JP4538981B2

JP4538981B2 - 熱光発電装置

Info

Publication number: JP4538981B2
Application number: JP2001124801A
Authority: JP
Inventors: 英樹中山; 清仁村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: JP2002319693A; US20020153035A1; US7045703B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱源から輻射される赤外光（赤外線、熱線ともいう）を光電変換素子（光電変換セル）にて電力に変換する熱光起電力変換(thermophotovoltaic energy conversion)により発電を行う熱光発電装置（ＴＰＶシステム）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光発電装置では、輻射体（エミッタ）を加熱することにより、その輻射体から一定の波長の赤外光を輻射させ、その赤外光を光電変換素子に入射させて電力に変換する。熱光発電装置は、可動部分を持たないため、無騒音・無振動システムを実現することができる。
【０００３】
次世代のエネルギ源として、熱光発電は、クリーン性、静粛性などの点で優れている。エミッタを加熱するために、燃焼熱、太陽熱、原子核崩壊熱などが利用可能であるが、一般的には、ブタンなどのガス燃料の燃焼により発生する燃焼ガスがエミッタ加熱用に利用される。
【０００４】
例えば、特開昭６３−３１６４８６号公報には、多孔質固体により製作されたエミッタと、燃焼ガスがそのエミッタ内を通過するように構成されたエミッタ加熱手段と、そのエミッタからの輻射エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、から構成される熱光発電装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、熱光発電装置は、主として、燃焼器、輻射体、光電変換素子から構成され、現在、実用段階へと入りつつあるが、それらの最適な配置については、十分な検討が何らなされていない状況にある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成要素を最適に配置した構造を採用することにより効率のよい発電を達成する熱光発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の側面によれば、燃料及びエアの供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から発生する燃焼ガスが内部を通過することによって加熱される多孔質体エミッタと、前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換素子と、を備える熱光発電装置において、前記燃焼器の上側に前記エミッタを配置し、前記燃焼器の下側に前記光電変換素子を配置したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【０００８】
上述の如く構成された、本発明の第一の側面による熱光発電装置においては、燃焼ガスが燃焼室内に留まることなく、燃焼器上側に配置されたエミッタを通過するために、燃焼状態が安定するとともに、熱伝達によりエミッタが効率良く加熱されるため、エミッタ表面からの輻射エネルギ（輻射光）が増大し、一層効率良く発電することができる。
【０００９】
また、本発明の第二の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記燃焼器に供給されるエアが、前記燃焼器による燃焼が起こる燃焼室に向かうように、前記エアを整流する整流部材が、更に設けられる。
【００１０】
この本発明の第二の側面による熱光発電装置においては、整流部材によりエアが確実に燃焼器の燃焼室内に導入されることにより、燃焼ガスが効率良く燃焼室から排気されるので、燃焼状態が安定する。
【００１１】
また、本発明の第三の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記フィルタを前記光電変換素子とともに前記燃焼器の下側に配置し、前記エアを前記フィルタに向けて積極的に流すように構成される。
【００１２】
この本発明の第三の側面による熱光発電装置においては、フィルタが備えられるが、このフィルタが積極的に冷却されることにより、フィルタの過剰加熱が防止される。
【００１３】
また、本発明の第四の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記エミッタを通過した燃焼ガスが装置の上部から排出されるように構成される。
【００１４】
この本発明の第四の側面による熱光発電装置においては、エミッタを通過した燃焼ガスが上部排気とされていることで、更に抵抗少なく外部に排出されるので、排気効率が向上する。したがって、エア供給用のコンプレッサ等が設けられる場合に、そのコンプレッサ等への給電を最小限に抑えることができる。
【００１５】
また、本発明の第五の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記燃料と前記エアとが予め混合される予混合室が更に設けられる。
【００１６】
この本発明の第五の側面による熱光発電装置においては、予混合により常にエアが供給される状態にされることで、燃焼状態が安定化する。
【００１７】
また、本発明の第六の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記エアを供給する配管を前記フィルタの近傍まで延長し、前記エアを直接にフィルタに当てるように構成される。
【００１８】
この本発明の第六の側面による熱光発電装置においては、フィルタが備えられるが、フィルタの冷却効果が高められ、かつ、エアが確実に燃焼室に供給されることとなる。
【００１９】
また、本発明の第七の側面によれば、上記本発明の第一の側面による熱光発電装置において、前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記燃焼器による燃焼が起こる燃焼室内において前記燃料の配管と前記エアの配管とによる二重構造が設けられる。
【００２０】
この本発明の第七の側面による熱光発電装置においては、エア配管からフィルタの面内全域にエアを供給することができるため、フィルタ及び光電変換素子の面内温度が一層均一に冷却されることとなり、また、燃焼室内にエア配管が設けられるため、確実にエアを供給することができ、その結果、安定燃焼を実現することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１及び図２は、本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示で示す正面図及び平面図である。図１に示されるように、この熱光発電装置においては、上側から、排気管１０、熱交換部１２、多孔質体のエミッタ１４、燃焼器（バーナ）１６、波長選択フィルタ１８及び複数の光電変換セル２０が配置される構造とされている。燃焼器１６が配置される、エミッタ１４とフィルタ１８との間の部分が、燃焼室となっている。
【００２３】
そして、光電変換セル２０の下側に符号２２で示されるのは、半導体素子である光電変換セル２０から熱を吸収して外部に放散させるためのヒートシンクである。また、符号２４は、燃焼用のエアを導入するエア配管、符号２６は、そのエア配管の途中に設けられたコンプレッサである。
【００２４】
コンプレッサ２６にて圧縮されたエアは、ヒートシンク２２の部分を通過し、さらに光電変換セル２０の表面部分を通過することにより、光電変換セル２０の冷却に利用される。
【００２５】
次いで、エアは、装置の側面に設けられた配管を通して熱交換部１２に導かれ、その中の配管を通ることにより、後述の如くエミッタを加熱した後の燃焼ガスとの間で熱交換を行う。この熱交換により加熱されたエアは、燃焼器１６が配置された燃焼室に導入されるとともに、フィルタ１８に向けて積極的に流される。
【００２６】
一方、燃料ガスは、燃料配管２８から燃焼器１６へと供給される。燃焼器１６は、円筒形の配管が長方形の各辺を形成する形状とされている。そして、燃焼器１６には、内側水平方向に燃料ガスを噴出するための噴出口が所定間隔ごとに設けられている。燃焼室には前述の如くエアが導入されており、各噴出口にて点火せしめられた燃料ガスは、燃焼してほぼ水平方向の火炎を形成する。
【００２７】
燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、上昇して多孔質体エミッタ１４の内部を通過する。エミッタ１４は、その通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、その下面から赤外光を輻射する。輻射された赤外光は、フィルタ１８に到達する。
【００２８】
フィルタ１８は、光電変換に寄与する波長成分のみを選択して透過せしめる一方、光電変換に寄与しない成分をエミッタ１４の側へ反射してエミッタ１４の加熱に利用する。フィルタ１８を透過した赤外光は、光電変換セル２０に入射して電力に変換される。
【００２９】
エミッタ１４の内部を通過してエミッタを加熱した後の燃焼ガスは、熱交換部１２にて前述のようにエアを加熱した後、装置の上部に取り付けられた排気管１０から排出される。
【００３０】
上述のように、本実施形態においては、燃焼用のエアは、光電変換セル２０の冷却のために利用される。したがって、光電変換セル２０の温度上昇による光電変換効率低下が回避される。
【００３１】
また、エミッタ１４を加熱した後の燃焼ガスは、燃焼に必要なエアの予熱に利用される。この予熱されたエアと燃料とにより燃焼が起こるため、燃焼ガスの温度が上昇し、それに応じてエミッタ１４の温度も上昇する。その結果、エミッタ１４からの輻射強度が増大し、かくして、光電変換セル２０で発生する電力が増大することとなる。
【００３２】
ところで、図１及び図２に示される熱光発電装置においては、上側から、排気管１０、熱交換部１２、エミッタ１４、燃焼器１６、フィルタ１８及び光電変換セル２０が配置されているが、その逆に、図３に示されるように、装置の下側から、排気管１０、熱交換部１２、エミッタ１４、燃焼器１６、フィルタ１８及び光電変換セル２０を配置する構造も考えられる。
【００３３】
しかしながら、図３に示されるように燃焼器１６の下側にエミッタ１４を配置し燃焼器１６の上側にフィルタ１８及び光電変換セル２０を配置する構造の場合、高温燃焼ガス（ＣＯ₂、未燃ガス）が燃焼室内に残り、燃焼ガスが効率良く排出されないため、燃焼状態が不安定になる。
【００３４】
図３に示される構造で、燃焼ガスを燃焼室から排出するために、エア供給量を増大させたり、あるいは排気管側から強制的にガスを吸引するなどの方法が考えられる。しかし、エア供給量を増大させる場合には、燃焼ガス温度が下がるという問題があり、また、排気管側から強制的にガスを吸引する場合には、そのためのポンプが必要になるという問題がある。
【００３５】
また、図３に示されるように、燃焼器１６の上側にフィルタ１８及びセル２０を配置すると、高温燃焼ガスによりフィルタ及びセルが過剰加熱されてしまい、発電性能が低下するという問題も生ずる。
【００３６】
一方、図１に示されるように燃焼器１６の上側にエミッタ１４を配置し燃焼器１６の下側にフィルタ１８及び光電変換セル２０を配置する構造によれば、高温燃焼ガスは、燃焼室内に留まることなく、上側に配置された多孔質体エミッタ１４を通過して排出されていく。
【００３７】
そのため、燃焼状態が安定化し、その熱伝達によりエミッタが高温に加熱されるので、エミッタ表面からの輻射エネルギが増大する。結果として、セル表面での発電量が増加し、発電性能が向上する。
【００３８】
また、図１に示される実施形態においては、エミッタ１４と燃焼室との間には、エアが燃焼室に向かうようにエアを整流する整流部材としての整流板３０が設けられている。このように整流板３０を介してエアを確実に燃焼室内に導入することで、燃焼ガスが効率良く燃焼室から排出され、燃焼状態が安定化する。
【００３９】
更に、整流板３０の存在により、エアがフィルタ１８に到達してフィルタを冷却するため、フィルタの過剰加熱を防止することができる。一方、図３に示される構造では、フィルタが滞留燃焼ガスにより加熱されて高温となるため、燃焼室側に誘電多層膜をコーティングすることができず、石英基板を燃焼室側に配置してフィルタ膜をセル側に配置したフィルタ構造とする必要がある。この構造では、石英基板で光が吸収されてしまい、フィルタ膜の反射再吸収率が低下し、発電性能が落ちる。これに対し、図１に示される構造では、フィルタが低温となるため、燃焼室側にフィルタ膜を蒸着することができ、その結果、石英基板での吸収を抑えることができ、発電性能が向上する。
【００４０】
また、図１に示されるように燃焼器１６の上側にエミッタ１４を配置して装置の上部から排気する構造では、排気効率が上がるため、エア供給用のコンプレッサ２６への給電量を低減することができる。この面からも、ＴＰＶシステムの性能が向上する。
【００４１】
図４は、本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示で示す正面図である。図４については、図１における要素と同一の要素には同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。この実施形態においては、エアと燃料ガスとが予め混合される予混合室４０が設けられている。こうして常にエアが供給される状態にされることで、燃焼状態が安定化する。
【００４２】
図５は、本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示で示す正面図である。図５については、図１における要素と同一の要素には同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。この実施形態においては、エア配管５０がフィルタ１８の近傍まで延長せしめられており、エアが直接にフィルタ１８に当てられるようになっている。かくして、フィルタの冷却効果が高められ、かつ、エアが確実に燃焼室に供給されることとなる。
【００４３】
図６は、本発明の第四実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示で示す正面図である。図６については、図１における要素と同一の要素には同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。この実施形態においては、エア配管６０が燃焼室内のフィルタ１８の上側に配置され、燃料ガス配管とエア配管とによる二重構造とされている。
【００４４】
かくして、エア配管６０の開口部からフィルタ１８の面内全域にエアを供給することができるため、フィルタ１８及び光電変換セル２０の面内温度が一層均一に冷却されることとなる。また、燃焼室内にエア配管が設けられるため、確実にエアを供給することができ、その結果、安定燃焼を実現することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱光発電装置においてその構成要素が最適に配置された構造とされることにより、効率のよい発電が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示として示す正面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示として示す平面図である。
【図３】かかる第一実施形態に係る熱光発電装置に対する比較例を一部断面表示として示す正面図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示として示す正面図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示として示す正面図である。
【図６】本発明の第四実施形態に係る熱光発電装置の構成を一部断面表示として示す正面図である。
【符号の説明】
１０…排気管
１２…熱交換部
１４…多孔質体エミッタ
１６…燃焼器（バーナ）
１８…波長選択フィルタ
２０…光電変換セル
２２…ヒートシンク
２４…エア配管
２６…コンプレッサ
２８…燃料配管
３０…エア整流板
４０…予混合室
５０…エア配管
６０…エア配管

Claims

燃料及びエアの供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から発生する燃焼ガスが内部を通過することによって加熱される多孔質体エミッタと、前記エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換素子と、を備える熱光発電装置において、前記燃焼器の上側に前記エミッタを配置し、前記燃焼器の下側に前記光電変換素子を配置したことを特徴とする熱光発電装置。
前記燃焼器に供給されるエアが、前記燃焼器による燃焼が起こる燃焼室に向かうように、前記エアを整流する整流部材を更に設けた、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記フィルタを前記光電変換素子とともに前記燃焼器の下側に配置し、前記エアを前記フィルタに向けて積極的に流すように構成されている、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記エミッタを通過した燃焼ガスが装置の上部から排出されるように構成されている、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記燃料と前記エアとが予め混合される予混合室を更に設けた、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記エアを供給する配管を前記フィルタの近傍まで延長し、前記エアを直接にフィルタに当てるように構成されている、請求項１に記載の熱光発電装置。
前記エミッタからの輻射光の波長を調整するフィルタを更に備え、前記燃焼器による燃焼が起こる燃焼室内において前記燃料の配管と前記エアの配管とによる二重構造を設けた、請求項１に記載の熱光発電装置。