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JP6327940B2 - Power generator - Google Patents

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JP6327940B2
JP6327940B2 JP2014101515A JP2014101515A JP6327940B2 JP 6327940 B2 JP6327940 B2 JP 6327940B2 JP 2014101515 A JP2014101515 A JP 2014101515A JP 2014101515 A JP2014101515 A JP 2014101515A JP 6327940 B2 JP6327940 B2 JP 6327940B2
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剛仁 伊藤
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Description

本発明は、光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置に関する。   The present invention relates to a power generation apparatus that includes a photothermal power generation element having an emitter that emits electrons upon receiving light and heat, and a collector that captures electrons emitted from the emitter, and that generates power between the emitter and the collector.

下記の非特許文献1には、光電変換と熱電子発電を組み合わせた光励起熱電子放出 (Photon Enhanced Thermionic Emission:PETE) により発電する発電装置が開示されている。
この発電装置は、半導体で構成されたエミッタに集光した太陽光が照射されるように構成され、太陽光の短波長域の光を半導体中の光励起に、長波長領域の光を半導体の加熱に利用することで、光励起と加熱との相乗効果によりエミッタから電子を放出するとともに、放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子(PETE素子)を備えている。また、この文献に記載の発電装置では、太陽光のみを発電のエネルギ源として使用しており、エミッタに照射する太陽光の集光率を例えば1000倍以上とすることで、所定の電力を得ている。
Non-Patent Document 1 below discloses a power generation device that generates power by photon-excited thermionic emission (PETE) that combines photoelectric conversion and thermoelectric power generation.
This power generation device is configured to irradiate condensed sunlight to an emitter made of a semiconductor, and light in a short wavelength region of sunlight is used for photoexcitation in the semiconductor, and light in a long wavelength region is heated for the semiconductor. By using this, a photothermal power generation element (PETE element) having a collector for capturing electrons emitted from the emitter and a collector for capturing the emitted electrons by a synergistic effect of photoexcitation and heating is provided. Further, in the power generation device described in this document, only sunlight is used as an energy source for power generation, and a predetermined power is obtained by increasing the concentration ratio of sunlight irradiated to the emitter, for example, 1000 times or more. ing.

J.W.Schwede, I.Bargatin, D.C.Riley, B.E.Hardin, S.J.Rosenthal, Y.Sun, F.Schmitt, P.Pianetta, R.T.Howe, Z.-X.Shen, N.A.Melosh, "Photon Enhanced Thermionic Emission for Solar Concentrator Systems," Nature Materials 9, 762-767, (2010)JWSchwede, I.Bargatin, DCRiley, BEHardin, SJRosenthal, Y.Sun, F.Schmitt, P.Pianetta, RTHowe, Z.-X.Shen, NAMelosh, "Photon Enhanced Thermionic Emission for Solar Concentrator Systems , "Nature Materials 9, 762-767, (2010)

しかしながら、上記非特許文献1の発電装置において、所定の電力を得るためには、太陽光の集光率を1000倍以上にすることが必要となる。よって、このような集光率を実現する大型の集光装置が必要となり、発電装置が大型化するという問題がある。さらに、悪天候等で十分な太陽光が得られない場合では、安定して発電出力が得られないという問題がある。   However, in the power generation device of Non-Patent Document 1, in order to obtain predetermined power, it is necessary to increase the sunlight condensing rate to 1000 times or more. Therefore, there is a problem that a large condensing device that realizes such a condensing rate is required, and the power generation device becomes large. Furthermore, when sufficient sunlight cannot be obtained due to bad weather or the like, there is a problem that power generation output cannot be stably obtained.

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、装置の小型化を図ることができつつも、所定の電力を得ることができる発電装置を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to this point, and an object of the present invention is to provide a power generator capable of obtaining a predetermined power while reducing the size of the apparatus.

この目的を達成するための本発明に係る発電装置は、
光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、その第1特徴構成は、
太陽光を10倍以上100倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段と、
前記エミッタの温度を650K以上に加熱する加熱手段とを備え、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが、0.8eV以上1.6eV以下に選択されており、
前記加熱手段の熱源が、燃料を燃焼させて発生する排ガスである点にある。
To achieve this object, the power generator according to the present invention comprises:
A power generation device that includes a photothermal power generation element having an emitter that emits electrons upon receiving light and heat, and a collector that captures electrons emitted from the emitter, and that generates power between the emitter and the collector, the first feature thereof The configuration is
Condensing irradiation means for condensing sunlight at a concentration ratio of 10 to 100 times and irradiating the emitter;
Heating means for heating the temperature of the emitter to 650 K or higher,
The band gap of the semiconductor constituting the emitter is selected from 0.8 eV to 1.6 eV ,
The heat source of the heating means is exhaust gas generated by burning fuel .

上記発電装置の第1特徴構成によれば、集光照射手段と加熱手段との両方が備えられる。そして、これら両方の手段から電子(熱電子)の発生側となるエミッタに太陽光エネルギと熱エネルギとの両方を与える。従って、本願に係る発電装置でも光熱発電の原理に基づいて、これら両方の手段によりエミッタに与えられるエネルギを利用して発電を行なうこととなる。しかしながら、発明者らの検討によれば、本願のように低い集光率(10倍以上100倍以下)でエミッタに比較的少ない(従来の1000倍よりは遥かに少ない)太陽光エネルギを供与するとともに、熱エネルギを別途エミッタに供与する場合は、後に図2、図3で詳細に説明するように、同等の太陽光の集光状態(率)を維持した場合と比較して、比較的制限されたバンドギャップの範囲でしか所定の発電出力(発電効率)が得られないことが見いだされた。   According to the 1st characteristic structure of the said electric power generating apparatus, both a condensing irradiation means and a heating means are provided. Then, both solar energy and thermal energy are applied to the emitter on the electron (thermal electron) generation side from both means. Therefore, the power generation apparatus according to the present application also generates power using the energy given to the emitter by both means based on the principle of photothermal power generation. However, according to the study by the inventors, as described in the present application, solar energy is provided to the emitter at a low concentration rate (10 to 100 times) and relatively small (much less than the conventional 1000 times). In addition, when heat energy is separately supplied to the emitter, as will be described later in detail with reference to FIGS. 2 and 3, it is relatively limited as compared to the case where the same sunlight concentration state (rate) is maintained. It has been found that a predetermined power generation output (power generation efficiency) can be obtained only within the range of the band gap.

詳細に説明すると、本願構成では、太陽光の集光率が比較的低い10倍以上100倍以下とするので、先ずもって集光照射手段の小型化ひいては装置の小型化を図ることができる。   More specifically, in the configuration of the present application, since the concentration ratio of sunlight is relatively low between 10 times and 100 times, it is possible to first reduce the size of the focused irradiation means and thus the apparatus.

さらに、本特徴構成によれば、エミッタを構成する半導体のバンドギャップを0.8eV以上1.6eV以下に選択する。   Further, according to this characteristic configuration, the band gap of the semiconductor constituting the emitter is selected to be 0.8 eV or more and 1.6 eV or less.

本願において、このようなバンドギャップの材料をエミッタの材料として選択する理由を、図2・図3に基づいて説明する。   The reason for selecting such a band gap material as the emitter material in the present application will be described with reference to FIGS.

図2は、太陽光の集光率を50倍とした場合の、バンドギャップと発電出力との関係を示す図であり、エネルギ源を、太陽光のみに依存する場合(太陽光L(比較例)と記載)と、加熱手段からの熱供与を伴った場合(太陽光L+排ガスEと記載)を比較したものである。ここで、前者の例として、加熱手段を使用しない場合の発電出力を示し、後者の例として、加熱手段を使用してエミッタの環境温度を700Kとする場合の発電出力を示した。なお、エミッタの環境温度とはエミッタが位置する周囲の温度のことである。そして、上述の如く、エミッタには集光照射手段により太陽光のエネルギが与えられているので、後者の例では、エミッタの温度は700K以上の温度となる。よって、環境温度が上昇すればするほど、エミッタの温度が上昇して発電出力は向上する。
ここで、後者の例のように、エミッタの環境温度を700Kに想定した理由は、エミッタの環境温度を上昇させる加熱手段の熱源として、例えば、エンジンやボイラ等から排出される650K〜750K程度の温度を有する燃焼排ガスが比較的容易に入手可能であり、このような排熱を利用してエミッタを加熱することができるためである。
また、このような650K〜750K程度の燃焼排ガスを利用することでエミッタの温度を650K以上に加熱することができる。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the band gap and the power generation output when the light collection rate of sunlight is 50 times, where the energy source depends only on sunlight (sunlight L (comparative example)). ) And the description) and the case of heat donation from the heating means (described as sunlight L + exhaust gas E). Here, as the former example, the power generation output when the heating means is not used is shown, and as the latter example, the power generation output when the environmental temperature of the emitter is set to 700K using the heating means is shown. The ambient temperature of the emitter is the ambient temperature where the emitter is located. And as mentioned above, since the energy of sunlight is given to the emitter by the focused irradiation means, in the latter example, the temperature of the emitter is 700 K or more. Therefore, the higher the environmental temperature, the higher the emitter temperature and the power generation output.
Here, as in the latter example, the reason for assuming that the ambient temperature of the emitter is 700K is that the heat source of the heating means for raising the ambient temperature of the emitter is, for example, about 650K to 750K discharged from an engine, a boiler, or the like. This is because combustion exhaust gas having a temperature is relatively easily available and the emitter can be heated using such exhaust heat.
Moreover, the temperature of an emitter can be heated to 650K or more by using such combustion exhaust gas of about 650K to 750K.

図3は、太陽光の集光率を10倍とした場合の、バンドギャップと発電出力との関係を示す図であり、太陽光のみに依存する場合(太陽光L(比較例)と記載)と、加熱手段からの熱供与を伴った場合(太陽光L+排ガスEと記載)を比較したものである。図2と同様に、前者の例として、加熱手段を使用しない場合の発電出力を示し、後者の例として、加熱手段を使用してエミッタの環境温度を700Kとする場合の発電出力を示した。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the band gap and the power generation output when the concentration ratio of sunlight is 10 times, and depends on only sunlight (described as sunlight L (comparative example)). And a case where heat is supplied from the heating means (described as sunlight L + exhaust gas E). Similarly to FIG. 2, the power generation output when the heating unit is not used is shown as the former example, and the power generation output when the environmental temperature of the emitter is 700 K using the heating unit is shown as the latter example.

これらの結果を参照すると、太陽光の集光率を10倍とする場合(図3)は、検討対象としたいずれのバンドギャップにおいても、加熱手段から熱の供給を受けることで、太陽光単体で発電を行なう場合より高い発電出力を得ることができる。さらに、太陽光単独の場合は比較的広い範囲のバンドギャップ(0.75eV〜2.0eV)に亘って、ほぼ同程度の比較的低い発電出力が得られることとなっている。   Referring to these results, in the case where the concentration ratio of sunlight is 10 times (FIG. 3), in any band gap to be studied, by receiving heat supply from the heating means, the sunlight alone It is possible to obtain a higher power output than when power is generated at Furthermore, in the case of sunlight alone, a relatively low power output of approximately the same level is obtained over a relatively wide band gap (0.75 eV to 2.0 eV).

一方、加熱手段からの熱供与を伴う場合は、発電出力とバンドギャップとに強い相関が現れ、太陽光単独の場合に比べて、先に示した広い範囲のバンドギャップ内の中間付近のバンドギャップで発電出力が高くなる領域が現れる。そして、発電出力を高くできるバンドギャップの領域は、ほぼ0.8eVから1.6eVとなる。   On the other hand, when heat is supplied from the heating means, there is a strong correlation between the power generation output and the band gap. Compared to the case of sunlight alone, the band gap near the middle of the wide band gap shown above. The region where the power generation output becomes high appears. The band gap region where the power generation output can be increased is approximately 0.8 eV to 1.6 eV.

太陽光の集光率を50倍とする場合(図2)は、加熱手段から熱の供給を受けることで、太陽光単体で発電を行なう場合より高い発電出力を得ることができる特定のバンドギャップが出現する。このようなバンドギャップは、これまで説明してきた0.8eVから1.6eVとなっている。
さらに、発明者らの検討では、太陽光の集光率を100倍程度まで上昇させた場合も、この傾向は維持された。
In the case where the concentration ratio of sunlight is 50 times (FIG. 2), a specific bandgap that can obtain a higher power output than when performing power generation alone with sunlight by receiving heat supply from the heating means. Appears. Such a band gap is from 0.8 eV to 1.6 eV described so far.
Furthermore, in the study by the inventors, this tendency was maintained even when the concentration ratio of sunlight was increased to about 100 times.

よって、光熱発電素子を備えた発電装置において、エミッタ構成材料のバンドギャップの範囲を、0.8eVから1.6eVに選択することで、そのエネルギ供給源を、比較的低い集光率の太陽光と、エミッタの温度を650K以上に加熱できる入手可能な加熱源(本願にいうところの加熱手段)との両方として、太陽光のみをエネルギ源とする構成より高い発電出力(発電効率)を得ることができる。
加えて、加熱手段の熱源が、燃料を燃焼させて発生する排ガスである。燃料の燃焼により発生される排ガスは通常650K以上の温度となっているため、例えば、エンジン又はボイラの運転により発生される排ガスを熱源として、エミッタを650K以上の適切な温度に加熱することができる。
Therefore, in a power generation apparatus equipped with a photothermal power generation element, the band gap range of the emitter constituent material is selected from 0.8 eV to 1.6 eV, so that the energy supply source is sunlight with a relatively low concentration rate. And a higher power output (power generation efficiency) than a configuration using only sunlight as an energy source as both an available heating source capable of heating the emitter temperature to 650 K or higher (heating means as referred to herein). Can do.
In addition, the heat source of the heating means is exhaust gas generated by burning fuel. Since the exhaust gas generated by the combustion of the fuel is usually at a temperature of 650K or higher, for example, the emitter can be heated to an appropriate temperature of 650K or higher using the exhaust gas generated by the operation of the engine or boiler as a heat source. .

本発明に係る発電装置の第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、
前記集光照射手段は、前記太陽光を40倍以上60倍以下の範囲内の集光率で集光し、
前記加熱手段は前記エミッタの温度を780K以上880K以下に加熱する点にある。
In addition to the first feature configuration, the second feature configuration of the power generation device according to the present invention is:
The said condensing irradiation means condenses the said sunlight with the condensing rate in the range of 40 times or more and 60 times or less,
The heating means is that the temperature of the emitter is heated to 780K or more and 880K or less.

上記発電装置の第2特徴構成によれば、太陽光の集光率が40倍以上60倍以下(概略50倍)とされているので、集光照射手段の小型化を図ることができる。また、加熱手段はエミッタの温度を750K以上900K以下に加熱するので、エミッタに充分熱エネルギを与えて、エミッタからの熱電子の放出を促進することができる。結果、発電出力をより高くできる。一方、750K以上900K以下の温度範囲は一般的な半導体の融点に比べると十分低い温度であるので、エミッタを加熱しすぎることを防止して、エミッタの寿命及び動作安定性を向上させることができる。   According to the 2nd characteristic structure of the said power generator, since the condensing rate of sunlight is made into 40 times or more and 60 times or less (approximately 50 times), size reduction of a condensing irradiation means can be achieved. Moreover, since the heating means heats the temperature of the emitter to 750 K or more and 900 K or less, it is possible to give the emitter sufficient thermal energy and promote the emission of thermionic electrons from the emitter. As a result, the power generation output can be further increased. On the other hand, the temperature range from 750 K to 900 K is sufficiently lower than the melting point of a general semiconductor, so that it is possible to prevent the emitter from being overheated and improve the lifetime and operational stability of the emitter. .

本発明に係る発電装置の第3特徴構成は、上記第1乃至第2特徴構成に加えて、
前記エミッタがシリコンSi、ガリウムヒ素GaAs、リン化インジウムInPから選択される一種以上であることにある。
The third characteristic configuration of the power generator according to the present invention is in addition to the first and second characteristic configurations described above,
The emitter is at least one selected from silicon Si, gallium arsenide GaAs, and indium phosphide InP.

上記発電装置の第3特徴構成によれば、シリコンSi、ガリウムヒ素GaAs、ガリウムアンチモンGaSbは、いずれも本願において好適とするバンドギャップの範囲内の材料であるため、本願の目的に適合してこれらの材料をエミッタに採用できる。
また、シリコンは安価で強度を有するので、シリコンをエミッタの材料として使用することで、エミッタを安価且つ高強度に構成することができる。また、毒性を有さず安全に使用することができる。ガリウムヒ素は加工性に優れるので、エミッタを容易に形成することができる。そして、リン化インジウムは、電子移動度、電子飽和速度および電子濃度が高いので、発電出力(発電効率)を向上させることができる。
According to the third characteristic configuration of the power generation device, silicon Si, gallium arsenide GaAs, and gallium antimony GaSb are all materials within the band gap range suitable for the present application. These materials can be used for the emitter.
Further, since silicon is inexpensive and strong, the emitter can be configured inexpensively and with high strength by using silicon as the emitter material. In addition, it can be used safely without toxicity. Since gallium arsenide is excellent in workability, an emitter can be easily formed. And since indium phosphide has high electron mobility, electron saturation speed, and electron concentration, it is possible to improve power generation output (power generation efficiency).

本発明に係る発電装置を示す概略立面図Schematic elevation showing a power generator according to the present invention 集光率が50倍の時のバンドギャップと発電出力との関係を示す図The figure which shows the relationship between the band gap and power generation output when the light collection rate is 50 times 集光率が10倍の時のバンドギャップと発電出力との関係を示す図The figure which shows the relationship between the band gap and the power generation output when the light collection rate is 10 times 集光率が50倍の時のバンドギャップとエミッタ温度との関係を示す図The figure which shows the relationship between the band gap and the emitter temperature when the light collection rate is 50 times

以下、本発明の発電装置の実施形態について図1に基づいて説明する。
図1に示すように、発電装置Sは、対向配置された電極であるエミッタ1とコレクタ2との間を移動する熱電子を利用して光エネルギ及び熱エネルギを電気エネルギに変換して負荷5に電力を供給する光熱発電素子3を備えている。
そして、光熱発電素子3のエミッタ側には、エミッタ1に太陽光Lを集光して照射する集光照射手段としての集光レンズ4と、エミッタ1の太陽光受光面側に向けて高温の排ガスEを供給する加熱手段としての高温排ガス放出管7とが備えられている。また、光熱発電素子3のコレクタ側には、コレクタ2を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路8が設けられている。
Hereinafter, an embodiment of a power generator according to the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the power generation device S converts light energy and heat energy into electrical energy using thermoelectrons that move between an emitter 1 and a collector 2 that are opposed electrodes, and loads 5 Is provided with a photothermal power generation element 3 for supplying electric power.
And on the emitter side of the photothermal power generation element 3, a condensing lens 4 as a condensing irradiation means for condensing and irradiating the sunlight L on the emitter 1, and a high temperature toward the solar light receiving surface side of the emitter 1 A high-temperature exhaust gas discharge pipe 7 as a heating means for supplying the exhaust gas E is provided. Further, on the collector side of the photothermal power generation element 3, a cooling water passage 8 is provided as a heat exchanging portion capable of cooling the collector 2.

以下、発電装置Sの各構成について説明する。
集光照射手段としての集光レンズ4は、樹脂やガラスにより構成された凸面状のレンズである。集光レンズ4は、太陽光Lを50倍の集光率で集光することができるものであり、光熱発電素子3の太陽光入射側に図示しない固定手段により固定されて設けられている。
Hereinafter, each structure of the electric power generating apparatus S is demonstrated.
The condensing lens 4 as the condensing irradiation means is a convex lens made of resin or glass. The condensing lens 4 is capable of condensing the sunlight L at a condensing rate of 50 times, and is fixed to the sunlight incident side of the photothermal power generation element 3 by a fixing means (not shown).

光熱発電素子3は、光エネルギにより光励起され且つ熱エネルギにより加熱されることにより熱電子を放出するエミッタ1と、当該エミッタ1と離間して対向配置されエミッタ1から放出した熱電子を捕獲するコレクタ2とを有する。エミッタ1とコレクタ2とは真空空間Vに配置されている。具体的には、エミッタ1はシリコンSi、ガリウムヒ素GaAs、リン化インジウムInPから選択される一種以上で構成されており、コレクタ2はリンドープダイヤモンド(phosphorus-doped diamond)で構成され、ともに板状に形成されている。エミッタ1は、熱電子を放出する熱電子放出面1aを備え、コレクタ2は、エミッタ1から放出された熱電子を捕獲する熱電子捕獲面2aを備えており、熱電子放出面1aと熱電子捕獲面2aとが互いに平行になるように真空空間Vに配設されている。   The photothermal power generation element 3 includes an emitter 1 that is photoexcited by light energy and is heated by heat energy, and a collector that captures the thermoelectrons that are spaced apart from the emitter 1 and are emitted from the emitter 1. 2. The emitter 1 and the collector 2 are disposed in the vacuum space V. Specifically, the emitter 1 is composed of one or more selected from silicon Si, gallium arsenide GaAs, and indium phosphide InP, and the collector 2 is composed of phosphorous-doped diamond, both of which are plate-shaped. Is formed. The emitter 1 includes a thermoelectron emission surface 1a that emits thermoelectrons, and the collector 2 includes a thermoelectron capture surface 2a that captures thermoelectrons emitted from the emitter 1, and the thermoelectron emission surface 1a and the thermoelectrons. It arrange | positions in the vacuum space V so that the capture surface 2a may become mutually parallel.

従って、本実施形態では、集光レンズ4による太陽光Lのエミッタ1への照射に加え、後述の高温排ガス放出管7から排出する高温の排ガスEによりエミッタ1を加熱することで光エネルギ及び熱エネルギをエミッタ1に与える状態で、排ガスEにより与えられた熱エネルギにより効果的にエミッタ1からの熱電子の放出が促進され、高い出力電流を得ることができる。この点に関しては、先に図2、図3に基づいて説明したとおり、例えば、集光レンズ4により太陽光Lを集光してエミッタ1に照射するだけの場合よりも、高い発電電力を得ることができる。   Therefore, in this embodiment, in addition to the irradiation of the sunlight L to the emitter 1 by the condenser lens 4, the emitter 1 is heated by the high-temperature exhaust gas E discharged from the high-temperature exhaust gas discharge pipe 7 described later, thereby generating light energy and heat. In a state where energy is applied to the emitter 1, the thermal energy provided by the exhaust gas E effectively promotes the emission of thermoelectrons from the emitter 1, and a high output current can be obtained. In this regard, as described above with reference to FIGS. 2 and 3, for example, higher generated power is obtained than when only the sunlight L is collected by the condenser lens 4 and irradiated to the emitter 1. be able to.

そして、エミッタ1及びコレクタ2との間に接続された導線部6に負荷5が設けられている。光熱発電素子3から出力された電力が導線部6を介して負荷5に供給される。   A load 5 is provided on the conducting wire portion 6 connected between the emitter 1 and the collector 2. The electric power output from the photothermal power generation element 3 is supplied to the load 5 through the conductor portion 6.

以下、発電装置Sにおける熱的構成に関してさらに、詳細に説明すると、光熱発電素子3のエミッタ1の太陽光受光面側には、エミッタ1を加熱する加熱手段としての高温排ガス放出管7が設けられている。これにより、650K以上の排ガスEをエミッタ1と接触させて熱エネルギをエミッタ1に与えて、エミッタ1から放出される熱電子を増加させることができる。この高温排ガス放出管7は、例えば、都市ガス等を燃料として使用するガスエンジン(図示せず)から排出された高温の排ガスEをエミッタ1に向けて排出するものである。   Hereinafter, the thermal configuration of the power generation apparatus S will be described in more detail. A high-temperature exhaust gas discharge pipe 7 serving as a heating unit for heating the emitter 1 is provided on the sunlight receiving surface side of the emitter 1 of the photothermal power generation element 3. ing. Thereby, the exhaust gas E of 650 K or more is brought into contact with the emitter 1 to give thermal energy to the emitter 1, and the thermal electrons emitted from the emitter 1 can be increased. The high-temperature exhaust gas discharge pipe 7 discharges, for example, high-temperature exhaust gas E discharged from a gas engine (not shown) that uses city gas or the like as fuel toward the emitter 1.

光熱発電素子3のコレクタ2側には、コレクタ2を冷却可能な熱交換部としての冷却水通路8が設けられている。この冷却水通路8はコレクタ2の非エミッタ側に設けられ、冷却水通路8内を流れる冷却水Wによってコレクタ2が冷却される。コレクタ2を冷却することで加熱された冷却水Wは、図示しない温水供給手段等に供給されて有効に使用される。   On the collector 2 side of the photothermal power generation element 3, a cooling water passage 8 is provided as a heat exchanging portion capable of cooling the collector 2. The cooling water passage 8 is provided on the non-emitter side of the collector 2, and the collector 2 is cooled by the cooling water W flowing through the cooling water passage 8. The cooling water W heated by cooling the collector 2 is supplied to a hot water supply means (not shown) and used effectively.

〔好適なバンドギャップ範囲の検討〕
以下、先に本願の説明に使用した図2、図3について説明する。
これらの図面は、エミッタ1を構成することとなる構成材料のバンドギャップ〔eV〕と発電出力P〔W/m2〕との関係を示す図面であり、太陽光Lの集光率に関しては、図2において50倍を、図3において10倍を前提としている。さらに、エミッタ1の太陽光受光面側の環境温度(実際は排ガスEの温度)としては700Kを前提とした。一方、コレクタの温度は500Kとした。
[Study of suitable band gap range]
Hereinafter, FIGS. 2 and 3 used in the description of the present application will be described.
These drawings are diagrams showing the relationship between the band gap [eV] of the constituent material constituting the emitter 1 and the power generation output P [W / m 2 ]. 2 is assumed to be 50 times and FIG. 3 is assumed to be 10 times. Furthermore, the environmental temperature (actually the temperature of the exhaust gas E) on the sunlight receiving surface side of the emitter 1 is assumed to be 700K. On the other hand, the collector temperature was 500K.

バンドギャップと発電出力P(発電出力Pは、下記手順に従って求められた最大出力Pmaxから求めた)との関係を求めるために使用した式を、以下に示す、所謂、エミッタのエネルギ収支式である(非特許文献1に記載の式(21))。   The equation used to determine the relationship between the band gap and the power generation output P (the power generation output P is obtained from the maximum output Pmax obtained according to the following procedure) is a so-called emitter energy balance equation shown below. (Formula (21) described in Non-Patent Document 1).

〔数1〕
Pnet,c=Psun
−σTC 4
−exp((EF,n−EF,p)/KTC−1)PBB
+JA(φC+2kTA
−JC(φC+2kTC
+Q
[Equation 1]
Pnet, c = Psun
-ΣT C 4
-Exp ((E F, n -E F, p ) / KT C -1) P BB
+ J AC +2 kT A )
-J CC +2 kT C )
+ Q

この式において、各項は、以下の内容を表す。なお、以下のエミッタからの放射、及び、高温輻射発生体からの輻射は、黒体放射(黒体輻射)とみなした。また、コレクタからエミッタへの入力エネルギとは、コレクタから放出された電子がエミッタに捕集されたときに熱に変わるエネルギのことである。廃熱の熱量とは、排ガスEがエミッタに与えた熱量である。   In this equation, each term represents the following contents. The following radiation from the emitter and radiation from the high-temperature radiation generator were regarded as black body radiation (black body radiation). The input energy from the collector to the emitter is energy that changes to heat when electrons emitted from the collector are collected by the emitter. The amount of waste heat is the amount of heat given to the emitter by the exhaust gas E.

〔数2〕
Pnet,c :エミッタのエネルギ収支
Psun :太陽光の光子エネルギ
σTC 4 :エミッタからの黒体放射エネルギ
exp((EF,n−EF,p)/KTC−1)PBB
:黒体放射によって出てくる電子のエネルギ
A(φC+2kTA) :コレクタからエミッタへの入力エネルギ
C(φC+2kTC) :エミッタの出力エネルギ
さらに、
F,n :電子の擬似フェルミエネルギ
F,p :正孔の疑似フェルミエネルギ
BB :黒体放射によって出てくる電子のエネルギ
A,JC :コレクタ及びエミッタの電流密度
φA,φC :コレクタ及びエミッタの仕事関数
A :コレクタの温度
C :エミッタの温度
Q :廃熱の熱量
である。
[Equation 2]
Pnet, c: energy balance of the emitter pSUN: photon energy of sunlight oT C 4: black body radiation energy from emitter exp ((E F, n -E F, p) / KT C -1) P BB
: Energy of electrons emitted by black body radiation J AC +2 kT A ): Input energy from collector to emitter J CC +2 kT C ): Output energy of emitter
E F, n : Pseudo Fermi energy of electron E F, p : Pseudo Fermi energy of hole P BB : Energy of electron emitted by black body radiation J A , J C : Current density of collector and emitter φ A , φ C : work function of collector and emitter T A : collector temperature T C : emitter temperature Q: amount of waste heat

以下、上記式を使用して、本願発明者が実施したバンドギャップをパラメータとして、発電出力の最大出力Pmaxを求める手順について説明する。
工程1 検討対象とするバンドギャップEgを仮定する。
工程2 検討対象とする電子親和力E_Aを仮定する。
工程3 工程1、工程2で仮定したバンドギャップEg、及び電子親和力E_A、を使用して、エミッタに入射した光子(電子)の数と、放出された光子(電子)の数+再結合した光子(電子)の数との和が0となるとの条件の下、エミッタのエネルギ収支式を使用して、エミッタのエネルギ収支Pnet,cを求める。
Hereinafter, a procedure for obtaining the maximum output Pmax of the power generation output using the above formula and using the band gap as a parameter by the inventor of the present application will be described.
Step 1 Assume a band gap Eg to be examined.
Step 2 Assume an electron affinity E_A to be examined.
Step 3 Using the band gap Eg and the electron affinity E_A assumed in Step 1 and Step 2, the number of photons (electrons) incident on the emitter, the number of emitted photons (electrons) + recombined photons Under the condition that the sum with the number of (electrons) becomes 0, the emitter energy balance Pnet, c is obtained using the emitter energy balance equation.

本検討に当たり太陽光エネルギの集光倍率については10倍、50倍、100倍を前提とするため固定とした。さらに、電子の擬似フェルミエネルギEF,n、エミッタ温度TC、エミッタの電流密度JC、正孔の擬似フェルミエネルギEF,pは可変とし、コレクタの電流密度JA、コレクタの温度TAを固定した。 In this study, the concentration factor of sunlight energy is fixed because it is assumed to be 10 times, 50 times, and 100 times. Further, the pseudo-Fermi energy E F, n of the electron, the emitter temperature T C , the emitter current density J C , and the pseudo-Fermi energy E F, p of the hole are variable, the collector current density J A , and the collector temperature T A. Fixed.

引き続いて、
工程4 エミッタ温度TCを設定範囲で変化させて、工程3を繰り返し、Pnet,cが最小となるエミッタ温度TCを求める。
この工程4を実行することで、検討対象としている状態のバンドギャップEg、電子親和力E_A、エミッタ温度TCが決定される。
Then,
Step 4 The emitter temperature T C is changed within the set range, and the step 3 is repeated to obtain the emitter temperature T C at which Pnet, c is minimized.
By executing step 4, the band gap Eg, the electron affinity E_A, and the emitter temperature T C in the state under consideration are determined.

この系では、系に投入される太陽光の光子エネルギPsun、コレクタ及びエミッタの電流密度JA,JC及びコレクタ及びエミッタの仕事関数φA,φCが特定できるため、その値を使用して、以下の式に基づいて、検討対象としている状態での最大出力Pmaxを以下の式で求めた。 In this system, the photon energy Psun of sunlight input to the system, the current densities J A and J C of the collector and the emitter, and the work functions φ A and φ C of the collector and the emitter can be specified. Based on the following formula, the maximum output Pmax in the state under consideration is obtained by the following formula.

〔数3〕
Pmax=(JC−JA)×(φC−φA
[Equation 3]
Pmax = (J C −J A ) × (φ C −φ A )

以下、
工程5 電子親和力E_Aを設定範囲で変動させて、工程2〜工程4を繰り返し、発電出力が最大出力を示すパラメータ(電子親和力E_A、エミッタ温度TC)を求める。
そして、得られたパラメータ(電子親和力E_A、エミッタ温度TC)での最大出力Pmaxを、検討対象としているバンドギャップEgにおける素子の発電出力Pとした。
Less than,
Step 5 The electron affinity E_A is varied within the set range, and Steps 2 to 4 are repeated to obtain parameters (electron affinity E_A, emitter temperature T C ) at which the power generation output indicates the maximum output.
The maximum output Pmax with the obtained parameters (electron affinity E_A, emitter temperature T C ) was set as the power generation output P of the element in the band gap Eg to be studied.

上記の条件で集光倍率50倍として検討を行なったところ、検討対象としたバンドギャップ範囲内(0.5eVから2eV)で、図4に示すように、エミッタ1の温度はバンドギャップの上昇に従って、概ね770K〜930Kまで上昇した。また、本願において、好ましいエミッタ1のバンドギャップの範囲とした0.8eVから1.6eVの範囲内では、概ね780K〜880Kまで上昇した。一方、電子親和力E_Aは、バンドギャップ0.75eV未満で0.8eV、バンドギャップ0.75eV以上で0.7eVとなった。   As a result of the examination under the above conditions with a light collection magnification of 50 times, within the band gap range (0.5 eV to 2 eV) to be studied, the temperature of the emitter 1 increases as the band gap increases as shown in FIG. It rose to about 770K-930K. Further, in the present application, within the range of 0.8 eV to 1.6 eV, which is a preferable band gap range of the emitter 1, the voltage rises from about 780K to 880K. On the other hand, the electron affinity E_A was 0.8 eV when the band gap was less than 0.75 eV, and 0.7 eV when the band gap was 0.75 eV or more.

そして、本願において、好ましいエミッタ1のバンドギャップの範囲とした0.8eVから1.6eVの範囲内にあるシリコンSiでは、そのバンドギャップが1.12eVであるため、エミッタ温度が806Kとなり、電子親和力が0.7eVで最適化された。   In this application, silicon Si in the range of 0.8 eV to 1.6 eV, which is a preferable emitter 1 band gap range, has an emitter temperature of 806 K and an electron affinity because the band gap is 1.12 eV. Was optimized at 0.7 eV.

この場合の上式における各項及び各パラメータの数値の一例を示すと、エミッタのエネルギ収支Pnet,cは−47W/m2、太陽光の光子エネルギPsunは45009W/m2、エミッタのからの黒体放射エネルギσTC 4は23929W/m2、黒体放射によって出てくる電子のエネルギexp((EF,n−EF,p)/KTC−1)PBBは2264W/m2、コレクタからエミッタへの入力エネルギJA(φC+2kTA)は461W/m2、エミッタの出力エネルギJC(φC+2kTC)は32938W/m2、排熱の熱量Qは13614 W/m2となる。
さらに、電子の擬似フェルミエネルギEF,nは0.5973eV、正孔の擬似フェルミエネルギEF,pは0.1049eV、黒体放射によって出てくる電子のエネルギPBBは1.9786W/m2、コレクタ電流密度JAは265.3457A/m2、エミッタ電流密度JCは1.7799A/m2、コレクタ仕事関数φAは0.9eV、エミッタの仕事関数φCは1.71eVとなる。
In this case, an example of numerical values of the terms and parameters in the above equation is as follows. The energy balance Pnet, c of the emitter is −47 W / m 2 , the photon energy Psun of sunlight is 45,099 W / m 2 , and the black from the emitter. The body radiation energy σT C 4 is 23929 W / m 2 , the electron energy exp ((E F, n −E F, p ) / KT C −1) P BB is 2264 W / m 2 , the collector from the input energy to the emitter J a (φ C + 2kT a ) is 461W / m 2, the emitter of the output energy J C (φ C + 2kT C ) is 32938W / m 2, the amount of heat Q of the exhaust heat from the 13614 W / m 2 Become.
Furthermore, the pseudo-Fermi energy E F, n of electrons is 0.5973 eV, the pseudo-Fermi energy E F, p of holes is 0.1049 eV, and the energy P BB of electrons emitted by black body radiation is 1.9786 W / m 2. The collector current density J A is 265.3457 A / m 2 , the emitter current density J C is 1.7799 A / m 2 , the collector work function φ A is 0.9 eV, and the emitter work function φ C is 1.71 eV.

さらに、エミッタ1にGaAsを採用した場合、そのバンドギャップが1.42eVであるため、エミッタ温度が849Kとなり、電子親和力が0.7eVで最適化された。
従って、この状態で、効率よく発電することができる。
Further, when GaAs is used for the emitter 1, the band gap is 1.42 eV, so that the emitter temperature is 849K and the electron affinity is optimized at 0.7 eV.
Therefore, power can be generated efficiently in this state.

〔別実施形態〕
最後に、本発明の別実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、夫々単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Another embodiment]
Finally, another embodiment of the present invention will be described. Note that the configuration of each embodiment described below is not limited to being applied independently, and can be applied in combination with the configuration of other embodiments as long as no contradiction occurs.

(A)上記実施形態では、高温排ガス放出管7から、ガスエンジンから排出された高温の排ガスEをエミッタ1に向けて排出したが、これに限らず、ボイラから排出された高温の排ガスEをエミッタ1に向けて排出するように構成してもよい。さらに、ガスバーナー、ガス給湯器又はガスストーブなどにおけるガスの燃焼排熱、及び、燃料電池の排熱を利用してエミッタ1を加熱する構成としてもよい。 (A) In the above embodiment, the high-temperature exhaust gas E discharged from the gas engine is discharged toward the emitter 1 from the high-temperature exhaust gas discharge pipe 7, but not limited to this, the high-temperature exhaust gas E discharged from the boiler is discharged. You may comprise so that it may discharge toward the emitter 1. FIG. Furthermore, it is good also as a structure which heats the emitter 1 using the combustion exhaust heat of gas in a gas burner, a gas water heater, or a gas stove, and the exhaust heat of a fuel cell.

(B)上記実施形態では、集光レンズ4を凸面状の集光レンズ4として太陽光Lを集光したが、これに限らず、集光レンズ4を平面状又は凹面状の鏡面体で構成した反射板として、太陽光Lを反射してエミッタ1に集光する構成としてもよい。 (B) In the said embodiment, although the sunlight L was condensed by using the condensing lens 4 as the convex condensing lens 4, not only this but the condensing lens 4 is comprised by the planar or concave mirror surface body. The reflecting plate may be configured to reflect the sunlight L and collect it on the emitter 1.

以上説明したように、装置の小型化を図ることができつつも、所定の電力を得ることができる発電装置を提供することができる。   As described above, it is possible to provide a power generation device that can obtain predetermined power while reducing the size of the device.

1 エミッタ
2 コレクタ
3 光熱発電素子
4 集光レンズ(集光照射手段)
7 高温排ガス放出管(加熱手段)
8 冷却水通路
L 太陽光
S 発電装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Emitter 2 Collector 3 Photothermal power generation element 4 Condensing lens (Condensing irradiation means)
7 High-temperature exhaust gas discharge pipe (heating means)
8 Cooling water passage L Solar S Power generator

Claims (3)

光及び熱を受けて電子を放出するエミッタと、前記エミッタから放出された電子を捕獲するコレクタとを有する光熱発電素子を備え、エミッタ‐コレクタ間で発電する発電装置であって、
太陽光を10倍以上100倍以下の集光率で集光して前記エミッタに照射する集光照射手段と、
前記エミッタの温度を650K以上に加熱する加熱手段とを備え、
前記エミッタを構成する半導体のバンドギャップが、0.8eV以上1.6eV以下に選択されており、
前記加熱手段の熱源が、燃料を燃焼させて発生する排ガスである発電装置。
A power generation device that includes a photothermal power generation element having an emitter that emits electrons upon receiving light and heat, and a collector that captures electrons emitted from the emitter, and generates power between the emitter and the collector,
Condensing irradiation means for condensing sunlight at a concentration ratio of 10 to 100 times and irradiating the emitter;
Heating means for heating the temperature of the emitter to 650 K or higher,
The band gap of the semiconductor constituting the emitter is selected from 0.8 eV to 1.6 eV ,
A power generation apparatus in which a heat source of the heating means is exhaust gas generated by burning fuel .
前記集光照射手段は、前記太陽光を40倍以上60倍以下の範囲内の集光率で集光し、
前記加熱手段は前記エミッタの温度を780K以上880K以下に加熱する請求項1に記載の発電装置。
The said condensing irradiation means condenses the said sunlight with the condensing rate in the range of 40 times or more and 60 times or less,
The power generation device according to claim 1, wherein the heating unit heats the temperature of the emitter to 780 K or more and 880 K or less.
前記エミッタがシリコンSi、ガリウムヒ素GaAs、リン化インジウムInPから選択される一種以上である請求項1又は2に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1 or 2, wherein the emitter is at least one selected from silicon Si, gallium arsenide GaAs, and indium phosphide InP.
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