【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、エミッタ（輻射体）を加熱することにより、そのエミッタ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、低騒音・低振動システムを実現することができる。
【０００３】
次世代のエネルギー源として、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や灯油などの液体燃料に代表される化石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】
本願出願人は、先にした特願２００１−１１５４８９号の願書に添付した明細書及び図面において、エミッタを加熱した後の燃焼ガスの余熱を燃料の燃焼に必要な空気の加熱用として有効利用するとともに、効率よく加熱されたエミッタからの輻射光を効率よく光電変換素子で受けることにより、全体として発電効率を大きく向上させた熱光発電装置を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＴＰＶの効率を上げるためには、燃焼ガスの温度を高めることによりエミッタの温度を高めることが重要である。そして、燃焼ガスの温度を高めるためには、燃焼用空気と燃料ガスとの予混合及び燃焼用空気の予熱を効率良く行うことが必要である。
【０００６】
しかし、ＴＰＶシステムでは、エミッタとセル間の距離が短いほど有利であることに基づき燃焼室が限られた空間に形成される関係上、燃焼室内での燃料ガスと空気との予混合が不足するため、完全燃焼させることが困難であり、燃焼効率が低いという問題がある。現在、かかる予混合については十分に検討が行われていない状況にある。
【０００７】
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、空気と燃料ガスとの予混合を効率良く行うことで燃焼効率を改善し結果としてエネルギー変換効率を向上させた熱光発電装置（ＴＰＶシステム）を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面（ａｓｐｅｃｔ）によれば、空気の存在下での燃料ガスの燃焼によりエミッタを加熱し、該エミッタからの輻射光を光電変換素子によって電力に変換する熱光発電装置において、燃料ガスパイプの内部に空気を導入することにより燃料ガスと空気とを燃焼以前に予め混合するように構成したことを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の第二の面によれば、前記本発明の第一の面による熱光発電装置において、前記燃料ガスパイプの空気導入部の開口面積を変化させる調節手段が具備される。
【００１０】
また、本発明の第三の面によれば、前記本発明の第二の面による熱光発電装置において、前記燃料ガスパイプに導入される空気の温度及び流量を計測し該計測値に応じて前記調節手段を制御する制御手段が具備される。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、本発明による熱光発電装置の第一実施形態を示す断面図である。図１に示されるように、この熱光発電装置は、光電変換セル１０、燃焼室と発電室とを隔離するＳｉＯ２ガラスフィルタ１２、バーナ（燃焼器）を構成する燃料ガスパイプ１４、燃焼ガス噴出し口用プレート１６、ポーラス（多孔質）構造を有するエミッタ（発光体）１８、熱交換器２０、燃焼用空気供給ポート２２及び排気ガス排出用ポート２４を備えている。
【００１３】
空気供給ポート２２から供給された空気は、光電変換セル１０の表面部分を通過することにより、光電変換セル１２の冷却に利用される。次いで、空気は、装置の側面に設けられた配管を通して熱交換器２０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。
【００１４】
この熱交換により加熱された空気は、予混合室２６に導入され、燃料ガスパイプ１４から噴出される燃料ガスと予混合せしめられる。そして、その予混合されたガスは燃焼室２８に噴出して燃焼し、ほぼ水平方向の火炎を形成する。
【００１５】
燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、ポーラス構造を有するエミッタ１８（ＳｉＣ、希土類酸化物）の内部を通過して上昇する。エミッタ１８は、その通過する高温の燃焼ガスによって加熱され、その表面より赤外光を輻射する。輻射された赤外光は、ＳｉＯ２ガラスからなるフィルタ１２に到達する。
【００１６】
そして、フィルタ１２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１８の側へ反射してエミッタ１８の加熱に利用する。フィルタ１２を透過した赤外光は、光電変換セル１０に入射して電気エネルギーに変換される。
【００１７】
エミッタ１８の内部を通過してエミッタを加熱した後の燃焼ガスは、熱交換器２０にて前述のように空気を加熱することで低温になった後、装置の上部に取り付けられた排出用ポート２４から排気ガスとして排出される。
【００１８】
このように予混合室２６が設けられてはいるが、それだけでは予混合は不十分であり、未燃ガスが発生して燃焼効率が低下してしまう。それに起因して、エミッタ温度が上昇しないため、エミッタからの輻射光強度が小さくなり、その結果、発電性能が低下してしまうという問題が発生する。
【００１９】
そこで、本実施形態においては、図１に示されるように、空気供給ポート２２から供給された空気が、予混合空気調節バルブ３０を用いて燃料ガスパイプ１４の内部に直接導入され得るようにも構成されている。この予混合空気調節バルブ３０は、テーパ状ネジを用いて燃料ガスパイプ１４の空気導入部の開口面積を変化させる構造を有している。
【００２０】
予め燃料ガスパイプ１４の内部で燃料ガスと空気とが予混合されることにより、予混合の効率が向上する。結果として、未燃ガス成分がなくなり、エミッタ温度が上昇してセル発電密度が向上する。
【００２１】
燃料ガスパイプ１４内部への予混合空気量は、使用される燃料ガスの燃焼範囲外に設定される。例えば、燃料ガスとしてｎ−ブタンが使用される場合には、その燃焼範囲は１．９〜８．５％であり、予混合空気量が９％程度に設定される。なお、予混合空気量が燃焼範囲内に設定されると、燃焼速度がガス流速を超えた場合に燃料ガスパイプの内部で燃焼が起こるという不具合が発生する。
【００２２】
予混合空気量の調節は予混合空気調節バルブ３０を用いて行われ、燃焼状態が最適化するようにバルブ３０を調節することができる。このように、予混合空気調節バルブ３０を用いて燃料ガスパイプ１４の内部に導入される予混合空気量を最適化することにより、予混合効率を高め燃焼効率を向上させてエミッタ温度を高めることが可能となる。
【００２３】
図２は、本発明による熱光発電装置の第二実施形態を示す断面図である。この実施形態においては、図２に示されるように、光電変換セル１０を冷却した後の空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるように、予混合空気調節バルブ３０の取り付け位置が設定されている。
【００２４】
すなわち、前述した第一実施形態（図１）の場合、室温の空気が直接に燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるのに対し、この第二実施形態（図２）では、光電変換セル１０を冷却した後の空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるため、温度の高い空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されることとなる。その結果、第一実施形態に比較して、燃焼ガス温度が高くなり、エミッタ温度が上昇して、システム性能が向上する。
【００２５】
図３は、本発明による熱光発電装置の第三実施形態を示す断面図である。この実施形態においては、図３に示されるように、熱交換器２０での燃焼ガスとの熱交換により更に加熱された空気が燃料ガスパイプ１４の内部に導入されるように、予混合空気調節バルブ３０の取り付け位置が設定されている。かくして、第二実施形態に比較して、燃焼ガス温度が更に高くなり、エミッタ温度が更に上昇して、システム性能が更に向上する。
【００２６】
また、この第三実施形態では、予混合空気量を調節して燃焼状態を最適化するために、燃料ガスパイプ１４の内部に導入される空気の流量及び温度をそれぞれ計測するための流量センサ３２及び温度センサ３４が設けられている。
【００２７】
図４は、これらの流量センサ３２及び温度センサ３４の出力をモニタすることにより予混合空気の流量を制御するフローを示す図である。まず、ステップ１０２では、流量センサ３２の出力に基づいて、予混合空気の現在の流量を計測する。次いで、ステップ１０４では、温度センサ３４の出力に基づいて、予混合空気の現在の温度を計測する。
【００２８】
そして、次のステップ１０６では、計測された空気温度が燃料ガスの自然発火温度条件を満たし、かつ、計測された予混合空気流量が燃焼範囲にあるか否かを判定する。
【００２９】
その判定結果がＹＥＳの場合には、ステップ１０８に進み、予混合空気調節バルブ３０を用いて予混合空気流量を減らす操作を行う。
【００３０】
一方、判定結果がＮＯとなる場合、すなわちパイプ内部で燃焼しない範囲にある場合には、ステップ１１０に進み、予混合空気調節バルブ３０を用いて予混合空気流量を増やす操作を行う。これにより、予混合の効率を上げて燃焼温度を高めることができる。
【００３１】
ステップ１０８又は１１０の実行後には、ステップ１０２に戻り、以上の動作を繰り返す。
【００３２】
なお、図３に示されるように、電子制御装置（ＥＣＵ）３６が、流量センサ３２及び温度センサ３４による計測値に基づいて、予混合空気調節バルブ３０を駆動するアクチュエータ（モータ等）３８を自動的に制御するように構成することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による熱光発電装置（ＴＰＶシステム）によれば、空気と燃料ガスとの予混合を効率良く行うことで燃焼効率を改善し結果としてエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱光発電装置の第一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明による熱光発電装置の第二実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明による熱光発電装置の第三実施形態を示す断面図である。
【図４】流量センサ及び温度センサの出力をモニタすることにより予混合空気の流量を制御するフローを示す図である。
【符号の説明】
１０…光電変換セル
１２…ＳｉＯ２ガラスフィルタ
１４…燃料ガスパイプ
１６…燃焼ガス噴出し口用プレート
１８…エミッタ（発光体）
２０…熱交換器
２２…燃焼用空気供給ポート
２４…排気排出用ポート
２６…予混合室
２８…燃焼室
３０…予混合空気調節バルブ
３２…流量センサ
３４…温度センサ
３６…電子制御装置（ＥＣＵ）
３８…アクチュエータ（モータ等）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a hot light that generates power by thermophotovoltaic energy conversion in which infrared light (also referred to as infrared light or heat ray) radiated from a heat source is converted into electric power by a photoelectric conversion element (photoelectric conversion cell). The present invention relates to a power generation device (TPV system).
[0002]
[Prior art]
In a thermophotovoltaic device, an emitter (radiator) is heated to radiate infrared light of a certain wavelength from the emitter, and the infrared light is incident on a photoelectric conversion element and converted into electric power. Since the thermophotovoltaic device has no moving parts, a low-noise and low-vibration system can be realized.
[0003]
As a next-generation energy source, thermoelectric power generation is superior in cleanliness and quietness. Heat of combustion, solar heat, nuclear decay heat, etc. can be used to heat the emitter, but is generally generated by the combustion of fossil fuels represented by gas fuels such as butane and liquid fuels such as kerosene. Combustion gas is utilized for emitter heating.
[0004]
In the specification and the drawings attached to the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2001-115489, the present applicant effectively utilizes the residual heat of the combustion gas after heating the emitter for heating air necessary for fuel combustion. At the same time, a thermophotovoltaic power generation device has been proposed in which the power generation efficiency is greatly improved as a whole by efficiently receiving the radiated light from the efficiently heated emitter by the photoelectric conversion element.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to increase the efficiency of the TPV, it is important to increase the temperature of the combustion gas to increase the temperature of the emitter. In order to increase the temperature of the combustion gas, it is necessary to efficiently perform premixing of the combustion air and the fuel gas and preheating of the combustion air.
[0006]
However, in the TPV system, premixing of fuel gas and air in the combustion chamber is insufficient because the combustion chamber is formed in a limited space based on the advantage that the distance between the emitter and the cell is shorter. Therefore, there is a problem that it is difficult to complete combustion and the combustion efficiency is low. At present, such premixing has not been sufficiently studied.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to improve the combustion efficiency by efficiently performing premixing of air and fuel gas, and as a result, to improve the energy conversion efficiency. An object of the present invention is to provide a photovoltaic power generation device (TPV system).
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, an emitter is heated by burning a fuel gas in the presence of air, and radiated light from the emitter is converted into electric power by a photoelectric conversion element. A thermophotovoltaic power generator is provided, in which air is introduced into a fuel gas pipe so that fuel gas and air are premixed before combustion.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the thermophotovoltaic power generator according to the first aspect of the present invention, an adjusting means for changing an opening area of an air introduction portion of the fuel gas pipe is provided.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the thermophotovoltaic power generator according to the second aspect of the present invention, the temperature and flow rate of air introduced into the fuel gas pipe are measured, and according to the measured value, Control means for controlling the adjusting means are provided.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0012]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a thermo-optical power generation device according to the present invention. As shown in FIG. 1, this thermo-optical power generation device includes a photoelectric conversion cell 10, a SiO 2 glass filter 12 for separating a combustion chamber from a power generation chamber, a fuel gas pipe 14 constituting a burner (combustor), and a combustion gas jet. It comprises a spout plate 16, an emitter (light emitter) 18 having a porous structure, a heat exchanger 20, a combustion air supply port 22, and an exhaust gas discharge port 24.
[0013]
The air supplied from the air supply port 22 is used for cooling the photoelectric conversion cells 12 by passing through the surface portion of the photoelectric conversion cells 10. Next, the air is guided to the heat exchanger 20 through a pipe provided on a side surface of the apparatus, and performs heat exchange with the combustion gas after heating the emitter as described later by passing through the pipe therein. .
[0014]
The air heated by this heat exchange is introduced into the premixing chamber 26 and is premixed with the fuel gas ejected from the fuel gas pipe 14. Then, the premixed gas is jetted into the combustion chamber 28 and burns to form a substantially horizontal flame.
[0015]
The combustion gas generated by the combustion of the fuel passes through the inside of the emitter 18 (SiC, rare earth oxide) having a porous structure and rises. The emitter 18 is heated by the passing high-temperature combustion gas and emits infrared light from its surface. The radiated infrared light reaches the filter 12 made of SiO 2 glass.
[0016]
Then, the filter 12 selects and transmits only the wavelength component that contributes to the photoelectric conversion, and reflects the component that does not contribute to the photoelectric conversion toward the emitter 18 and uses it for heating the emitter 18. The infrared light transmitted through the filter 12 enters the photoelectric conversion cell 10 and is converted into electric energy.
[0017]
After the combustion gas after passing through the inside of the emitter 18 and heating the emitter is cooled to a low temperature by heating the air in the heat exchanger 20 as described above, the exhaust port attached to the upper part of the apparatus is used. The exhaust gas is exhausted from exhaust gas 24.
[0018]
Although the premixing chamber 26 is provided as described above, premixing alone is not sufficient, and unburned gas is generated to lower combustion efficiency. As a result, since the emitter temperature does not rise, the intensity of the radiated light from the emitter decreases, and as a result, there arises a problem that the power generation performance decreases.
[0019]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the air supplied from the air supply port 22 can be directly introduced into the fuel gas pipe 14 using the premixed air control valve 30. Have been. The premixed air control valve 30 has a structure in which the opening area of the air introduction portion of the fuel gas pipe 14 is changed using a tapered screw.
[0020]
By premixing the fuel gas and the air inside the fuel gas pipe 14 in advance, the efficiency of the premixing is improved. As a result, unburned gas components are eliminated, the emitter temperature is increased, and the cell power generation density is improved.
[0021]
The amount of premixed air into the fuel gas pipe 14 is set outside the combustion range of the fuel gas used. For example, when n-butane is used as the fuel gas, the combustion range is 1.9 to 8.5%, and the premixed air amount is set to about 9%. If the premixed air amount is set within the combustion range, there occurs a problem that combustion occurs inside the fuel gas pipe when the combustion speed exceeds the gas flow velocity.
[0022]
The adjustment of the premixed air amount is performed using a premixed air adjustment valve 30, and the valve 30 can be adjusted so as to optimize the combustion state. As described above, by optimizing the amount of premixed air introduced into the fuel gas pipe 14 using the premixed air control valve 30, it is possible to increase the premixing efficiency, improve the combustion efficiency, and increase the emitter temperature. It becomes possible.
[0023]
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the thermo-optical power generation device according to the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 2, the mounting position of the premixed air control valve 30 is set so that the air after cooling the photoelectric conversion cell 10 is introduced into the fuel gas pipe 14. I have.
[0024]
That is, in the case of the above-described first embodiment (FIG. 1), air at room temperature is directly introduced into the fuel gas pipe 14, whereas in the second embodiment (FIG. 2), the photoelectric conversion cell 10 is Since the cooled air is introduced into the fuel gas pipe 14, high-temperature air is introduced into the fuel gas pipe 14. As a result, as compared with the first embodiment, the combustion gas temperature increases, the emitter temperature increases, and the system performance improves.
[0025]
FIG. 3 is a sectional view showing a third embodiment of the thermo-optical power generation device according to the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 3, a premixed air control valve is provided so that air further heated by heat exchange with the combustion gas in the heat exchanger 20 is introduced into the fuel gas pipe 14. 30 mounting positions are set. Thus, as compared with the second embodiment, the combustion gas temperature is further increased, the emitter temperature is further increased, and the system performance is further improved.
[0026]
In the third embodiment, in order to adjust the premixed air amount and optimize the combustion state, a flow sensor 32 for measuring the flow rate and temperature of the air introduced into the fuel gas pipe 14, respectively, is provided. A temperature sensor 34 is provided.
[0027]
FIG. 4 is a diagram showing a flow of controlling the flow rate of the premixed air by monitoring the outputs of the flow rate sensor 32 and the temperature sensor 34. First, in step 102, the current flow rate of the premixed air is measured based on the output of the flow rate sensor 32. Next, at step 104, the current temperature of the premixed air is measured based on the output of the temperature sensor 34.
[0028]
Then, in the next step 106, it is determined whether the measured air temperature satisfies the spontaneous ignition temperature condition of the fuel gas and whether the measured premixed air flow rate is within the combustion range.
[0029]
If the result of the determination is YES, the routine proceeds to step 108, where an operation of reducing the flow rate of the premixed air using the premixed air adjustment valve 30 is performed.
[0030]
On the other hand, if the determination result is NO, that is, if it is within the range in which combustion is not performed inside the pipe, the process proceeds to step 110, and an operation of increasing the premixed air flow rate using the premixed air adjustment valve 30 is performed. As a result, the premixing efficiency can be increased and the combustion temperature can be increased.
[0031]
After execution of step 108 or 110, the process returns to step 102 and the above operation is repeated.
[0032]
As shown in FIG. 3, an electronic control unit (ECU) 36 automatically activates an actuator (motor or the like) 38 for driving the premixed air control valve 30 based on the measurement values of the flow rate sensor 32 and the temperature sensor 34. It is also possible to configure so that it is controlled dynamically.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the thermophotovoltaic power generation device (TPV system) of the present invention, it is possible to improve the combustion efficiency by efficiently performing the premixing of the air and the fuel gas, thereby improving the energy conversion efficiency. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a thermophotovoltaic device according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the thermo-optical power generation device according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the thermophotovoltaic device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a flow for controlling the flow rate of premixed air by monitoring the outputs of a flow rate sensor and a temperature sensor.
[Explanation of symbols]
10 ... photoelectric conversion cells 12 ... SiO 2 glass filter 14 ... fuel gas pipe 16 ... combustion gas discharge mouth plate 18 ... emitter (emitter)
Reference Signs List 20 heat exchanger 22 combustion air supply port 24 exhaust discharge port 26 premixing chamber 28 combustion chamber 30 premixed air control valve 32 flow rate sensor 34 temperature sensor 36 electronic control unit (ECU)
38 Actuator (motor, etc.)
