JP7056040B2 - Thermophotovoltaic power generator and manufacturing equipment equipped with it - Google Patents

Thermophotovoltaic power generator and manufacturing equipment equipped with it Download PDF

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Description

本発明は、熱光起電力発電装置およびこれを備える製造設備に関する。 The present invention relates to a thermophotovoltaic power generation device and a manufacturing facility including the thermophotovoltaic power generation device.

ゼーベック効果による熱電発電素子を用い、製鉄所などでこれまで排熱として捨ててきたエネルギーを利用しようとする取組みが行われている（例えば特許文献１）。 Efforts are being made to utilize the energy that has been discarded as waste heat at steelworks and the like by using a thermoelectric power generation element due to the Zeebeck effect (for example, Patent Document 1).

特開２０１１－２１６６９２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-216692

しかしながら、熱光起電力（Thermophotovoltaic：TPV）を用いた熱光起電力発電（TPV発電）によって、製鉄所などの製造設備で発生する熱を発電に利用することについては検討が進んでいない。 However, no study has been made on using the heat generated in manufacturing equipment such as steel mills for power generation by thermophotovoltaic power generation (TPV power generation) using thermophotovoltaic (TPV).

本発明の目的は、熱光起電力発電によって製鉄所等の製造設備で発生する熱を利用することに適した熱光起電力発電装置および製造設備を提供することである。 An object of the present invention is to provide a thermophotovoltaic power generation device and a manufacturing facility suitable for utilizing heat generated in a manufacturing facility such as a steel mill by thermophotovoltaic power generation.

本発明の要旨は、以下のとおりである。 The gist of the present invention is as follows.

＜１＞
加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備える発電装置。 <1>
A thermophotovoltaic power generator that utilizes synchrotron radiation from a heated or melted high temperature material.
One or more transmissive protective plates provided on the high temperature material side of the power generation device and transmitting synchrotron radiation of the high temperature material, and
A power generation unit including a photoelectric element to which synchrotron radiation of a high-temperature material transmitted through the transmissive protective plate is incident, and
A side protection portion that is provided on the side portion of the space formed by the transparency protective plate to prevent scattered matter from entering the space, and a side protection portion.
A power generator equipped with.

＜２＞
前記側面保護部は、空気の通過を許容するように構成されている、
＜１＞に記載の発電装置。 <2>
The side protection is configured to allow the passage of air.
The power generation device according to <1>.

＜３＞
前記光電素子を冷やす冷却ユニットをさらに備える、
＜１＞または＜２＞に記載の発電装置。 <3>
A cooling unit for cooling the photoelectric element is further provided.
The power generation device according to <1> or <2>.

＜４＞
前記１枚または複数枚の透過性保護板のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであり、
前記１枚または複数枚の透過性保護板の板厚の合計は、２～８０ｍｍである、
＜１＞～＜３＞の何れか一項に記載の発電装置。 <4>
At least one of the one or more transparent protective plates is quartz glass.
The total thickness of the one or more transparent protective plates is 2 to 80 mm.
The power generation device according to any one of <1> to <3>.

＜５＞
前記１枚または複数枚の透過性保護板による波長領域が３～４μｍの光の透過率は、７０％未満である、
＜１＞～＜４＞の何れか一項に記載の発電装置。 <5>
The transmittance of light having a wavelength region of 3 to 4 μm by the one or more transmissive protective plates is less than 70%.
The power generation device according to any one of <1> to <4>.

＜６＞
高温材料が搬送される搬送路と、
＜１＞～＜５＞の何れか一項に記載の発電装置と、
を備える製造設備。 <6>
A transport path for transporting high-temperature materials and
The power generation device according to any one of <1> to <5> and
Manufacturing equipment equipped with.

＜７＞
前記搬送路を搬送される高温材料から４０ｃｍ以上離れた位置に前記透過性保護板が配置された状態で発電が行われる、
＜６＞に記載の製造設備。 <7>
Power generation is performed with the transparent protective plate arranged at a position 40 cm or more away from the high-temperature material transported through the transport path.
The manufacturing equipment described in <6>.

＜８＞
前記搬送路を搬送される高温材料から前記光電素子に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上である状態で発電が行われる、
＜６＞または＜７＞に記載の製造設備。 <8>
Power generation is performed in a state where the incident intensity of the synchrotron radiation incident on the photoelectric element from the high temperature material conveyed through the transport path is 7 kW / m 2 or more.
The manufacturing equipment according to <6> or <7>.

＜９＞
前記発電装置は、発電を行うための発電位置と前記光電素子を保護するための退避位置との間を可動する、
＜６＞～＜８＞の何れか一項に記載の製造設備。 <9>
The power generation device is movable between a power generation position for generating power and a retracted position for protecting the photoelectric element.
The manufacturing equipment according to any one of <6> to <8>.

本発明によれば、熱光起電力発電によって製鉄所等の製造設備で発生する熱を利用することに適した熱光起電力発電装置および製造設備を得ることが出来る。 According to the present invention, it is possible to obtain a thermophotovoltaic power generation device and a manufacturing facility suitable for utilizing the heat generated in a manufacturing facility such as a steel mill by the thermophotovoltaic power generation.

発電装置を示す装置側方から見た模式的な断面図である。It is a schematic cross-sectional view seen from the side of the device which shows the power generation device. 複数の透過性保護板を備える発電装置を示す模式的な断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the power generation apparatus provided with a plurality of transparent protection plates.

以下、本発明の実施形態について、図１～図２を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

本発明の一実施形態として、鉄鋼材料を製造する製造設備を備えた製鉄所において、高温の材料の輻射光を利用して発電することを想定した例を説明する。
すなわち、製鉄所では、溶銑や溶鋼などの溶融された高温材料が樋上を流れたり、あるいはスラブや鋼板などの加熱された高温材料がテーブルロール上を搬送される。本実施形態では、これら樋やテーブルロール上の高温材料からの輻射光を利用して、熱光起電力発電装置１０（以下、単に「発電装置１０」という。）により発電を行う。一例として、図１や図２に示すように、発電装置１０を高温材料に対向配置して発電を行う。 As an embodiment of the present invention, an example will be described in which it is assumed that power is generated by using the radiant light of a high-temperature material in a steel mill equipped with a manufacturing facility for manufacturing a steel material.
That is, in a steel mill, molten high-temperature materials such as hot metal and molten steel flow on a gutter, or heated high-temperature materials such as slabs and steel plates are conveyed on a table roll. In the present embodiment, the radiant light from the high temperature material on the gutter or the table roll is used to generate power by the thermophotovoltaic power generation device 10 (hereinafter, simply referred to as “power generation device 10”). As an example, as shown in FIGS. 1 and 2, the power generation device 10 is arranged to face the high temperature material to generate power.

なお、溶銑や溶鋼が、本開示の「溶融された高温材料」の一例であり、加熱されたスラグや鋼板が、本開示の「加熱された高温材料」の一例である。また、樋やテーブルロールが、本開示の「搬送路８０」の一例である。 Hot metal and molten steel are examples of the "molten high temperature material" of the present disclosure, and heated slag and steel sheets are examples of the "heated high temperature material" of the present disclosure. Further, a gutter or a table roll is an example of the "transport path 80" of the present disclosure.

―熱光起電力発電装置１０―
発電装置１０は、図１に示すように、基本的な構成として、発電ユニット２０、透過性保護板３０および側面保護部４０を備える。 -Thermophotovoltaic power generator 10-
As shown in FIG. 1, the power generation device 10 includes a power generation unit 20, a transmissive protection plate 30, and a side surface protection unit 40 as a basic configuration.

＜発電ユニット２０＞
発電ユニット２０は、光起電力効果により光を電力に変換する光電素子２２（光電変換セル、PVセル）を含んで構成される。
光電素子２２としては、ＧａＳｂ系、ＩｎＧａＳａ系、ＩｎＧａＡｓＢｂ系などのものが用いられ、特にＧａＳｂ系のものが好適に用いられる。
ＧｓＳｂ系の光電素子は、波長０．８～１．８μｍに高い感度領域を有しており、波長０．８～１．８μｍの近赤外光が入射されることで効率的に起電力を生み出す（熱光起電力発電）。 <Power generation unit 20>
The power generation unit 20 includes a photoelectric element 22 (photoelectric conversion cell, PV cell) that converts light into electric power by a photovoltaic effect.
As the photoelectric element 22, GaSb-based, InGaSa-based, InGaAsBb-based, and the like are used, and in particular, GaSb-based ones are preferably used.
The GsSb-based photoelectric element has a high sensitivity region at a wavelength of 0.8 to 1.8 μm, and an electromotive force is efficiently generated by incident near-infrared light having a wavelength of 0.8 to 1.8 μm. Produce (thermophotovoltaic power generation).

発電ユニット２０は、図２に示すように、複数の光電素子２２を含んで構成されてもよい。 As shown in FIG. 2, the power generation unit 20 may be configured to include a plurality of photoelectric elements 22.

＜透過性保護板３０＞
透過性保護板３０は、発電装置１０の高温材料９０側（つまり、発電装置１０の前面側）に設けられる。このため、高温材料９０の輻射光は、透過性保護板３０を透過した後、光電素子２２に入射する。 <Transparent protective plate 30>
The transmissive protective plate 30 is provided on the high temperature material 90 side of the power generation device 10 (that is, the front side of the power generation device 10). Therefore, the synchrotron radiation of the high temperature material 90 passes through the transmissive protective plate 30 and then enters the photoelectric element 22.

透過性保護板３０は、１枚でもよいし複数枚でもよい。透過性保護板３０を複数枚設ける場合は、図２に示すように、基本的には、それぞれの透過性保護板３０の間に空間１２を形成する。 The transparent protective plate 30 may be one or a plurality of. When a plurality of transparent protective plates 30 are provided, as shown in FIG. 2, basically, a space 12 is formed between the transparent protective plates 30.

透過性保護板３０は、基本的には、光電素子２２との間に空間１２を形成するように設けられる。透過性保護板３０が光電素子２２と接触していると、透過性保護板３０が加熱され温度が上がった場合に光電素子２２に熱が直接伝わり、光電素子２２の温度が過度に上がって発電効率が下がるためである。
但し、透過性保護板３０を複数枚設け、透過性保護板３０同士の間に空間１２を形成する場合は、複数枚の透過性保護板３０のうちの１枚を光電素子２２に近接または接触させてもよい。 The transmissive protective plate 30 is basically provided so as to form a space 12 with the photoelectric element 22. When the transmissive protective plate 30 is in contact with the photoelectric element 22, heat is directly transferred to the photoelectric element 22 when the transmissive protective plate 30 is heated and the temperature rises, and the temperature of the photoelectric element 22 rises excessively to generate electricity. This is because the efficiency is reduced.
However, when a plurality of transparent protective plates 30 are provided and a space 12 is formed between the transparent protective plates 30, one of the plurality of transparent protective plates 30 is close to or in contact with the photoelectric element 22. You may let me.

１枚又は複数枚の透過性保護板３０による、光電素子２２の感度領域（ＧａＳｂ系の場合、波長０．８～１．８μｍ）の光の透過率は、６０％以上であることが好ましい。より好ましくは、７０％以上である。
他方、１枚又は複数枚の透過性保護板３０による、波長領域３～４μｍの光の透過率は、７０％未満であることが好ましい。感度領域の外の光を透過性保護板３０に吸収させることで、光電素子２２の不要な温度上昇を抑制するためである。 The light transmittance in the sensitivity region (wavelength 0.8 to 1.8 μm in the case of GaSb system) of the photoelectric element 22 by one or a plurality of transmissive protective plates 30 is preferably 60% or more. More preferably, it is 70% or more.
On the other hand, the transmittance of light in the wavelength region of 3 to 4 μm by one or a plurality of transmissive protective plates 30 is preferably less than 70%. This is because the transmissive protective plate 30 absorbs light outside the sensitivity region to suppress an unnecessary temperature rise of the photoelectric element 22.

透過性保護板３０の材質としては、石英ガラス、光学ガラスなどが例示される。
石英ガラスは耐熱性に優れているため、１枚又は複数枚の透過性保護板３０のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであることが好ましい。
１枚又は複数枚の透過性保護板３０の合計の板厚は、例えば、２～８０ｍｍである。この範囲の厚さであれば、高温での変形、劣化を低減する保護機能、あるいは不要な輻射光を吸収してカットする機能などを高めることができる。 Examples of the material of the transmissive protective plate 30 include quartz glass and optical glass.
Since quartz glass is excellent in heat resistance, it is preferable that at least one of one or a plurality of transparent protective plates 30 is quartz glass.
The total plate thickness of one or a plurality of transparent protective plates 30 is, for example, 2 to 80 mm. With a thickness within this range, it is possible to enhance the protective function of reducing deformation and deterioration at high temperatures, or the function of absorbing and cutting unnecessary synchrotron radiation.

＜側面保護部４０＞
側面保護部４０は、透過性保護板３０により形成された空間１２（透過性保護板３０と光電素子２２との間の空間だけでなく、複数の透過性保護板３０の間の空間をも含む。）に飛散物が混入することを防止するための構成である。ここでいう飛散物とは、製鉄所内を飛散する鉄粉などの粉塵や水分などが想定される。 <Side protection part 40>
The side surface protective portion 40 includes a space 12 formed by the transparent protective plate 30 (not only the space between the transparent protective plate 30 and the photoelectric element 22 but also the space between the plurality of transparent protective plates 30). It is a configuration to prevent scattered substances from being mixed in.). The scattered matter here is assumed to be dust such as iron powder and water scattered in the steelworks.

側面保護部４０は、透過性保護板３０により形成された空間１２の側部に設けられ、上述の空間１２と発電装置１０の外部とを隔離する。 The side surface protective portion 40 is provided on the side portion of the space 12 formed by the transparent protective plate 30, and separates the above-mentioned space 12 from the outside of the power generation device 10.

側面保護部４０には、飛散物の通過を阻害するように構成される。
他方、側面保護部４０は、飛散物だけでなく空気の通過をも阻害するように構成されてもよいが、空気の通過は許容するように構成されることが好ましい。側面保護部４０が空気の通過を許容することで、空間１２の中で空気の流れが起こりやすくなり、空間１２の温度上昇が抑制されるからである。空間１２の温度上昇が抑制されると、光電素子２２の温度上昇による発電効率低下が抑制される。 The side surface protection portion 40 is configured to obstruct the passage of scattered objects.
On the other hand, the side surface protection portion 40 may be configured to obstruct the passage of air as well as the scattered matter, but it is preferably configured to allow the passage of air. This is because the side surface protection portion 40 allows the passage of air, which makes it easier for air to flow in the space 12 and suppresses the temperature rise in the space 12. When the temperature rise of the space 12 is suppressed, the decrease in power generation efficiency due to the temperature rise of the photoelectric element 22 is suppressed.

飛散物の通過を阻害しつつ空気の通過を許容する側面保護部４０の具体的構造は、例えば、以下のような構造である。
すなわち、側面保護部４０の一部または全体にフィルターあるいはメッシュが形成されている。空気の通過を良くするには、４面の側面保護部のうち２面以上にフィルターあるいはメッシュが形成されていることが好ましい。材料がエアーフィルターであれば比較的安価であり、寿命の前に交換して目詰まりを抑えることができる。ガラス繊維の不燃性フィルターなどが例示される。また、材料が金属、セラミックス、それら複合材であれば耐熱性が向上することが利点である。ステンレスメッシュ、金属粉末あるいは金属繊維などを焼結した高温フィルターなどが例示される。フィルター、メッシュを側面保護部４０から脱着可能にすることで、交換あるいは洗浄して使用することができる。これにより、使用時の飛散物による目詰まり、汚染などを改善して、通気性、冷却作用を良好な状態に長期間維持できる。
製鉄所の工場において９００℃以上の高温であるスラブからの発電試験において、本発明の発電装置としてガラス繊維の不燃性フィルターを４面に設けた側面保護部を使用したケースでは、発電出力を３ヶ月間保持できることを確認した。比較例として、側面保護部を設けないで側面が開放された発電装置の場合には、発電装置を設置後に１ヶ月以内に発電出力が３０%低下していた。こうした試験からも、本発明の側面保護部を設けることで、長期間安定して発電効率を維持できることを確認した。 The specific structure of the side surface protection portion 40 that allows the passage of air while obstructing the passage of scattered objects is, for example, the following structure.
That is, a filter or a mesh is formed on a part or the whole of the side surface protection portion 40. In order to improve the passage of air, it is preferable that a filter or a mesh is formed on two or more of the four side surface protection portions. If the material is an air filter, it is relatively inexpensive and can be replaced before the end of its life to prevent clogging. Examples include nonflammable filters made of glass fiber. Further, if the material is metal, ceramics, or a composite material thereof, it is an advantage that the heat resistance is improved. Examples thereof include a high-temperature filter obtained by sintering a stainless mesh, metal powder, metal fiber, or the like. By making the filter and mesh removable from the side surface protection portion 40, they can be replaced or washed before use. As a result, clogging and contamination due to scattered substances during use can be improved, and the air permeability and cooling action can be maintained in a good state for a long period of time.
In a power generation test from a slab having a high temperature of 900 ° C. or higher in a steel mill factory, in the case where a side protection portion provided with a nonflammable glass fiber filter on four surfaces is used as the power generation device of the present invention, the power generation output is 3 It was confirmed that it could be retained for months. As a comparative example, in the case of a power generation device having an open side surface without providing a side protection portion, the power generation output was reduced by 30% within one month after the power generation device was installed. From these tests, it was confirmed that the power generation efficiency can be stably maintained for a long period of time by providing the side protection portion of the present invention.

また、発電装置１０は、光電素子を冷やす冷却ユニットを備えていてもよい。冷却ユニットとしては、例えば、発電装置１０が空間１２に空気の流れを強制的に作る空冷機構（図示省略）がある。空冷機構により空間１２に空気の流れを作ることで、空間１２の温度上昇を抑制し、光電素子２２の温度上昇による発電効率低下を抑制する。
具体的に説明すると、空冷機構により作った空気の流れにより光電素子２２の温度上昇を抑制する。またそれだけでなく、透過性保護板３０を冷却することで、透過性保護板３０が吸収した不要な波長領域の光が透過性保護板３０から再び放射されることを抑制し、これによっても光電素子２２の温度上昇を抑制できる。
また、冷却ユニットは空冷機構に限定されず、より冷却能が高い水冷機構（一例として後述する水冷機構２６）としてもよい。 Further, the power generation device 10 may include a cooling unit for cooling the photoelectric element. As the cooling unit, for example, there is an air cooling mechanism (not shown) in which the power generation device 10 forcibly creates an air flow in the space 12. By creating an air flow in the space 12 by the air cooling mechanism, the temperature rise of the space 12 is suppressed, and the power generation efficiency decrease due to the temperature rise of the photoelectric element 22 is suppressed.
Specifically, the temperature rise of the photoelectric element 22 is suppressed by the air flow created by the air cooling mechanism. Not only that, by cooling the transmissive protective plate 30, it is possible to prevent the light in the unnecessary wavelength region absorbed by the transmissive protective plate 30 from being emitted again from the transmissive protective plate 30, which also causes photoelectric light. The temperature rise of the element 22 can be suppressed.
Further, the cooling unit is not limited to the air cooling mechanism, and may be a water cooling mechanism having higher cooling capacity (as an example, a water cooling mechanism 26 described later).

発電ユニット２０は、図２に示すように、放熱基板２４を含んで構成されてもよい。放熱基板２４の片面に光電素子２２を搭載することで、光電素子２２の温度上昇を抑制し、温度上昇による発電効果の低下を抑制する。
放熱基板２４としては、セラミックス基板の片面または両面にＣｕを積層したものが一例として挙げられる。 As shown in FIG. 2, the power generation unit 20 may be configured to include a heat radiating substrate 24. By mounting the photoelectric element 22 on one side of the heat radiating substrate 24, the temperature rise of the photoelectric element 22 is suppressed, and the decrease in the power generation effect due to the temperature rise is suppressed.
As an example of the heat radiating substrate 24, a ceramic substrate in which Cu is laminated on one side or both sides can be mentioned.

さらに、発電ユニット２０は、水冷機構２６を含んで構成されてもよい。水冷機構２６は、放熱基板２４の光電素子２２が搭載された面とは反対側の面側に設けられる。水冷機構２６としては、例えば、水冷銅板が用いられる。 Further, the power generation unit 20 may be configured to include a water cooling mechanism 26. The water cooling mechanism 26 is provided on the surface side of the heat radiating substrate 24 opposite to the surface on which the photoelectric element 22 is mounted. As the water cooling mechanism 26, for example, a water cooling copper plate is used.

―製造設備―
上述した発電装置１０が、製鉄所内に設置される。 -production equipment-
The power generation device 10 described above is installed in the steelworks.

ここで、発電装置１０は、可動するように構成されてもよい。例えば、図１に実線で示す発電位置Ａと、二点鎖線で示す退避位置Ｂ１またはＢ２との間で可動するように構成されてもよい。発電位置Ａは、発電を行うための位置であり、発電効率などを考慮して決定される位置である。他方、退避位置Ｂ１、Ｂ２は、発電を行わないときの位置であり、熱など光電素子２２の寿命に悪影響を与える要因を考慮して決定される位置、つまり光電素子２２を保護するための位置である。退避位置Ｂ１、Ｂ２は、発電装置１０のメンテナンスのしやすさを考慮して決定されてもよい。
なお、図１の符号Ｂ１は横移動による退避位置を示し、符号Ｂ２は回転移動による退避位置を示している。 Here, the power generation device 10 may be configured to be movable. For example, it may be configured to be movable between the power generation position A shown by the solid line in FIG. 1 and the retracted position B1 or B2 shown by the alternate long and short dash line. The power generation position A is a position for generating power, and is a position determined in consideration of power generation efficiency and the like. On the other hand, the retracted positions B1 and B2 are positions when power generation is not performed, and are determined in consideration of factors that adversely affect the life of the photoelectric element 22, such as heat, that is, positions for protecting the photoelectric element 22. Is. The retracted positions B1 and B2 may be determined in consideration of the ease of maintenance of the power generation device 10.
Note that reference numeral B1 in FIG. 1 indicates a retracted position due to lateral movement, and reference numeral B2 indicates a retracted position due to rotational movement.

勿論、発電装置１０は可動しないように構成されてもよい。その場合、発電装置１０は常に発電位置Ａに配置されているということになる。 Of course, the power generation device 10 may be configured so as not to move. In that case, the power generation device 10 is always arranged at the power generation position A.

発電装置１０は、その透過性保護板３０と高温材料９０との距離Ｄが４０ｃｍ以上の距離となるように設置されることが好ましい。換言すると、発電位置Ａでは、発電装置１０の透過性保護板３０と高温材料９０との距離Ｄが４０ｃｍ以上の距離となることが好ましい。なお、発電装置１０が複数の透過性保護板３０を備えている場合、上記距離Ｄとは、図２に示すように、最も高温材料９０側（最も前面側）の透過性保護板３０と高温材料９０との距離を意味する。 The power generation device 10 is preferably installed so that the distance D between the transparent protective plate 30 and the high temperature material 90 is 40 cm or more. In other words, at the power generation position A, it is preferable that the distance D between the transparent protective plate 30 of the power generation device 10 and the high temperature material 90 is 40 cm or more. When the power generation device 10 is provided with a plurality of transparent protective plates 30, the distance D is, as shown in FIG. 2, the transparent protective plate 30 on the hottest material 90 side (the frontmost side) and the high temperature. It means the distance from the material 90.

また、光電素子２２に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上となるように発電装置１０を設置することができる。熱光起電力発電では、ゼーベック効果による発電と異なり、発電ユニット内で温度差を設ける必要がないからである。入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上であれば、光電素子による発電出力が高まり、効率的な排熱エネルギーの回収に有利である。入射強度を７ｋＷ／ｍ２以上にするための手段としては、熱源（高温材料）の温度を７００℃以上にすること、あるいは光電素子との距離を近づけることなどがある。 Further, the power generation device 10 can be installed so that the incident intensity of the radiant light incident on the photoelectric element 22 is 7 kW / m 2 or more. This is because in thermophotovoltaic power generation, unlike power generation by the Seebeck effect, it is not necessary to provide a temperature difference in the power generation unit. When the incident intensity is 7 kW / m 2 or more, the power generation output by the photoelectric element is increased, which is advantageous for efficient recovery of exhaust heat energy. As a means for increasing the incident intensity to 7 kW / m 2 or more, the temperature of the heat source (high temperature material) may be increased to 700 ° C. or higher, or the distance from the photoelectric element may be shortened.

以上説明したように、本実施形態の発電装置１０では、高温材料９０の輻射光が透過性保護板３０を透過し、透過した輻射光が光電素子２２に入射する。これにより発電を行う。したがって、高温材料と光電素子との間にエミッタが設けられ、高温材料からの輻射光を一旦エミッタに吸収させてエミッタを加熱し、加熱されたエミッタから放射される輻射光を光電素子２２に入射させる発電装置と比較して、発電効率および応答性が高くなる。エミッタの温度上昇に消費される輻射光のエネルギーを抑えることで、エミッタを使用しない場合は光電素子に到達する輻射光を増やすことが容易である。また、エミッタを使用する場合はエミッタの温度が上昇するまでの時間が掛かるのに対して、エミッタを使用しない場合は応答性が速いため、連続的に移動する高温材料からの輻射光を利用する場合に有利となる。 As described above, in the power generation device 10 of the present embodiment, the synchrotron radiation of the high temperature material 90 passes through the transmissive protective plate 30, and the transmitted synchrotron radiation is incident on the photoelectric element 22. This will generate electricity. Therefore, an emitter is provided between the high temperature material and the photoelectric element, the emitter temporarily absorbs the radiant light from the high temperature material to heat the emitter, and the radiant light radiated from the heated emitter is incident on the photoelectric element 22. The power generation efficiency and responsiveness are higher than those of the power generation device. By suppressing the energy of the synchrotron radiation consumed by the temperature rise of the emitter, it is easy to increase the synchrotron radiation reaching the photoelectric element when the emitter is not used. In addition, when an emitter is used, it takes time for the temperature of the emitter to rise, whereas when an emitter is not used, the response is fast, so synchrotron radiation from a continuously moving high-temperature material is used. It will be advantageous in some cases.

また、透過性保護板３０や光電素子２２の表面が汚染されると輻射光が遮られて発電効率が低下する可能性がある。ここで、本実施形態の発電装置１０では側面保護部４０が設けられている。このため、透過性保護板３０によって形成された空間１２に飛散物が混入することが防止され、透過性保護板３０や光電素子２２の表面が汚染されることが抑制される。よって、発電効率の低下が抑制される。 Further, if the surface of the transmissive protective plate 30 or the photoelectric element 22 is contaminated, synchrotron radiation may be blocked and the power generation efficiency may decrease. Here, in the power generation device 10 of the present embodiment, the side surface protection unit 40 is provided. Therefore, it is possible to prevent scattered substances from being mixed into the space 12 formed by the transparent protective plate 30, and to prevent the surfaces of the transparent protective plate 30 and the photoelectric element 22 from being contaminated. Therefore, the decrease in power generation efficiency is suppressed.

また、本実施形態の発電装置１０は、エミッタを介さず、高温材料９０の輻射光を直接光電素子に入射させるため、必要な発電効率を保ちながら距離Ｄを大きくとることができる。そのため、光電素子２２の過度の温度上昇を抑制でき、上述した水冷機構２６や空冷機構を設ける必要性が比較的低くなる。その結果、水冷機構２６や空冷機構を作動させるための電力が削減され、より効率的に発電を行うことができる。 Further, in the power generation device 10 of the present embodiment, since the synchrotron radiation of the high temperature material 90 is directly incident on the photoelectric element without passing through the emitter, the distance D can be increased while maintaining the required power generation efficiency. Therefore, it is possible to suppress an excessive temperature rise of the photoelectric element 22, and the need to provide the water cooling mechanism 26 and the air cooling mechanism described above is relatively low. As a result, the electric power for operating the water cooling mechanism 26 and the air cooling mechanism is reduced, and power generation can be performed more efficiently.

１０ 熱光起電力発電装置
１２ 透過性保護板によって形成された空間
２０ 発電ユニット
２２ 光電素子
２４ 放熱基板
２６ 水冷機構（冷却ユニット）
３０ 透過性保護板
４０ 側面保護部
８０ 搬送路
９０ 高温材料
Ａ 発電位置
Ｂ１ 退避位置
Ｂ２ 退避位置 10 Thermophotovoltaic power generation device 12 Space formed by a transmissive protection plate 20 Power generation unit 22 Photoelectric element 24 Heat dissipation board 26 Water cooling mechanism (cooling unit)
30 Transparency protection plate 40 Side protection part 80 Transport path 90 High temperature material A Power generation position B1 Evacuation position B2 Evacuation position

Claims (11)

加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備え、
前記側面保護部は、当該側面保護部の側方の空気が、前記透過性保護板によって形成された空間へ流入することを許容するように構成されている、
発電装置。 A thermophotovoltaic power generator that utilizes synchrotron radiation from a heated or melted high temperature material.
One or more transmissive protective plates provided on the high temperature material side of the power generation device and transmitting synchrotron radiation of the high temperature material, and
A power generation unit including a photoelectric element to which synchrotron radiation of a high-temperature material transmitted through the transmissive protective plate is incident, and
A side protection portion that is provided on the side portion of the space formed by the transparency protective plate to prevent scattered matter from entering the space, and a side protection portion.
Equipped with
The side surface protection portion is configured to allow air on the side of the side surface protection portion to flow into the space formed by the permeability protection plate.
Power generator. 加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備え、
前記側面保護部の一部または全部がフィルターまたはメッシュで形成されることで、前記空間に飛散物が混入することを防止すると共に前記空間へ空気が流入することを許容するように構成されている、
発電装置。 A thermophotovoltaic power generator that utilizes synchrotron radiation from a heated or melted high temperature material.
One or more transmissive protective plates provided on the high temperature material side of the power generation device and transmitting synchrotron radiation of the high temperature material, and
A power generation unit including a photoelectric element to which synchrotron radiation of a high-temperature material transmitted through the transmissive protective plate is incident, and
A side protection portion that is provided on the side portion of the space formed by the transparency protective plate to prevent scattered matter from entering the space, and a side protection portion.
Equipped with
By forming a part or all of the side surface protection portion with a filter or a mesh, it is configured to prevent scattered matter from entering the space and allow air to flow into the space. ,
Power generator. 加熱または溶融された高温材料からの輻射光を利用する熱光起電力発電装置であって、
前記発電装置の高温材料側に設けられ、高温材料の輻射光を透過する１枚または複数枚の透過性保護板と、
前記透過性保護板を透過した高温材料の輻射光が入射する光電素子を含んで構成された発電ユニットと、
前記透過性保護板によって形成された空間の側部に設けられることで前記空間に飛散物が混入することを防止する側面保護部と、
を備え、
前記透過性保護板は、複数枚設けられ、
前記側面保護部は、前記複数枚の透過性保護板の間の空間への空気の流入を許容するように構成されている、
発電装置。 A thermophotovoltaic power generator that utilizes synchrotron radiation from a heated or melted high temperature material.
One or more transmissive protective plates provided on the high temperature material side of the power generation device and transmitting synchrotron radiation of the high temperature material, and
A power generation unit including a photoelectric element to which synchrotron radiation of a high-temperature material transmitted through the transmissive protective plate is incident, and
A side protection portion that is provided on the side portion of the space formed by the transparency protective plate to prevent scattered matter from entering the space, and a side protection portion.
Equipped with
A plurality of the transparent protective plates are provided, and the transparent protective plate is provided.
The side surface protective portion is configured to allow air to flow into the space between the plurality of transparent protective plates.
Power generator. 前記側面保護部は、
前記複数枚の透過性保護板のうち最も前記光電素子に近い透過性保護板と前記光電素子との間の空間への空気の流入を許容すると共に、前記複数枚の透過性保護板の間に形成された空間への空気の流入を許容するように構成されている、
請求項３に記載の発電装置。 The side protection unit
It is formed between the plurality of transmissive protective plates while allowing air to flow into the space between the transmissive protective plate closest to the photoelectric element among the plurality of transmissive protective plates and the photoelectric element. It is configured to allow the inflow of air into the space.
The power generation device according to claim 3 . 前記光電素子を冷やす冷却ユニットをさらに備える、
請求項１～請求項４の何れか一項に記載の発電装置。 A cooling unit for cooling the photoelectric element is further provided.
The power generation device according to any one of claims 1 to 4. 前記１枚または複数枚の透過性保護板のうち少なくとも１枚は、石英ガラスであり、
前記１枚または複数枚の透過性保護板の板厚の合計は、２～８０ｍｍである、
請求項１～請求項５の何れか一項に記載の発電装置。 At least one of the one or more transparent protective plates is quartz glass.
The total thickness of the one or more transparent protective plates is 2 to 80 mm.
The power generation device according to any one of claims 1 to 5. 前記１枚または複数枚の透過性保護板による波長領域が３～４μｍの光の透過率は、７０％未満である、
請求項１～請求項６の何れか一項に記載の発電装置。 The transmittance of light having a wavelength region of 3 to 4 μm by the one or more transmissive protective plates is less than 70%.
The power generation device according to any one of claims 1 to 6. 高温材料が搬送される搬送路と、
請求項１～請求項７の何れか一項に記載の発電装置と、
を備える製造設備。 A transport path for transporting high-temperature materials and
The power generation device according to any one of claims 1 to 7.
Manufacturing equipment equipped with. 前記搬送路を搬送される高温材料から４０ｃｍ以上離れた位置に前記透過性保護板が配置された状態で発電が行われる、
請求項８に記載の製造設備。 Power generation is performed with the transparent protective plate arranged at a position 40 cm or more away from the high-temperature material transported through the transport path.
The manufacturing equipment according to claim 8. 前記搬送路を搬送される高温材料から前記光電素子に入射される輻射光の入射強度が７ｋＷ／ｍ２以上である状態で発電が行われる、
請求項８または請求項９に記載の製造設備。 Power generation is performed in a state where the incident intensity of the synchrotron radiation incident on the photoelectric element from the high temperature material conveyed through the transport path is 7 kW / m 2 or more.
The manufacturing equipment according to claim 8 or 9. 前記発電装置は、発電を行うための発電位置と前記光電素子を保護するための退避位置との間を可動する、
請求項８～請求項１０の何れか一項に記載の製造設備。 The power generation device is movable between a power generation position for generating power and a retracted position for protecting the photoelectric element.
The manufacturing equipment according to any one of claims 8 to 10.
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