００２０】
また、予混合室１４へ空気を導入する空気配管３０は、排気口２４からエミッタ２２の内部空洞部分を通って予混合室１４に連通している。そして、エミッタ２２の内部空洞部分において、空気配管３０内の空気と燃焼ガスとが間接的に接触する面積が最大となり十分な熱交換が行われるように、空気配管３０は、蛇行せしめられている。なお、熱交換が十分に可能であれば、エミッタ２２の内部空洞部分における空気配管３０の形状は、どのようなものであってもよい。
【００２１】
このように、エミッタ２２を加熱した後の燃焼ガスが通過するエミッタ内部空洞部分に空気配管３０を配置した構造としたことにより、燃焼ガスの余熱により燃焼に必要な空気が予熱される。そして、この予熱された空気と燃料とにより燃焼が起こるため、燃焼ガスの温度が上昇し、それに応じてエミッタ２２の温度も上昇する。その結果、エミッタ２２からの輻射強度が増大し、かくして、光電変換セル２８ａ及び２８ｂで発生する電力が増大することとなる。
【００２２】
また、エミッタ内部に空気配管を配置した構造としたことにより、装置全体がコンパクトに構成されている。
【００２３】
図３及び図４は、本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図及び平面図である。前述した第一実施形態は、平板型熱光発電装置に係るものであったが、この第二実施形態は、円筒型熱光発電装置に係るものである。
【００２４】
図３及び図４において、４２は、円筒状に形成されたポーラスエミッタ、４４は、エミッタ４２の外側に円筒状に形成されたフィルタである。また、４６は、光電変換素子であり、それが複数個集まってフィルタ４４の外側で円筒を形成している。
【００２５】
４８ａ及び４８ｂは、円環状に形成された、それぞれ上側バーナ及び下側バーナである。これらのバーナには、燃料配管５０からの燃料ガスと空気配管５２からの空気とによる混合ガスが供給される。そして、この空気配管５２は、円筒状ポーラスエミッタ４２の内部の空洞部分においてらせん状に形成されている。
【００２６】
円環状の上側バーナ４８ａの下部には、下方に混合ガスを噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられ、同様に、円環状の下側バーナ４８ｂの上部には、上方に混合ガスを噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられている。各噴出口にて点火せしめられた混合ガスは、燃焼してエミッタ４２の表面に沿う火炎を形成する。
【００２７】
この燃焼により発生した燃焼ガスは、円筒状ポーラスエミッタ４２を通過してその内部空洞部分に導かれ、上方へと排出されていく。その際、第一実施形態と同様に、エミッタ加熱後の燃焼ガスの余熱が空気を予熱することとなる。エミッタ４２の表面から輻射される赤外光は、フィルタ４４を介して光電変換セル４６に到達し、電力に変換される。
【００２８】
かくして、この第二実施形態においても、第一実施形態と同様の効果が得られる。なお、円筒型熱光発電装置の場合、平板型熱光発電装置と異なり、エミッタと光電変換セルとの間の距離を調節することにより、セルの単位面積当たりの受光量を調節することができる。セルの性能面から受光量の全てを電力に変換することができない場合には、円筒型を採用して単位面積当たりの受光量を最適化することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱が燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用されるとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光が効率よく光電変換素子で受光されることとなり、全体として発電効率が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした平面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした平面図である。
【符号の説明】
１２…燃料配管
１４…予混合室
１６ａ…混合ガス配管
１６ｂ…混合ガス配管
１８ａ…上側バーナ
１８ｂ…下側バーナ
２０…噴出口
２２…エミッタ
２４…排気口
２６ａ…上側フィルタ
２６ｂ…下側フィルタ
２８ａ…光電変換セル
２８ｂ…光電変換セル
３０…空気配管
４２…エミッタ
４４…フィルタ
４６…光電変換セル
４８ａ…上側バーナ
４８ｂ…下側バーナ
５０…燃料配管
５２…空気配管
【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(thermophotovoltaic energy conversion)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、輻射体（エミッタ）を加熱することにより、その輻射体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、無騒音・無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、特開昭６３−３１６４８６号公報には、多孔質固体により製作されたエミッタと、燃焼ガスがそのエミッタ内を通過するように構成されたエミッタ加熱手段と、そのエミッタからの輻射エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、から構成される熱光発電装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスバーナによるガス燃料の燃焼には空気（エア）が必要であるが、この空気の温度によって燃焼は異なってくる。しかし、従来の熱光発電装置においては、この空気の温度について何ら考慮されていない。
【０００６】
その一方、従来の熱光発電装置は、エミッタを加熱した後の排気ガスを有効に利用していない。排気ガスを外部の熱交換器により熱回収すると、装置が大きくなり、発電効率が低下してしまう。
【０００７】
また、従来の平板型熱光発電装置は、エミッタ下部あるいはエミッタ上部から加熱して片面からの輻射エネルギのみをセルで受光させて発電するため、発電効率が低い。このように、熱光発電装置においては、高い光電変換効率を得るという観点からは未だ改善の余地が残されている。
【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、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱を燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用するとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光を効率よく光電変換素子で受けることにより、全体として発電効率を大きく向上させ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、本発明の第一の側面によれば、燃料と空気とによる燃焼ガスにより輻射体を加熱し、該輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、該輻射体を加熱した後の燃焼ガスの余熱により、燃焼に必要な空気が予熱されるように構成したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
この熱光発電装置においては、輻射体を加熱した後の燃焼ガスの余熱により燃焼に必要な空気が予熱され、この予熱された空気と燃料とにより燃焼が起こるため、燃焼ガスの温度が上昇し、それに応じて輻射体の温度が上昇し、その結果、輻射強度が増大し、かくして、光電変換素子で発生する電力が増大する。すなわち、熱エネルギから電気エネルギへの変換効率が向上する。
【００１１】
また、本発明の第二の側面によれば、燃料と空気とによる燃焼ガスにより輻射体を加熱し、該輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、該輻射体の内部空洞部分に空気配管を配置し、該輻射体の外側に燃焼ガスを該輻射体に向けて供給する燃焼ガス供給体を配置し、更に該燃焼ガス供給体の外側に輻射光を受ける光電変換素子を配置したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１２】
この熱光発電装置においては、前記した第一の側面による熱光発電装置の作用に加え、輻射体の内部空洞部分に空気配管を配置したので、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【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及び図２は、本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図及び平面図である。燃料ガスは、燃料配管１２を介して予混合室１４に導入され、後述する空気配管から導入された空気と混合せしめられる。その混合ガスは、混合ガス配管１６ａを介して上側バーナ１８ａに供給されるとともに、混合ガス配管１６ｂを介して下側バーナ１８ｂに供給される。
【００１５】
燃焼ガス供給体としての上側バーナ１８ａ及び下側バーナ１８ｂは、円筒形の配管が長方形の各辺を形成する形状とされている。そして、バーナ１８ａ及び１８ｂには、内側水平方向に混合ガスを噴出するための噴出口２０が所定間隔ごとに設けられている。各噴出口２０にて点火せしめられた混合ガスは、燃焼してほぼ水平方向の火炎を形成する。
【００１６】
上側バーナ１８ａと下側バーナ１８ｂとの間には、ポーラス体からなるエミッタ２２が配置されている。このエミッタ２２は、内部に空洞を有している。エミッタ２２の上面側及び下面側にて燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、ポーラスエミッタ２２を通過してその内部空洞部分に導かれ、排気口２４から排出される。
【００１７】
エミッタ２２は、通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、その上面及び下面の両面から赤外光を輻射する。上側バーナ１８ａの外側には、上側フィルタ２６ａ及び複数の光電変換セル２８ａが配置されている。同様に、下側バーナ１８ｂの外側には、下側フィルタ２６ｂ及び複数の光電変換セル２８ｂが配置されている。
【００１８】
輻射された赤外光は、フィルタ２６ａ又は２６ｂを通過し、光電変換セル２８ａ又は２８ｂに入射して電力に変換される。なお、フィルタ２６ａ及び２６ｂは、光電変換に寄与する成分のみを透過する一方、光電変換に寄与しない成分をエミッタ２２の側へ反射してエミッタ２２の加熱に利用する。
【００１９】
このように、本実施形態に係る平板型熱光発電装置においては、エミッタの両面からの輻射赤外光が両面に配置された光電変換セルで受光されるため、発電効率が向上する。
【００２０】
また、予混合室１４へ空気を導入する空気配管３０は、排気口２４からエミッタ２２の内部空洞部分を通って予混合室１４に連通している。そして、エミッタ２２の内部空洞部分において、空気配管３０内の空気と燃焼ガスとが間接的に接触する面積が最大となり十分な熱交換が行われるように、空気配管３０は、蛇行せしめられている。なお、熱交換が十分に可能であれば、エミッタ２２の内部空洞部分における空気配管３０の形状は、どのようなものであってもよい。
【００２１】
このように、エミッタ２２を加熱した後の燃焼ガスが通過するエミッタ内部空洞部分に空気配管３０を配置した構造としたことにより、燃焼ガスの余熱により燃焼に必要な空気が予熱される。そして、この予熱された空気と燃料とにより燃焼が起こるため、燃焼ガスの温度が上昇し、それに応じてエミッタ２２の温度も上昇する。その結果、エミッタ２２からの輻射強度が増大し、かくして、光電変換セル２８ａ及び２８ｂで発生する電力が増大することとなる。
【００２２】
また、エミッタ内部に空気配管を配置した構造としたことにより、装置全体がコンパクトに構成されている。
【００２３】
図３及び図４は、本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図及び平面図である。前述した第一実施形態は、平板型熱光発電装置に係るものであったが、この第二実施形態は、円筒型熱光発電装置に係るものである。
【００２４】
図３及び図４において、４２は、円筒状に形成されたポーラスエミッタ、４４は、エミッタ４２の外側に円筒状に形成されたフィルタである。また、４６は、光電変換素子であり、それが複数個集まってフィルタ４４の外側で円筒を形成している。
【００２５】
４８ａ及び４８ｂは、円環状に形成された、それぞれ上側バーナ及び下側バーナである。これらのバーナには、燃料配管５０からの燃料ガスと空気配管５２からの空気とによる混合ガスが供給される。そして、この空気配管５２は、円筒状ポーラスエミッタ４２の内部の空洞部分においてらせん状に形成されている。
【００２６】
円環状の上側バーナ４８ａの下部には、下方に混合ガスを噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられ、同様に、円環状の下側バーナ４８ｂの上部には、上方に混合ガスを噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられている。各噴出口にて点火せしめられた混合ガスは、燃焼してエミッタ４２の表面に沿う火炎を形成する。
【００２７】
この燃焼により発生した燃焼ガスは、円筒状ポーラスエミッタ４２を通過してその内部空洞部分に導かれ、上方へと排出されていく。その際、第一実施形態と同様に、エミッタ加熱後の燃焼ガスの余熱が空気を予熱することとなる。エミッタ４２の表面から輻射される赤外光は、フィルタ４４を介して光電変換セル４６に到達し、電力に変換される。
【００２８】
かくして、この第二実施形態においても、第一実施形態と同様の効果が得られる。なお、円筒型熱光発電装置の場合、平板型熱光発電装置と異なり、エミッタと光電変換セルとの間の距離を調節することにより、セルの単位面積当たりの受光量を調節することができる。セルの性能面から受光量の全てを電力に変換することができない場合には、円筒型を採用して単位面積当たりの受光量を最適化することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱が燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用されるとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光が効率よく光電変換素子で受光されることとなり、全体として発電効率が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした平面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした正面図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の概略構成を示すべく一部を断面表示とした平面図である。
【符号の説明】
１２…燃料配管
１４…予混合室
１６ａ…混合ガス配管
１６ｂ…混合ガス配管
１８ａ…上側バーナ
１８ｂ…下側バーナ
２０…噴出口
２２…エミッタ
２４…排気口
２６ａ…上側フィルタ
２６ｂ…下側フィルタ
２８ａ…光電変換セル
２８ｂ…光電変換セル
３０…空気配管
４２…エミッタ
４４…フィルタ
４６…光電変換セル
４８ａ…上側バーナ
４８ｂ…下側バーナ
５０…燃料配管
５２…空気配管
Claims (1)
- 燃料と空気とによる燃焼ガスにより輻射体を加熱し、該輻射体からの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、該輻射体の内部空洞部分に空気配管を配置し、該輻射体の外側に燃焼ガスを該輻射体に向けて供給する燃焼ガス供給体を配置し、更に該燃焼ガス供給体の外側に輻射光を受ける光電変換素子を配置したことを特徴とする熱光発電装置。
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| JP2001115489A Expired - Fee Related JP4710161B2 (ja) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | 熱光発電装置 |
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