JPWO2012056806A1 - 発電装置、熱発電方法および太陽光発電方法 - Google Patents

発電装置、熱発電方法および太陽光発電方法 Download PDF

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Abstract

小型で、発電効率が高い発電装置を提供する。本発明の発電装置５０は、熱を赤外光に変換する熱光変換素子２と、赤外光を電気エネルギーに変換する半導体発電セル３とを有する。熱光変換素子２は、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い材料を含み、該材料が加熱されることにより赤外光を放射する。熱源の熱を熱光変換素子２に受け渡すことにより、赤外光を放射させる。これを半導体発電セル３で電気エネルギーに変換し、熱発電を行うことができる。熱光変換素子を加熱するために、太陽光を前記熱光変換素子に向かって集光する集光光学系をさらに有する構成とすることにより、太陽光発電を行うことも可能である。

Description

本発明は、熱源や太陽光のエネルギーを用いて発電を行う装置に関し、特に、小型で変換効率の高い発電装置に関する。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が、特許文献１〜３に開示されている。これらの熱変換素子は、ｐ型半導体材料とｎ型半導体材料を金属等により接合した構成であり、接合部が加熱されると、ゼーベック効果により電力を発生する。ｐ型およびｎ型半導体材料としては、Ｂｉ−Ｔｅ系の材料が用いられる。
一方、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置として、非特許文献１〜３に記載されているように、シリコン半導体や化合物半導体を利用した太陽電池が開示されている。
さらに、特許文献４には、太陽光を熱に変換して、その熱で水を蒸気化し、タービンを回転させて発電する太陽熱集熱発電技術が開示されている。この技術では、太陽光を集熱するために、内部に熱媒体（亜硝酸ナトリウム４０％、硝酸ナトリウム７％、硝酸カリウム５３％）が配置されたレシーバーや、太陽光を追尾して光を集めるためのヘリオスタット等を用いる。
特開平８−１１１５４６号公報 特開平１１−３１７５４７号公報 特開２００５−２６００８９号公報 国際公開ＷＯ２００９／１０４３４７号
A.wang,et al.,Appl.Phys.Lett.57,602(1990). M.Yamaguchi et al,Solar Energy Materials & Solar Cells 90,3068(2006). K.Araki et al,Solar Energy Materials & Solar Cells 90,3312(2006).
特許文献１〜３に記載の熱電変換素子は、半導体材料の性能指数が高くないため、熱を電気に変換する効率が数％〜１０％程度しか得られない。また、ＢｉやＴｅは高価であり、しかも有害重金属であるため、熱電変換素子のコストが上昇するとともに、環境負荷も大きい。
一方、非特許文献１〜３に記載のシリコン半導体の太陽電池は発電効率が２０％、化合物半導体を用いた太陽電池は発電効率が３０％とまだ十分ではない。後者は、広帯域な太陽光スペクトルを効率良く吸収するために、バンドギャップを変化させた異種の化合物半導体膜を多数積層させるため、製造コストがかかる。
特許文献４に記載の太陽熱集熱発電システムは、大掛かりな装置構成となる。発電効率は３０％未満であり、発電コストが高くなる。
本発明の目的は、小型で、発電効率が高い発電装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような発電装置が提供される。すなわち、熱を赤外光に変換する熱光変換素子と、赤外光を電気エネルギーに変換する半導体発電セルとを有する発電装置であって、熱光変換素子は、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い材料を含み、該材料が加熱されることにより赤外光を放射する。
熱光変換素子を加熱するために、太陽光を前記熱光変換素子に向かって集光する集光光学系をさらに有する構成とすることにより、太陽光発電を行うことも可能である。
本発明によれば、熱を所定の波長の赤外光に変換して、赤外光を半導体発電素子で電気エネルギーに変換するため、ストークスシフトによる損失を低減することができる。よって、高効率で発電を行うことができる。
本発明の所定の反射特性を有する材料の赤外光放射の原理を示すためのグラフ。 太陽光と赤外光を半導体発電セルで電気エネルギーに変換する際のストークスシフトを示すグラフ。 所定の反射特性を有する材料の赤外放射と熱伝導との関係を示すグラフ。 実施形態１の熱発電装置の断面図。 実施形態１の熱発電装置の斜視図。 実施形態１の熱発電装置を熱源に複数固定し、複数の熱発電装置を直列に接続した状態を示す斜視図。 図１の熱発電装置の熱光変換素子の層構造を示す断面図。 実施形態１の熱発電装置の別の形状例の断面図。 実施形態１の熱発電装置の熱光変換素子の放射する赤外光スペクトルと、半導体発電セルの吸収帯域８１を示すグラフ。 比較例の黒体放射スペクトルと、半導体発電セルの吸収帯域８１を示すグラフ。 図９の赤外光スペクトルの半導体発電セルによる吸収率と、図１０の比較例の黒体放射スペクトルの半導体発電セルによる吸収率とを示すグラフ。 実施形態１の熱発電システムの構成を示すブロック図。 実施形態２の太陽光発電装置の構成を示すブロック図。 図１３の太陽光発電装置の熱光変換素子の断面図。 実施形態３の太陽光発電装置の構造を示すブロック図。 図１５の太陽光発電装置の熱光変換素子の断面図。 本実施形態の熱光変換素子の放射する赤外線のスペクトルの一例を示すグラフ。 実施形態２，３の太陽光発電装置の発電効率の測定結果を示すグラフ。 図１４の熱光変換素子の赤外線放射材料の断面構造を示す写真。 図１９の赤外線放射材料の反射特性を示すグラフ。 本実施形態のＭｇＯ＋Ｗ（８００Å）のサーメット膜２１の屈折率と消衰係数（吸収率）の波長依存性を示すグラフ。 図２１のサーメット膜の反射特性を示すグラフ。 図２１のサーメット膜に反射防止膜を積層した場合の反射特性を示すグラフ。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の表面形状を示す写真。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の表面形状の別の例を示す写真。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の反射特性を示すグラフ。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の反射特性を示すグラフ。 太陽光のスペクトルを示すグラフ。
本発明の一実施の形態の発電装置について説明する。
本発明では、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い材料が、加熱されることにより所定の赤外波長の赤外光を放射することを利用し、この材料（以下、赤外放射材料と呼ぶ）を熱光変換素子に用いる。赤外放射材料を加熱することにより熱を赤外光に変換する。変換された赤外光は、赤外域にバンドギャップを有する半導体発電セルにより電気エネルギーに変換する。
赤外放射材料から放射される赤外光の波長は、この赤外放射材料の放射率（＝１−（反射率））の長波長側カットオフ波長以下である。（なお、放射率の長波長側カットオフ波長とは、放射率の波長依存特性のグラフにおいて、波長が大きくなるにつれ放射率が急激に低減し、放射率０となる波長である。放射率の傾斜曲線を外挿してカットオフ波長を求めてもよい。）赤外放射材料は、放射率の長波長側カットオフ波長が、その放射時の当該赤外放射材料の温度における理想的な黒体放射の短波長側のカットオフ波長よりも長波長側に位置するように設計されている。これにより、黒体放射の短波長側のカットオフ波長以上、赤外放射材料の放射率の長波長側カットオフ波長以下の波長帯域の赤外光が放射される。（なお、黒体放射の短波長側のカットオフ波長とは、黒体放射スペクトルにおいて、波長が短くなるにつれスペクトル強度が急激に低減し、スペクトル強度が０となる波長である。ただし、物理的にはプランクの放射則より、スペクトル強度が完全に０になることはないので、ここでは便宜的に黒体放射スペクトルピーク強度の１／１００以下となった波長をスペクトル強度が０となる短波長側のカットオフ波長とする。また、実測値を評価する場合には、スペクトルの傾斜曲線を外装してカットオフ波長を求めてもよい。）
このように本発明では、熱光変換素子の赤外放射材料の放射する赤外光スペクトルが、その放射時の赤外放射材料の温度における理想的な黒体放射スペクトル波長と比較して、長波長側のカットオフ波長以上の光（長波長赤外光）を完全に抑制したものとすることができるため、このカットオフ波長を半導体発電セルのエネルギーギャップと同程度の値に設定することによって、熱をエネルギーギャップ以上の赤外光に略１００％の効率で変換並びに吸収させることが可能となる。よって、黒体放射による赤外光を半導体発電セルに吸収させ電気エネルギーに変換する場合と比較して、本発明の熱光変換素子から放射される赤外光を半導体発電セルに効率よく吸収させることができるため、高効率で電気エネルギーに変換できる。
熱光変換素子と半導体発電セルは、空間を挟んで対向配置され、空間は、所定の真空度に減圧されていることが好ましい。これにより、熱光変換素子のエネルギーが空気の対流熱伝達により損失するのを防止できる。
熱光変換素子の加熱方法は、どのような方法でもよい。熱伝導や輻射により熱光変換素子に熱を受け渡すことにより、熱発電を行うことができる。また、太陽光を熱光変換素子に照射して、熱光変換素子を加熱することにより太陽光発電を行うことができる。例えば、熱発電の場合、熱光変換素子を基板上に固定し、基板を介して熱を熱光変換素子に伝導する構成にすることができる。また、太陽光発電の場合、太陽光を熱光変換素子に向かって集光する集光光学系を配置する構成とする。
熱光変換素子の上述の反射率特性を有する赤外放射材料としては、金属酸化物の積層体や、サーメット膜（例えば、酸化マグネシウムの中に、タングステン微粒子が分散したサーメット膜）や、表面に凹凸構造を備えたグラファイト化合物（例えば、周期的なマイクロメートルオーダーの凹凸構造と、周期的なナノメートルオーダーの凹凸構造とを備えるもの）を用いることができる。これらの赤外放射材料の表面には、反射防止膜を備える構成としてもよい。例えば、反射防止膜として、酸化錫層や、ＭｇＦ２を含む低屈折率材料の膜を用いることができる。
＜本発明の原理＞
（太陽光発電装置）
以下、本発明の発電装置の原理について説明する。まず、発電装置が、太陽光発電装置である場合の原理について説明する。
本発明では、太陽光により熱光変換素子を加熱して、熱光変換素子により赤外光に高効率で変換する。変換された赤外光を半導体発電セル（太陽電池）に導き電気エネルギーに変換する。これにより赤外光域にバンドギャップを有する半導体発電セルを用いて、高効率で太陽光を電気エネルギーに変換することができる。また、太陽光を赤外光に変換する熱光変換素子には、所定の反射特性を有する材料（赤外放射材料）を用いる。所定の反射特性とは、所定の波長以上の光反射率が所定の反射率以上の高反射率（理想的には１００％に近い反射率）であり、所定波長よりも短波長の光の反射率が所定の反射率以下の低反射率（理想的には略０％の反射率）である。この材料を用いることにより、高効率で太陽光を赤外光に変換することができる。
太陽光を赤外光に変換する原理について説明する。
赤外放射材料の反射率R(λ）の一例を図１の実線のグラフ１０で示す。図１の赤外放射材料は、３μｍ以上の波長領域については略１００％の反射率であり、２μｍ以下の波長領域で略０％の反射率を有する。すなわち、反射率のグラフ１０は、波長３μｍから２μｍ付近で波長が短くなるにつれ急激に低減し、グラフの傾斜曲線を外挿したカットオフ波長λRcutoffは約２μｍである。太陽光のスペクトルは、図２８に示すように概ね３００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長領域に位置するので、太陽光のスペクトルの長波長側端部（１５００ｎｍ）よりも赤外放射材料の反射率のカットオフ波長λRcutoff＝約２μｍの方が長波長側に位置する。よって、この赤外放射材料に太陽光を照射すると、太陽光を反射することなく略１００％吸収することが出来る。吸収した太陽光エネルギーにより赤外放射材料は加熱される。
赤外放射材料を真空中に配置した場合、赤外放射材料の熱は空気中に散逸されないため、赤外放射材料は、吸収した太陽光エネルギーを略１００％の効率で図１の太い実線のグラフに示すようなスペクトル１１の赤外光として放射する。すなわち、赤外放射材料は太陽光により加熱され、熱を赤外光に変換することができる。この原理は、黒体放射におけるキルヒホッフの法則に基づく。これをさらに説明する。
自然対流熱伝達の無い条件下（例えば真空中）における加熱基材の入力エネルギーに対するエネルギー損失は平衡状態では以下の(1)式で与えられる。
P(total)=P(conduction)+P(radiation) ・・・(1)
(1)式において、P(total)は全入力エネルギー、P(conduction)は基材の支持体等、基材の接触体を経て損失されるエネルギー、P(radiation)は基材が加熱された温度で外部空間に光を放射して損失するエネルギーである。
(1)式におけるP(radiation)の項は一般的に、下記(2)式で表すことができる。
Figure 2012056806
 (2)式において、ε(λ)は各波長における放射率、αλ−５／（ｅｘｐ（β／λＴ）−１）はプランクの放射則であり、α＝３．７４７×１０８ Ｗμｍ４／ｍ２、β＝１．４３８７×１０４ μｍＫ である。
また、ε(λ)はキルヒホッフの法則によって以下の(3)式により、反射率Ｒ(λ)で表すことができる。
ε(λ）＝１−Ｒ(λ) ・・・(3)
(2)式と(3)式により、仮に反射率が全ての波長に亘って1である材料は、(3)式より、ε(λ)＝０となり、ひいては、(2)式における積分値が0となるため、放射による損失が起こらなくなる。このことは、(1)式が、下記(1)’式となることを意味する。
P(total)=P(conduction) ・・・・(1)’
すなわち、少量の入力エネルギーでも、光放射による損失が無いため、基材が非常に高い温度まで達することを意味している。
一方、図１の点線で示すグラフ１２のように、放射率ε(λ)は、上記(3)式より１−Ｒ(λ)で表される。放射率ε(λ)が、３μｍ以上の波長を有する赤外光領域で略０％で、２μｍ以下の波長領域で略１００％の材料を、真空中で加熱した熱放射状態は以下の(4)式で表現できる。
Figure 2012056806
 (4)式において、θ(λ−λ０）は、長波長から所定波長λ０まではほぼ０であり、所定波長λ０から短波長の領域では１を取る階段関数的振る舞いを示す関数である。
得られる放射スペクトルは、階段関数的放射率と黒体放射スペクトル１３（図１の太い破線のグラフ）を畳み込んだ形状となり、計算結果は、図１のスペクトル１１となる。即ち、赤外放射材料から放射される赤外光の放射スペクトル１１は、放射率ε(λ)の変化曲線１２の長波長側のカットオフ付近と、黒体放射スペクトル１３とで囲まれた領域に沿った形状のピークを有するスペクトルとなり、その波長帯域は、黒体放射の短波長側カットオフ波長λBcutoffと放射率の長波長側カットオフ波長λεcutoffとの間となる。
上記(4)式の物理的意味は、入力エネルギーの小さい低温領域では輻射損失が抑えられており、(4)式のP(radiation)の項が０となるため、エネルギー損失がP(conduction)のみとなり、非常に効率良く材料の温度が上昇することを示す。基材温度が高温になり、黒体放射スペクトル１３のピーク波長が所定波長λ０を越えるような温度領域になると、材料に入力したエネルギーを赤外放射スペクトル１１として損失するようになる。よって、この原理を利用することによって、以下に記載するように、太陽光エネルギーを６０％以上の効率で、電気エネルギーに変換することが可能となる。
本発明では、波長３００ｎｍ−１５００ｎｍに位置する太陽光エネルギーを一旦赤外放射光に変換させ、赤外放射光を半導体発電セルで電気エネルギーに変換する。これより、半導体発電セルの半導体のバンドギャップと、半導体発電セルに入射するエネルギーとの差異（ストークスシフトと呼ばれる）を小さくできるというメリットがある。例えば、波長３００ｎｍ−１５００ｎｍの太陽光エネルギーを半導体発電セルに全て吸収させようとすると、波長１５００ｎｍ付近にバンドギャップを有する半導体（例えばＩｎＧａＡｓ半導体（短波長）の発電セル）を利用することになるが、波長１５００ｎｍのバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶ程度であり、図２に示すように波長３００ｎｍ（バンドギャップエネルギー４．１ｅＶ）の太陽光とはエネルギー差（ストークスシフト）が大きくなり、損失が大きい。すなわち、バンドギャップエネルギーは０．８ｅＶ程度の半導体発電セルは、太陽光に含まれる高エネルギー紫外光（波長３００ｎｍ、バンドギャップエネルギー４．１ｅＶ）のうち０．８ｅＶのエネルギーしか吸収できない。
そこで、上述したように、本発明では図１の変化曲線１０に示したような所定の反射率特性を有する赤外放射材料によって、太陽光により赤外放射光（図１のスペクトル１１）を発生させる。この赤外放射光の波長は、エネルギーで表すと、図２のように０．５〜１ｅＶの範囲にあるので、例えば０．５ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する半導体（ＩｎＧａＡｓ半導体（長波長））発電セルを用いて変換した場合、ストークスシフト損失を最大でも０．５ｅＶ程度に抑えることが可能となる。本手法を利用することによって、簡単な装置構成で太陽光エネルギーを６０％以上の効率で、電気エネルギーに変換することが可能となる。太陽光発電装置の具体的な構成については、後で詳しく説明する。
次に、図１の変化曲線１０のような反射特性を有する赤外放射材料の温度と、損失するエネルギー（赤外光放射および熱伝導によるエネルギー損失）との関係を図３を用いて説明する。図３において、直線３１は、赤外放射材料を支持する基材の熱伝導によるエネルギー損失分を示し、曲線３２は赤外線放射と熱伝導による全エネルギー損失を示す。
赤外放射材料１ｃｍ２に太陽光を集光した場合、図３に示す曲線のグラフ３２のように温度が上昇する。なお、図３は、太陽光はＡＭ１．５の強度（０．１Ｗ／ｃｍ２）とし、これをレンズ等を用いて上記反射特性の赤外放射材料に集光させて測定したものである。赤外放射材料の温度は、０．１ｍｍΦ程度の熱電対を、当該赤外放射材料を支持する基材に密着させて測定した。
図３に示すように、太陽光の入力エネルギー密度が弱い領域（０〜０．１Ｗ／ｃｍ２）では太陽光エネルギーが、殆ど赤外放射材料を支持する基材の温度上昇に利用されている。これは、図１の赤外放射材料の放射率εの特性により、低温度領域では放射損失が抑制され、入力エネルギーが基材の温度上昇に用いられるためである。太陽光エネルギーが基材に強く集光され、エネルギー密度が上がると、基材および赤外放射材料の温度が上昇する。これにより、赤外光を放射可能なエネルギー領域（図１における波長２μｍ以下の反射率が低下した領域）に入るため、ある温度領域から基材温度の上昇はそれほど変化せず、赤外光放射に入力エネルギー分のほとんどが回るようになる。この温度領域（エネルギー）は、図１で赤外放射材料の反射率が落ち込む波長（エネルギー）と対応し、ウイーンの変位則から凡そ、Ｔ＝２８９８（μｍＫ）／λRcutoff（μｍ）＝１１６０ Ｋ（ただし、λRcutoff＝２．５μｍの場合）、と見積もることが出来る。
赤外線放射として得られるエネルギーは、図３の曲線３２から熱伝導による損失分の直線３１を差し引いたものとなり、図３の点線の矢印３３の長さで示す量となり、各温度で異なる。この結果から明らかに、高温になればなるほど赤外線放射の割合は増大することが分かる。太陽光から赤外光への変換効率は、１１００Ｋ（図３のΔＴ＝８００Ｋ）の温度では９７％以上の高効率である。
このように、図１の変化曲線１０のように所定の反射特性の赤外放射材料を用いることにより、太陽光から赤外光へ高効率で変換することができる。このため、上記赤外線放射材料を用いれば、赤外光を半導体発電セルに導光し光電変換することにより、従来よりもストークスシフトを低減した形で、高効率に発電を行うことができる。
（熱発電装置）
つぎに、本発明の熱発電装置の原理について説明する。上述の太陽光発電装置は、太陽光により熱光変換素子の赤外放射材料を加熱し、赤外光を放射させる構成であるが、熱発電装置は、赤外放射材料に直接熱を受け渡し、赤外光を放射させる。
赤外放射材料に直接熱を受け渡す方法としては、熱伝導や輻射等どのような方法を用いてもよい。例えば、熱伝導を用いる場合、熱源に熱光変換素子を密着させ、赤外放射材料に熱伝導により熱エネルギーを受け渡し加熱する。赤外放射材料としては、太陽光発電装置の原理において図２を用いてすでに説明したように、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い材料を用いる。これにより、図１の赤外放射スペクトル１１を放射させることができる。
熱発電装置の場合、太陽光発電装置とは異なり、太陽光で加熱しないため、赤外放射材料の反射率のカットオフ波長λRcutoffを太陽光スペクトルに合わせて設定する必要はないが、赤外放射材料を加熱する熱源の温度に合わせて、赤外放射材料の反射率のカットオフ波長λRcutoffを設定する。すなわち、熱源が低温である場合、図１の黒体放射スペクトル１３のピーク波長λmaxが、ウイーンの変位則（λmax＝２８９８（μｍＫ）／Ｔ（Ｋ））により長波長側にシフトするため、図１に示す反射率のカットオフ波長λRcutoffを長波長側にシフトさせ、放射率ε(λ）の変化曲線１２と黒体放射スペクトル１３が重なる波長帯域が生じるようにする。高温の熱源の場合は、反射率のカットオフ波長λRcutoffを短波長側にシフトさせる。具体的には、例えば１００℃の熱源の場合、反射率のカットオフ波長λRcutoffを８μｍに設定し、１０００℃の熱源の場合、反射率のカットオフ波長λRcutoffを２．５μｍに設定する。
現状の半導体発電セルの中で、室温で効率よく発電可能なセルのエネルギーギャップは、太陽光発電装置で説明したように１５００ｎｍ程度以下の短波長に位置するため、短波長の赤外放射スペクトル１１が放射される高温熱源の方が低温熱源よりも高効率で発電することができる。
赤外放射材料が高温になるほど赤外線放射の割合が増大するのは、図３を用いて太陽光発電で説明した通りである。
このように本発明の熱発電装置は、熱源により、熱光変換素子の赤外放射材料を加熱し、赤外光を放射させ、この赤外光を半導体発電セルにより電気に変換することにより熱発電を行う。
＜実施形態１＞
以下、実施形態１として、本発明の熱発電装置を図４、図５等を用いて説明する。図４は、熱発電装置５０の断面図、図５は斜視図である。図６は、熱発電装置５０を熱源５１に固定した状態を示す斜視図である。
本発明の熱発電装置は、対向配置された熱光変換素子２および半導体発電セル３と、これらの周囲を密閉する真空容器１１と、真空容器１１の内壁に配置された反射膜７とを備えている。
熱光変換素子２は、図７にその構造を記載したように、基材２０と、基材２０の半導体発電セル３側の面に搭載された赤外放射材料層２１とを備えている。赤外放射材料層２１は、図１の変化曲線１０で示したように、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い反射特性を有する赤外放射材料により構成されている。所定の赤外波長よりも短波長側の反射率は５％以下、所定の波長よりも長波長側の反射率は９５％以上であることが特に望ましい。赤外放射材料層２１は、赤外放射材料の単層または多層構造であり、加熱されることにより赤外光を高効率で放射する。
このように階段状に反射率（放射率）が変化する材料（赤外放射材料）層２１の具体例として、(i)１層以上の金属酸化物の積層体、(ii)酸化物もしくは窒化物である誘電体中に、金属もしくは半導体の微粒子を含有した薄膜（いわゆるサーメット膜）、(iii)表面に微細な凹凸構造を有するグラファイト化合物基板、等を用いることができる。これらの材料については、後で詳しく説明する。
基材２０は、高熱伝導性の材料（例えば、ＷまたはＣｕ）を用いることができる。
半導体発電セル３は、ストークスシフトを低減するために、熱光変換素子２の赤外放射材料層２１が放射する赤外線波長に近いエネルギーギャップを有するものを用いる。例えば、エネルギーギャップが２．５μｍ程度のＩｎＧａＡｓ半導体の発電セルを用いる。
反射膜７は、熱光変換素子２が放射した赤外光を反射して半導体発電セル３に入射する役割を果たす。例えば、反射膜７として、Ａｕ膜、Ａｇ膜、誘電体多層膜等を用いることができる。真空容器１の内部空間の真空度は、高ければ高いほど対流熱伝達を抑え、熱光変換素子２が高効率に熱を赤外光に変換できるため望ましい。実際の真空度としては１０−３〜１０−４Ｐａ程度で足りる。真空容器１１は、熱伝導率が低く、熱源の高温に耐えられる材質（例えば、石英ガラスや、低熱伝導アルミニウム焼結体、低熱伝導ステンレス鋼材等の金属）で構成されている。また、ゲッター６を管壁に蒸着しておくことによって中の真空度を長期間維持することが可能となり、熱発電装置の寿命を延ばすことができる。また、反射膜７がＴｉ膜を含む構成とすると、Ｔｉがゲッター機能を有するので、ゲッターを兼用することができる。
図４では、半導体発電セル３の大きさは、熱光変換素子２と同じ程度の大きさとしているが、図８に示すように、半導体発電セル３の上面の面積が熱光変換素子２の下面の面積よりも小さくてもよい。図８の場合、真空容器１１を半球形状にすることにより、熱光変換素子２から発せられた赤外光を半導体発電セル３に集光することができる。
図４の熱発電装置５０の各部の動作を説明する。図６のように、１つまたは複数の熱発電装置５０は、熱変換素子２が熱源５１に密着するように、高熱伝導材料（例えばセラミックペースト）により熱源５１に固定される。これにより、熱源５１の熱は、赤外放射材料層２１に伝導し、赤外放射材料層２１を加熱する。加熱された赤外放射材料層２１は、高効率で所定の波長の赤外光を放射する。赤外光は、直接または真空容器１の内壁で反射されて半導体発電セル３に照射される。
赤外放射材料層２１の材料が、カットオフ波長λRcutoff＝４．０μｍの場合、赤外放射材料層２１の温度に応じて、図９のようなスペクトルの赤外光が放射される。半導体発電セル３のバンドギャップが波長２．５μｍとすると、赤外放射スペクトルのうち帯域８１で示した波長２．５μｍ以下のエネルギーが半導体発電セル３に吸収され、電気エネルギーに変換される。変換後の電気は、半導体発電セル３の端子３ａ，３ｂから外部に取り出すことができる。複数の熱発電装置５０を熱源５１に固定している場合には、端子３ａ、３ｂを図６のように直列、または並列に接続する。
比較例として、黒体放射スペクトルを図１０に示す。図９と図１０とを比較すると、黒体放射スペクトルよりも、本発明の赤外放射材料層２１が放射する赤外光スペクトルの方が、ピーク波長が半導体発電セル３の吸収帯域８１に近いため、帯域８１と重なり合うスペクトルの面積が大きく、効率よく吸収されることがわかる。
図１１に、本発明の熱発電装置の発電効率と、黒体放射材料を赤外放射材料層に代えて用いた熱発電装置の発電効率とを温度ごとに示す。図１１のように本発明の熱発電装置は、黒体放射材料を用いた熱発電装置と比較して、４００℃の低温領域では１００倍、７００℃の高温領域では３倍以上の効率を有することがわかる。
また、図１２に示したように、１枚の基板５２上に複数の熱発電装置５０を予め高熱伝導性材料により固定しておき、基板５２を熱源５１に高熱伝導性材料により固定する構成とすることも可能である。
図１２のように、１以上の熱発電装置５０に、昇圧装置６１と、ＤＣ／ＡＣコンバータ６２と、保護および切り替え回路６３とを順に接続することにより発電システム６６を構成できる。昇圧回路６１は、１以上の熱発電装置５０から取り出した直流電力の電圧を所定の電圧（例えば１００Ｖ）まで昇圧する。ＤＣ／ＡＣコンバータ６２は、昇圧回路６１で昇圧された電力を、所定の周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換する。保護および切り替え回路６３は、この交流電力を、負荷回路６４および電力会社の送電線６５の一方に選択的に供給するか、または、負荷回路６４の余剰電力を送電線６５に供給する。これにより、発電システム６６が発電した電力を、発電システム６６が配置されている工場や家庭内の所定の負荷回路に供給して使用することができる。また、電力会社の送電線６５に供給し、売電することができる。保護および切り替え回路６３は、切り替え動作のみならず、負荷回路６４または送電線６５に異常な大電流が流れた場合に、負荷回路６４および送電線６５から発電システム６６を切り離して保護する保護継電器としても動作する。
本発明の熱発電装置５０は、１個のサイズが熱発電素子２や半導体発電セル３の大きさであるので、これらを複数用いて小型な発電システム６６を構成することができる。
熱発電装置５０は、小さな熱源から大きな熱源まで様々な大きさ形状の熱源に取り付けることができるため、従来の蒸気タービンを用いる発電の熱源として利用な困難な熱源を利用して高効率に発電できる。例えば、溶鉱炉やごみ焼却炉の側壁に熱発電装置５０を固定して余剰な熱により発電を行うことができる。
また、赤外光放射を利用する原理であるため、発電の過程で排気ガス等の環境負荷になる廃棄物が生じず、環境に配慮した熱発電装置が提供できる。
＜実施形態２＞
実施形態２として、本発明の太陽光発電装置の構成を図１３を用いて説明する。
図１３の太陽光発電装置は、内壁面が回転楕円体形状の真空容器１と、真空容器１の内部空間の楕円焦点位置にそれぞれ配置された熱光変換素子２および半導体発電セル３とを備えている。真空容器１の長軸上の一方の壁面には、太陽光を透過させるための窓４が配置されている。窓４は、太陽光のスペクトルをエネルギーの大きな紫外光域を含めて広範囲で透過する材質で形成されていることが望ましく、例えば、石英ガラス製の窓４を用いる。
真空容器１の外側には、窓４と対向する位置にレンズ５が配置されている。レンズ５は、太陽光を熱光変換素子２に集光する。レンズ５は、０．１Ｗ／ｃｍ２（ＡＭ１．５）の太陽光を、２Ｗ／ｃｍ２以上に集光するものであることが望ましい。図３より、太陽光を約２Ｗ／ｃｍ２以上に集光することにより、熱光変換素子２の赤外放射材料の温度が約１１００Ｋ以上になり（温度上昇ΔＴ＝８００Ｋ以上）、高効率で赤外光を放射することができるからである。例えば、レンズ５として、集光倍率２０倍以上のものを用い、材質としては透過率の高いポリカーボネートレンズを用いる。窓４の開口径は、レンズ５の口径および倍率等を考慮し、レンズ５が集光した光束を遮蔽しないサイズに設計する。
真空容器１の内壁は、反射膜７で覆われている。発生した赤外光の反射率を更に向上させるためには、窓４の内側に、太陽光を略１００％透過して、赤外放射材料２１から発生した赤外光を略１００％反射するショートパスフィルターをコーティングしてもよい。これは一般的に利用されている誘電体多層膜コーティング手法によって実現することができる。反射膜７の材質および真空容器１の真空度は、実施形態１と同様である。ゲッター６の作用も実施形態１と同様である。
熱光変換素子２は、図１４にその構造を記載したように、基材２０と、基材２０の上面および下面にそれぞれ搭載された赤外放射材料層２１と、赤外放射材料層２１の上に積層された反射防止層２２とを備えている。赤外放射材料層２１の構造は、実施形態１と同様である。反射防止層２２を備えない構成とすることも可能である。熱光変換素子２および半導体発電セル３は、それぞれ回転楕円体の真空容器１の焦点位置に配置されているため、熱光変換素子２の両面から放射された赤外光は、真空容器１の内壁で反射されて半導体発電セル３上に集光される。
赤外放射材料層２１を構成する赤外放射材料は、実施形態１の赤外放射材料と同様の反射特性を有し、さらに、太陽光スペクトルを高効率で吸収するために、太陽光スペクトルの長波長領域の端部の所定波長λ０近傍よりも短波長側では、反射率Ｒ（λ）が低い。所定の波長λ０より短波長側の反射率は、５％以下であり、所定の波長λ０よりも長波長側の反射率は、９５％以上であることが特に望ましい。所定波長λ０は、１μｍ〜５μｍの間の波長に設定する。赤外放射材料の例としては、実施形態１と同様に、金属酸化物の積層体や、サーメット膜、微細な凹凸構造を有するグラファイト化合物基板等を用いることができるが、これらの具体例については後述する。
半導体発電セル３は、ストークスシフトを低減するために、熱光変換素子２が放射する赤外線波長に近いエネルギーギャップを有するものを用いる。ここでは、エネルギーギャップが２．５μｍ程度に存在するＩｎＧａＡｓ半導体発電セルを用いる。ここで、半導体発電セル３の大きさは、熱光変換素子２と同じ程度の大きさとする。真空容器１の内壁により赤外線が反射され、熱光変換素子２の上に集光されることにより、熱光変換素子２の表面の像が、ちょうど半導体発電セル３の上面に写像されるためである。ここでは、一例として約１ｃｍ２とする。
図１３の太陽光発電装置の動作を説明する。太陽光は、レンズ５により集光され、窓４を透過して熱光変換素子２の上面に集光される。反射防止層２２を透過して赤外放射材料層２１に到達する。真空容器１内部に配置されている熱光変換素子２は、熱伝導によるエネルギー損失が小さくなるように設計されているため、太陽光により高温に加熱される。これにより、所定の反射特性を有する赤外放射材料層２１は、図１および図３を用いてその原理を説明したように、高効率で所定の波長の赤外光を放射する。赤外光スペクトルは、図１並びに図２に示すような短波長側にテールを引いたスペクトルとなる。
熱光変換素子２の両面の赤外放射材料層２１からそれぞれ放射された赤外光は、真空容器１の内壁で反射膜７により反射され、楕円回転体１の焦点に配置された半導体発電セル３の上面に集光される。半導体発電セル３は、放射された赤外光に近いエネルギーギャップを有するため、赤外光を効率よく吸収し、発電する。変換後の電気は、端子３ａ，３ｂから外部に取り出すことができる。
＜実施形態３＞
実施形態３として、図１５の太陽光発電装置について説明する。
図１５の太陽光発電装置は、図１３の太陽光発電装置とは、真空容器１０１の形状と、熱光変換素子１０２の構造が異なっている。
実施形態３の真空容器１０１は、球形であり、熱光変換素子１０２および半導体発電セル３は、図１５に示すように、窓４から光軸方向に１／４ａおよび４／４ａの位置にそれぞれ配置されている。すなわち、半導体発電セル３は、真空容器１０１の壁面に配置されている。この位置は、近軸光線近似計算から求めた位置である。これにより、熱光変換素子１０２から放射された赤外光を、真空容器１０１の内壁で反射して、半導体発電セル３に集光することができる。
なお、熱光変換素子１０２は、図１６に示すように、基材２０の上面側（窓４に対向する側）にのみ、赤外放射材料層２１と反射防止層２２を備えている。これは、真空容器１０１が球形であるため、下面側から放射した赤外光を半導体発電セル３に集光できないからである。また、基材２０の下面には、基材２０の下面からの黒体放射による輻射損失を抑制するために、輻射率が全波長域に亘って低い材料層１２０、例えばＡｇ層等によりコーティングされている。
他の構成および各部の作用効果については、実施形態２の太陽光発電装置と同様であるので説明を省略する。
なお、実施形態２および３では、回転楕円体の真空容器１および球体の真空容器１０１をそれぞれ用いる例について説明したが、真空容器の幾何学的形状は、これらに限定されるものではなく、放物面回転体等種々のものを用いることが可能である。より効率の良い集光を行うためには、熱光変換素子１２、１０２から大きな角度で放射される赤外光も半導体発電セルに集光することが望ましい。このため、既存の光学シミュレーター等を利用して詳細に真空容器の形状や熱光変換素子や半導体発電セルの形状をシミュレーションし、多少湾曲させる等の工夫をすることが望ましい。
ここで、本発明の太陽光発電装置に太陽光を集光して得られる発電量の理論的効率ηについて説明する。効率ηは、図１７のように赤外放射材料層２１から放射される赤外光放射スペクトルＳ(ｘ)（ここでｘはエネルギー）、および、次式（５）から求めることができる。
Figure 2012056806
半導体発電セル３のＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギーＥｇ＝０．５ｅＶとすると、η＝０．３５／０．４５＝０．７８となり、おおよそ７８％の効率を、単一の太陽光発電装置で得ることが出来る。
なお、効率の良い発電を得るためには、従来利用されている化合物半導体発電セルと同様に高いバンドギャップエネルギーと低いバンドギャップエネルギーを有するセルを積層させればよい。この様な手法をとることによって、９０％近くの変換効率を得ることが可能となる。
現実的には、半導体発電セル３はバンドギャップエネルギーＥｇ＝０．５ｅＶを全て利用することはできず、おおよそ６〜７割のエネルギーを利用出来るので、実際には、７８％×（０．６〜０．７）＝４６．８％〜５４．６％の効率を実現することが出来ると考えられる。
一方、本発明の太陽光発電装置の変換効率を評価するために、ソーラーシミュレーターを用いて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２照射強度）、集光倍率１０倍において、単接合セル（ＩｎＧａＡｓ）を用いた本発明の太陽光発電装置の電流電圧特性を測定したところ、図１８に示すように短絡電流密度Ｉｓｃ＝１７７６ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧Ｖｏｃ＝０．３４Ｖ、曲線因子ＦＦ＝０．７０の特性が得られた。この電流電圧特性から求めた最終的な変換効率は４２．３％であった。この実験結果の変換効率（４２．３％）と、上述の理論的に予測された変換効率（５４．６％）との不一致は、集光レンズ５での反射損失（３％）、真空容器１への入射損失（３％）、太陽光赤外変換素子２の反射損失（２％）、反射膜７における導光・反射損失（５％）、半導体発電セル３上での反射損失（５％）並びに半導体発電セルの分光感度特性の波長依存性（５％）等の理由による。これらの損失のうち、集光レンズ５での反射損失（５％）、真空容器１への入射損失（３％）、反射膜７における導光・反射損失（５％）並びに半導体発電セル３上での反射損失（５％）は、無反射コートの採用や真空容器１の幾何学的形状の最適化を図ることによって略０％まで低減することができる。また、半導体発電セル３上での反射損失は、太陽電池技術で一般的に利用されているテクスチャー構造等を利用することによって略０％まで低減することが出来る。
上述した本発明の太陽光発電装置を用いることにより、高効率、低コスト、長寿命の太陽光発電を行うことが可能になる。
＜赤外放射材料の例１＞
実施形態１の熱発電装置および実施形態２，３の太陽光発電装置の熱発電素子２に用いる赤外放射材料層２１の具体例について以下説明する。
まず、赤外放射材料層２１として、１層以上の金属酸化物の積層体を用いる場合の具体例について説明する。図１９に示したように、基材２０上に、順に、赤外放射材料層２１としてのＣｒＯ層と、反射防止膜２２としてのＳｎＯ２層を積層したものを、赤外放射材料層２１として用いることができる。より具体的には、基材２０としては、Ｃｕを用い、赤外放射材料層２１であるＣｒＯ層の膜厚は約１００ｎｍ、反射防止膜２２であるＳｎＯ２層の膜厚は約５０ｎｍとする。ＣｒＯ層と基材２０との間に、さらにＣｒ層を挟むことも可能である。これら各層は、スパッタリング法等により形成することができる。
図１９の赤外放射材料層２１の反射率は、図２０のように、λRcutoff＝２μｍ付近で、階段状に変化する。
また、ＣｒＯ層とＳｎＯ２層の、ＣｒとＯの比率、ＳｎとＯの比率、ならびに、膜厚を変化させることにより、反射率が階段状に変化する波長λRcutoffを変化させることができる。
＜赤外線放射材料の例２＞
酸化物もしくは窒化物である誘電体中に、金属もしくは半導体の微粒子を含有した薄膜（いわゆるサーメット膜）を赤外放射材料層２１として用いることができる。サーメット膜を構成する誘電体としては、ＭｇＯ（融点３１００Ｋ）が、金属としては、Ｗ（３７００Ｋ）、Ｍｏ（２９００Ｋ）、Ｒｅ（３５００Ｋ）が、高融点であるため好ましい。
例えば、Ｗ基材２０の両面に、ＭｇＯとＷを同時にスパッタリングして、ＭｇＯ中にＷ微粒子が含有されたサーメット膜（厚さ８００Å程度）を赤外放射材料層２１として形成したものを用いることができる。これによって３０００Ｋの温度領域でも反射特性を維持することができ、効率の良いかつ長寿命な熱光変換素子２を得ることができる。
なお、サーメット膜（赤外放射材料層２１）とＷ基材２０との密着性を上げるために、サーメット膜として、Ｗ基材２０に近い領域ではＷ金属の濃度が高く、Ｗ基材２０から離れるに従ってＷ金属の濃度が低くなっていく濃度傾斜膜の構成とすることも可能である。
また、Ｗ基材２０とサーメット膜（赤外線放射材料層２１）との間に、Ｍｏ金属層を厚さ１０００Å程度で蒸着等により形成すると、Ｗ基材と本サーメット膜との密着性は強固なものとなる。ただし、Ｍｏ金属の融点は２９００Ｋと低いため、これより低い温度領域（例えば、２５００Ｋ）で使用する。
サーメット膜（赤外線放射材料層２１）の濃度比率（ＭｇＯに対するＷの体積比率）は、約５〜５０％であることが望ましい。
図２１に、ＭｇＯ＋Ｗ（８００Å）のサーメット膜２１の屈折率と消衰係数（吸収率）の波長依存性を示す。本光学定数に基づいて反射率の波長依存性を計算した結果を図２２に示す。図２２のように本サーメット膜は、波長λRcutoff＝０．９μｍ付近で反射率が変化している。また、Ｗ並びにＭｇＯ材料を利用しているため、３０００Ｋの高温領域でも図２２のような反射特性を安定して維持することができ、高温加熱においても安定な熱光変換素子２を提供できる。
また、サーメット膜のＭｇとＯの比率、ＭｇＯとＷの比率、ならびに、膜厚を変化させることにより、λRcutoffを変化させることができるので、所望する赤外線の波長に応じてこれらの値を設計する。
また、反射防止膜２２として、ＭｇＦ２等の低屈折率（可視領域で１．４程度）材料を本サーメット膜上に成膜することによって、図２３に示すように可視の領域においてより反射率を低減させた反射率曲線を得ることが可能となる。これにより、より効率の良い熱光変換素子２が得られる。なお、図２３の反射率曲線は、上記ＭｇＯ＋Ｗ（８００Å）サーメット膜上にＭｇＦ２（屈折率＝１．３８）の膜厚を１０００Å堆積させた条件で計算されたものである。
＜赤外線放射材料の例３＞
表面に微細な凹凸構造を有するグラファイト化合物基板を赤外放射材料層２１として用いることができる。グラファイト化合物の融点は４０００Ｋを越えるので、高温加熱においても劣化しにくい安定な赤外放射材料層２１を得ることができる。
ここでは、例えば図２４または図２５のような凹凸構造を形成する。この凹凸構造は、周期的なマイクロメートルオーダーの凹凸構造の上に、周期的なナノメートルオーダーの凹凸構造が重ねて形成された構造である。マイクロメートルオーダーの規則的周期構造（凹凸構造）により、２次元フォトニック結晶的効果が生み出され、所定の波長（例えば２μｍ）以上の長波長成分の反射を増大し、かつ、吸収を抑制する効果が得られる。このマイクロメートルオーダーの凹凸構造の上にさらにナノメートルオーダーの凹凸構造を形成することにより、所定の波長（例えば２μｍ）以上で反射率が１に近く、それより短い波長では反射率が０に近い材料となる。具体的には、図２６の黒線に示すように、０．３〜１．５μｍの波長領域で反射率が１％未満であり、かつ、図２７の黒線で示すようにλRcutoff＝２μｍ程度から立ち上がり５μｍの波長で９５％以上の高い反射率を有する赤外放射材料層２１を提供することができる。
ここでグラファイト化合物基材の表面に、図２４または図２５のようなナノメートルオーダーの微細構造を形成する方法について説明する。以下の方法では、第１工程としてマイクロメートルオーダーの凹凸構造を形成し、これを第２工程でさらに加工することにより、マイクロメートルオーダーの凹凸構造の表面に、ナノメートルオーダーの凹凸構造を形成する。第１工程でマイクロメートルオーダーの凹凸構造を形成することにより、波長０．３〜２μｍの平均反射率を低く（２０〜３０％程度）することができるとともに、波長２〜１５μｍの平均反射率を高くすることができる。第２工程で、さらにナノメートルオーダーの凹凸構造を形成することにより、波長０．３〜２μｍの平均反射率をさらに低く（１．５％以下）にすることができ、波長２〜１５μｍの平均反射率をさらに高くすることができる。
まず、第１工程として、マイクロメートルオーダーの規則的周期の凹凸構造を形成する。形成方法としては、メタルマスクを利用したフォトリソグラフィーとエッチング技術を用いる。エッチング技術としては、カーボン系材料をエッチング可能なＨ２ならびにＯ２ガスを利用したプラズマエッチングや、より高いアスペクト比を実現可能なリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いる。その後、メタルマスク部分を酸洗浄で除去する。
この他、非常に急峻な傾斜を有する切削歯並びに砥石を利用した機械的微細加工ならびに研磨技術を施すことによっても、グラファイト化合物基板上にマイクロメートルオーダーの大局的な凹凸構造を作製することができる。
第２工程では、第１工程によって作製されたマイクロメートルオーダーの凹凸構造に対して、更に、マイクロ波プラズマを利用した水素プラズマエッチング等を施すことによってナノメートルオーダーの周期構造を形成する。水素プラズマエッチング条件は、例えば、ＲＦパワー：１００〜１０００Ｗ、圧力：１〜１００ｔｏｒｒ、水素流量：５〜５００ｓｃｃｍ、エッチング時間：１〜１００ｍｉｎ、の範囲とすることができる。なお、水素プラズマ処理の条件は、装置に依存するので、上記パラメータの値は一例である。
第２工程のエッチングに使用する反応性ガスは、Ｈ２ガスに限らず、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＦ４等を用いても同様の効果を期待できる。
なお、上述した図２６、図２７の反射スペクトルの測定は、０．３〜２μｍの領域については、表面反射光をすべて集めるためにＢａＳＯ４粒子等を内面にコートした積分球を有する分光光度計を使用し、１〜１５μｍの領域の反射測定については、赤外反射光を全て集めるために金を内面にコートした積分球を有するＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光器）分光器を使用した。
＜赤外線放射材料の他の例＞
赤外放射材料層２１としては、所定の階段状の反射特性を有する層であればよく、上記した例１〜３の材料層に限定されるものではない。例えば、以下の（ａ）〜（ｄ）に示す材料を用いることも可能である。
（ａ）ニッケル基板の上に電気メッキ等の所定の手法によりクロム膜を形成した構造（例えば、G.Zajac、et al.J.Appl.Phys.51、5544(1980).参照）
（ｂ）アルミを陽極酸化することにより得た、表面に多孔質ナノ構造を有する酸化アルミナ。孔径、孔深さ等を制御することにより反射率を制御することができる。（例えば、A.Anderson、et al.J.Appl.Phys.51、754(1980).参照）
（ｃ）ＣｒとＣｒ２Ｏ３のサーメット膜の上に、反射防止膜としてＣｒ２Ｏ３を積層した構造（例えば、J.C.C.Fan and S.A.Spura、Appl.Phys.ett.30、511(1977).）
（ｄ）Ｗの表面にマイクロキャビティ構造を作製し反射率を制御した構造（例えば、F.Kusunoki et al.、Jpn.J.Appl.Phys.43、8A、5253(2004).）
（ｅ）金属基材上に、窒化膜ａｎｄ／ｏｒ酸化膜を形成して反射率を制御した構造（例えば、C.E.Kennedy、NREL/TP-520-31267）
１…真空容器、２…熱光変換素子、３…半導体発電セル、４…窓、５…レンズ、６…ゲッター、７…反射膜、１０１…真空容器、１０２…熱光変換素子
本発明の所定の反射特性を有する材料の赤外光放射の原理を示すためのグラフ。 太陽光と赤外光を半導体発電セルで電気エネルギーに変換する際のストークスシフトを示すグラフ。 所定の反射特性を有する材料の赤外放射と熱伝導との関係を示すグラフ。 実施形態１の熱発電装置の断面図。 実施形態１の熱発電装置の斜視図。 実施形態１の熱発電装置を熱源に複数固定し、複数の熱発電装置を直列に接続した状態を示す斜視図。 図４の熱発電装置の熱光変換素子の層構造を示す断面図。 実施形態１の熱発電装置の別の形状例の断面図。 実施形態１の熱発電装置の熱光変換素子の放射する赤外光スペクトルと、半導体発電セルの吸収帯域８１を示すグラフ。 比較例の黒体放射スペクトルと、半導体発電セルの吸収帯域８１を示すグラフ。 図９の赤外光スペクトルの半導体発電セルによる発電効率と、図１０の比較例の黒体放射スペクトルの半導体発電セルによる発電効率とを示すグラフ。 実施形態１の熱発電システムの構成を示すブロック図。 実施形態２の太陽光発電装置の構成を示すブロック図。 図１３の太陽光発電装置の熱光変換素子の断面図。 実施形態３の太陽光発電装置の構造を示すブロック図。 図１５の太陽光発電装置の熱光変換素子の断面図。 本実施形態の熱光変換素子の放射する赤外線のスペクトルの一例を示すグラフ。 実施形態２，３の太陽光発電装置の発電効率を示すグラフ。 図１４の熱光変換素子の赤外線放射材料の断面構造を示す写真。 図１９の赤外線放射材料の反射特性を示すグラフ。 本実施形態のＭｇＯ＋Ｗ（８００Å）のサーメット膜２１の屈折率と消衰係数（吸収率）の波長依存性を示すグラフ。 図２１のサーメット膜の反射特性を示すグラフ。 図２１のサーメット膜に反射防止膜を積層した場合の反射特性を示すグラフ。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の表面形状を示す写真。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の表面形状の別の例を示す写真。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の反射特性を示すグラフ。 本実施形態の微小な凹凸構造を表面に備えるグラファイト化合物の反射特性を示すグラフ。 太陽光のスペクトルを示すグラフ。
図４の熱発電装置５０の各部の動作を説明する。図６のように、１つまたは複数の熱発電装置５０は、熱光変換素子２が熱源５１に密着するように、高熱伝導材料（例えばセラミックペースト）により熱源５１に固定される。これにより、熱源５１の熱は、赤外放射材料層２１に伝導し、赤外放射材料層２１を加熱する。加熱された赤外放射材料層２１は、高効率で所定の波長の赤外光を放射する。赤外光は、直接または真空容器１の内壁で反射されて半導体発電セル３に照射される。
本発明の熱発電装置５０は、１個のサイズが熱光変換素子２や半導体発電セル３の大きさであるので、これらを複数用いて小型な発電システム６６を構成することができる。
＜赤外放射材料の例１＞
実施形態１の熱発電装置および実施形態２，３の太陽光発電装置の熱光変換素子２に用いる赤外放射材料層２１の具体例について以下説明する。

Claims (26)

  1. 熱を赤外光に変換する熱光変換素子と、前記赤外光を電気エネルギーに変換する半導体発電セルとを有し、
    熱光変換素子は、所定の赤外波長よりも長波長側の反射率が短波長側の反射率よりも高い材料を含み、該材料が加熱されることにより前記赤外光を放射することを特徴とする発電装置。
  2. 請求項１に記載の発電装置において、前記赤外光の波長は、前記材料の放射率の長波長側カットオフ波長以下であることを特徴とする発電装置。
  3. 請求項２に記載の発電装置において、放射される前記材料の放射率の長波長側カットオフ波長は、その放射時の当該材料の温度における理想的な黒体放射の短波長側のカットオフ波長よりも長波長側に位置することを特徴とする発電装置。
  4. 請求項３に記載の発電装置において、前記赤外光の波長帯域は、前記黒体放射の短波長側のカットオフ波長以上、前記材料の放射率の長波長側カットオフ波長以下であることを特徴とする発電装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電装置において、前記熱光変換素子の前記材料の放射する前記赤外光のピーク波長は、その放射時の前記材料の温度における理想的な黒体放射のピーク波長よりも短波長であることを特徴とする発電装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置において、前記熱光変換素子と前記半導体発電セルは、空間を挟んで対向配置され、前記空間は、所定の真空度に減圧されていることを特徴とする発電装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電装置において、前記熱光変換素子は、前記熱を当該熱光変換素子に受け渡す基板上に固定されていることを特徴とする発電装置。
  8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電装置において、前記熱光変換素子を加熱するために、太陽光を前記熱光変換素子に向かって集光する集光光学系をさらに有することを特徴とする発電装置。
  9. 請求項１ないし６、および、８のいずれか１項に記載の発電装置において、前記所定の赤外波長は、太陽光の長波長側端部であることを特徴とする発電装置。
  10. 請求項１項に記載の発電装置において、前記所定の赤外波長は、１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする発電装置。
  11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発電装置において、前記材料は、金属酸化物の積層体であることを特徴とする発電装置。
  12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載に発電装置において、前記材料の上に反射防止膜を積層したことを特徴とする発電装置。
  13. 請求項１２に記載の発電装置において、前記反射防止膜として、酸化錫層を含む膜が配置されていることを特徴とする発電装置。
  14. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発電装置において、前記材料は、サーメット膜であることを特徴とする発電装置。
  15. 請求項１４に記載の発電装置において、前記赤外光放射材料は、酸化マグネシウムの中に、タングステン微粒子が分散したサーメット膜を含むことを特徴とする発電装置。
  16. 請求項１４または１５に記載に発電装置において、前記材料の上には、反射防止膜として、ＭｇＦ２を含む低屈折率材料の膜が配置されていることを特徴とする発電装置。
  17. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発電装置において、前記赤外光放射材料は、表面に凹凸構造を備えたグラファイト化合物であることを特徴とする発電装置。
  18. 請求項１７に記載の発電装置において、前記グラファイト化合物の凹凸構造は、周期的なマイクロメートルオーダーの凹凸構造と、周期的なナノメートルオーダーの凹凸構造とを含むことを特徴とする発電装置。
  19. 請求項６に記載の発電装置において、前記熱光変換素子と前記半導体発電セルの外周部を密閉する容器を備えることを特徴とする発電装置。
  20. 請求項７に記載の発電装置において、前記熱光変換素子は、真空容器内に配置され、
    前記真空容器には、前記集光光学系から光を透過するための窓が備えられていることを特徴とする発電装置。
  21. 請求項２０に記載の発電装置において、前記窓は、真空内壁側に、太陽光を透過し、前記熱光変換素子から発生した前記赤外光を反射する光学的フィルターが備えられていることを特徴とする発電装置。
  22. 請求項２０に記載の発電装置において、前記真空容器は、回転楕円体であり、前記熱光変換素子および前記半導体発電セルは、前記回転楕円体の２つの焦点位置にそれぞれ配置され、
    前記熱光変換素子は、基材と、当該基材の両面に配置された前記材料の層とを含む構成であることを特徴とする発電装置。
  23. 請求項２０に記載の発電装置において、前記真空容器は、球体であり、前記熱光変換素子および前記半導体発電セルは、前記球体の直径方向に沿って、壁面から直径の１／４、４／４の位置にそれぞれ配置され、
    前記熱光変換素子は、基材と、当該基材の片面に配置された前記材料の層とを含む構成であることを特徴とする発電装置。
  24. 熱源の熱を、所定の赤外波長に反射率のカットオフ波長を有する材料に伝導し、
    前記材料から放射された赤外光を半導体発電セルを用いて電気エネルギーに変換することを特徴とする熱発電方法。
  25. 太陽光を、所定の赤外波長に反射率のカットオフ波長を有する材料に集光し、
    前記材料から放射された赤外光を半導体発電セルを用いて電気エネルギーに変換することを特徴とする太陽光発電方法。
  26. 請求項２５に記載の太陽光発電方法において、前記所定の赤外波長は、太陽光の長波長側端部であることを特徴とする太陽光発電方法。
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