JP6653918B2 - Thermophotovoltaic power generation device and thermophotovoltaic power generation system - Google Patents

Thermophotovoltaic power generation device and thermophotovoltaic power generation system Download PDF

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Description

本発明は、熱源から熱の供給を受ける熱供給部に熱伝導可能に立設された、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、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、熱輻射光源に光電変換素子を対向した状態で、光電変換部が輻射部に併設されている熱光発電装置に関する。   The present invention has a flat radiating portion provided with a heat radiation light source that converts heat into radiant light, which is provided to be heat conductive to a heat supply portion that receives supply of heat from a heat source, and receives radiant light. The present invention relates to a thermo-photovoltaic power generation device comprising: a flat photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion element for generating power; and a photoelectric conversion unit provided in addition to the radiation unit in a state where the photoelectric conversion element is opposed to a heat radiation light source.

一般に、物体を加熱すると、物体を構成する物質および物体の温度に応じたスペクトルを有する光、すなわち輻射光を生じる。この輻射光を太陽電池セルで捉え発電する装置を、熱光発電（ＴＰＶ）装置という（特許文献１）。   In general, when an object is heated, light having a spectrum corresponding to the material constituting the object and the temperature of the object, that is, radiation light is generated. A device that captures the radiated light with a solar cell and generates power is referred to as a thermophotovoltaic (TPV) device (Patent Document 1).

この、熱光発電装置は、特定の波長をより多く含んだ輻射光を発する（輻射する）熱輻射光源と、熱源からの熱を熱輻射光源に供給する熱供給部と、光電変換素子を備えた光電変換部と、を含んで構成される。
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。 This thermophotovoltaic device includes a heat radiation light source that emits (radiates) radiation light containing a specific wavelength more, a heat supply unit that supplies heat from the heat source to the heat radiation light source, and a photoelectric conversion element. And a photoelectric conversion unit.
The heat radiation light source is configured such that one of the base materials made of, for example, a plate-like metal material is used as a heat absorbing surface and the other is used as a radiation surface.
The heat supply unit is disposed in contact with and in contact with the heat absorbing surface of the heat radiation light source. The photoelectric conversion unit is arranged on a side opposite to the heat supply unit with the heat radiation light source interposed therebetween, facing the radiation surface. That is, the photoelectric conversion unit is arranged to face the heat supply unit.

特開２０１４−２１７１１０号公報JP 2014-217110 A

上記のような熱光発電装置は、熱供給部と、熱輻射光源の吸熱面とが対向して接触して配置されるため、熱輻射光源の面積を任意に増やすことができない。さらに、熱輻射光源の種類（例えば光透過性の材料の場合）によっては、熱供給部から光電変換部の光電変換素子で変換できない波長の輻射光が漏えいして、光電変換部での発電に寄与せず損失となる。そしてこの場合、光電変換部は光電変換部の光電変換素子で変換できない波長の輻射光により加熱され、発電効率をさらに低下させてしまう。
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。 In such a thermophotovoltaic device, the heat supply unit and the heat absorption surface of the heat radiation light source are disposed in contact with each other so that the area of the heat radiation light source cannot be arbitrarily increased. Further, depending on the type of the heat radiation light source (for example, in the case of a light transmissive material), radiation light having a wavelength that cannot be converted by the photoelectric conversion element of the photoelectric conversion unit leaks from the heat supply unit, and the power is generated by the photoelectric conversion unit. Loss without contributing. In this case, the photoelectric conversion unit is heated by radiation having a wavelength that cannot be converted by the photoelectric conversion element of the photoelectric conversion unit, and the power generation efficiency is further reduced.
Furthermore, even when a photoelectric conversion element receives radiation light from a thermal radiation light source, it cannot normally generate electricity by photoelectrically converting all of the received radiation light. As a result, the power generation efficiency is reduced.
Therefore, a thermoelectric generator having high power generation efficiency without lowering the power generation efficiency is desired.

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、発電効率の高い熱光発電装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric generator having high power generation efficiency.

上記目的を達成するための本発明に係る熱光発電装置の特徴構成は、
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。 The characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention for achieving the above object is as follows.
A flat radiating section provided with a heat radiation light source that converts heat into radiation light, a heat supply section that supplies heat supplied from the heat source to the radiation section, and a photoelectric conversion element that receives the radiation light and generates power. And a flat-panel photoelectric conversion unit with
The radiating portion is erected on the heat supply portion so as to be able to conduct heat from the heat supply portion,
The photoelectric conversion unit is provided along with the radiation unit in a state where the photoelectric conversion element is opposed to the heat radiation light source,
A cooling unit that cools the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is erected on the cooling unit,
The said photoelectric conversion element is in the point connected so that heat conduction to the said cooling part is possible.

通常、熱供給部の表面も材質と温度に応じて輻射面として機能し、特定の波長分布には制御されない輻射光を発することになる。熱供給部からの制御されない輻射光は、熱供給部を輻射部が覆う場合にも、輻射部を透過する場合がある。例えば輻射部が赤外透明ガラスなどの赤外透明基板のような、赤外線を透過可能な材料を含む場合、熱供給部からの制御されない輻射光は、容易に輻射部を透過する。
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。 Normally, the surface of the heat supply unit also functions as a radiation surface according to the material and temperature, and emits radiation light that is not controlled to a specific wavelength distribution. Uncontrolled radiation from the heat supply unit may be transmitted through the radiation unit even when the radiation unit covers the heat supply unit. For example, when the radiating portion includes a material that can transmit infrared light, such as an infrared transparent substrate such as an infrared transparent glass, uncontrolled radiation from the heat supply portion easily transmits through the radiating portion.
When the heat supply unit emits radiant light, for example, as a surface light source, the radiant light from the heat supply unit is incident at a right angle on a surface provided in parallel with the radiation surface of the heat supply unit, and has a maximum density. The radiation of the heat supply unit is radiated.
However, according to the above configuration, since the photoelectric conversion unit is provided side by side with the radiating unit erected on the heat supply unit, it is possible to avoid an arrangement parallel to the surface of the heat supply unit. The radiation from the heat supply unit does not enter at right angles. In particular, when the radiating section is provided vertically on the heat supply section, and the photoelectric conversion section and the radiated light from the heat supply section are parallel, it is possible to prevent the radiated light from being incident on the photoelectric conversion section. . That is, the density of the radiant light from the heat supply unit received by the photoelectric conversion unit can be reduced, and the photoelectric conversion element is configured to avoid heat generation due to the radiant light from the heat supply unit.

この場合に、光電変換素子は輻射部からの輻射光を受光して発電するのであるが、光電変換部は、輻射部からの輻射光によっても発熱する。たとえば、光電変換素子のバンドギャップエネルギーより短波長の光を光電変換素子が受光する場合は、バンド内緩和で発熱する。
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。 In this case, the photoelectric conversion element receives radiation light from the radiating section to generate power, but the photoelectric conversion section also generates heat due to radiation light from the radiating section. For example, when light having a wavelength shorter than the band gap energy of the photoelectric conversion element is received by the photoelectric conversion element, heat is generated by relaxation within the band.
However, the photoelectric conversion element capable of conducting heat to the cooling unit can release the heat generated by the radiation light from the radiation unit to the cooling unit. Therefore, power can be generated while the photoelectric conversion unit is maintained at a high power generation efficiency temperature.

したがって、上記構成によれば、光電変換素子の熱供給部からの輻射光による発熱を回避して、さらに輻射部からの輻射光による発熱を逃がしつつ、光電変換素子を所望の温度に維持することで、光電変換素子の変換効率の低下を回避して、発電効率の高い熱光発電装置を提供することができる。   Therefore, according to the above configuration, it is possible to avoid the heat generation due to the radiation light from the heat supply unit of the photoelectric conversion element, and further maintain the photoelectric conversion element at a desired temperature while releasing the heat generation due to the radiation light from the radiation unit. Thus, a decrease in the conversion efficiency of the photoelectric conversion element can be avoided, and a thermoelectric power generation device with high power generation efficiency can be provided.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The photoelectric conversion unit is a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion surface on both surfaces.

上記構成によれば、光電変換部はその平板上の両面で輻射部からの輻射光を受光することができるため、同じスペースであっても相対的には大きな電力を得ることができる。
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。 According to the above configuration, since the photoelectric conversion unit can receive radiation light from the radiation unit on both surfaces on the flat plate, relatively large power can be obtained even in the same space.
In addition, a part of the radiation light from the radiation part received by the photoelectric conversion element is transmitted through the photoelectric conversion element, but a part of the radiation light from the radiation part is provided on one surface of the photoelectric conversion part. Also, when the light passes through the photoelectric conversion element, it is absorbed by the radiating part provided in parallel with the photoelectric conversion part. Therefore, light that cannot be used in the photoelectric conversion element can be reused.
Therefore, it is possible to avoid a decrease in power generation efficiency and to provide a thermoelectric power generation device with high power generation efficiency.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The radiator includes an infrared transparent substrate formed of a material that can transmit infrared light in a flat plate shape,
The infrared transparent substrate is provided with a heat-light conversion element for radiating radiation having a predetermined wavelength amplified as the heat radiation light source in a flat plate portion, and is connected to the heat supply portion so as to be able to conduct heat from the heat supply portion. In that it is.

いわゆる赤外透明基板は、赤外域の光の吸収をほとんど持たないものである。したがって、赤外透明基板は赤外域の輻射をほとんど起こさない。
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。 The so-called infrared transparent substrate has almost no absorption of light in the infrared region. Therefore, the infrared transparent substrate hardly emits radiation in the infrared region.
That is, according to the above configuration, the infrared transparent substrate that emits almost no radiant light, up to a heat-light conversion element that radiates radiant light having a predetermined wavelength amplified, without losing heat energy with uncontrolled radiation. In addition, heat can be supplied from the heat supply unit by heat transfer, and radiation having a predetermined wavelength amplified can be emitted as radiation.
Therefore, it is possible to provide a thermoelectric generator having high power generation efficiency.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The radiation part and the photoelectric conversion part are provided alternately.

上記構成によれば、少ないスペースに、高密度に輻射部と、光電変換部とを配置出来るため、発電効率の高い熱光発電装置をコンパクトに提供することができる。   According to the above configuration, the radiating portion and the photoelectric conversion portion can be arranged in a small space at a high density, so that a thermoelectric power generation device with high power generation efficiency can be provided compactly.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The present invention is characterized in that a shielding unit for shielding radiation light from the supply unit is provided between the heat supply unit and the photoelectric conversion unit.

上記構成によれば、熱供給部からの制御されない輻射光が光電変換部に供給されるのを回避できるため、光電変換部が加熱されず、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。   According to the above configuration, since uncontrolled radiation from the heat supply unit can be prevented from being supplied to the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion unit is not heated, and a decrease in power generation efficiency can be avoided. A thermophotovoltaic device can be provided.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The shielding portion is a heat insulating material, and the heat insulating material is provided so as to cover the heat supply portion.

上記構成によれば、熱供給部が断熱材で被覆されて保温される。
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。 According to the above configuration, the heat supply unit is covered with the heat insulating material and kept warm.
Therefore, the radiation of uncontrolled radiation from the heat supply unit is suppressed, the loss of heat energy is avoided, and the photoelectric conversion unit can avoid heating and avoid a decrease in power generation efficiency. A photovoltaic device can be provided.

本発明に係る熱光発電装置の更なる特徴構成は、
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。 Further characteristic configuration of the thermophotovoltaic device according to the present invention,
The shielding unit is a light reflector that reflects light, and the light reflector is provided to reflect light toward the heat supply unit.

上記構成によれば、熱供給部からの輻射は光反射体によって再び熱供給部に戻される。
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。 According to the above configuration, the radiation from the heat supply unit is returned to the heat supply unit again by the light reflector.
Therefore, the radiation of uncontrolled radiation from the heat supply unit is suppressed, the loss of heat energy is avoided, and the photoelectric conversion unit can avoid heating and avoid a decrease in power generation efficiency. A photovoltaic device can be provided.

本発明に係る熱光発電装置を備えた熱光発電システムの特徴構成は、
熱光発電装置を、真空容器内に備える点にある。 The characteristic configuration of the thermophotovoltaic power generation system including the thermophotovoltaic power generation device according to the present invention includes
The thermophotovoltaic device is provided in a vacuum vessel.

上記構成によれば、大気等の雰囲気ガスによる対流で熱供給部がされたり、光電変換部が加熱されたりすることを回避できる
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。 According to the above configuration, it is possible to prevent the heat supply unit from being convected by the atmospheric gas such as the atmosphere or to prevent the photoelectric conversion unit from being heated. Therefore, it is possible to provide a thermoelectric power generation system with high power generation efficiency.

熱光発電装置および熱光発電システムの全体構造を示す断面図Sectional drawing which shows the whole structure of a thermophotovoltaic device and a thermophotovoltaic power generation system 熱光発電装置および熱光発電システムの全体構造を示す別の断面の模式図Schematic diagram of another cross section showing the entire structure of the thermophotovoltaic device and the thermophotovoltaic system 熱光変換素子の一例を示す図Diagram showing an example of a thermo-optical conversion element 熱光変換素子の分光放射輝度の一例を示す図The figure which shows an example of the spectral radiance of a thermo-optical conversion element 熱光発電装置のエネルギーの変換効率の一例を説明する図The figure explaining an example of the conversion efficiency of the energy of the thermophotovoltaic device 熱光発電装置および熱光発電システムの別の全体構造を示す図The figure which shows another whole structure of a thermophotovoltaic device and a thermophotovoltaic power generation system 光電変換部の発電密度の一例を説明する図FIG. 4 illustrates an example of a power generation density of a photoelectric conversion unit.

図１および図２に基づいて、本発明の実施形態に係る熱光発電装置１００および熱光発電システム１について説明する。   With reference to FIG. 1 and FIG. 2, a thermophotovoltaic power generation device 100 and a thermophotovoltaic power generation system 1 according to an embodiment of the present invention will be described.

本実施形態に係る熱光発電装置１００は、熱を輻射光に変換する熱輻射光源として、熱光変換素子１２を備えた平板状の輻射部１０と、熱源から供給された熱を輻射部１０に供給する熱供給部２０と、輻射光を受光して発電する光電変換素子３１を備えた平板状の光電変換部３０と、を備えている。
また、光電変換部３０を冷却する冷却部４０を備えている。 The thermo-photovoltaic power generation device 100 according to the present embodiment includes a flat radiator 10 having a thermo-optical conversion element 12 as a heat radiation source for converting heat into radiant light, and a radiator 10 that receives heat supplied from the heat source. And a flat plate-like photoelectric conversion unit 30 including a photoelectric conversion element 31 that receives radiant light and generates power.
Further, a cooling unit 40 that cools the photoelectric conversion unit 30 is provided.

本例の場合、熱供給部２０に供給される熱の熱源は、例えばガスエンジンの排熱や、太陽光を集光した熱源を用いることができる。もちろんその他の熱源も利用可能であり、特定の熱源に限られない。熱供給部２０の外周部は、たとえば鉄や銅、ステンレスなどの熱伝導性の高い金属などで形成される。本例ではステンレスで形成されている。   In the case of this example, the heat source of the heat supplied to the heat supply unit 20 may be, for example, exhaust heat of a gas engine or a heat source that condenses sunlight. Of course, other heat sources are available and are not limited to a particular heat source. The outer peripheral portion of the heat supply unit 20 is formed of, for example, a metal having high thermal conductivity such as iron, copper, and stainless steel. In this example, it is formed of stainless steel.

そして、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に格納されている。
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。 Then, the thermophotovoltaic device 100 is stored in the vacuum space 60 of the cooling unit 40 also serving as the vacuum container 61.
In this example, the space 60 is kept at a vacuum of about 0.01 mPa to 1 kPa.

本例では、輻射部１０は、熱供給部２０に対し、図１および図２における熱供給部２０の上下方向に、立設して設けられている。本例では、輻射部１０は、熱供給部２０の表面に対し、直角に設けられている。
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。 In this example, the radiating section 10 is provided upright with respect to the heat supply section 20 in the vertical direction of the heat supply section 20 in FIGS. 1 and 2. In the present example, the radiation section 10 is provided at right angles to the surface of the heat supply section 20.
In addition, the photoelectric conversion unit 30 is erected on the cooling unit 40 in a direction opposite to the installation direction of the heat supply unit 20 which is opposed to the photoelectric conversion unit 30. In this example, the photoelectric conversion unit 30 is provided at right angles to the cooling unit 40.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of another cross section orthogonal to the cross section of the thermoelectric power generation system 1 shown in FIG. FIG. 2 illustrates the radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 on the same cross section for convenience to schematically show the relationship among the radiation section 10, the heat supply section 20, the photoelectric conversion section 30, and the cooling section 40. I have.

したがって、輻射部１０と光電変換部３０とは、平行に併設されている。また、光電変換部３０は、熱供給部２０の表面に対して直交する向きに設けられている。
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。 Therefore, the radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 are provided in parallel. Further, the photoelectric conversion unit 30 is provided in a direction orthogonal to the surface of the heat supply unit 20.
Therefore, most of the uncontrolled radiation from the surface of the heat supply unit 20 is emitted in parallel to the photoelectric conversion unit 30, and the photoelectric conversion unit 30 is not controlled from the surface of the heat supply unit 20. Heating by radiation light can be avoided.

また、輻射部１０と光電変換部３０とは、所定の間隔を隔てて設けられている。輻射部１０と光電変換部３０と、が物理的に接触することは無い。したがって、輻射部１０と光電変換部３０と、の間は熱的に隔離されている。   Further, the radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 are provided at a predetermined interval. The radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 do not physically contact each other. Therefore, the radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 are thermally isolated from each other.

また、輻射部１０と冷却部４０とは、所定の間隔を隔てて設けられている。輻射部１０と冷却部４０と、が物理的に接触することは無い。したがって、輻射部１０と冷却部４０と、の間は熱的に隔離されている。   Further, the radiation section 10 and the cooling section 40 are provided at a predetermined interval. The radiation section 10 and the cooling section 40 do not physically contact each other. Therefore, the radiation section 10 and the cooling section 40 are thermally isolated.

また、光電変換部３０と熱供給部２０とは、所定の間隔を隔てて設けられている。光電変換部３０と熱供給部２０と、が物理的に接触することは無い。したがって、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。   Further, the photoelectric conversion unit 30 and the heat supply unit 20 are provided at a predetermined interval. There is no physical contact between the photoelectric conversion unit 30 and the heat supply unit 20. Therefore, the photoelectric conversion unit 30 and the heat supply unit 20 are thermally isolated from each other.

本例では図１および図２に示すように、断面が方形の空間６０に、方形の平板状の輻射部１０や、輻射部１０に対応する方形で平板状の光電変換部３０の場合を例示しているが、これら例示は説明上の便宜であって、これら形状に限定されるものでは無い。
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。 In this example, as shown in FIGS. 1 and 2, a case is illustrated in which a rectangular flat radiating portion 10 and a rectangular flat flat photoelectric conversion portion 30 corresponding to the radiating portion 10 are arranged in a space 60 having a rectangular cross section. However, these exemplifications are for convenience of explanation and are not limited to these shapes.
Hereinafter, the thermo-optical power generation device 100 and the thermo-optical power generation system 1 will be described in more detail.

輻射部１０は、熱供給部２０からの熱を伝熱して熱光変換素子１２へ供給するための赤外透明基板１１を備えている。つまり、輻射部１０は、赤外透明基板１１と、熱光変換素子１２とを含む。   The radiating section 10 includes an infrared transparent substrate 11 for transferring heat from the heat supplying section 20 and supplying the heat to the thermo-optical conversion element 12. That is, the radiation section 10 includes the infrared transparent substrate 11 and the thermo-optical conversion element 12.

輻射部１０は、熱源からの高さが１０〜１００ｍｍで形成するとよく、本例では１０ｍｍから１００ｍｍ角程度の平板状に形成することができる。後述する光電変換部３０との関係を考慮すると、とくに１０ｍｍから４０ｍｍが好ましい。輻射部１０が小さすぎる場合は、経済的に不利益である。輻射部１０が大き過ぎる場合は、熱供給部２０からの熱の伝熱が十分でなく、やはり経済的に不利益である。   The radiating section 10 is preferably formed to have a height from a heat source of 10 to 100 mm. In consideration of the relationship with the photoelectric conversion unit 30 described later, it is particularly preferably 10 mm to 40 mm. If the radiation part 10 is too small, it is economically disadvantageous. If the radiating section 10 is too large, heat transfer from the heat supply section 20 is not sufficient, which is also disadvantageous economically.

赤外透明基板１１は、赤外線を透過可能な材料である。本例では、赤外透明基板１１は、平板状に形成されている。
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。 The infrared transparent substrate 11 is a material that can transmit infrared light. In this example, the infrared transparent substrate 11 is formed in a flat plate shape.
Examples of the infrared transparent substrate 11 include magnesium oxide, silicon oxide, silicon silicon carbide (SiC), diamond, sapphire, aluminum nitride, gallium nitride, calcium fluoride, magnesium fluoride, zinc selenium, barium fluoride, and zirconium oxide. , Hafnium oxide, titanium oxide, yttria oxide, or the like can be used.
In this example, sapphire is used as the infrared transparent substrate 11.

この赤外透明基板１１は、熱供給部２０に立設されている。赤外透明基板１１と、熱供給部２０とは、熱的に接続して、熱伝導可能に接続されている。
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。 The infrared transparent substrate 11 stands on the heat supply unit 20. The infrared transparent substrate 11 and the heat supply unit 20 are thermally connected to each other so as to be able to conduct heat.
The infrared transparent substrate 11 functions as a support for supporting the thermo-optical conversion element 12. The infrared transparent substrate 11 and the thermo-optical conversion element 12 are thermally connected to each other so as to be able to conduct heat.
In this example, the infrared transparent substrate 11 is fixed by pressing one side of the infrared transparent substrate 11 into a narrow groove provided on the surface of the heat supply unit 20.
Therefore, the heat supply unit 20 and the thermo-optical conversion element 12 are formed so as to be able to conduct heat via the infrared transparent substrate 11.

赤外透明基板１１は、本例では、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１２を平板部に備えている。
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。 In this example, the infrared transparent substrate 11 includes a thermo-optical conversion element 12 that emits radiation light having a predetermined wavelength amplified in a flat plate portion.
Materials and members suitable for use as the thermo-optical conversion element 12 include metals such as tantalum and tungsten; semiconductors such as silicon silicon carbide; other insulators; Can be used. As a member in which radiation is controlled by processing a semiconductor or an insulator such as a periodic structure, a photonic crystal, which will be described later, is particularly suitable.

本例の熱光変換素子１２は、所定の光学構造を備えたいわゆるフォトニック結晶を用いることができる。そして熱光変換素子１２は、フォトニック結晶として、供給された熱をその光学構造に対応する波長を含む輻射光に変換する機能を有する。
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。 A so-called photonic crystal having a predetermined optical structure can be used for the thermo-optical conversion element 12 of the present example. Then, the thermo-optical conversion element 12 has a function of converting the supplied heat into radiation light including a wavelength corresponding to the optical structure as a photonic crystal.
The thermo-optical conversion element 12 includes, for example, a refraction portion 13 made of a semiconductor and an optical substrate 14 having a smaller light refractive index than the semiconductor of the refraction portion 13. The thermo-optical conversion element 12 of this example receives thermal energy from the infrared transparent substrate 11 by heat transfer.

この熱光変換素子１２は、平板状に構成された光学基板１４の、輻射光を放出させようとする方向の一方の面に、屈折部１３を正方格子状に配置した構成を含む。
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。 The thermo-optical conversion element 12 includes a configuration in which the refraction portions 13 are arranged in a square lattice on one surface of an optical substrate 14 configured in a plate shape in a direction in which radiation light is to be emitted.
The arrangement of the refraction portions 13 is not limited to a square lattice.
Therefore, the surface provided with the refraction portion 13 is oriented to emit mainly radiated light, and the surface on the other side is a surface which emits radiation light having a slightly lower intensity than the surface provided with the refraction portion 13. That is, the intensity is slightly biased toward the surface of the optical substrate 14 on which the refraction portion 13 is provided, and the radiated light is emitted from both surfaces of the optical substrate 14.

本例の場合、赤外透明基板１１は、光学基板１４の両面から輻射される輻射光を透過する。したがって、輻射部１０の両面から、両面から輻射光が発せられる。
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。 In the case of this example, the infrared transparent substrate 11 transmits the radiation light radiated from both sides of the optical substrate 14. Therefore, radiation light is emitted from both sides of the radiation section 10.
The arrangement of the refraction portions 13 is not limited to a square lattice. Other arrangements and arrangements, including for example a triangular staggered grid, may also be included.
Further, the refraction portion 13 and the optical substrate 14 constituting the thermo-optical conversion element 12 are not limited to the two-dimensional arrangement and arrangement, but may include a three-dimensional arrangement and arrangement.

屈折部１３は、半導体で形成される。半導体には、真性半導体が含まれる。
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。 The bending portion 13 is formed of a semiconductor. Semiconductors include intrinsic semiconductors.
In this example, the refraction portion 13 is formed of a crystal of Si.
As a semiconductor that can be used as the refraction portion 13, SiC can be suitably used in addition to the Si crystal. Note that Si and SiC are intrinsic semiconductors.

屈折部１３は、本例では、光学基板１４上に突起した状態で、円柱状に形成されている。本例では、熱光変換素子１２は、一の光学基板１４に屈折部１３を備えた、一層でなる場合を示している。
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。 In this example, the refraction portion 13 is formed in a columnar shape so as to project on the optical substrate 14. In this example, a case is shown in which the thermo-optical conversion element 12 is a single optical substrate 14 provided with a refraction portion 13.
As an example, the diameter d of the refraction portion 13 is approximately 200 nm. The height h of the refraction part 13 is about 500 nm. The refraction portions 13 are arranged in a square lattice shape, and the period length a (distance between centers of adjacent refraction portions 13) of the square lattice is about 600 nm.

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基板である。言い換えると、可視光から遠赤外線領域において吸収率を持たない基板である。
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。 The optical substrate 14 is a substrate capable of transmitting light having a wavelength included in visible light to far infrared light. In other words, the substrate has no absorptivity in the visible to far infrared region.
The optical substrate 14 is formed of a material that can transmit light having a wavelength included in visible light to far infrared light.

本例では、この光学基板１４は、本例では、赤外透明基板である。具体的にはサファイアを用いている。また、光学基板１４は、本例では赤外透明基板１１と一体に構成されている。
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。 In this example, the optical substrate 14 is an infrared transparent substrate in this example. Specifically, sapphire is used. In this example, the optical substrate 14 is formed integrally with the infrared transparent substrate 11.
Examples of the material that can transmit light having a wavelength included in the range from visible light to far infrared light used for the optical substrate 14 include, for example, magnesium oxide, silicon oxide, SiC, diamond, sapphire, aluminum nitride, gallium nitride, calcium fluoride, and the like. Magnesium fluoride, zinc selenium, barium fluoride, zirconium oxide, hafnium oxide, titanium oxide, yttria oxide, and the like can also be suitably used.

冷却部４０は、光電変換部３０から供給される熱を受け取り、熱を蓄積せず、系外へ放出する部材である。つまり光電変換部３０を冷却する部材である。
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。 The cooling unit 40 is a member that receives heat supplied from the photoelectric conversion unit 30, does not accumulate heat, and discharges the heat to the outside of the system. That is, it is a member that cools the photoelectric conversion unit 30.
The cooling unit 40 can exhibit its function by cooling by a known cooling method. In this example, the cooling unit 40 is configured such that cooling water flows through an outer wall (container) made of stainless steel. The cooling unit 40 is not limited to this exemplary embodiment, and may include other systems and modes having the same function.

光電変換部３０は、受光した光を電気へ変換する光電変換素子３１を含む部材である。
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。 The photoelectric conversion unit 30 is a member including a photoelectric conversion element 31 that converts received light into electricity.
In this example, a photoelectric conversion element 31 that can receive light on both sides and generate power on both sides is used.
That is, the photoelectric conversion unit 30 can receive the radiated light from the radiating unit 10 on both surfaces to generate power.

光電変換部３０は、光電変換部３０を冷却する冷却部４０に立設されて、光電変換素子３１は、冷却部４０に熱伝導可能に接続されている。
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。 The photoelectric conversion unit 30 is erected on a cooling unit 40 that cools the photoelectric conversion unit 30, and the photoelectric conversion element 31 is connected to the cooling unit 40 so as to be able to conduct heat.
Further, the photoelectric conversion unit 30 is provided along with the radiation unit 10 while being supported by the cooling unit 40.
Further, the photoelectric conversion unit 30 is provided in parallel with the radiation unit 10. The photoelectric conversion unit 30 and the heat supply unit 20 are thermally isolated from each other.

光電変換部３０は、平面で構成した熱光変換素子１２の輻射面に光電変換素子３１を対向させた状態で、輻射部１０に併設されている。
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。 The photoelectric conversion unit 30 is provided along with the radiating unit 10 in a state where the photoelectric conversion element 31 is opposed to the radiation surface of the thermo-optical conversion element 12 formed of a plane.
The photoelectric conversion unit 30 is provided so as to be able to receive the radiation light radiated by the thermo-optical conversion element 12.
In this example, the photoelectric conversion element 31 of the photoelectric conversion unit 30 is connected to the cooling unit 40 in a heat conductive state, is provided upright on the cooling unit 40, and is provided in parallel with the radiating unit 10. ing.

光電変換部３０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を用いているため、熱光変換素子１２から発せられた光の内、光電変換素子３１のバンドギャップエネルギー以下の波長の光を透過する。光電変換部３０と熱光変換素子１２を対向させ交互に併設させることにより、熱光変換素子１２から発せられた光の内、光電変換素子を透過した光を、光電変換素子３１を挟み隣接した熱光変換素子１２で吸収させられる。したがって、光電変換素子３１で利用できない光の再利用が可能となり、熱光発電装置１００の効率が向上する。   Since the photoelectric conversion unit 30 uses the photoelectric conversion element 31 that can receive light on both sides and generate power on both sides, of the light emitted from the thermo-optical conversion element 12, the wavelength equal to or smaller than the band gap energy of the photoelectric conversion element 31 is used. Of light. By opposing the photoelectric conversion units 30 and the thermo-optical conversion elements 12 alternately and side-by-side, of the light emitted from the thermo-optical conversion elements 12, the light transmitted through the photoelectric conversion elements is adjacent to the photoelectric conversion elements 31 with the photoelectric conversion elements 31 interposed therebetween. It is absorbed by the thermo-optical conversion element 12. Therefore, light that cannot be used by the photoelectric conversion element 31 can be reused, and the efficiency of the thermo-optical power generation device 100 improves.

光電変換素子３１と、冷却部４０とは熱的に接続されている。したがって、光電変換部３０は、光電変換素子３１から熱を受け取り、冷却部４０にその熱を受け渡す機能を有する部材を別に備えていない。
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。 The photoelectric conversion element 31 and the cooling unit 40 are thermally connected. Therefore, the photoelectric conversion unit 30 does not separately include a member having a function of receiving heat from the photoelectric conversion element 31 and transferring the heat to the cooling unit 40.
Specifically, the photoelectric conversion element 31 and the cooling unit 40 are connected in direct contact with each other in a state where heat conduction is possible. In this example, one end of the photoelectric conversion element 31 is press-fitted and fixed to a slit provided on the surface of the cooling unit 40.

光電変換部３０ないし光電変換素子３１は、冷却部からの高さが１０〜１００ｍｍで形成するとよく、本例では１０ｍｍから４０ｍｍ角程度の平板状に形成するとよい。光電変換部３０が小さすぎる場合は、経済的に不利益である。光電変換部３０が大き過ぎる場合は、冷却部４０への伝熱が十分でなく、光電変換部の温度が上昇するため、光電変換の効率、つまり発電効率が低下して不利益である。   The photoelectric conversion unit 30 to the photoelectric conversion element 31 may be formed to have a height from the cooling unit of 10 to 100 mm, and in this example, may be formed in a plate shape of about 10 mm to 40 mm square. If the photoelectric conversion unit 30 is too small, it is economically disadvantageous. If the photoelectric conversion unit 30 is too large, heat transfer to the cooling unit 40 is not sufficient, and the temperature of the photoelectric conversion unit rises, which is disadvantageous because the efficiency of photoelectric conversion, that is, the power generation efficiency is reduced.

光電変換素子３１は、光を電気に変換する部材である。
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。 The photoelectric conversion element 31 is a member that converts light into electricity.
As the photoelectric conversion element 31, for example, a general solar cell can be used. For example, a silicon solar cell, a gallium antimony solar cell, a germanium solar cell, or an indium gallium arsenide solar cell can be used. Of course, the specific mode of the photoelectric conversion element 31 is not limited to these examples.

これら太陽電池は、受光して発電する場合に、バンド内緩和で発熱する。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、熱伝導で直接冷却することで、太陽電池が高温になって発電効率が低下することを回避できる。
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。 When receiving and generating power, these solar cells generate heat due to relaxation in the band. Therefore, the cooling unit 40 directly cools the solar cell used as the photoelectric conversion element 31 by heat conduction, so that it is possible to avoid a decrease in power generation efficiency due to a high temperature of the solar cell.
When these solar cells receive light of a long wavelength, they absorb the light and generate heat. Therefore, by cooling the solar cell used as the photoelectric conversion element 31 by the cooling unit 40, it is possible to avoid that the solar cell becomes hot and the power generation efficiency is reduced.

光電変換部３０と光電変換素子３１について補足する。
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。 The photoelectric conversion unit 30 and the photoelectric conversion element 31 will be supplemented.
The photoelectric conversion unit 30 is a photoelectric conversion element 31, and each surface of the photoelectric conversion element 31 functions as a planar functional unit having a photoelectric conversion function. That is, the photoelectric conversion unit 30 is a photoelectric conversion element 31 having a photoelectric conversion surface on both surfaces.

輻射部１０と、光電変換部３０との関係について補足する。
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。 The relationship between the radiating unit 10 and the photoelectric conversion unit 30 will be supplemented.
In this example, the radiating unit 10 and the photoelectric conversion unit 30 are alternately arranged in the longitudinal direction of the heat supply unit 20 and are provided side by side.
Accordingly, the photoelectric conversion elements 31 provided on both sides of the radiating section 10 receive the radiated light emitted from both sides of the radiating section 10, respectively, and generate electric power.
In addition, the radiating section 10 and the photoelectric conversion section 30 are provided side by side so as to be alternately repeated, so that the radiating section 10 having a larger area with respect to the surface area of the heat supply section 20, that is, the thermo-optical conversion element 12. By providing it, heat energy can be efficiently converted to radiant light.
Supplementally, in this example, since more radiating sections 10 can be provided on the surface of the heat supplying section 20, more of the heat energy of the heat supplied from the heat source to the heat supplying section 20 is transferred to the radiating section. It is possible to reduce the energy which is converted into the controlled radiation from the heat supply unit 10 and is relatively converted into the uncontrolled radiation from the heat supply unit 20.

光電変換素子３１の発電に適する波長と、熱光変換素子１２の輻射の発光スペクトルとは、互いに主要部分が一致して適する組合せにする必要がある。
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。 It is necessary that the wavelength suitable for power generation of the photoelectric conversion element 31 and the emission spectrum of the radiation of the thermo-optical conversion element 12 have a main part that matches each other and are in a suitable combination.
For example, when a silicon solar cell is used as the thermo-optical conversion element 12, it is preferable that the peak of the wavelength of the emission spectrum of the photoelectric conversion element 31 be less than 1120 nm. This is because silicon solar cells generally cannot photoelectrically convert light having a wavelength exceeding 1120 nm. Even when other solar cells are used, the peak of the wavelength of the emission spectrum of the photoelectric conversion element 31 can be similarly determined.

熱光変換素子１２と光電変換素子３１との関係について補足する。
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。 The relationship between the thermo-optical conversion element 12 and the photoelectric conversion element 31 will be supplemented.
The members exemplified above as suitable materials for use as the thermo-light conversion element 12 have a sharper wavelength spectrum than a so-called black body, in which a predetermined wavelength of radiated light is amplified. By combining with the element 31, high power generation efficiency can be obtained.
Here, the power generation efficiency refers to a ratio of the energy converted into electricity in the input thermal energy.

図４に、１０００℃の場合の黒体（材質はＳｉＣ）の輻射の波長スペクトル（図４中のラインＢＢ）と、１０００℃の場合の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（図４中のラインＥＭ）とを例示する。図４中、「ＳＰ」は、分光放射輝度を示す。
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。 FIG. 4 shows the wavelength spectrum (line BB in FIG. 4) of the radiation of the black body (material is SiC) at 1000 ° C. and the thermo-optical conversion using the photonic crystal exemplified in this example at 1000 ° C. 4 illustrates a wavelength spectrum of radiation (line EM in FIG. 4) in the case of the element 12. In FIG. 4, “SP” indicates spectral radiance.
In the case of the thermo-optical conversion element 12 using the photonic crystal illustrated in this example, the wavelength spectrum of the radiation is extremely sharp, and it can be seen that the thermo-optical conversion element 12 has particularly preferable characteristics as a thermal radiation light source.

図５に、１０００℃の場合の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の輻射光を、シリコン太陽電池で受光して発電した場合の発電効率を示す。図５中、グラフの縦軸の「Ｅｆ」は、効率を示す。また、図５中、グラフの横軸の「Ｅ」は電圧を示す。
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。 FIG. 5 shows the power generation efficiency when the radiant light of the thermo-optical conversion element 12 using the photonic crystal exemplified in this example at 1000 ° C. is received by a silicon solar cell to generate power. In FIG. 5, “Ef” on the vertical axis of the graph indicates efficiency. In FIG. 5, “E” on the horizontal axis of the graph indicates voltage.
In this example, it can be seen that a conversion efficiency as high as 68% is exhibited at a release voltage of about 0.8 V suitable for a silicon solar cell.

図７に、光電変換素子３１がシリコン太陽電池である場合に、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が１０００℃の場合における輻射光を、光電変換部３０の光電変換素子３１で受光して発電した場合の、光電変換部３０の単位面積当たりの発電量、すなわち発電密度を示す。
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。 In FIG. 7, when the photoelectric conversion element 31 is a silicon solar cell, the radiant light when the thermo-optical conversion element 12 using the photonic crystal illustrated in this example is at 1000 ° C. Indicates the amount of power generation per unit area of the photoelectric conversion unit 30 when power is received and received by the element 31, that is, the power generation density.
In FIG. 7, “PD” on the vertical axis of the graph indicates the power generation density. In FIG. 7, “E” on the horizontal axis of the graph indicates voltage.
In FIG. 7, a line D indicates a case where both surfaces of the photoelectric conversion unit 30 are the photoelectric conversion elements 31, and a line S indicates a change in the power generation density when the photoelectric conversion element 31 is provided on one surface of the photoelectric conversion unit 30. Are respectively shown.

この例では、シリコン太陽電池に適した約０.８ｖの開放電圧の場合において、光電変換部３０の両面が光電変換素子３１である場合と、光電変換部３０の片面に光電変換素子３１を備えた場合との光電変換部３０の発電密度はそれぞれ以下のように異なる。
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。 In this example, in the case of an open voltage of about 0.8 V suitable for a silicon solar cell, both sides of the photoelectric conversion unit 30 are the photoelectric conversion elements 31, and the photoelectric conversion element 31 is provided on one side of the photoelectric conversion unit 30. The power generation density of the photoelectric conversion unit 30 differs from that in the following case.
When both surfaces of the photoelectric conversion unit 30 are the photoelectric conversion elements 31, a power generation density of 2200 W per square meter is exhibited.
On the other hand, when the photoelectric conversion element 31 is provided only on one side of the photoelectric conversion unit 30, the power generation density is 1100 W per square meter.
That is, when both surfaces of the photoelectric conversion unit 30 are the photoelectric conversion elements 31, the power generation density of the photoelectric conversion unit 30 is about twice as large as when the photoelectric conversion element 31 is provided on one surface of the photoelectric conversion unit 30. Become. This leads to an increase in the power generation density with respect to the surface area of the heat source, and the power generation efficiency of the thermo-optical power generation device 100 becomes high.

以下、熱光発電装置１００および熱光発電システム１のさらに好ましい様態を説明する。
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。 Hereinafter, more preferable aspects of the thermo-optical power generation device 100 and the thermo-optical power generation system 1 will be described.
Between the heat supply unit 20 and the photoelectric conversion unit 30, a shielding unit 50 that shields radiation light from the heat supply unit 20 may be provided.
In this example, a light reflector 51 that reflects light is provided at the end of the photoelectric conversion unit 30 on the side facing the heat supply unit 20 as the shielding unit 50. The heat supply unit 20 is provided so as to reflect uncontrolled radiation emitted from the heat supply unit 20 and convert the reflected light into heat again by the heat supply unit 20.

光反射体５１は、光を反射するものであればよい。特に好適なものとしては、反射面の材質が金、銀、アルミニウム製であって、鏡面にその材質が露出したものであるとよい。
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。 The light reflector 51 only needs to reflect light. It is particularly preferable that the material of the reflecting surface is made of gold, silver, or aluminum, and that the material is exposed to the mirror surface.
In this example, a light reflector 51 on which a stainless steel flat plate is buffed with No. 300 and then electrolytically polished and gold is deposited is used.

図１の熱光発電装置１００および熱光発電システム１の図示には、上述の熱源からの熱供給に用いる供給路や、冷却に用いる冷却水、発電した電力を取り出す電気配線などのユーティリティーは、その記載を省略しているが、これらは公知の部材・方法等を用いることができる。   In the illustration of the thermophotovoltaic power generation device 100 and the thermophotovoltaic power generation system 1 shown in FIG. 1, utilities such as a supply path used for heat supply from the above-described heat source, cooling water used for cooling, and electric wiring for extracting generated power include: Although the description is omitted, known members and methods can be used.

〔別実施形態〕
（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。 [Another embodiment]
(1) In the above-described embodiment, an example has been described in which the thermophotovoltaic device 100 is stored in the vacuum space 60 of the cooling unit 40 which also serves as the vacuum container 61.
However, as shown in FIG. 6, the thermophotovoltaic power generation system 1 may be configured by providing the vacuum vessel 61 separately from the cooling unit 40 and providing the thermophotovoltaic power generation device 100 in the space 60.

（２）上記実施形態では、輻射部１０は、熱供給部２０に対し、図１における熱供給部２０の上下方向に、立設して設け、光電変換部３０は、対向する熱供給部２０とは逆向きに、冷却部４０に立設する例を示した。
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。 (2) In the above embodiment, the radiating section 10 is provided upright with respect to the heat supply section 20 in the vertical direction of the heat supply section 20 in FIG. In the example shown in FIG.
However, as shown in FIG. 6, the radiating section 10 may be provided upright in only one direction with respect to the heat supply section 20.

（３）上記実施形態では、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、併設されている例を示した。
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。 (3) In the above embodiment, an example is shown in which the radiating section 10 and the photoelectric conversion section 30 are alternately repeated in the longitudinal direction of the heat supply section 20 and are provided side by side.
However, the radiation section 10 and the photoelectric conversion section 30 may be alternately provided in the circumferential direction of the heat supply section 20 and may be provided side by side. Specifically, for example, the heat supply unit 20 is formed in a cylindrical shape, the radiation unit 10 is erected on the cylindrical surface of the heat supply unit 20, and the photoelectric conversion unit 30 is provided to face the radiation unit 10. You may.

（４）上記実施形態では、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に対向させる側の端部に設け、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る場合を例示した。
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。 (4) In the above embodiment, a light reflector 51 that reflects light is provided at the end of the photoelectric conversion unit 30 on the side facing the heat supply unit 20 as the shielding unit 50. The case where the unsupplied radiation emitted by the heat supply unit 20 toward the unit 20 is reflected and converted to heat by the heat supply unit 20 again is exemplified.
However, as shown in FIG. 6, a heat insulating material 52 is used as the shielding unit 50, and the heat insulating material 52 is covered by the heat supply unit 20 so as to suppress uncontrolled radiation from the heat supply unit 20. You may comprise.

（５）上記実施形態では、光電変換部３０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を用いている場合を例示したが、光電変換部３０は、平板状の光電変換素子３１の受光面の背面に、同じ光電変換素子３１をそれぞれ背面同士張り合わせて構成してもよい。 (5) In the above-described embodiment, the case where the photoelectric conversion unit 30 uses the photoelectric conversion element 31 which can receive light on both sides and generate power on both sides has been exemplified. The same photoelectric conversion element 31 may be attached to the back surface of the light receiving surface of the element 31 so that the back surface is bonded to each other.

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。   Note that the configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in another embodiment unless there is a contradiction. The embodiment disclosed in the present specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

本発明は、熱光発電装置および熱光発電システムとして有用に用いることができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be usefully used as a thermo-optical power generation device and a thermo-optical power generation system.

１ ：熱光発電システム
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 1: Thermophotovoltaic power generation system 10: Radiant part 11: Infrared transparent substrate 12: Thermo-optical conversion element (thermal radiation light source)
20: heat supply unit 30: photoelectric conversion unit 31: photoelectric conversion element 40: cooling unit 50: shielding unit 51: light reflector 52: heat insulating material 60: space 61: vacuum container 100: thermo-optical power generator

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。 A flat radiating section provided with a heat radiation light source that converts heat into radiation light, a heat supply section that supplies heat supplied from the heat source to the radiation section, and a photoelectric conversion element that receives the radiation light and generates power. And a flat-panel photoelectric conversion unit with
The radiating portion is erected on the heat supply portion so as to be able to conduct heat from the heat supply portion,
The photoelectric conversion unit is provided along with the radiation unit in a state where the photoelectric conversion element is opposed to the heat radiation light source,
A cooling unit that cools the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is erected on the cooling unit,
The photovoltaic power generation device, wherein the photoelectric conversion element is connected to the cooling unit so as to be able to conduct heat. 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。   The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit is a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion surface on both surfaces. 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。 The radiating unit includes an infrared transparent substrate formed of a material that can transmit infrared light in a flat plate shape,
The infrared transparent substrate is provided with a heat-light conversion element for radiating radiation having a predetermined wavelength amplified as the heat radiation light source in a flat plate portion, and is connected to the heat supply portion so as to be able to conduct heat from the heat supply portion. The thermo-photovoltaic power generator according to claim 1 or 2, wherein 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。   The thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the radiator and the photoelectric converter are alternately provided. 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。   The thermophotovoltaic power generation device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a shielding unit between the heat supply unit and the photoelectric conversion unit, the shielding unit shielding radiation light from the supply unit. 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。   The thermoelectric generator according to claim 5, wherein the shielding unit is a heat insulating material, and the heat insulating material is covered by the heat supply unit. 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。   The thermoelectric generator according to claim 5, wherein the shielding unit is a light reflector that reflects light, and the light reflector is provided to reflect light toward the heat supply unit. 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。   A thermophotovoltaic power generation system comprising the thermophotovoltaic device according to claim 1 in a vacuum vessel.
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