JPWO2015098025A1 - Thermophotovoltaic power generation apparatus and thermophotovoltaic power generation method - Google Patents
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Abstract
熱光起電力発電装置では、発電効率を維持したまま出力を増大させることが困難である。本発明による熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。In the thermophotovoltaic power generation device, it is difficult to increase the output while maintaining the power generation efficiency. The thermophotovoltaic power generator according to the present invention includes a tubular combustion chamber, an emitter installed inside the tubular combustion chamber, and a swirl flow generation that generates a swirling flow of fuel gas inside the tubular combustion chamber. Means and a photoelectric conversion element for converting the emitted light from the emitter into electricity.
Description
本発明は、熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法に関し、特に加熱されたエミッタからの放射光を光電変換素子で受光して発電する熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法に関する。 The present invention relates to a thermophotovoltaic power generation apparatus and a thermophotovoltaic power generation method, and more particularly to a thermophotovoltaic power generation apparatus and thermophotovoltaic power generation that generate power by receiving radiation light from a heated emitter with a photoelectric conversion element. Regarding the method.
燃料を用いた熱光起電力(TPV: Thermophotovoltaic)発電装置は、燃焼器などでエミッタと呼ばれる赤外線放射体を加熱し、エミッタからの放射光を光電変換素子で受光して発電する発電装置である。 Thermophotovoltaic (TPV) power generator using fuel is a power generator that heats an infrared emitter called an emitter in a combustor or the like and receives the emitted light from the emitter with a photoelectric conversion element to generate electricity. .
熱光起電力発電は、種々の熱源を利用可能であり、放射スペクトルを制御することにより高効率な発電が期待できる。また液体燃料或いは気体燃料を用いた熱光起電力発電は、機械的なエンジン発電より静かでかつ運搬が容易なため、今後広く用いられる可能性がある。しかしながら、小型の機械エンジン発電では15%程度の発電効率が得られているが、熱光起電力発電の効率は12%程度である。今後、熱光起電力発電を普及させるためには、効率と出力の向上が必要である。 Thermophotovoltaic power generation can use various heat sources, and high-efficiency power generation can be expected by controlling the radiation spectrum. Thermophotovoltaic power generation using liquid fuel or gaseous fuel is quieter and easier to transport than mechanical engine power generation and may be widely used in the future. However, small mechanical engine power generation has achieved power generation efficiency of about 15%, but thermophotovoltaic power generation efficiency is about 12%. In the future, in order to spread thermophotovoltaic power generation, it is necessary to improve efficiency and output.
熱光起電力発電の出力は、エミッタの温度とエミッタから放出される光の放出面積で決まる。つまりエミッタの温度が高く、光の放出面積が大きいほど、大きい出力が得られる。多くの場合、エミッタには、高温の加熱に耐えられるタングステンなどの金属やアルミナなどの酸化物が用いられる。しかしながら1000℃以上の高温時に金属は酸化劣化しやすいため、高出力用のエミッタには主に酸化物材料が用いられる。しかしながら装置の断熱性能などを考慮すると、通常エミッタの温度は800℃〜1500℃程度に制限される場合が多い。従って、さらに出力を増大させるにはエミッタを大きくするのが有効である。またこれらのエミッタ温度で放出される放射スペクトルの波長ピークは2〜3μmである。そのため光電変換素子の光吸収層には、バンドギャップ波長が1.6μm〜2.5μm程度の半導体材料が用いられている。 The output of thermophotovoltaic power generation is determined by the temperature of the emitter and the emission area of light emitted from the emitter. That is, the higher the emitter temperature and the larger the light emission area, the higher the output. In many cases, a metal such as tungsten that can withstand high temperature heating or an oxide such as alumina is used for the emitter. However, since the metal is easily oxidized and deteriorated at a high temperature of 1000 ° C. or higher, an oxide material is mainly used for a high-power emitter. However, considering the thermal insulation performance of the device, the emitter temperature is usually limited to about 800 ° C. to 1500 ° C. in many cases. Therefore, it is effective to increase the emitter in order to further increase the output. The wavelength peak of the emission spectrum emitted at these emitter temperatures is 2 to 3 μm. Therefore, a semiconductor material having a band gap wavelength of about 1.6 μm to 2.5 μm is used for the light absorption layer of the photoelectric conversion element.
熱光起電力発電の全効率は、燃料の利用効率(ηFuel)、波長スペクトル効率(ηλ)、光取り込み効率(ηView)、光電変換効率(ηPV)を掛け合わせた値になる(熱光起電力発電の効率∝ηFuel×ηλ×ηView×ηPV)。ηFuelは燃料エネルギが加熱されたエミッタの放出光エネルギに変換される割合である。ηFuelは、熱交換器の使用により、70%以上の値が得られている。ηλは、エミッタの放出光の波長スペクトルの内、光電変換素子で光電変換できる波長スペクトルの占める割合である。ηλは波長選択エミッタや波長選択フィルタなどの使用により60%以上の値が得られている。ηViewはエミッタから放出される光の内、光電変換素子に照射される光の割合である。ηViewを高めるためには光電変換素子をエミッタに近接して設置しなければならない。ηPVは光電変換素子の光電変換効率である。ηPVはGaSb素子で30%程度の値が得られているが、素子の改良でまだ向上する余地がある。また光電変換効率は素子温度が増加すると低下するため、通常、素子背面にヒートシンクと空冷ファンを設置して素子温度の上昇を防止することが行われている。The total efficiency of thermophotovoltaic power generation is a value obtained by multiplying fuel utilization efficiency (η Fuel ), wavelength spectrum efficiency (η λ ), light capture efficiency (η View ), and photoelectric conversion efficiency (η PV ) ( The efficiency of thermophotovoltaic power generation ∝η Fuel × η λ × η View × η PV ). η Fuel is the rate at which the fuel energy is converted into the emitted light energy of the heated emitter. η Fuel has a value of 70% or more by using a heat exchanger. η λ is the ratio of the wavelength spectrum that can be photoelectrically converted by the photoelectric conversion element in the wavelength spectrum of the emitted light from the emitter. eta lambda value of 60% or more by the use of such a wavelength selective emitter and the wavelength selective filter is obtained. η View is the ratio of the light emitted from the emitter to the photoelectric conversion element. In order to increase η View , the photoelectric conversion element must be installed close to the emitter. η PV is the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element. Although η PV has a value of about 30% in the GaSb element, there is still room for improvement by improving the element. In addition, since the photoelectric conversion efficiency decreases as the element temperature increases, a heat sink and an air cooling fan are usually installed on the back surface of the element to prevent the element temperature from rising.
特許文献1は円筒型熱光発電装置に関するものであり、円筒状に形成されたエミッタの内部空洞部分及びエミッタの外部に燃料ガスと空気との混合ガスを供給し、通過する高温の燃焼ガスでエミッタを加熱することが提案されている。特許文献1の円筒型熱光発電装置では、加熱されたエミッタからの赤外光をエミッタの外側に配置された光電変換セルに入射させ、電力に変換している。
特許文献2は熱光起電力発電装置に関するものである。図24を参照して、特許文献2の熱光起電力発電装置を説明する。円筒型のエミッタ301内に、開放端を有する円筒型の燃焼管304が配置されている。燃焼管304の内側の下端には、バーナ302が配置されている。エミッタ301の外側には光電変換セルアレイ303が配置されている。熱光起電力発電装置に導入された燃焼気体306は装置の下方から燃焼管304の内部に導入される。燃焼気体306は燃焼管304の下方に配置されたバーナ302で加熱されて燃焼管304内で燃焼する。この燃焼によりエミッタ301が加熱され、エミッタ301は赤外線エネルギ305を放出する。エミッタ301の外側に配置された光電変換セルアレイ303は赤外線エネルギ305を受けて、電気エネルギに変換する。燃焼気体306は燃焼管304内を上昇し、燃焼管304の外側を降下して排出気体307として装置外部に排出される。この熱光起電力発電装置は排出気体により空気を加熱する熱交換器を備えているため、高い燃焼効率を達成している。
Patent Document 2 relates to a thermophotovoltaic power generator. With reference to FIG. 24, the thermophotovoltaic power generation apparatus of patent document 2 is demonstrated. A
特許文献3は熱光発電装置に関するものであり、円筒形のエミッタの内側にエミッタの一端から燃料ガスと空気とをそれぞれ導入し、エミッタの内側で混合させて燃焼させることが提案されている。さらに特許文献3では、円筒形のエミッタの外側に配置された光電変換セルでエミッタからの放射エネルギを電気エネルギに変換することが提案されている。 Patent Document 3 relates to a thermoelectric power generation apparatus, and it is proposed that fuel gas and air are respectively introduced from one end of an emitter into a cylindrical emitter, and mixed and burned inside the emitter. Further, Patent Document 3 proposes to convert radiant energy from an emitter into electrical energy by a photoelectric conversion cell arranged outside a cylindrical emitter.
特許文献4は管状火炎バーナに関するものであり、一端が開放され、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成された管状の燃焼室を有する。さらに、特許文献4の管状火炎バーナは、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズルを有する。予混合気を吹き込むノズルは、スリットに接続され、燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている。特許文献4の管状火炎バーナでは、上記予混合気の吹き込みにより燃焼室内に旋回流を発生させ、管状火炎を発生させている。 Patent Document 4 relates to a tubular flame burner, and has a tubular combustion chamber in which one end is opened and a long slit is formed along the tube axis direction at the other end. Further, the tubular flame burner of Patent Document 4 has a nozzle that blows a premixed gas composed of a fuel gas and an oxygen-containing gas whose tip is flat and whose opening area is reduced. The nozzle for blowing the premixed gas is connected to the slit and is provided in the tangential direction of the inner wall surface of the combustion chamber. In the tubular flame burner of Patent Document 4, a swirling flow is generated in the combustion chamber by blowing the premixed gas to generate a tubular flame.
特許文献5は管状火炎バーナに関するものであり、一端が開放された管状の燃焼室を有する。さらに、特許文献5の管状火炎バーナは、この燃焼室の他端部に先端部が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルを有する。このノズルは、燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている。さらに、特許文献5の管状火炎バーナは、液体燃料の噴射弁が酸素含有ガスのノズルが配置されている位置と同一の周面に設けられている。特許文献5の管状火炎バーナでは、酸素含有ガスの吹き込みにより燃焼室内に旋回流を形成し、液体燃料を酸素含有ガスの旋回流と同一方向に向けて噴射させている。 Patent Document 5 relates to a tubular flame burner, and has a tubular combustion chamber that is open at one end. Further, the tubular flame burner of Patent Document 5 has a nozzle for blowing an oxygen-containing gas having a flat tip and a reduced opening area at the other end of the combustion chamber. This nozzle is provided toward the tangential direction of the inner wall surface of the combustion chamber. Further, in the tubular flame burner of Patent Document 5, the liquid fuel injection valve is provided on the same peripheral surface as the position where the nozzle for the oxygen-containing gas is disposed. In the tubular flame burner of Patent Document 5, a swirl flow is formed in the combustion chamber by blowing oxygen-containing gas, and liquid fuel is injected in the same direction as the swirl flow of oxygen-containing gas.
燃焼装置でNOxの生成を抑制する技術としては、排出ガス再循環(EGR: Exhaust Gas Recirculation)がある。燃焼排出ガスの一部を燃焼用空気に混入して燃焼させ、火炎の最高温度を低下させることにより窒素酸化物の発生を抑制する。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低く、従って燃焼速度を遅らせることができ、火炎温度の上昇を抑え、これによりサーマルNOxの生成を抑制することができる。排出ガス再循環は、自動車排気ガス中の窒素酸化物を低減させる技術として広く用いられている。As a technique for suppressing the generation of NOx by a combustion apparatus, there is exhaust gas recirculation (EGR). Part of the combustion exhaust gas is mixed with combustion air and burned to reduce the maximum temperature of the flame, thereby suppressing the generation of nitrogen oxides. Combustion air which is mixed with exhaust gas has a low oxygen concentration than normal, thus it is possible to slow the burning rate, suppressing the increase of the flame temperature, it is possible to suppress the generation of thermal NO x. Exhaust gas recirculation is widely used as a technique for reducing nitrogen oxides in automobile exhaust gas.
特許文献6や特許文献7では、特許文献4や特許文献5と同様な技術分野の管状火炎バーナが提案されている。特許文献8では、円筒状燃焼室内部の混合気の旋回を利用した燃焼器が提案されている。 In Patent Document 6 and Patent Document 7, tubular flame burners in the technical field similar to Patent Document 4 and Patent Document 5 are proposed. Patent Document 8 proposes a combustor that utilizes swirling of an air-fuel mixture inside a cylindrical combustion chamber.
しかしながら、上述した背景技術の光電変換発電装置には、以下のような課題がある。 However, the photoelectric conversion power generation device of the background art described above has the following problems.
光電変換発電装置の出力を増大させるためには、円状に配列するエミッタの円の直径を大きくするか、エミッタを長くしなければならない。前者の場合、エミッタに接して加熱する排出ガスの量が相対的に減少するので、エミッタの加熱効率が低下してしまう。後者の場合、特許文献1、特許文献2や特許文献3のような光電変換発電装置では、エミッタの一端を加熱する構造であるため、エミッタを均一に加熱することができず、エミッタの長手方向に温度勾配が生じてしまう。特に、熱伝導率が金属の1/10以下である酸化物エミッタは、温度勾配が大きい。このため、エミッタからの放射光の強度が、エミッタの長手方向で不均一になる。加熱されるエミッタの端部から遠ざかるにつれて、エミッタからの放射光の強度が低下するため、発電効率が低下する。
In order to increase the output of the photoelectric conversion power generator, it is necessary to increase the diameter of the circle of emitters arranged in a circle or lengthen the emitter. In the former case, since the amount of exhaust gas heated in contact with the emitter is relatively reduced, the heating efficiency of the emitter is lowered. In the latter case, the photoelectric conversion power generation devices such as
本発明の目的は、背景技術の熱光起電力発電装置では、発電効率を維持したまま出力を増大させることが困難である、という課題を解決する熱光起電力発電装置、及び熱光起電力発電方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the problem that it is difficult to increase the output while maintaining the power generation efficiency in the background-art thermophotovoltaic power generator, and the thermophotovoltaic power It is to provide a power generation method.
上述の目的を達成するため、本発明に係る熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。 In order to achieve the above object, a thermophotovoltaic power generation apparatus according to the present invention includes a tubular combustion chamber, an emitter installed in the tubular combustion chamber, and a fuel gas in the tubular combustion chamber. A swirl flow generating means for generating a swirl flow of the above and a photoelectric conversion element for converting the emitted light from the emitter into electricity.
本発明に係る熱光起電力発電方法は、燃料ガスの旋回流を発生させ、上記旋回流により管状火炎を生成し、
エミッタを上記管状火炎で加熱し、加熱された上記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する。The thermophotovoltaic power generation method according to the present invention generates a swirling flow of fuel gas, generates a tubular flame by the swirling flow,
The emitter is heated by the tubular flame, and the emitted light from the heated emitter is received and converted into electricity.
本発明によれば、発電効率を維持したまま、光電変換発電装置の出力を増大させることができる。 According to the present invention, it is possible to increase the output of the photoelectric conversion power generation device while maintaining the power generation efficiency.
本発明の好ましい実施形態について説明する前に、本発明の概要について説明する。 Before describing a preferred embodiment of the present invention, an outline of the present invention will be described.
本発明の熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室と、上記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、上記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、上記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する。 The thermophotovoltaic power generator of the present invention includes a tubular combustion chamber, an emitter installed inside the tubular combustion chamber, and swirl flow generation that generates a swirl flow of fuel gas inside the tubular combustion chamber. Means and a photoelectric conversion element for converting the emitted light from the emitter into electricity.
本発明の熱光起電力発電方法は、燃料ガスの旋回流を発生させ、上記旋回流により管状火炎を生成し、エミッタを上記管状火炎で加熱し、加熱された上記エミッタからの放射光を受光し電気に変換するものである。管状火炎は、図18(a)に示されるような、管状をなす火炎である。 The thermophotovoltaic power generation method of the present invention generates a swirling flow of fuel gas, generates a tubular flame by the swirling flow, heats an emitter with the tubular flame, and receives radiation light from the heated emitter. It is converted to electricity. The tubular flame is a tubular flame as shown in FIG.
或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、光電変換素子が管状の燃焼室の内壁に設置された特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、管状の燃焼室の内部に内挿管を有し、内挿管の内部に光電変換素子が設置され、内挿管の少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上述の熱光起電力発電装置において、光電変換素子が管状の燃焼室の外部に設置され、管状の燃焼室の少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、管状の燃焼室の開放端部に設けられた延長管と、燃焼室と延長管とを断熱する手段と、を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、旋回流発生手段として管状の燃焼室内に燃料を供給する複数の燃料注入部を備え、この複数の燃料注入部は、管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられた特徴を有するものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、上記旋回流発生手段の一例として、燃料と酸素含有ガスを別々に吹き込む複数の注入部と、燃焼後の排出ガスを用いて燃料或いは酸素含有ガスの温度を高める熱交換器と、を備えるものである。或いは本発明の熱光起電力発電装置は、加熱後の酸素含有ガスの導入管が燃焼室の内部に設置された特徴を有するものである。 Alternatively, the thermophotovoltaic power generator of the present invention is characterized in that, in the above-described thermophotovoltaic power generator, the photoelectric conversion element is installed on the inner wall of the tubular combustion chamber. Alternatively, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present invention is the above-described thermophotovoltaic power generation apparatus having an intubation tube inside a tubular combustion chamber, a photoelectric conversion element being installed inside the intubation tube, At least a part has a characteristic of transmitting infrared light or infrared light. Alternatively, the thermophotovoltaic power generator of the present invention is the above-described thermophotovoltaic power generator, wherein the photoelectric conversion element is installed outside the tubular combustion chamber, and at least a part of the tubular combustion chamber is infrared light or infrared light. It has the characteristic which permeate | transmits. Alternatively, the thermophotovoltaic power generator of the present invention has an extension pipe provided at an open end of a tubular combustion chamber, and means for insulating the combustion chamber and the extension pipe. Alternatively, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present invention includes a plurality of fuel injection portions that supply fuel into a tubular combustion chamber as a swirl flow generating means, and the plurality of fuel injection portions are arranged in a tangential direction of the tubular combustion chamber. It has the feature attached to rotational symmetry. Alternatively, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present invention is an example of the swirl flow generating means, and a plurality of injection portions for separately blowing fuel and oxygen-containing gas, and using the exhaust gas after combustion, And a heat exchanger that raises the temperature. Alternatively, the thermophotovoltaic power generator of the present invention is characterized in that an oxygen-containing gas introduction pipe after heating is installed inside the combustion chamber.
本発明の管状の燃焼室は、その中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有する燃焼室である。 The tubular combustion chamber of the present invention is a combustion chamber whose cross section substantially perpendicular to the central axis has any one of a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.
本発明の実施形態に用いる透明燃焼管或いは内挿管は、その少なくとも一部が赤外光又は赤外線を透過させる特性を有するものである。このような赤外光又は赤外線を透過させる材料としては、シリカガラス、水晶、サファイア、ZnSeなどがある。サファイアや、OH基の含有量を制御したシリカガラスなどは、広い波長範囲の赤外線を透過させるので、本発明に適した材料である。シリカガラスのOH基含有率は、10ppm以下のものが利用可能である。例えば、真空又は不活性ガス中で電気炉を用いて石英を溶融して作製したシリカガラス、或いは光ファイバの製造に用いられるような、SiCl4を原料に用い、高周波誘導プラズマ法(雰囲気:酸素、Ar)で合成されたシリカガラスを用いることができる。また、アルキルシリケートから電気炉によるスート合成法で合成されたシリカガラス、或いはH2SiF6或いはシリカゲルからLPD(Liquid Phase Deposition)法で液相から析出合成されたシリカガラスなどを用いることができる。一方、石英を用いた火炎溶融やSiCl4を用いた直接法で形成したシリカガラスは、OH基が100ppm以上あり、赤外光の吸収率が大きい。The transparent combustion tube or the intubation tube used in the embodiment of the present invention has a characteristic that at least a part thereof transmits infrared light or infrared light. Examples of such infrared light or a material that transmits infrared light include silica glass, crystal, sapphire, and ZnSe. Sapphire, silica glass with controlled OH group content, and the like are suitable materials for the present invention because they transmit infrared rays in a wide wavelength range. Silica glass having an OH group content of 10 ppm or less can be used. For example, silica glass produced by melting quartz using an electric furnace in a vacuum or an inert gas, or SiCl 4 used as a raw material for the production of an optical fiber, and a high frequency induction plasma method (atmosphere: oxygen) , Ar) can be used. Further, silica glass synthesized from an alkyl silicate by a soot synthesis method using an electric furnace, silica glass synthesized from a liquid phase by an LPD (Liquid Phase Deposition) method from H 2 SiF 6 or silica gel, or the like can be used. On the other hand, silica glass formed by flame melting using quartz or a direct method using SiCl 4 has an OH group of 100 ppm or more, and has a high infrared light absorption rate.
本発明のエミッタは、内部が空洞の円管形状のエミッタを含む。さらに、本発明のエミッタは、内部が空洞でない円柱形状のエミッタを含む。さらに、本発明のエミッタは、中心軸に対し所定距離を隔てて多数の円柱形状のエミッタ要素が配列されてエミッタを構成している態様も含むこととする。すなわち、管状のエミッタの略円周上に多数の円柱形状のエミッタ要素が配列され、多数の円柱形状のエミッタ要素により管状のエミッタの外壁や内壁に相当する表面を構成しているような態様も本発明に含まれるものとする。 The emitter of the present invention includes a tube-shaped emitter having a hollow inside. Furthermore, the emitter of the present invention includes a cylindrical emitter that is not hollow inside. Furthermore, the emitter of the present invention includes an aspect in which a number of cylindrical emitter elements are arranged at a predetermined distance from the central axis to constitute the emitter. That is, a mode in which a large number of cylindrical emitter elements are arranged substantially on the circumference of the tubular emitter, and a surface corresponding to the outer wall or inner wall of the tubular emitter is constituted by the large number of cylindrical emitter elements. It shall be included in the present invention.
〔第1実施形態〕
次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。初めに、本発明の第1実施形態による熱光起電力発電装置及び光電変換発電方法について、説明する。図1は、本発明の第1実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図2は、図1の熱光起電力発電装置の上面図である。図3は、図1の熱光起電力発電装置の長手方向に沿った断面図である。図4は、図1の熱光起電力発電装置の可燃性ガスの注入部の形状を示す斜視図である。図5は、図1の延長管の断面構造と作用の説明図である。[First Embodiment]
Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the thermophotovoltaic power generation apparatus and the photoelectric conversion power generation method according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an external view of a thermophotovoltaic power generator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view of the thermophotovoltaic power generator of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the thermophotovoltaic power generation apparatus of FIG. FIG. 4 is a perspective view showing the shape of a combustible gas injection part of the thermophotovoltaic power generation apparatus of FIG. FIG. 5 is an explanatory view of the cross-sectional structure and operation of the extension pipe of FIG.
本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、多角形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、支持円管部22と、六角燃焼管24と、延長管27と、を有する。六角燃焼管24と支持円管部22とは、ほぼ同じ直径を有する。本実施形態の六角燃焼管24は、図1や図2に示すように、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が六角形をなしている。
The thermophotovoltaic power generation apparatus of this embodiment has a tubular combustion chamber whose cross section substantially perpendicular to the central axis is a polygon. In the present embodiment, the tubular combustion chamber includes a support
さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が六角燃焼管24の中心軸と実質的に平行であり、六角燃焼管24の内側に配置された管状のエミッタ29を有する。本実施形態のエミッタ29は円柱形状のスピネル(MgAl2O4)からなり、管状の燃焼室の中央部に設置されたエミッタ支持台30の円周上に設置されている。さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、六角燃焼管24の平坦な内壁に設置された光電変換素子31を有する。Furthermore, the thermophotovoltaic power generator of this embodiment has a
エミッタ29の外直径は、光電変換素子31が室温に維持されるような間隙が確保できるように設定されている。例えば光電変換素子31と管状火炎端との間隔が1cmくらいになるように設定されている。空気の熱伝導度は比較的小さいので、光電変換素子31を室温に保つことができる。なお、図2では管状火炎32を、黒い帯状の領域で表示している。
The outer diameter of the
GaSb光電変換素子で変換できる1.7μm帯での放射光の波長スペクトル強度を増加させるために、エミッタ29には、Ni、Co、Mn、Feなどの遷移金属の内、少なくとも1種類の金属元素が質量比で1〜3%程度ドーピングされている。これらの金属添加物はスピネル(MgAl2O4)のMg位置に存在し、結晶場の影響をうけて、加熱時に1.7μmの波長近傍で発光する。In order to increase the wavelength spectrum intensity of the emitted light in the 1.7 μm band that can be converted by the GaSb photoelectric conversion element, the
エミッタの形状と個数、設置位置、母体とドーパントの材料は、必ずしも上記実施形態に限定されない。例えば、エミッタの断面形状は、内部が空洞の円管形状に限定されず、内部が空洞でない円柱形状であってよい。或いはエミッタの個数は複数であってもよい。例えば、燃焼管の中心線の周囲に放射状に細い円柱形状のエミッタを配列してもよい。本実施形態のように六角燃焼管を用いた場合には、六角燃焼管の中心線の周囲に放射状に細い円柱形状のエミッタを配列してもよい。さらにその内側に円管或いは円柱形状のエミッタを設置してもよい。 The shape and number of emitters, the installation positions, and the materials of the base and dopant are not necessarily limited to the above embodiments. For example, the cross-sectional shape of the emitter is not limited to a circular tube shape with a hollow inside, and may be a cylindrical shape with a hollow inside. Alternatively, the number of emitters may be plural. For example, thin cylindrical emitters may be arranged radially around the center line of the combustion tube. When a hexagonal combustion tube is used as in this embodiment, thin cylindrical emitters may be arranged radially around the center line of the hexagonal combustion tube. Furthermore, a circular tube or a columnar emitter may be installed inside.
エミッタの表面積をS[m2]、ステファン・ボルツマン定数をσ(=5.67×10−8W/m2K4)、エミッタの絶対温度をT[K]、放射率をεとすると、放射熱量Q[W]は、When the surface area of the emitter is S [m 2 ], the Stefan-Boltzmann constant is σ (= 5.67 × 10 −8 W / m 2 K 4 ), the absolute temperature of the emitter is T [K], and the emissivity is ε, The amount of radiant heat Q [W] is
と書ける。例えば、管状の燃焼室の軸を中心とする半径Rの円周上に長さLのエミッタ柱を隙間なく配置した場合、外部に放射するエミッタの表面積Sは2πRL〜π2RLとなる。(1)式のように、放射熱量Qはエミッタの絶対温度Tの4乗に比例するので、大きな出力を得るにはエミッタ温度を上げることが効果的であるが、NOx濃度を下げるためには、エミッタ温度を下げた方がよい。Can be written. For example, when the emitter column length L on the circumference of radius R centered on the axis of the tubular combustion chambers are arranged without a gap, the surface area S of the emitter to be emitted to the outside becomes 2πRL~π 2 RL. As shown in equation (1), the amount of radiant heat Q is proportional to the fourth power of the absolute temperature T of the emitter. Therefore, it is effective to increase the emitter temperature in order to obtain a large output, but to reduce the NO x concentration. It is better to lower the emitter temperature.
エミッタは800℃以上に加熱して使用するので、融点が1000℃以上の材料をエミッタに採用することが望ましい。加工のし易さを考慮するとエミッタには、融点が3000℃以下の材料を用いることが望ましい。エミッタ材料は、本実施形態のMgAl2O4(スピネル:融点2130℃)に限定されない。酸化物エミッタ材料としては、II族金属を有するアルミナ酸塩やシリカ酸塩が適している。或いは、例えばCaAl2O4、SrAl2O4、Al2O3(アルミナ:融点2015℃)などが適用できる。或いは、例えばMg2SiO4(カンラン石:融点1850℃)、MgSiO3(輝石:融点1560℃)、Zn2SiO4(融点1550℃)などが適用できる。或いは、例えばMgO(マグネシア:融点2800℃)、CaO(カルシア:融点2570℃)、CaBO4なども適用できる。或いは、ZrO2(融点2677℃)、Y2O3(融点2410℃)、WO3(融点1473℃)、Nb2O4(融点1520℃)、NiO(融点1995℃)などの金属酸化物も適用できる。Since the emitter is used after being heated to 800 ° C. or higher, it is desirable to employ a material having a melting point of 1000 ° C. or higher for the emitter. In consideration of ease of processing, it is desirable to use a material having a melting point of 3000 ° C. or less for the emitter. The emitter material is not limited to MgAl 2 O 4 (spinel: melting point 2130 ° C.) of the present embodiment. As the oxide emitter material, an aluminate or silicate having a Group II metal is suitable. Alternatively, for example, CaAl 2 O 4 , SrAl 2 O 4 , Al 2 O 3 (alumina: melting point 2015 ° C.) or the like can be applied. Alternatively, for example, Mg 2 SiO 4 (olivine: melting point 1850 ° C.), MgSiO 3 (pyroxene: melting point 1560 ° C.), Zn 2 SiO 4 (melting point 1550 ° C.), or the like can be applied. Alternatively, for example, MgO (magnesia: melting point 2800 ° C.), CaO (calcia: melting point 2570 ° C.), CaBO 4 or the like can be applied. Alternatively, metal oxides such as ZrO 2 (melting point: 2677 ° C.), Y 2 O 3 (melting point: 2410 ° C.), WO 3 (melting point: 1473 ° C.), Nb 2 O 4 (melting point: 1520 ° C.), NiO (melting point: 1995 ° C.) Applicable.
窒化物エミッタ材料としては、VN(融点2323℃)、NbN(融点2573℃)が比較的成型しやすい。炭化物エミッタ材料では、Cr3C2(融点2168℃)、Mo2C(融点2795℃)、SiC(融点2730℃)が比較的成型しやすい。ホウ化物エミッタ材料では、VB2(融点2673℃)、CrB(融点2373℃)、CrB2(融点2473℃)が比較的成型しやすい。シリサイド系エミッタ材料では、TiSi2(融点1773℃)、ZrSi2(融点1798℃)、CrSi2(融点1748℃)、NbSi2(融点2203℃)が比較的成型しやすい。エミッタ材料として、このような金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物や金属シリサイドも適用できる。As nitride emitter materials, VN (melting point 2323 ° C.) and NbN (melting point 2573 ° C.) are relatively easy to mold. In the carbide emitter material, Cr 3 C 2 (melting point 2168 ° C.), Mo 2 C (melting point 2795 ° C.), and SiC (melting point 2730 ° C.) are relatively easy to mold. In the boride emitter material, VB 2 (melting point: 2673 ° C.), CrB (melting point: 2373 ° C.), and CrB 2 (melting point: 2473 ° C.) are relatively easy to mold. In the silicide-based emitter material, TiSi 2 (melting point 1773 ° C.), ZrSi 2 (melting point 1798 ° C.), CrSi 2 (melting point 1748 ° C.), and NbSi 2 (melting point 2203 ° C.) are relatively easy to mold. As the emitter material, such metal nitride, metal carbide, metal boride, and metal silicide can also be applied.
エミッタは多孔質に限らず、焼結生成体や繊維体でもよい。エミッタ材料は、セラミックではなく、タングステンなどの高融点金属でもよい。高融点金属エミッタの表面には、波長選択構造を形成してもよい。 The emitter is not limited to porous, but may be a sintered product or a fiber. The emitter material is not ceramic but may be a refractory metal such as tungsten. A wavelength selective structure may be formed on the surface of the refractory metal emitter.
本実施形態の光電変換素子31はGaSb材料からなる。光電変換素子の材料はGaSbに限定されず、Ge、Si、InGaAs、InGaAsSbなどの材料を用いることもできる。また光電変換素子の表面に波長選択フィルタを設置してもよい。
The
光電変換素子31はDC(直流)出力端子28から、直流電流を出力する。煩雑さを避けるため、以下の実施形態の説明ではDC出力端子の記載を省略するが、光電変換素子には必ずDC出力端子がついているものとする。
The
一般に光電変換素子が受け取る光には、光電変換できない波長成分が含まれている。光電変換できない波長成分に起因して、光電変換素子内部で熱が発生する。その熱を外部に放出し、光電変換素子を室温に保つために、ヒートシンク25は六角燃焼管24の外側に設置されている。必要に応じて、外部から冷却ファンなどでヒートシンク25を冷却してもよい。ヒートシンク25のフィンの形状は、実施形態の形状に限定されない。
In general, light received by a photoelectric conversion element includes a wavelength component that cannot be photoelectrically converted. Due to the wavelength component that cannot be photoelectrically converted, heat is generated inside the photoelectric conversion element. The
さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、図1〜図4に示すように、六角燃焼管24内に燃料を供給する燃料注入部の一例としての、可燃性ガスの注入部33〜38を有する。この可燃性ガスの注入部33〜38は、図1〜図4に示すように、六角燃焼管24の長手方向に接続された円筒状の支持円管部22の接線方向に向けて取り付けられている。
Further, as shown in FIGS. 1 to 4, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment is a combustible
図4に、本発明の本実施形態の可燃性ガスの注入部の形状を示す。図4から分かるように、支持円管部22に形成する可燃性ガスの注入部33の内壁での開口部39の形状は略正方形である。この開口部39の形状は、管軸方向に沿った長いスリット状であってよいし、長いスリット状でなくともよい。本実施形態の可燃性ガスの注入部33〜38は、通路に沿って断面積が一定の形状である。可燃性ガスの注入部33の断面形状は、四角形に限定されず、円や楕円形状でもよい。
In FIG. 4, the shape of the injection | pouring part of the combustible gas of this embodiment of this invention is shown. As can be seen from FIG. 4, the shape of the
さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、六角燃焼管24内に配置され、可燃性ガスの注入部33〜38から六角燃焼管24の内部に供給された燃料に点火する点火部23を有している。点火部23は六角燃焼管24の底部にあり、電気火花を発生させて、燃料に着火する。点火部23の設置位置は、可燃性ガスの噴射口の近くが良い。ここで可燃性ガスは、炭化水素系ガスと空気とを予混合したものである。
Further, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment is arranged in the
図3に示すように、支持円管部22は台座21の上に固定されている。支持円管部22は、六角燃焼管24を支持している。
As shown in FIG. 3, the support
支持円管部22の内側には、エミッタ29を支える円筒状のエミッタ支持台30が台座21の上に固定されている。エミッタ支持台30は、断熱性の高い材料からなり、エミッタ29を3点で接触し支えている。
A
六角燃焼管24の開放端には、図3や図5に示すように断熱材26を挟んで延長管27が固定されている。図5に示すように、熱光起電力発電装置の稼働時には燃焼室の大部分は未燃焼ガス54に覆われているため、室温になっている。しかし管状火炎の軸方向の長さが燃焼室の長さより顕著に小さいと、排出ガス52が六角燃焼管24を加熱する。排出ガス52による六角燃焼管24の加熱により、六角燃焼管24の内壁に配置された光電変換素子31の温度が上昇してしまう。逆に、管状火炎の軸方向の長さが燃焼室の長さより顕著に大きいと、未燃焼ガス54が外部に放出され不完全燃焼しやすい。未燃焼ガス54が外部に放出され不完全燃焼しやすいと、CO濃度が上昇する。なお、図5では管状火炎32を、黒い帯状の領域で表示している。
As shown in FIGS. 3 and 5, an
本実施形態では、導入される可燃性ガスの流量は、管状火炎の軸方向の長さがほぼ燃焼室の長さになるように、調整される。本実施形態では断熱材26により、延長管27は六角燃焼管24と断熱されている。これにより、仮にガス流量の変動で六角燃焼管24の開放端に設置された延長管27が管状火炎で加熱されたとしても、六角燃焼管24の温度を上昇しにくくすることができる。言い換えると、図5に示すように、延長管27が管状火炎で加熱され延長管27に加熱部53ができても、加熱部53からの熱が六角燃焼管24や光電変換素子31へと伝わりにくくできる。
In the present embodiment, the flow rate of the combustible gas introduced is adjusted so that the axial length of the tubular flame is approximately the length of the combustion chamber. In this embodiment, the
次に、本実施形態の熱光起電力発電装置の動作について説明する。空気と炭化水素系ガスを燃焼に適した特定の割合で予混合し、可燃性ガス40とする。NOxの濃度を低減するためには、安定な火炎が得られる範囲で、燃料の空気に対する当量比を完全燃焼時の値より小さく制御し、燃料を希薄燃焼させる。次に、可燃性ガス40を可燃性ガスの注入部33〜38から燃焼室に噴射する。ここで、可燃性ガスを噴射する燃焼室は、支持円管部22である。注入部33〜38の可燃性ガスの注入方向は、図1、図2や図4に示すように、支持円管部22の接線方向である。これによって燃焼室の内部に可燃性ガスの旋回流を発生させる。可燃性ガス40を燃焼室内周面の接線方向に噴射することにより、燃焼室内部に六角燃焼管24の開放端に向かう可燃性ガス40の旋回流が生じる。Next, the operation of the thermophotovoltaic power generator of this embodiment will be described. Air and hydrocarbon gas are premixed at a specific ratio suitable for combustion to obtain a
炭化水素系ガスには、メタン、プロパン、ブタンなどを用いることができる。炭化水素系ガスは高圧保存容器から供給する。空気或いは酸素含有ガスの注入には、回転翼(ファン、ブロワー)或いは気体圧縮機(コンプレッサ)を用いる。炭化水素系ガスなどの可燃性ガスと空気を特定の割合で予混合するために、両者の供給流量を独立に制御する調節器を用いる。 As the hydrocarbon gas, methane, propane, butane, or the like can be used. The hydrocarbon gas is supplied from a high-pressure storage container. A rotor blade (fan or blower) or a gas compressor (compressor) is used for injection of air or oxygen-containing gas. In order to premix a combustible gas such as a hydrocarbon-based gas and air at a specific ratio, a regulator that independently controls the supply flow rate of both is used.
さらに、点火部23が発生する電気火花により、可燃性ガス40に着火する。着火した旋回流は管状火炎を形成して燃焼する。可燃性ガス40の噴射口が6か所あるので、容易に管状火炎が形成される。高圧で注入されたガスは、温度が低い。注入ガスと空気は低温かつ高密度のために、旋回時の遠心力で燃焼管の内壁近傍に分布する。このため光電変換素子31は、傍に火炎があるのにも関わらず、ほぼ室温に保たれる。そのため光電変換素子31を冷却するためのヒートシンク25などの冷却装置の重量や容量を減らすことができる。そのため運搬に適した光熱起電力発電装置が得られる。また管状火炎は燃焼室を加熱しないので、高い燃焼効率が得られる。
Further, the
導入される可燃性ガスの流量を、管状火炎の軸方向の長さがほぼ燃焼室の長さになるように、調整する。具体的な調節方法に関しては後で述べる。燃料は炭化水素系ガスに限定されず、灯油などの液体燃料を噴霧してガス化して注入してもよい。或いは6つの可燃性ガスの注入部33〜38において、交互に燃料と酸化剤を割り当てて、装置内部で急速混合させて燃焼させてもよい。可燃性ガスの注入部の数は、特に限定されるものではない。しかし燃焼室の直径が大きい場合は、旋回流を維持するために、注入部の数を増やすことが好ましい。複数の可燃性ガスの注入部の位置は、燃焼管の中心軸に関して回転対称に取り付ける。例えば、注入部の開口が注入数と等しい頂点を有する正多角形の頂点に位置するように設定する。可燃性ガスの注入方向は、すべて同方向の旋回流が発生する方向に設定する。
The flow rate of the combustible gas introduced is adjusted so that the axial length of the tubular flame is approximately the length of the combustion chamber. A specific adjustment method will be described later. The fuel is not limited to the hydrocarbon-based gas, and may be injected by spraying liquid fuel such as kerosene. Alternatively, in the six combustible
燃焼室内に配置されたエミッタ29は燃焼室の中心部に設置されているので、管状火炎で効率よく加熱される。本実施形態ではエミッタ29は円管形状であるために、加熱時に容易に温度が上昇する。エミッタ29により排出ガスの存在範囲が管壁部近傍に限定されるので、より少ない燃料で効率的に管状火炎が得られる。
Since the
燃焼室内に配置されたエミッタ29は発生した管状火炎により、エミッタ29の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ29は、エミッタ29の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。エミッタ29の周囲に位置する光電変換素子31に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子31はDC出力端子28から、直流電流を出力する。
The
本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、発生した管状火炎32によりエミッタ29の長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ29の長手方向に関してエミッタ29の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。これにより、エミッタ29の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子31の光電変換特性も均一になる。
According to the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment, since the generated
さらに本実施形態によれば、着火した旋回流は管状火炎を形成して燃焼する。高圧で注入されたガスは、温度が低い。注入ガスと空気は低温かつ高密度のために、旋回時の遠心力で燃焼管の内壁近傍に分布する。このため光電変換素子31は、傍に火炎があるのにも関わらず、ほぼ室温に保たれる。そのため光電変換素子31を冷却するためのヒートシンク25などの冷却装置の重量や容量を減らすことができる。そのため本実施形態によれば、運搬に適した光熱起電力発電装置が得られる。
Furthermore, according to the present embodiment, the ignited swirling flow forms a tubular flame and burns. The gas injected at high pressure has a low temperature. The injected gas and air are distributed near the inner wall of the combustion tube due to centrifugal force during swirling because of the low temperature and high density. For this reason, the
さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎を発生させて、燃焼室内に設置した円管形状のエミッタ29の表面を加熱している。管状火炎によりエミッタ29は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ29の長手方向に関して、放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ29の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子31の光電変換特性も均一になる。
Furthermore, according to the thermophotovoltaic power generation method of this embodiment, a tubular flame is generated in the combustion chamber, and the surface of the circular tube-shaped
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態による熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法について、説明する。図6は、本発明の第2実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図7は、図6の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図7は、図6の燃焼管66を外した熱光起電力発電装置の内部を示している。図8は、図6の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図9は、図6の熱光起電力発電装置の断面図である。図10は、図6の熱光起電力発電装置の部分拡大断面図である。煩雑さを避けるため、以下の実施形態ではDC出力端子の記載は省略するが、光電変換素子には必ずDC出力端子がついているものとする。[Second Embodiment]
Next, a thermophotovoltaic power generation apparatus and a thermophotovoltaic power generation method according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is an external view of a thermophotovoltaic power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a perspective view showing the inside of the thermophotovoltaic power generation apparatus of FIG. FIG. 7 shows the inside of the thermophotovoltaic power generation apparatus with the
本実施形態による熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が円形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、支持円管部62と、燃焼管66と、を有する。燃焼管66と支持円管部62とは、ほぼ同じ直径を有する。燃焼管66は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が円形をなしている。燃焼管66は剛性を有するステンレス鋼などからできている。燃焼管66の内面は鏡面である。反射率を高めるために、燃焼管66の内面に金などの反射膜を形成してもよい。燃焼管66の開放端側には、複数の排気口71が形成されている。図6や図8に示すように、燃焼管66の管自体の内部には排気ガス吸入孔67が対称に形成されており、排気ガス吸入孔67は可燃性ガスの注入部或いは空気の注入部とつながっている。さらに、燃焼管66の開放端には、上蓋73を介して空冷ファン74が取り付けられている。空冷ファン74は、第一の台座60、第二の台座61の中央に開けられた空冷用空気の取入れ口76から空気を吸い上げて、空冷用空気の排出口75から排出する。これによって、内部のヒートシンク68と光電変換素子69を冷却する。
The thermophotovoltaic power generator according to the present embodiment has a tubular combustion chamber whose cross section in a direction substantially perpendicular to the central axis is circular. In the present embodiment, the tubular combustion chamber has a support
さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が燃焼管66の中心軸と実質的に平行であり、燃焼管66の内側に配置されたエミッタ65を有する。本実施形態のエミッタ65は、第1実施形態の管状のエミッタ29とは異なり、多数の円柱形状のエミッタ要素を燃焼室78の外周部に設置されたエミッタ支持台64上に円環状に設置して、構成したものである。すなわち、図7や図8に示すように、多数の円柱形状のエミッタ要素が円管形状のエミッタ支持台64の円周上に配列しており、全体としてエミッタ65を構成しているものである。エミッタ65は、燃焼室78の内部に、燃焼管66の軸を中心とする円周上に設置される。エミッタ65は、エミッタ支持リング92で固定されている。
Further, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment includes an
本実施形態のエミッタ要素は、例えばマグネシア(MgO)製であり、直径10mm、長さ27cmの円柱形状である。燃焼管66の軸を中心とする半径8cmの円周上に48本のエミッタ要素が軸と平行に対称に設置されて、エミッタ65を構成している。実施形態のエミッタ要素の間隔は0.5mmであるが、エミッタ要素の数や直径を変えることで、エミッタ要素の間隔を制御できる。エミッタ要素の間隔を1mm程度開けることで排出ガスがエミッタ要素間を通過しやすくなり、排出ガスの熱を効率的にエミッタの加熱に使用できる。
The emitter element of this embodiment is made of, for example, magnesia (MgO) and has a cylindrical shape with a diameter of 10 mm and a length of 27 cm. Forty-eight emitter elements are arranged symmetrically in parallel with the axis on the circumference having a radius of 8 cm centered on the axis of the
本実施形態では、光電変換素子69に面する、エミッタ65の光放出面の面積は2035cm2(=0.5cm×3.14×27cm×48)である。本実施形態ではエミッタ温度1200℃で、1.2kWの電力が得られる。エミッタ温度1800℃ではその4倍の4.8kWの電力が得られる。さらに燃焼管の半径を倍にすれば10kW級の発電装置が得られる。In the present embodiment, the area of the light emission surface of the
マグネシア製のエミッタはNiが重量比2%の濃度でドーピングされており、エミッタの加熱時の放出光スペクトルには、1.7μm近傍に1μm程度の幅を持った放出波長のピークが見られる。この波長帯の光はGaSb系光電変換素子で電気に変換できるので、高い発電効率が得られる。 An emitter made of magnesia is doped with Ni at a concentration of 2% by weight, and an emission wavelength peak having a width of about 1 μm is observed in the vicinity of 1.7 μm in the emission light spectrum when the emitter is heated. Since light in this wavelength band can be converted into electricity by the GaSb-based photoelectric conversion element, high power generation efficiency can be obtained.
エミッタ65の内側には、内挿管70が配置されている。内挿管70は円管形状であり、その材料はサファイア或いはOH(水酸基)の含有量を100ppm以下に制御したシリカガラスである。内挿管70は、少なくとも波長0.35μm以上の可視域から波長4μm以下の赤外光に関して80%以上の高い透過率を有する。内挿管70はその少なくとも一部が赤外光又は赤外線の少なくとも一部を透過させる特徴を有するものである。
An
さらに内挿管70の内側には、断面形状が24角形の多角柱管93が設置されている。この多角柱管93の外側面には光電変換素子69が設置されており、内側面にはヒ−トシンク68が設置されている。内挿管70は、内挿管70の内側に位置する光電変換素子69を高温の排出ガスから隔離する働きをする。本実施形態の場合、図9に示されるように、燃焼室78は燃焼管66と内挿管70に挟まれた管状領域である。燃焼室78の上側には内蓋72が取り付けられている。内挿管70の内部には高温の排出ガスは入らない。内挿管70の内部は、空冷ファン74で吸い上げられた空冷用空気が通過する。加熱されたエミッタ65からの放射光は、内挿管70で殆ど吸収せず、光電変換素子69に照射される。放射光が光電変換素子69で電気に変換され、直流電流として外部に取り出される。
Further, a
さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、図6〜図8に示すように、燃焼管66内に燃料を供給する燃料注入部の一例としての、可燃性ガスの注入部80、82、84、86、88、90を有する。さらに、空気の注入部81、83、85、87、89、91を有する。可燃性ガスの注入部80、82、84、86、88、90と空気の注入部81、83、85、87、89、91は、支持円管部62に交互に12か所に対称に取り付けられている。図9や図10から分かるように、支持円管部62に形成する可燃性ガスの注入部80の内壁での開口部77の形状は略円形である。
Furthermore, as shown in FIGS. 6 to 8, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment is a combustible
さらに、本実施形態の熱光起電力発電装置は、図9に示すように支持円管部62内に配置され、可燃性ガスの注入部80などから支持円管部62の内部に供給された燃料に点火する点火部63を有している。点火部63は燃焼管66の底部にあり、電気火花を発生させて、着火する。
Further, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment is arranged in the support
さらに、図10に示すように、燃焼管66の管自体の内部には排気ガス吸入孔67が対称に形成されており、排気ガス吸入孔67は可燃性ガスの注入部或いは空気の注入部とつながっている。燃焼後の排出ガスは、排気口71から装置外部に排出されるが、その一部は排気ガス吸入孔67を通して燃焼室に取り込まれる。注入部は流速が速く、圧力が低いため、燃焼後の排出ガスの一部は、排気ガス吸入孔67を通って燃焼室に供給される。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低いため、燃焼速度が低下し、火炎温度の上昇を抑制することができる。排気ガス吸入孔67の直径や孔数は、熱電対やガスセンサを用いて燃焼室の温度や排出ガスをモニタしながら、燃料の当量比に対して最適化すればよい。燃焼管66の管自体の内部に対称に形成された排気ガス吸入孔67により、排出ガスの一部が燃焼室に取り込まれる。これによって、さらにNOxの生成を抑制することができる。Furthermore, as shown in FIG. 10, exhaust gas suction holes 67 are formed symmetrically inside the
さらに、支持脚58は、第一の台座60や第二の台座61を支持している。第一の台座60と第二の台座61とは図9や図10に示すように、お互いに接触せず、独立に支持脚58によって支持されている。第一の台座60は図9や図10に示すように、ヒートシンク支持台59と多角柱管93及びヒートシンク68を支えている。第二の台座61は図9や図10に示すように、支持円管部62と燃焼管66、エミッタ支持台64とエミッタ65及び内挿管70を支えている。内挿管70と光電変換素子69とは、お互いに接触せず、独立に支持されているので、内挿管70の熱は光電変換素子69に熱伝導で直接伝わらない。その結果、たとえ内挿管70が加熱されたとしても、光電変換素子69の温度上昇を抑制できる。
Further, the
次に本実施形態の熱光起電力発電装置の動作、熱光起電力発電方法について説明する。可燃性ガスが、可燃性ガスの注入部80、82、84、86、88、90を通して、支持円管部62の内部に管壁の接線方向に注入される。空気が、空気の注入部81、83、85、87、89、91を通して、支持円管部62の内部に管壁の接線方向に注入される。支持円管部62の内部に管壁の接線方向に注入された可燃性ガスと空気は、支持円管部62の内部で混合され、燃焼管の内壁近傍を旋回上昇する。これにより、燃焼管66と内挿管70に挟まれた管状領域である、燃焼室78の内部に燃焼管66の開放端に向かう混合ガスの旋回流が生じる。
Next, the operation of the thermophotovoltaic power generator of this embodiment and the thermophotovoltaic power generation method will be described. The combustible gas is injected into the inside of the support
本実施形態のエミッタ65は、燃焼室78の内部に、燃焼管66の軸を中心とする円周上に設置されている。点火部63が発生する電気火花により、可燃性ガスと空気との混合ガスに着火する。着火した旋回流は管状火炎79を形成して燃焼する。管状火炎79は、燃焼管66とエミッタ65の間に発生する。なお、図8及び図9では管状火炎79を、黒い帯状の領域で表示している。本実施形態による管状火炎79は、エミッタ65を加熱するが、燃焼室78は加熱しない。燃焼管66の内面を鏡面としているので、エミッタ65からの放射熱の大部分を燃焼管66は反射し、エミッタ65を再加熱する。なお、反射率を高めるために、燃焼管66の内面に金などの反射膜を形成してもよい。
The
燃焼室内に配置されたエミッタ65は燃焼室内の円周上に設置されているので、管状火炎79で効率よく加熱される。燃焼室内に配置されたエミッタ65は、発生した管状火炎79によりエミッタ65の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ65は、エミッタ65の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。エミッタ65の内側に位置する光電変換素子69に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子69はDC出力端子から、直流電流を出力する。
Since the
燃焼後の排出ガスは、排気口71から装置外部に排出されるが、その一部は排気ガス吸入孔67を通して燃焼室に取り込まれる。注入部は流速が速く、圧力が低いため、燃焼後の排出ガスの一部は、排気ガス吸入孔67を通って燃焼室に供給される。排出ガスを混入した燃焼用の空気は通常に比べて酸素濃度が低いため、燃焼速度が低下し、火炎温度の上昇を抑制することができる。排気ガス吸入孔67の直径や孔数は、熱電対やガスセンサを用いて燃焼室の温度や排出ガスをモニタしながら、燃料の当量比に対して、最適化することが考えられる。
Exhaust gas after combustion is discharged from the
本実施形態の熱光起電力発電装置によれば第1実施形態と同様に、発生した管状火炎によりエミッタ65の長手方向に関し均一に加熱され、エミッタ65の長手方向に関してエミッタ65の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ65の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子69の光電変換特性も均一になる。
According to the thermophotovoltaic power generator of this embodiment, as in the first embodiment, the generated tubular flame is uniformly heated in the longitudinal direction of the
さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎79を発生させて、燃焼室内に設置した多数配置された円柱形状からなるエミッタ65の表面を加熱している。管状火炎79によりエミッタ65は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ65の長手方向に関して放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ65の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子69の光電変換特性も均一になる。
Furthermore, according to the thermophotovoltaic power generation method of the present embodiment, a
本実施形態では、可燃性ガスと空気とを別々に燃焼室に供給し、燃焼室で急速混合させて燃焼させているので、逆火の恐れのない安全な装置を実現できる。本実施形態の熱光起電力発電装置では、空気に対する燃料の混合比を小さく制御して、NOxやCOや煤(すす)の発生量を小さくできる。空気と燃料の供給流量は、管状火炎79の長さがエミッタ65の長さと一致する値に制御する。空気は排出ガスによって加熱されるため、燃焼速度や燃焼効率が向上する。燃焼速度が高くなった分、供給する燃料と空気の量を多くして調整する。このように、本実施形態の熱起電力発電装置では管状火炎を用いることで、長いエミッタでも均一かつ急速に加熱することができる。発電出力向上に適した熱起電力発電装置を実現できる。In the present embodiment, the combustible gas and air are separately supplied to the combustion chamber and rapidly mixed in the combustion chamber and burned, so that a safe device without fear of backfire can be realized. A thermal photovoltaic power generation device of the present embodiment controls reduce the mixing ratio of fuel to air, it is possible to reduce the generation amount of the NO x and CO and soot. The supply flow rates of air and fuel are controlled so that the length of the
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態による熱光起電力発電装置及び熱光起電力発電方法について、説明する。図11は、本発明の第3実施形態の熱光起電力発電装置の外観図である。図12は、図11の熱光起電力発電装置の内部を示す斜視図である。図12は、図11の延長管113などを外した熱光起電力発電装置の内部を示している。図13は、図11の熱光起電力発電装置の内部構成を示す上面図である。図14は、図11の熱光起電力発電装置の断面図である。図15は、図11の熱光起電力発電装置の燃料導入口の内部形状を示す斜視図である。図16は、図11の熱光起電力発電装置の燃焼用空気導入口の断面図である。図17は、本発明の第3実施形態の熱光起電力装置の熱交換器の外観図である。[Third Embodiment]
Next, a thermophotovoltaic power generation apparatus and a thermophotovoltaic power generation method according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is an external view of a thermophotovoltaic power generator according to a third embodiment of the present invention. 12 is a perspective view showing the inside of the thermophotovoltaic power generation apparatus of FIG. FIG. 12 shows the inside of the thermophotovoltaic power generator with the
本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、円形をなしている、管状の燃焼室を有する。本実施形態では管状の燃焼室は、燃料ガス導入リング126と、透明燃焼管108と、延長管113と、を有する。空気導入リング127と、燃料ガス導入リング126と、透明燃焼管108とはほぼ同じ直径を有する。さらに、透明燃焼管108の外側には多角柱管110が配置されている。本実施形態の多角柱管110は、図12や図13に示すように、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が12角形をなしている。透明燃焼管108は、エミッタ106から放出される赤外光や赤外線の少なくとも一部を透過させる特徴を有する。
The thermophotovoltaic power generation apparatus of this embodiment has a tubular combustion chamber whose cross section substantially perpendicular to the central axis is circular. In the present embodiment, the tubular combustion chamber has a fuel
さらに本実施形態の熱光起電力発電装置は、中心軸が透明燃焼管108の中心軸と実質的に平行であり、透明燃焼管108の内側に配置されたエミッタ106を有する。本実施形態のエミッタ106は、第2実施形態のエミッタ65と同様に、多数配列された円柱形状のエミッタ要素から構成されるものである。本実施形態のエミッタ106の材料は、Coをド−ピングしたCaAl2O4(カルシア・アルミネ−ト)の焼結体である。ドーピングはCo3O4を重量比で2%程度混ぜて行う。CoはCaサイトを置換して導入される。ドーピングによりエミッタの波長1.7μm近傍の赤外放射光の放射率を高めることができる。本実施形態のエミッタ106は円柱形状のエミッタ要素からなり、燃焼室の中央部に設置されたエミッタ支持台104の円周上に設置されている。エミッタ106は、エミッタ支持リング112で固定されている。Further, the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present embodiment has an
さらに、エミッタ106の内側には内挿管105が設置されている。内挿管105が存在することにより、本実施形態の管状燃焼室128は、透明燃焼管108とその内部に設置された内挿管105に挟まれた領域になる。
Further, an
図12や図13に示すように、多角柱管110の内壁には光電変換素子109が接着され、多角柱管110の外壁にはヒ−トシンク111が接着されている。ヒ−トシンク111はアルミ材料でできている。内挿管105、エミッタ106、透明燃焼管108、多角柱管110は中心軸を共有し、お互いに間隔をあけて設置されている。エミッタ106、透明燃焼管108、光電変換素子109の管軸方向の長さはほぼ等しい。
As shown in FIGS. 12 and 13, the
点火部103が、台座101上の管状火炎の発生位置の近傍に取り付けられている。台座101は、支持脚100により支持されている。
The
透明燃焼管108の開放端には、延長管113が取り付けられている。延長管113の開放端には空気導入用ファン119が取り付けられている。延長管113の開放端付近には複数の排気口117が形成されている。
An
さらに、本実施形態では延長管113の内部に熱交換器116を有する。図17に示すように、熱交換器116は、熱交換器壁115が花びら形状の下蓋114と上蓋118で挟まれた構造をしている。下蓋114の花びらの部分のみ排出ガス122を通過させ、花びらの間の部分は閉ざされている。上蓋118の花びらの部分は閉ざされており、排出ガス122は熱交換器壁115を加熱した後、側壁の排出口117から外部に排出される。中央部分と花びらの間の部分はつながっている。
Furthermore, in this embodiment, the
次に、本実施形態の熱光起電力発電装置の動作を説明する。燃料ガスを、燃料ガス導入口123と燃料ガス導入口125の2か所から注入する。燃料ガス導入リング126には、燃料ガスが等間隔に形成された8か所の開口からリング内壁の接線方向に注入されるように、パイプ状のガスの注入経路が形成されている。加熱した空気は上昇しやすい。空気と燃料ガスを急速に混合するために、空気導入リング127は燃料ガス導入リング126の下に設置されている。空気導入リング127にも同様に、加熱空気が等間隔に形成された8か所の開口からリング内壁の接線方向に注入されるように、パイプ状の空気の注入経路が形成されている。これによって燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる。燃料ガスを燃焼室内周面の接線方向に噴射することにより、燃焼室内部に透明燃焼管108の開放端に向かう燃料ガスの旋回流が生じる。本実施形態では、透明燃焼管108とその内部に設置された内挿管105に挟まれた領域に、燃料ガスの旋回流が生じる。
Next, the operation of the thermophotovoltaic power generator of this embodiment will be described. Fuel gas is injected from two locations, the
燃焼用の空気121は、空気導入用ファン119によって上部の空気の取り入れ口120から送り込まれ、熱交換器116で加熱される。加熱された空気は、内挿管105の内側を通り、支持円管部102の底に達した後、周囲に回り込み、空気導入口124を通過して、空気導入リング127に等間隔に形成された8か所の開口から燃焼室に送り込まれる。延長管113は、透明燃焼管108と熱交換器116とを断熱かつ距離を調整し、安定な燃焼を補助している。
The
図14に示すように、内挿管105を通った加熱空気は、空気導入口124を通過した後、周囲に回り込み、空気導入リング127を通過して、リング内壁の接線方向に注入される。燃焼室に注入された空気と燃料ガスとは急速に混合する。さらに、点火部103が発生する電気火花により、混合ガスに着火する。着火した旋回流は管状火炎107を形成して燃焼する。燃料ガス導入リング126や空気導入リング127には噴射口が複数個所あるので、容易に管状火炎107が形成される。管状火炎107は、エミッタ106、透明燃焼管108の間に発生し、エミッタ106を均一に加熱する。なお、図13及び図14では管状火炎107を、黒い帯状の領域で表示している。
As shown in FIG. 14, the heated air that has passed through the
排出ガスの一部は、エミッタ柱の隙間を通り、内挿管105を外部から加熱する。内挿管105からの放射光は、エミッタ106に吸収されるので、透明燃焼管108の外部には殆ど放出されない。燃焼室内に配置されたエミッタ106は、発生した管状火炎107によりエミッタ106の長手方向に関し均一に加熱される。均一に加熱されたエミッタ106は、エミッタ106の長手方向に関し同一特性の赤外光又は赤外線を放射する。
A part of the exhaust gas passes through the gap between the emitter columns and heats the
エミッタ106から放射された赤外光又は赤外線は、エミッタ106の外側の透明燃焼管108を透過して、多角柱管110の内側に配置された光電変換素子109に入射する。光電変換素子109に赤外光又は赤外線が入射され、光電変換素子109はDC出力端子から、直流電流を出力する。
Infrared light or infrared light emitted from the
本実施形態では、燃焼用空気は、熱交換器116の上蓋118の中央部分と花びらの間の部分から取り入れられ、昇温した熱交換器壁115で加熱された後、内挿管105に注入される。エミッタ温度1200℃の時、排出ガスの温度は、熱交換器116によって800℃から300℃程度に冷却される。一方、燃焼用空気は室温から600℃程度に加熱される。排出ガスの熱エネルギの多くをエミッタ106の昇温に用いることができるので、燃焼効率が約2倍に向上する。また熱交換器116の熱交換壁の一部に穴を開ければ、燃焼後の排出ガスの一部を燃焼用の加熱空気に混ぜることができるので、排出ガス再循環の効果により、排出ガス中のNOxの濃度をさらに低減することもできる。In the present embodiment, the combustion air is taken in from the central portion of the
本実施形態では、希薄燃焼させて火炎温度を下げることで、排出ガス中のNOx濃度が数ppmと極めて小さい管状火炎107を形成できる。希薄燃焼の場合は、当量1の燃焼に較べ、燃料濃度が低いために、燃焼速度が小さくなる。また燃焼用空気の温度が高くなると、燃焼速度が大きくなる。燃焼速度が大きくなると管状火炎107の半径は大きくなる。燃焼ガスと空気の流量を増やすと管状火炎107の半径は小さくなる。このように空気や燃料ガスの温度、流量、流速を制御することで、エミッタ106を安定に加熱できる位置に管状火炎107を制御する。In the present embodiment, the
燃焼後の排出ガス122は、熱交換器116を通過して、延長管113の排気口117から排出される。空気導入用ファン119が送り込む空気の流速は、大きすぎると失火するので、管状火炎107が安定に形成される速度に調節する。透明燃焼管108に取り入れる燃料と空気の流量は、管状火炎107の管軸方向の長さがエミッタ106の長さとほぼ等しくなるように調整する。
The
本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、発生した管状火炎107によりエミッタ106の長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ106の長手方向に関してエミッタ106の放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ106の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子109の光電変換特性も均一になる。さらに本実施形態の熱光起電力発電装置によれば、取り入れられる燃焼用空気と排出される排出ガスとが、熱交換器116で熱交換する。これにより、取り入れられる燃焼用空気は加熱され、排出ガスは冷却される。これにより、排出ガスの熱エネルギの多くをエミッタ106の昇温に用いることができ、燃焼効率を向上させることができる。
According to the thermophotovoltaic power generation apparatus of this embodiment, since the generated
さらに本実施形態の熱光起電力発電方法によれば、燃焼室内に管状火炎107を発生させて、燃焼室内に設置したエミッタ106の表面を加熱している。管状火炎107によりエミッタ106は長手方向に関し均一に加熱されるので、エミッタ106の長手方向に関して放射する赤外光又は赤外線の波長特性が均一になる。エミッタ106の長手方向に関して、この赤外光又は赤外線が入射される光電変換素子109の光電変換特性も均一になる。
Furthermore, according to the thermophotovoltaic power generation method of the present embodiment, the
図18(a)は本発明の実施形態による管状火炎の態様を示す斜視図であり、図18(b)は背景技術の火炎の態様を示す斜視図である。特許文献1〜特許文献3などでは、エミッタの下端部を加熱している。このために、エミッタ上端に行くにしたがってエミッタの温度が低下する。燃料の当量比を上げると、多少火炎長は増大するが、やがて拡散火炎が生じ、火炎温度が低下して煤(すす)を発生してしまう。従って、背景技術では良好な燃焼状態で火炎長を増大させることが困難である。
FIG. 18A is a perspective view showing the aspect of the tubular flame according to the embodiment of the present invention, and FIG. 18B is a perspective view showing the aspect of the flame of the background art. In
一方、本発明の実施形態による熱光起電力発電装置では、管状の燃焼管の中心に軸対称に設置された細長い形状のエミッタを管状火炎で加熱する特徴を有する。管状火炎は、非常に均一な火炎であるために、エミッタの長手方向に温度勾配が生じない。管状火炎の幅は、半径方向の温度勾配が生じている厚さであり、実際は1mm程度の薄さである。当量比が大きくなると火炎厚は小さくなる。 On the other hand, the thermophotovoltaic power generation apparatus according to the embodiment of the present invention has a feature that an elongated emitter placed in an axial symmetry at the center of a tubular combustion tube is heated by a tubular flame. Since the tubular flame is a very uniform flame, there is no temperature gradient in the longitudinal direction of the emitter. The width of the tubular flame is a thickness at which a temperature gradient in the radial direction is generated, and is actually as thin as 1 mm. As the equivalence ratio increases, the flame thickness decreases.
図19は、背景技術のエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。図19から理解されるように背景技術では、エミッタの長手方向に10℃/cm程度の温度勾配が生じた。火炎に接する部分のエミッタ温度が1200℃の場合、40cm離れた点ではエミッタ温度は800℃に低下した。放出光エネルギ密度はエミッタの上端では1/5の強度に減少した。これはステファン・ボルツマンの法則により、エミッタからの放出光エネルギ密度が絶対温度の4乗に比例しているためである。
FIG. 19 is a graph showing the distance dependence of the emitter temperature and the emitted light energy density in the background art. As understood from FIG. 19, in the background art, a temperature gradient of about 10 ° C./cm was generated in the longitudinal direction of the emitter. When the emitter temperature at the part in contact with the flame was 1200 ° C., the emitter temperature decreased to 800 ° C. at a
図20は、本発明の実施形態によるエミッタの温度と放出光エネルギ密度の距離依存性を示すグラフである。本発明の実施形態ではエミッタの温度分布が一定であるために、均一な放出光エネルギ密度が得られる。本発明の実施形態では、エミッタ全体の放出光エネルギは背景技術の2倍になる。 FIG. 20 is a graph showing the distance dependence of emitter temperature and emitted light energy density according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, since the temperature distribution of the emitter is constant, a uniform emission light energy density can be obtained. In embodiments of the present invention, the emitted light energy of the entire emitter is twice that of the background art.
背景技術でエミッタ長を長くすると、エミッタの長手方向に光電変換素子の出力電圧と電流が減少する。光電変換素子は多数のセルを直列に接続しているので、全体の出力電圧が低下してしまうだけでなく、全体の出力が出力の小さいセルに制限されてしまう。 When the emitter length is increased in the background art, the output voltage and current of the photoelectric conversion element decrease in the longitudinal direction of the emitter. Since the photoelectric conversion element has a large number of cells connected in series, not only the overall output voltage is lowered, but the overall output is limited to cells having a small output.
これに対し本発明の実施形態では均一な出力が得られるので、背景技術の5倍の電力が得られる。また本発明の第2実施形態のように、円周状に配置されたエミッタの円周の半径とエミッタ長を任意の大きさに拡大しても均一な加熱が可能であるので、高い効率を維持したまま、出力を増大できる。 In contrast, in the embodiment of the present invention, a uniform output can be obtained, so that power five times that of the background art can be obtained. Further, as in the second embodiment of the present invention, uniform heating is possible even when the circumference radius and emitter length of the circumferentially arranged emitters are enlarged to an arbitrary size. The output can be increased while maintaining.
次に燃料の当量比に対して管状火炎の長さを制御する方法について述べる。管状火炎の長さLは、燃焼室の内径R、燃料の当量比φ、空気の流量QAir、燃焼速度vBに依存し、メタンガスの場合、Next, a method for controlling the length of the tubular flame with respect to the fuel equivalent ratio will be described. The length L of the tubular flame depends on the inner diameter R of the combustion chamber, the fuel equivalence ratio φ, the air flow rate Q Air , and the combustion speed v B. In the case of methane gas,
と表される。上式中の9.52は1モルのメタンの完全燃焼に必要な空気のモル数である。当量とは供給したガスに含まれる燃料の重量を供給した空気を完全燃焼できる燃料の重量で割った値である。燃焼速度vBは当量比φに依存する。当量比1のとき燃焼速度vBは最大となり、例えば20cm/s程度の速さになる。管状火炎は当量比が0.5〜1.5の広い領域で安定に実現できる。高効率かつ低NOx燃焼のためには当量比を1以下にする。当量比が1から減少するにつれて、燃焼速度は急速に減少する。よって当量比が減少するにつれて、管状火炎の長さLが増大する。或いは空気流量を固定して、ガス流量を上げると管状火炎の長さは減少する。It is expressed. 9.52 in the above formula is the number of moles of air required for complete combustion of 1 mole of methane. The equivalent is a value obtained by dividing the weight of the fuel contained in the supplied gas by the weight of the fuel that can completely burn the supplied air. The burning rate v B depends on the equivalence ratio φ. When the equivalence ratio is 1, the combustion speed v B is maximum, for example, about 20 cm / s. The tubular flame can be stably realized in a wide region having an equivalent ratio of 0.5 to 1.5. High efficiency and for low NO x combustion to the equivalent ratio to 1 or less. As the equivalence ratio decreases from 1, the burning rate decreases rapidly. Therefore, as the equivalence ratio decreases, the length L of the tubular flame increases. Alternatively, if the air flow rate is fixed and the gas flow rate is increased, the length of the tubular flame decreases.
図21は、当量比φを変えた時の管状火炎の長さの空気流量依存性を示すグラフである。燃焼管の内径は10cmである。当量比φを固定した場合、空気流量の増大とともに管状火炎の長さは増大する。空気流量を固定した場合、当量比φの減少とともに、管状火炎の長さは増大する。例えば当量比0.7のとき、30cmの管状火炎長を得るために、空気流量を41[m3/h]、メタンガス流量を3.0[m3/h]に制御した。このときの予混合気の吹込み速度は、開口径8mmで開口数8個の場合、20m/sとなる。開口面積を調整し、失火しない流速に設定した。図21のデータ線の傾きは当量比φが小さくなる程大きくなるが、通常の1cm3/sの精度を有する流量メータで1mm以下の十分正確な精度で管状火炎長を制御できた。FIG. 21 is a graph showing the air flow rate dependency of the length of the tubular flame when the equivalence ratio φ is changed. The inner diameter of the combustion tube is 10 cm. When the equivalence ratio φ is fixed, the length of the tubular flame increases as the air flow rate increases. When the air flow rate is fixed, the length of the tubular flame increases as the equivalence ratio φ decreases. For example, when the equivalence ratio is 0.7, in order to obtain a tubular flame length of 30 cm, the air flow rate was controlled to 41 [m 3 / h] and the methane gas flow rate was controlled to 3.0 [m 3 / h]. The blowing speed of the premixed gas at this time is 20 m / s when the opening diameter is 8 mm and the numerical aperture is 8. The opening area was adjusted, and the flow rate was set so as not to misfire. The slope of the data line in FIG. 21 increases as the equivalence ratio φ decreases, but the tubular flame length can be controlled with a sufficiently accurate accuracy of 1 mm or less with a normal flow meter having an accuracy of 1 cm 3 / s.
図22は、本発明の実施形態による熱光起電力装置のエミッタ温度の当量比依存性を示すグラフである。当量比が低下するとエミッタ温度が低下する。当量比0.6でエミッタ温度1200℃、当量比0.7でエミッタ温度1500℃が実現できた。以下に示すように、通常発電に用いるエミッタ温度1200℃〜1500℃で、基準値を満たすNOx低減が可能になった。FIG. 22 is a graph showing the equivalence ratio dependency of the emitter temperature of the thermophotovoltaic device according to the embodiment of the present invention. As the equivalence ratio decreases, the emitter temperature decreases. An emitter temperature of 1200 ° C. was achieved with an equivalent ratio of 0.6, and an emitter temperature of 1500 ° C. was achieved with an equivalent ratio of 0.7. As shown below, the
次に本発明の熱光起電力発電装置の排出ガス中のNOx濃度の低減効果について説明する。環境省は小型ボイラーや家庭用ガス給湯器などの小規模燃焼機器の排出ガスに関して推奨ガイドラインを提示している。それらのガス及び灯油を燃料に用いた小型焼機器の排出ガス中の基準NOx濃度はそれぞれ50〜60ppm、80ppm(酸素濃度0%換算時)である。従って、家庭に熱光起電力発電装置を普及するには、これらの基準を達成することが望ましい。Next, the effect of reducing the NO x concentration in the exhaust gas of the thermophotovoltaic power generator of the present invention will be described. The Ministry of the Environment presents recommended guidelines for emissions from small-scale combustion equipment such as small boilers and household gas water heaters. Each reference concentration of NO x in the exhaust gas of a small ware equipment using these gases and kerosene fuels 50-60 ppm, a 80 ppm (at an oxygen concentration of 0% conversion). Therefore, it is desirable to achieve these standards in order to popularize thermophotovoltaic power generators in the home.
燃料は当量比が1付近で完全燃焼し、メタンの場合、火炎温度は2200℃以上になる。このときNOx濃度は最大になる。当量比1で燃焼させる5kWクラスのガス給湯器の場合、酸素濃度0%換算時のNOx濃度は200ppm程度に達する。単に火炎温度を下げると不完全燃焼によりCOが増大するので、両立が必要である。CO濃度は100ppm以下が望ましい。The fuel burns completely when the equivalence ratio is near 1, and in the case of methane, the flame temperature becomes 2200 ° C. or higher. At this time, the NO x concentration becomes maximum. In the case of a gas water heater of 5 kW class that burns at an equivalent ratio of 1, the NO x concentration when the oxygen concentration is converted to 0% reaches about 200 ppm. If the flame temperature is simply lowered, CO increases due to incomplete combustion. The CO concentration is desirably 100 ppm or less.
図23は、本発明の実施形態による熱光起電力発電装置の排出ガス中のNOx濃度の当量比依存性を示すグラフである。当量比1で管状火炎を用いた場合、NOx濃度は80ppm、CO濃度は50ppmであった。当量比が1より小さくなるに従って、NOx濃度とCO濃度は共に減少した。当量比が0.6の場合、NOx濃度は5ppm程度、CO濃度は3ppm以下であった。当量比が0.7の場合、NOx濃度は17ppm程度、CO濃度は5ppm以下であった。当量比が0.85以下で、50ppmのNOx濃度基準値を達成できた。通常発電に用いるエミッタ温度1200℃〜1800℃で、NOx濃度基準値を達成した。FIG. 23 is a graph showing the equivalence ratio dependency of the NO x concentration in the exhaust gas of the thermophotovoltaic power generator according to the embodiment of the present invention. When a tubular flame was used at an equivalent ratio of 1, the NO x concentration was 80 ppm and the CO concentration was 50 ppm. As the equivalence ratio became smaller than 1, both the NO x concentration and the CO concentration decreased. When the equivalent ratio was 0.6, the NO x concentration was about 5 ppm and the CO concentration was 3 ppm or less. When the equivalent ratio was 0.7, the NO x concentration was about 17 ppm and the CO concentration was 5 ppm or less. Equivalent ratio is 0.85 or less, could achieve a concentration of NO x standard value of 50 ppm. The NO x concentration reference value was achieved at an emitter temperature of 1200 ° C. to 1800 ° C. used for normal power generation.
排出ガス再循環(EGR)動作した場合は、NOx濃度とCO濃度はさらに減少し、当量比0.7以下で、NOx濃度は10ppm以下になった。EGR動作では、全ての当量比で50ppmのNOx濃度基準値を達成できた。When the exhaust gas recirculation (EGR) operation was performed, the NO x concentration and the CO concentration further decreased, and the equivalent ratio was 0.7 or less, and the NO x concentration was 10 ppm or less. In the EGR operation, the NO x concentration reference value of 50 ppm was achieved at all equivalent ratios.
本発明の熱光起電力発電装置は、多様な燃料に適合するため、発電コストを下げられる利点がある。背景技術の熱光起電力発電装置では燃焼温度が不均一なために、重油や微粉炭など安価な燃料を用いた場合、煤(すす)が発生しやすい。特に重油や微粉炭など安価な燃料は煤(すす)が発生しやすい。煤(すす)がエミッタに付着すると放射光の波長スペクトルが変化し、発電効率が低下する。管状火炎は、メタン・プロパン・水素などの気体燃料、灯油,軽油などの液体燃料、プラスチックや木質バイオマスなどの固形燃料、C重油や,製鉄所からの副生成ガスなどの難燃性燃料といった様々な燃料に対して、容易に安定燃焼が可能である。 Since the thermophotovoltaic power generation apparatus of the present invention is suitable for various fuels, there is an advantage that the power generation cost can be reduced. In the background-art thermophotovoltaic power generation apparatus, the combustion temperature is uneven, and soot is likely to be generated when an inexpensive fuel such as heavy oil or pulverized coal is used. Inexpensive fuels such as heavy oil and pulverized coal tend to generate soot. When soot adheres to the emitter, the wavelength spectrum of the emitted light changes and power generation efficiency decreases. Tubular flames include gas fuels such as methane, propane, and hydrogen, liquid fuels such as kerosene and light oil, solid fuels such as plastic and woody biomass, C heavy oil, and flame retardant fuels such as by-product gas from steelworks. Stable combustion can be easily performed with respect to various fuels.
以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上述した第1実施形態では、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が六角形をなす六角燃焼管24を用いた。第2実施形態では、中心軸に対し実質的に垂直方向の断面が、円形をなしている燃焼管66を用いた。本発明の管状の燃焼室の形状はこれらに限定されるものではなく、その断面形状が円、或いは楕円、若しくは正四角形〜正三十六角形の正多角形とすることができる。エミッタは、融点が1000℃以上かつ3000℃以下である、金属、スピネル酸化物、ケイ酸塩化合物、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの少なくともいずれか一つを含む材料から、構成することができる。第1実施形態では、開放端から高温の排ガスが放出されるが、それらの熱は別に用意した熱交換器などを用いて、室内の暖房に有効活用することもできる。また、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
As mentioned above, although preferable embodiment and the Example of this invention were described, this invention is not limited to this. In the first embodiment described above, the
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)管状の燃焼室と、前記管状の燃焼室の内部に設置されたエミッタと、前記管状の燃焼室の内部に燃料ガスの旋回流を発生させる旋回流発生手段と、前記エミッタからの放射光を電気に変換する光電変換素子と、を有する熱光起電力発電装置。
(付記2)前記旋回流発生手段は、前記管状の燃焼室内に燃料を供給する複数の燃料注入部を備え、前記複数の燃料注入部は、前記管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられている、付記1に記載の熱光起電力発電装置。
(付記3)前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、前記エミッタは、前記管状の燃焼室の内側に前記管状の燃焼室の前記中心軸と実質的に平行な中心軸を有する円柱形状に配置され、前記光電変換素子は、前記エミッタの外側に配置されている、付記1又は付記2に記載の熱光起電力発電装置。
(付記4)前記管状の燃焼室は、前記管状の燃焼室の中心軸に対し実質的に垂直な断面が、円形、楕円形及び多角形のいずれか一つの形状を有しており、前記光電変換素子は、前記エミッタの内側に配置されており、前記エミッタと前記光電変換素子との間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、付記1又は付記2に記載の熱光起電力発電装置。
(付記5)前記エミッタは、前記管状の燃焼室の前記中心軸に対し、所定距離で多数のエミッタ要素が配列されて、全体的な外形が管状をなしている、付記3又は付記4に記載の熱光起電力発電装置。
(付記6)前記配列された多数の円柱形状のエミッタ部材で囲まれた空間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、付記5に記載の熱光起電力発電装置。
(付記7)前記内挿管の内側に多角柱管が配置されており、前記光電変換素子は前記多角柱管の側面に配置されている、付記6に記載の熱光起電力発電装置。
(付記8)前記管状の燃焼室の開放端に、断熱材を介して取り付けられた延長管をさらに有する、付記1乃至付記7のいずれか一つに記載の熱光起電力発電装置。
(付記9)前記延長管の内側に、前記燃料ガスが燃焼した後に排出される排出ガスの熱により装置内に取り込まれる空気を加熱する熱交換器をさらに有する、付記8に記載の熱光起電力発電装置。
(付記10)燃料ガスの旋回流を発生させ、前記旋回流により管状火炎を生成し、エミッタを前記管状火炎で加熱し、加熱された前記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する、熱光起電力発電方法。
(付記11)前記エミッタは管状の燃焼室に配置されており、前記管状の燃焼室に対し燃焼室の内壁の接線方向に燃料を導入し、管状の燃焼室の内部に燃焼ガスの旋回流を発生させて、前記エミッタを前記管状火炎で加熱する、付記10に記載の熱光起電力発電方法。A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(Appendix 1) A tubular combustion chamber, an emitter installed in the tubular combustion chamber, a swirl flow generating means for generating a swirl flow of fuel gas in the tubular combustion chamber, A thermophotovoltaic power generation device comprising: a photoelectric conversion element that converts radiated light into electricity.
(Supplementary Note 2) The swirl flow generating means includes a plurality of fuel injection portions for supplying fuel into the tubular combustion chamber, and the plurality of fuel injection portions are attached rotationally symmetrically in a tangential direction of the tubular combustion chamber. The thermophotovoltaic power generator according to
(Appendix 3) The tubular combustion chamber has a cross-section substantially perpendicular to the central axis of the tubular combustion chamber having one of a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape. Is arranged in a cylindrical shape having a central axis substantially parallel to the central axis of the tubular combustion chamber inside the tubular combustion chamber, and the photoelectric conversion element is arranged outside the emitter. The thermophotovoltaic power generator according to
(Appendix 4) The tubular combustion chamber has a cross-section substantially perpendicular to the central axis of the tubular combustion chamber having one of a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape. The conversion element is disposed inside the emitter, and an insertion tube having a central axis substantially parallel to the tubular combustion chamber is inserted between the emitter and the photoelectric conversion element. The thermophotovoltaic power generator according to 1 or 2
(Supplementary Note 5) The supplementary note 3 or the supplementary note 4, wherein the emitter has a tubular shape as a whole by arranging a large number of emitter elements at a predetermined distance with respect to the central axis of the tubular combustion chamber. Thermophotovoltaic power generator.
(Additional remark 6) The intubation pipe | tube which has a central axis substantially parallel to the said tubular combustion chamber is inserted in the space enclosed with the said many arranged cylindrical column-shaped emitter members. Thermophotovoltaic power generator.
(Supplementary note 7) The thermophotovoltaic power generation device according to supplementary note 6, wherein a polygonal column tube is disposed inside the inner tube, and the photoelectric conversion element is disposed on a side surface of the polygonal column tube.
(Supplementary note 8) The thermophotovoltaic power generation device according to any one of
(Appendix 9) The thermophotovoltaic generator according to appendix 8, further comprising a heat exchanger for heating air taken into the apparatus by heat of exhaust gas discharged after the fuel gas is combusted inside the extension pipe. Electric power generator.
(Supplementary Note 10) Heat generated by generating a swirling flow of fuel gas, generating a tubular flame by the swirling flow, heating an emitter with the tubular flame, receiving radiation light from the heated emitter and converting it into electricity Photovoltaic power generation method.
(Appendix 11) The emitter is disposed in a tubular combustion chamber, and fuel is introduced into the tubular combustion chamber in a direction tangential to the inner wall of the combustion chamber, and a swirling flow of combustion gas is introduced into the tubular combustion chamber. The thermophotovoltaic power generation method according to
この出願は、2013年12月24日に出願された日本出願特願2013−265517号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2013-265517 for which it applied on December 24, 2013, and takes in those the indications of all here.
21、101 台座
22、62 支持円管部
23、63、103 点火部
24 六角燃焼管
25、68、111 ヒートシンク
26 断熱材
27、113 延長管
28 DC出力端子
29、65、106 エミッタ
30、64、104 エミッタ支持台
31、69、109 光電変換素子
32、79、107 管状火炎
33〜38 可燃性ガスの注入部
52、122 排出ガス
58、100 支持脚
59 ヒートシンク支持台
60 第一の台座
61 第二の台座
66 燃焼管
67 排気ガス吸入孔
70、105 内挿管
71 排気口
72 内蓋
73、118 上蓋
74 空冷ファン
75 空冷用空気の排出口
76 空冷用空気の取入れ口
77 開口部
78 燃焼室
80、82、84、86、88、90 可燃性ガスの注入部
81、83、85、87、89、91 空気の注入部
92、112 エミッタ支持リング
93、110 多角柱管
108 透明燃焼管
114 下蓋
115 熱交換器壁
116 熱交換器
117 排気口
119 空気導入用ファン
120 空気の取り入れ口
121 燃焼用の空気
123、125 燃料ガス導入口
124 空気導入口
126 燃料ガス導入リング
127 空気導入リング
128 管状燃焼室21, 101
Claims (10)
前記複数の燃料注入部は、前記管状の燃焼室の接線方向に回転対称に取り付けられている、請求項1に記載の熱光起電力発電装置。The swirl flow generating means includes a plurality of fuel injection portions for supplying fuel into the tubular combustion chamber,
The thermophotovoltaic power generator according to claim 1, wherein the plurality of fuel injection portions are attached rotationally symmetrically in a tangential direction of the tubular combustion chamber.
前記エミッタは、前記管状の燃焼室の内側に前記管状の燃焼室の前記中心軸と実質的に平行な中心軸を有する円柱形状に配置され、
前記光電変換素子は、前記エミッタの外側に配置されている、請求項1又は請求項2に記載の熱光起電力発電装置。The tubular combustion chamber has a cross section substantially perpendicular to the central axis of the tubular combustion chamber having any one of a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape,
The emitter is disposed in a cylindrical shape having a central axis substantially parallel to the central axis of the tubular combustion chamber inside the tubular combustion chamber;
The thermophotovoltaic power generation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the photoelectric conversion element is disposed outside the emitter.
前記光電変換素子は、前記エミッタの内側に配置されており、
前記エミッタと前記光電変換素子との間に、前記管状の燃焼室と実質的に平行な中心軸を有する内挿管が挿入されている、請求項1又は請求項2に記載の熱光起電力発電装置。The tubular combustion chamber has a cross section substantially perpendicular to the central axis of the tubular combustion chamber having any one of a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape,
The photoelectric conversion element is disposed inside the emitter,
The thermophotovoltaic power generation according to claim 1 or 2, wherein an inner tube having a central axis substantially parallel to the tubular combustion chamber is inserted between the emitter and the photoelectric conversion element. apparatus.
エミッタを前記管状火炎で加熱し、加熱された前記エミッタからの放射光を受光し電気に変換する、熱光起電力発電方法。Generating a swirling flow of fuel gas, generating a tubular flame by the swirling flow,
A thermophotovoltaic power generation method in which an emitter is heated by the tubular flame, and radiation light from the heated emitter is received and converted into electricity.
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