JP3788405B2

JP3788405B2 - 熱光発電装置

Info

Publication number: JP3788405B2
Application number: JP2002225000A
Authority: JP
Inventors: 清仁村田; 英樹中山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: US7060891B2; US20040118450A1; JP2004072823A

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、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2001−230243号の願書に添付された明細書又は図面において、エミッタの一つの面側にて燃料及び空気の供給と排気の排出とが行なわれるとともにエミッタの他の面が発光面として利用されるように構成することで高効率化、小型軽量化及び低コスト化を図った熱光発電装置を提案している。
【０００５】
その提案された熱光発電装置は、さらに、沸点の低い流体に満たされた熱回収用装置を光電変換セルの背面に備えることで、沸騰冷却を利用して光電変換セルに対する冷却及び熱回収を行うようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願出願人によるその後の研究によれば、先に提案した熱光発電装置では、沸騰冷却の際に生ずる気泡が熱伝達面（冷却面）に付着して溜まり、十分な冷却性能が必ずしも発揮されないことが判明した。そのメカニズムは、次のとおりである。
【０００７】
すなわち、熱伝達面に発生する気泡は、液体状態に比較して比重が軽くなる。その結果、気泡は、上昇しようとするが、気泡の上に熱伝達面が存在するため、移動することができない。そして、このように熱伝達面に発生した気泡は、断熱層を形成してしまう。したがって、熱伝達面に発生した気泡を迅速に冷却室へと移動させることが肝要である。
【０００８】
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、冷却（熱回収）性能をより一層高めることで、エネルギ変換効率の更なる向上を図った熱光発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、該エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、該光電変換セルを保持するセル保持部と、該セル保持部の裏面を冷却液に接触させ該光電変換セルからの熱を該冷却液に吸収させる冷却手段と、を備える熱光発電装置において、前記セル保持部の、前記冷却液と接触する面が、非水平方向の面として形成されていることを特徴とする熱光発電装置が提供される。
【００１０】
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、前記冷却液として、少なくとも二種類の液体が使用されている。
【００１１】
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、前記少なくとも二種類の液体は、一方の液体が他方の液体よりも比重が大きく、かつ、沸点が低い関係にある二種類の液体を含む。
【００１２】
また、本発明の第四の面によれば、前記本発明の第一の面による熱光発電装置が、前記冷却液の循環を促進する外部回路を更に具備する。
【００１３】
また、本発明の第五の面によれば、前記本発明の第四の面による熱光発電装置において、前記外部回路は、放熱性を高めるファンを備える。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１は、本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の作動前の状態を示す部分断面図である。また、図２は、図１の切断線Ｘ−Ｘに沿って切断した場合の部分断面図である。符号１０ａで示されるのは燃料ガス通路であり、この燃料ガス通路１０ａは装置内部において空気通路１０ｂに内蔵され、燃料ガス通路１０ａと空気通路１０ｂとにより燃焼器１０が形成される。
【００１６】
符号１２で示されるのはエミッタであり、このエミッタ１２は、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃の多孔質（ポーラス）体により器状に形成されている。燃焼器１０から出て燃焼したガスは、エミッタ１２を通過し、その際、エミッタ１２に熱を与える。エミッタ１２から出たガスは、経路Ａを通って熱交換器１６に入り、一方、燃焼器１０に供給されるべき空気は、経路Ｂを通って熱交換器１６に入る。
【００１７】
熱交換器１６において、空気との間で熱交換をした後の燃焼ガスは、排気ガスとして、排気ファン１８より外部に排出される。排気ファン１８は、排気ガスを吸引・排出することにより、空気を導入する作用を奏する。
【００１８】
エミッタ１２に吸収された熱は、輻射によりエミッタ１２の表面から光として出る。その光は、燃焼室を形成するＳｉＯ₂ ガラス２０を通過した後、光電変換セル２２に入り、電気に変換される。
【００１９】
符号２４で示されるのは、セル保持部であり、Ａｌ等、熱伝導性の良い物質でできている。セル保持部２４の下部２４ａより入った空気は、光電変換セル２２を冷却した後、前述したように熱交換器１６内を通り、燃焼器１０を構成する空気通路１０ｂに入る。
【００２０】
符号２８で示されるのは、外殻部材であり、セル保持部２４と一体となって密閉空間を形成しており、その内部には、冷却液が内蔵されている。符号３０で示されるのは、冷却フィン３２を備える冷却室である。外殻部材２８とセル保持部２４との間に保持された冷却液から発生した蒸気は、冷却室３０において冷却されて戻される。
【００２１】
光電変換セル２２で発生した熱の一部は前述の冷却液に与えられ、他の一部は空気に与えられ、残りは外殻部材２８を通して外部に放出される。暖められた空気は、更に、熱交換器１６に入って、排気より熱を回収し、高温となる。この高温空気と燃料ガス通路１０ａより供給される燃料との混合気が燃焼器１０から噴出して燃焼し、エミッタ１２が加熱される。エミッタ１２から輻射された光は、光電変換セル２２で電気に変換される。
【００２２】
光電変換セル２２での光電変換効率は、最大で６割程度である。３Ｗ／ｃｍ²のセルであれば、ほぼ同じ程度の発熱があることとなる。したがって、この熱を効率良く回収してエミッタに戻すことが、効率を向上させる上で最重要課題となる。また、光電変換セルは、高温になると、その変換効率が低下する。したがって、冷却は、この意味でも重要になってくる。
【００２３】
本実施形態においては、前述の冷却液として、第一の液体４０と第二の液体４２とが、外殻部材２８とセル保持部２４との間に保持されている。例えば、本実施形態では、第一の液体４０は「フロリナート」（商品名、米国３Ｍ社製品）（比重１．７、非水溶性、沸点５０°Ｃ程度）であり、一方、第二の液体４２は水である。
【００２４】
次に、図３を用いて、本実施形態に係る熱光発電装置の作動中の状態について説明する。発電のための燃焼が始まると、最初に、沸点の低い方のフロリナート４０が、沸騰を開始する。すると、図３に示されるように、フロリナート４０は、水４２の上に移動し、冷却室３０で冷却されて溜まる。この溜まったフロリナート４０ａは、比重が水よりも大きいため、水４２の方に移動するが、水４２の温度が高いと、すぐに沸騰し、再び冷却室３０に戻る。熱は、冷却フィン３２から放出される。
【００２５】
図１に示されるように、本実施形態におけるセル保持部２４の冷却液接触面（熱伝達面）２４ｂは、傾斜面すなわち非水平方向の面として形成されている。これに対し、本願出願人が先にした特願2001−230243号の願書に添付された明細書又は図面に記載された熱光発電装置において、当該冷却液接触面２４ｂに相当する面は、水平に形成されている。
【００２６】
そのため、この先行技術によれば、冷却液が沸騰しても、気泡となってその冷却液接触面に留まり、熱移動を妨げるという問題を有している。そこで、図１に示される実施形態では、セル保持部２４の冷却液接触面２４ｂが傾斜面すなわち非水平方向の面として形成されることで、気泡が付着しないようにされて、その問題が解消されている。
【００２７】
次に、気泡のつき方について考えると、セル保持部２４の裏面の凹凸に気泡が付着しやすい。これは、固体に液体や気体といった流体が付着するときの特徴である。そこで、付着し難くするために、本発明においては、冷却液として少なくとも二種類の冷却液が同時に使用されている。
【００２８】
例えば、本実施形態においては、フロリナート４０と水４２とが使用されている。フロリナート４０は、主に水４２から熱を受けて蒸発する。図３に示されるように、光電変換セル２２の裏面が接触するセル保持部２４は、水４２で覆われている。かくして、固体としての凹凸は、水４２で埋められるため、フロリナート４０の泡は、壁に付着しない。
【００２９】
また、フロリナート４０は、冷却室３０に移動するまでに、水４２から熱を吸収することができるため、熱吸収が良好となる。なぜならば、水温は下部よりも上部の方が高く、したがって、泡として上昇しつつ継続的に熱を吸収するからである。
【００３０】
このように、一方の液体に対して、他方の液体の方が、比重が大きく、且つ、沸点が低いことが重要である。すなわち、セル保持部２４に主に接触する液体は、複数種ある液体の中で下層部にある液体よりも、沸点の高い液体である。
【００３１】
図４は、本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置を示す部分断面図である。この実施形態では、冷却室３０がパイプ５０で別室５２に連通されている。この別室５２は、開口５２ａにより大気に開放されるとともに、ラビリンス５４により漏出が防止される構造を有している。
【００３２】
フロリナートの沸騰がさかんになると、冷却室３０から気体のフロリナートが出てきて、パイプ５０を通り、別室５２に溜まる。図中、矢印で示される循環がなされるため、冷却効率が向上する。このように、本実施形態は、冷却液の循環を促進する外部回路が設けられていることを特徴とする。
【００３３】
図５は、本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置を示す部分断面図である。この第三実施形態は、前述の第二実施形態を更に改造したものである。すなわち、前述のパイプ５０の途中に、フロリナートの蒸気で駆動されるファン６０が設けられている。そして、このファン６０によりプロペラ６２が回転する。
【００３４】
このようにファン６０及びプロペラ６２を設けることにより、フロリナートが持っている運動エネルギを吸収することができるため、冷却能力が向上する。そして、そのプロペラ６２によって起こされた風を熱光発電装置本体に当てることで、さらに冷却能力が向上する。このように、本実施形態は、前述の外部回路が、放熱性を高めるファンを備えることを特徴としている。
【００３５】
【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によれば、冷却（熱回収）性能がより一層高められることにより、エネルギ変換効率の更なる向上が図られるという効果がある。
【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作動前の状態を示す部分断面図である。
【図２】図１の切断線Ｘ−Ｘに沿って切断した場合の部分断面図である。
【図３】第一実施形態に係る熱光発電装置の作動中の状態を示す部分断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置を示す部分断面図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０…燃焼器
１０ａ…燃料ガス通路
１０ｂ…空気通路
１２…エミッタ
１６…熱交換器
１８…排気ファン
２０…ＳｉＯ₂ ガラス
２２…光電変換セル
２４…セル保持部
２４ａ…セル保持部の下部
２４ｂ…冷却液接触面
２８…外殻部材
３０…冷却室
３２…冷却フィン
４０…第一の液体（フロリナート）
４２…第二の液体（水）
５０…パイプ
５２…別室
５２ａ…開口
５４…ラビリンス
６０…ファン
６２…プロペラ

Claims

燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器から発生する燃焼熱により加熱されるエミッタと、該エミッタからの輻射光を電力に変換する光電変換セルと、該光電変換セルを保持するセル保持部と、該セル保持部の裏面を冷却液に接触させ該光電変換セルからの熱を該冷却液に吸収させる冷却手段と、を備える熱光発電装置において、
前記セル保持部の、前記冷却液と接触する面が、非水平方向の面として形成され、
前記冷却液として、少なくとも二種類の液体が使用され、
前記少なくとも二種類の液体は、一方の液体が他方の液体よりも比重が大きく、かつ、沸点が低い関係にある二種類の液体を含む、
ことを特徴とする熱光発電装置。