JP6403558B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
この発電装置は、半導体で構成されたエミッタに集光した太陽光が照射されるように構成され、太陽光の短波長域の光を半導体中の光励起に、長波長領域の光を半導体の加熱に利用することで、光励起と加熱との相乗効果によりエミッタから電子を放出するとともに、放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子(PETE素子)を備えている。また、この文献に記載の発電装置では、太陽光のみを発電のエネルギ源として使用しており、エミッタに照射する太陽光の集光率を例えば1000倍以上とすることで、所定の電力を得ている。
光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、その第1特徴構成は、
700K程度以上に加熱された高温輻射発生体からの輻射光を10倍以上、110倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段を備え、
前記高温輻射発生体が、燃焼排気ガスの通流によって700K程度以上に加熱された排気管であり、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが0.35eV以上0.39eV以下に選択されている点にある。
本願において、このようなバンドギャップの材料をエミッタの材料として選択する理由を、図2、図3、図5、図7及び図8に基づいて説明する。
これらの図において各線に〔○○倍〕と記載しているのは、各例における輻射光の集光率を示している。即ち、各検討例において輻射光の集光率を10倍及び100倍に変化させ、さらに、25倍、50倍の両方又は何れか一方に変化させた場合の変換効率の例を示している。
本特徴構成では、エミッタを構成する半導体のバンドギャップが0.35eV以上0.39eV以下に選択されるので、例えば、700K程度(650K〜750Kの範囲の温度)に加熱された高温輻射発生体から放射される輻射光をエネルギ源とする場合の各集光率の変換効率のピークを得ることができるバンドギャップが包含されるので、各集光率において高い発電電力を得ることができる。
以上より、装置の小型化を図ることができつつも、高いエネルギ変換効率で安定して発電電力を得ることができる。
また、700K程度以上に加熱された排気管から発生する比較的エネルギ密度が高い輻射光を光熱発電素子に集めて電気エネルギに変換することができるので、高い発電電力を得ることができる。
前記エミッタがインジウム砒素InAsで構成されている点にある。
以下、本発明の発電装置の第1実施形態について図1に基づいて説明する。
図1に示すように、発電装置Sは、対向配置された電極であるエミッタ1とコレクタ2との間を移動する熱電子を利用して光エネルギ及び熱エネルギを電気エネルギに変換して負荷5に電力を供給する光熱発電素子3を備えている。
そして、光熱発電素子3のエミッタ側には、火炎を形成して、1000〜1300K程度以上に加熱されて輻射光Lを発生する高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート7b(セラミック板の例)を備えたセラミックバーナ7と、その輻射光Lを集光してエミッタ1に照射する集光照射手段としての集光レンズ4とが備えられている。また、光熱発電素子3のコレクタ側には、コレクタ2を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路8が設けられている。
図1に示すセラミックバーナ7は、側部に開口部を備える筐体7aと、筐体7aの開口部に保持されたセラミックバーナプレート7bと、筐体7aに接続された導管7cとを備えている。セラミックバーナプレート7bは、例えば、アルミナ、シリカ等を成分とするコーディエライト等の耐熱衝撃性を備える多孔質セラミックからなり、厚さ方向に貫通する複数の炎口7dを備えている。導管7cは、都市ガス等の燃料ガスと空気とが混合された混合ガスGを、筐体7aに供給する。
以下、先に本願の説明に使用した図2、図3、図8について説明する。
これらの図面は、エミッタ1を構成することとなる構成材料のバンドギャップ〔eV〕と発電出力〔W/m2〕との関係を示す図面であり、太陽光を含む輻射光Lの集光率に関しては、各図において、10倍、50倍、100倍を前提としている。さらに、高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート7bの温度としては、図2の場合1000Kを、図3の場合1300Kを前提とした。一方、コレクタ2の温度は500Kとした。
Pnet,c=Psun
−σTC 4
−(exp((EF,n−EF,p)/kTC)−1)PBB
+JA(φC+2kTA)
−JC(φC+2kTC)
Pnet,c :エミッタのエネルギ収支
Psun :図2、図3の場合は高温輻射発生体の輻射光の光子
エネルギ
:図8の場合は太陽光の光子エネルギ
σTC 4 :エミッタからの黒体放射エネルギ
(exp((EF,n−EF,p)/kTC)−1)PBB
:伝導帯電子密度が増加したことにより高められた、
バンドギャップ以上のエネルギを持つ黒体放射光子
エネルギ
JA(φC+2kTA) :コレクタからエミッタへの入力エネルギ
JC(φC+2kTC) :エミッタの出力エネルギ
さらに、
EF,n :電子の擬似フェルミエネルギ
EF,p :正孔の疑似フェルミエネルギ
PBB :バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光
子エネルギ
JA,JC :コレクタ及びエミッタの電流密度
φA,φC :コレクタ及びエミッタの仕事関数
TA :コレクタの温度
TC :エミッタの温度
である。
工程1 検討対象とするバンドギャップEgを仮定する。
工程2 検討対象とする電子親和力E_Aを仮定する。
工程3 工程1、工程2で仮定したバンドギャップEg、及び電子親和力E_A、を使用して、エミッタに入射した光子(電子)の数と、放出された光子(電子)の数+再結合した光子(電子)の数との和が0となるとの条件の下、エミッタのエネルギ収支式を使用して、エミッタのエネルギ収支Pnet,cを求める。
工程4 エミッタ温度TCを設定範囲で変化させて、工程3を繰り返し、Pnet,cが最小となるエミッタ温度TCを求める。
この工程4を実行することで、検討対象としている状態のバンドギャップEg、電子親和力E_A、エミッタ温度TCが決定される。
η=(JC−JA)×(φC−φA)/Psun
工程5 電子親和力E_Aを設定範囲で変動させて、工程2〜工程4を繰り返し、発電効率が最大効率を示すパラメータ(電子親和力E_A、エミッタ温度TC)を求める。
そして、得られたパラメータ(電子親和力E_A、エミッタ温度TC)での最大効率を、検討対象としているバンドギャップEgにおける素子の発電効率とした。
この硫化鉛(PbS)でエミッタ1を構成する場合は、集光率10倍で変換効率17.8%、集光率50倍で変換効率28.4%、集光率100倍で変換効率32.1%となった。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギEF,nは0.265eV、正孔の擬似フェルミエネルギEF,pは0.161eV、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギPBBは64000W/m2、コレクタ電流密度JAは260A/m2、エミッタ電流密度JCは480000A/m2、コレクタ仕事関数φAは0.9eV、エミッタ仕事関数φCは1.67eVとなる。
また、図3に示すように、本願においてセラミックバーナプレート7bを1300Kに加熱した場合では、例えば、エミッタ1を0.55eV以上0.6eV以下の範囲にバンドギャップを有する材料で構成することで、集光率10倍で変換効率25%以上、集光率50倍で変換効率39%以上、及び、集光率100倍で変換効率43%以上の高い変換効率を得ることができる。
図4に基づいて本発明の発電装置の第2実施形態について説明する。上述の第1実施形態では、高温輻射発生体としてのセラミックバーナプレート7bから放射される輻射光Lを利用して発電したが、この第2実施形態では、地下のマグマMによって加熱された岩盤Nからの輻射光Lを利用する点で異なるものである。また、上述の第1実施形態では、集光照射手段が集光レンズ4で構成されたが、この第2実施形態では、集光照射手段が集光レンズ4と光ファイバ10とで構成されている点で異なるものである。よって、以下の記載においては、輻射光Lを放射する岩盤N及び集光照射手段について説明する。
この硫化鉛(PbS)でエミッタ1を構成する場合は、集光率10倍で変換効率19%、集光率25倍で変換効率25%、集光率100倍で変換効率33%となった。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギEF,nは0.27eV、正孔の擬似フェルミエネルギEF,pは0.162eV、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギPBBは69000W/m2、コレクタ電流密度JAは260A/m2、エミッタ電流密度JCは650000A/m2、コレクタ仕事関数φAは0.9eV、エミッタ仕事関数φCは1.66eVとなる。
図6に基づいて本発明の発電装置の第3実施形態について説明する。上述の第1実施形態では、輻射光Lを発生する高温輻射発生体を、セラミックバーナ7のセラミックバーナプレート7bとしたが、この第3実施形態では、輻射光Lを発生する高温輻射発生体を燃焼排気ガスEが流れる排気管9とする点で異なるものである。よって、以下の記載においては、燃焼排気ガスEが流れる排気管9について説明する。
そして、このインジウム砒素でエミッタ1を構成する場合は、集光率10倍で変換効率8%、集光率25倍で変換効率14%、集光率50倍で変換効率20%、集光率100倍で変換効率26%となる。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギEF,nは0.195eV、正孔の擬似フェルミエネルギEF,pは0.193eV、バンドギャップ以上のエネルギを持つ、黒体放射光子エネルギPBBは39000W/m2、コレクタ電流密度JAは260A/m2、エミッタ電流密度JCは110000A/m2、コレクタ仕事関数φAは0.9eV、エミッタ仕事関数φCは1.57eVとなる。
最後に、本発明の別実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、夫々単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(A)上記実施形態では、集光照射手段を凸面状の集光レンズ4として輻射光Lを集光したが、これに限らず、集光照射手段を平面状又は凹面状の鏡面体で構成した反射板として、輻射光Lを反射してエミッタ1に集光する構成としてもよい。
2 コレクタ
3 光熱発電素子
4 集光レンズ(集光照射手段)
7b セラミックバーナプレート(高温輻射発生体、セラミック板)
8 冷却水通路
9 排気管(高温輻射発生体)
Db 地中
L 輻射光
M マグマ
N 岩盤(高温輻射発生体)
S 発電装置
Claims (2)
- 光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、
700K程度以上に加熱された高温輻射発生体からの輻射光を10倍以上、110倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段を備え、
前記高温輻射発生体が、燃焼排気ガスの通流によって700K程度以上に加熱された排気管であり、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが0.35eV以上0.39eV以下に選択されている発電装置。 - 前記エミッタがインジウム砒素InAsで構成されている請求項1に記載の発電装置。
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