JP7192434B2 - 発電装置および発電設備 - Google Patents
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Description
光電素子と、
前記光電素子を冷却するための冷却部と、
前記光電素子および前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電装置であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、を含む、
発電装置。
(作用効果)
この発電装置は、光電素子を冷却するための冷却部を備えている。しかし、仮に冷却部に高温熱源からの輻射光が直接入射すると、冷却部による冷却性能が低下してしまう。また、高温熱源により昇温した気流が光電素子や冷却部まで到達すると、光電素子の冷却に関して不利である。
そこで、この発電装置では、光電素子および冷却部と高温熱源との間に保護部材が設けられ、保護部材が遮光部材を含んで構成されているので、冷却部に輻射光が直接入射することが抑制されている。
また、遮光部材には、高温熱源からの輻射光を光電素子に入射させるための貫通孔が設けられているので、光電素子に輻射光を入射させ、発電を行うことができる。更に、貫通孔を塞ぐように透過板が設けられているので、高温熱源により昇温した気流が光電素子や冷却部まで到達することが抑制されている。
更に、この発電装置は、気流発生装置を備えてもよい。気流発生装置は、光電素子と透過板との間に形成された空間に強制的に気流を発生させる。このため、光電素子および透過板を冷却することができ、発電効率の低下や透過板の損傷を抑制することができる。
前記光電素子が複数配列されて素子配列領域が形成され、
前記貫通孔の面積は、前記素子配列領域の面積の0.81~2.25倍である、
<1>に記載の発電装置。
ここで、貫通孔の面積は、光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ貫通孔を投影した領域の面積とする。
(作用効果)
貫通孔が適切な大きさなので、素子に当たり発電に寄与する光を通過させ、素子の周辺の部材に当たり温度上昇に影響する光の通過を阻止することにより、発電効率と冷却効率が両立する。なお、素子配列領域の面積に対する貫通孔の面積は、1.00~1.96倍であることがより好ましく、1.00~1.44倍であることが更に好ましい。
前記透過板は、前記遮光部材の上面に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
<1>または<2>に記載の発電装置。
(作用効果)
透過板が遮光部材の上面に単に載置され、遮光部材に対して固定されていないので、透過板の交換が容易である。
前記透過板は、前記遮光部材に対して固定されている、
<1>または<2>に記載の発電装置。
(作用効果)
透過板が遮光部材に対して固定されているので、透過板の位置が振動などによりずれることが抑制され、長時間における発電の安定化に有効である。
前記遮光部材の上面には、前記透過板が載置される凹部が形成され、
前記透過板は、前記凹部に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
<1>または<2>に記載の発電装置。
(作用効果)
遮光部材の凹部に透過板が配置されているので、透過板が凹部に拘束され、振動などによる透過板の位置ずれが抑制される。
また、透過板が遮光部材に固定されていないので、遮光部材や透過板が熱膨張や熱収縮しても、凹部と透過板との間の隙間により膨張差を吸収でき、透過板の破損を抑制できる。
また、透過板が遮光部材に対して固定されていないので、透過板の交換が容易である。
前記遮光部材は、
前記光電素子と前記高温熱源との間に配置された一般部と、
前記一般部の幅方向両側に設けられ、前記一般部よりも前記高温熱源側に変位した両側部と、を含む、
<1>~<5>の何れか一項に記載の発電装置。
(作用効果)
気流遮断効果を維持したまま遮光部材の幅寸法が小さくできる。
なお、高温熱源が遮光部材の幅方向に垂直な方向に搬送される場合に特に有効である。
前記遮光部材は、
前記光電素子と前記高温熱源との間に配置された一般部と、
前記一般部に対して前記高温熱源の搬送方向上流側に設けられ、前記一般部よりも前記光電素子側に変位した上流側部と、
前記一般部に対して前記高温熱源の搬送方向下流側に設けられ、前記一般部よりも前記光電素子側に変位した下流側部と、を含む、
<1>~<5>の何れか一項に記載の発電装置。
(作用効果)
高温熱源が搬送される場合において、高温熱源からの輻射光や気流が効果的に遮られる。
前記冷却部は、放熱板と、複数のフィンと、前記放熱板と複数の前記フィンとを連結するヒートパイプと、を含む、
<1>~<7>の何れか一項に記載の発電装置。
複数の前記フィンにより形成されたフィン配置領域を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域をフィン投影領域とし、
前記貫通孔を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域を貫通孔投影領域としたとき、
フィン投影領域は、素子配列領域と貫通孔投影領域の両方を包含する、
<8>に記載の発電装置。
複数の前記フィンにより形成されたフィン配置領域を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域をフィン投影領域とし、
前記貫通孔を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域を貫通孔投影領域としたとき、
フィン投影領域の面積は、素子配列領域と貫通孔投影領域のうち大きい方の面積の2倍以上である、
<8>または<9>に記載の発電装置。
前記光電素子と前記透過板との間に形成された空間に強制的に気流を発生させる気流発生装置を更に備える
<1>~<10>の何れか一項に記載の発電装置。
各々が多数の光電素子を含み、所定の配列方向に配列された多数の発電ユニットと、
多数の前記発電ユニットにそれぞれ接続され、前記配列方向に配列された多数の冷却部と、
多数の前記発電ユニットおよび多数の前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電設備であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、を含む、
発電設備。
多数の前記発電ユニットと前記保護部材との間の空間を、前記発電ユニット毎の空間に区画する区画部材と、
前記発電ユニット毎に区画された前記空間に前記配列方向に直交する方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
<12>に記載の発電設備。
(作用効果)
1つの発電ユニット毎に気流を当てるので、温度の低い気流を当てることができ、冷却効率が高い。
なお、発電ユニットが1方向だけでなく2方向に配列されている場合(例えば、図8Aに示す発電設備13において、紙面に直交する方向であるX方向に2つや3つの発電ユニットが配列されている場合)、配列された数が多い方向が上述の「配列方向」に当たる(後述の<14>など他の態様でも同様)。つまり、上記例では、Y方向の配列数が6であり、X方向の配列数が2や3なので、Y方向が「配列方向」に当たる。但し、この場合は、1つではなく、2つや3つの発電ユニット毎に気流を当てることとなる。
多数の前記発電ユニットと前記保護部材との間の空間を、少数の前記発電ユニット毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記発電ユニット毎に区画された前記空間に前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
<12>に記載の発電設備。
(作用効果)
1つの発電ユニット毎に区画される態様と比較して、ガス量を抑制できる。なお、「少数」とは、2~5つである。
多数の前記冷却部が配置された空間を、前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
前記冷却部毎に区画された前記空間に前記配列方向に直交する方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
<12>~<14>に記載の発電設備。
(作用効果)
1つの冷却部毎に気流を当てるので、温度の低い気流を当てることができ、冷却効率が高い。
多数の前記冷却部が配置された空間を、少数の前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記冷却部毎に区画された前記空間に、前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
<12>~<14>の何れか一項に記載の発電設備。
(作用効果)
1区画に配置された少数の冷却部に順番にガスの気流を当てることができるため、ガスの量を抑えることができる。
多数の前記発電ユニットおよび多数の前記冷却部が配置された空間を、少数の前記発電ユニットおよび少数の前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記発電ユニットおよび少数の前記冷却部ごとに区画された前記空間に、前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
<12>に記載の発電設備。
(作用効果)
1区画内に配列された少数の発電ユニットおよび少数の冷却部に対して配列方向に沿って順番にガスを通すので、(冷却部を冷やすための気流発生装置の他に)光電素子および透過板を冷やすための気流発生装置を別途設ける必要がなく、設備費用を抑制できる。
前記貫通孔は、1区画内に配列された少数の前記発電ユニットに対して1つ形成されている、
<14>または<17>に記載の発電設備。
発電ユニット20は、多数の光電素子21を含む。図1等では模式的に3つで示しているが、1つの発電ユニット20に含まれる光電素子21の数、形状、大きさは、特に限定されない。多数の光電素子21の各々は矩形状であり、多数の光電素子21が縦横に配列されて素子配列領域A1(図4参照)が形成されている。素子配列領域A1は、矩形状の領域とされている。矩形状の素子配列領域A1の各辺の方向は、矩形状の光電素子21の各辺の方向と同じ方向である。
保護部材40は、高温材料91からの輻射光を光電素子21に入射させるための貫通孔45が形成された遮光部材41と、貫通孔45を塞ぐ透過板42と、を含む。
図1等に示すように、本実施形態の遮光部材41は、複数層構造とされており、高温材料91側の高密度断熱材41aと、発電ユニット20側の低密度断熱材41bと、を含んでいる。これにより、断熱性が高められている。例えば、高密度断熱材41aとしてアルミナ質のボードを用い、低密度断熱材41bとしてカーボンフェルトを用いてもよい。また例えば、複数層構造とした遮光部材41のうち、何れかの層を金属板などの遮光性の高い層としてもよい。
また、遮光部材41の別の例としては、耐火材がある。耐火材は、予め成形および焼成された定形耐火物や、現場で施工される不定形耐火物である。いずれも主成分は、アルミナ、シリカ、マグネシア、カーボン等である。
また、発電装置10は、光電素子21を冷却するための冷却部30を備える。これにより、光電素子21の過度な温度上昇が抑制され、発電効率の低下が防止されている。冷却部30は、光電素子21の上側(光電素子21に対して高温材料91とは反対側)に設けられている。
また、発電装置10は、複数のフィン34に気流を通すための「気流発生装置」としての第2ファン35を備える。第2ファン35は、複数のフィン34の側方(フィン配置空間34Sの側方)に配置されている。本実施形態では、第2ファン35による気流の方向は、後述する第1ファン51による気流発生方向(-Y方向)に直交する方向(+X方向)とされている。
透過板42と強制的な気流を組み合わせることが有効である。強制的な気流により、透過板42の温度が上昇して発生する輻射熱を抑えて、光電素子の温度上昇を抑えることができる。さらに透過板42の周囲に遮光部を設けることで、透過板42のサイズを小さくすることができ、強制的な気流による冷却効果をより一層高めることができる。
また、ダクト部材50は、光電素子21と透過板42との間に他の透過板43を設置するためのガラス設置台53を備えている。ガラス設置台53は、ダクト部材50の本体部50Aの一対の側壁52Sに形成されている。ダクト部材50の第1ファン51とは反対側の端部に形成された開放部52aから他の透過板43をダクト部材50の内部に挿入し、他の透過板43をガラス設置台53に設置することができる。ガラス設置台53は複数設けられ、複数(図では3枚)の他の透過板43を設置可能となっている。
そこで、本実施形態の発電装置10では、光電素子21および冷却部30と高温材料91との間に保護部材40が設けられ、保護部材40が遮光部材41を含んで構成されているので、冷却部30に輻射光が直接入射することが抑制されている。
また、遮光部材41には、高温材料91からの輻射光を光電素子21に入射させるための貫通孔45が設けられているので、光電素子21に輻射光を入射させ、発電を行うことができる。更に、貫通孔45を塞ぐように透過板42が設けられているので、高温材料91により昇温した気流による発電装置10の温度上昇が防止される。
なお、透過板42の幅寸法(X方向Y方向の寸法)を小さくすることで、ダクト部材50の下壁52Lの開口部に透過板42が収まるようにしてもよい。この場合、ダクト部材50と遮光部材41との間に透過板42を配置するための空間を形成する必要はない。但し、遮光部材41からダクト部材50に対する熱伝達を抑制する観点から、空間を形成したままでもよい。この場合の空間の高さHは、透過板42の厚みDよりも小さくてもよい。
特に、本実施形態では、フィン投影領域A3の面積は、素子配列領域A1と貫通孔投影領域A2のうち大きい方の面積に対して2倍以上(より好ましくは3倍以上)となっているので、非常に高い冷却性能が発揮される。
なお、上記実施形態では、光電素子21と透過板42に気流を当てるための「気流発生装置」としての第1ファン51と、複数のフィン34に気流を通すための「気流発生装置」としての第2ファン35と、を別々に設けた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、1つのファンを設けて気流を2系統に分けることで、光電素子21と透過板42に気流を当てると共に複数のフィン34に気流を通してもよい。また、発電装置のための専用のファンなどを設けることなく、工場(製鉄所)内に設けられたガス配管を「気流発生装置」として用いても良い。ガス配管を利用することで、第1ファン51または第2ファン35を作動させる電力消費を抑えることができ、発電量から消費電力を差し引いた実効発電性能を高めることができる。
なお、これはフィンの場合だけでなく、後述する工場のガス配管または水冷の場合にも適用できる。
上記実施形態では、透過板42が遮光部材41の上面に単に載置されて構成された保護部材40を説明したが、これに代えて、図5Aや図5Bに示す保護部材40A、40Bとしてもよい。
上記実施形態では、冷却部30がヒートパイプ33を含む例を説明したが、図6Aに示すように、ヒートパイプ33は省略されても良い。図6Aに示す冷却部30では、放熱板32に複数のフィン34が直接的に接続されている。
上記実施形態では、発電ユニット20がベース部材23を含む例を説明したが、図6Bに示すように、ベース部材23は省略されてもよい。図6Bに示す発電ユニット20は、冷却部30の放熱板32に複数の発電モジュール24が直接的に接合されることで構成されている。なお、冷却部30に対してベース部材23を介して複数の基板22(複数の発電モジュール24)が接合されている場合(図1や図6Aの場合)は、冷却部30からベース部材23を取り外すことで当該ベース部材23に接合された複数の発電モジュール24を冷却部30から同時に取り外すことができ、交換等の作業が簡便である。これに対し、図6Bに示す発電ユニット20では、ベース部材23が省略されることで、冷却効率が向上されている。
上記実施形態では、平板形状の遮光部材41(図1参照)を説明したが、遮光部材41の形状は、図7A~図7Dに示すように変更されてもよい。
図8Aおよび図8Bには、多数の発電ユニットを備える発電設備の一例である発電設備11が示されている。
図9には、発電設備12が示されている。
発電設備11と同一の構成については、同一の符号を付すと共に説明を省略する。
図10Aには、発電設備13が示されている。
発電設備11と同一の構成については、同一の符号を付すと共に説明を省略する。
図11には、発電設備14が示されている。
図12には、発電設備15が示されている。
図13には、発電設備16が示されている。
図14には、発電設備17が示されている。
上記実施形態では、発電装置10が下向きに配置される例(高温材料91の上方に発電装置10が配置される例)を説明した。つまり、発電ユニット20の正面方向が下方向と一致している例を説明した。
しかし、本発明はこれに限定されず、発電ユニット20は、その受光面の方向を横方向や上方向に向けていてもよい。
11、12,13,14,15,16,17 発電設備
20 発電ユニット
21 光電素子
30 冷却部
34 フィン
34S フィン配置空間
35 第二ファン(気流発生装置)
40 保護部材
41 遮光部材
41B 凹部
41M 一般部
41F 下流側部
41R 上流側部
41S 両側部
42 透過板
42a 固定具
43 透過板
45 貫通孔
50 ダクト部材
60 ダクト部材(区画部材)
61 区画壁
62 区画壁
63 天壁
70 ダクト部材(区画部材)
70K 区画壁
91 高温材料
92 搬送路
130 冷却部
A1 素子配列領域
A2 貫通孔投影領域
A3 フィン投影領域
Y 配列方向
Claims (21)
- 光電素子と、
前記光電素子を冷却するための冷却部と、
前記光電素子および前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電装置であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、含み、
前記透過板は、前記遮光部材の上面に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
発電装置。 - 光電素子と、
前記光電素子を冷却するための冷却部と、
前記光電素子および前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電装置であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、含み、
前記遮光部材の上面には、前記透過板が載置される凹部が形成され、
前記透過板は、前記凹部に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
発電装置。 - 前記光電素子が複数配列されて素子配列領域が形成され、
前記貫通孔の面積は、前記素子配列領域の面積の0.81~2.25倍である、
請求項1または請求項2に記載の発電装置。 - 前記遮光部材は、
前記光電素子と前記高温熱源との間に配置された一般部と、
前記一般部の幅方向両側に設けられ、前記一般部よりも前記高温熱源側に変位した両側部と、を含む、
請求項1~請求項3の何れか一項に記載の発電装置。 - 前記遮光部材は、
前記光電素子と前記高温熱源との間に配置された一般部と、
前記一般部に対して前記高温熱源の搬送方向上流側に設けられ、前記一般部よりも前記光電素子側に変位した上流側部と、
前記一般部に対して前記高温熱源の搬送方向下流側に設けられ、前記一般部よりも前記光電素子側に変位した下流側部と、を含む、
請求項1~請求項3の何れか一項に記載の発電装置。 - 前記冷却部は、放熱板と、複数のフィンと、前記放熱板と複数の前記フィンとを連結するヒートパイプと、を含む、
請求項1~請求項5の何れか一項に記載の発電装置。 - 前記光電素子が複数配列されて素子配列領域が形成され、
複数の前記フィンにより形成されたフィン配置領域を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域をフィン投影領域とし、
前記貫通孔を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域を貫通孔投影領域としたとき、
フィン投影領域は、前記素子配列領域と貫通孔投影領域の両方を包含する、
請求項6に記載の発電装置。 - 複数の前記フィンにより形成されたフィン配置領域を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域をフィン投影領域とし、
前記貫通孔を、前記光電素子の受光面に平行な仮想的な平面へ投影したときの領域を貫通孔投影領域としたとき、
フィン投影領域の面積は、素子配列領域と貫通孔投影領域のうち大きい方の面積の2倍以上である、
請求項6または請求項7に記載の発電装置。 - 前記光電素子と前記透過板との間に形成された空間に強制的に気流を発生させる気流発生装置を更に備える
請求項1~請求項8の何れか一項に記載の発電装置。 - 前記気流発生装置による気流を前記光電素子と前記透過板との間に形成された空間に導くためのダクト部材を更に備える、
請求項9に記載の発電装置。 - 前記ダクト部材と前記遮光部材との間に前記透過板が配置されている、
請求項10に記載の発電装置。 - 前記ダクト部材には、他の透過板を設置するための設置台が形成されている、
請求項10または請求項11に記載の発電装置。 - 各々が多数の光電素子を含み、所定の配列方向に配列された多数の発電ユニットと、
多数の前記発電ユニットにそれぞれ接続され、前記配列方向に配列された多数の冷却部と、
多数の前記発電ユニットおよび多数の前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電設備であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、を含み、
前記透過板は、前記遮光部材の上面に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
発電設備。
なお、多数とは、6つ以上を意味する。 - 各々が多数の光電素子を含み、所定の配列方向に配列された多数の発電ユニットと、
多数の前記発電ユニットにそれぞれ接続され、前記配列方向に配列された多数の冷却部と、
多数の前記発電ユニットおよび多数の前記冷却部と高温熱源との間に設けられた保護部材と、を備える発電設備であって、
前記保護部材は、
前記高温熱源からの輻射光を前記光電素子に入射させるための貫通孔が形成された遮光部材と、
前記貫通孔を塞ぐ透過板と、を含み、
前記遮光部材の上面には、前記透過板が載置される凹部が形成され、
前記透過板は、前記凹部に載置され、前記遮光部材に対して固定されていない、
発電設備。
なお、多数とは、6つ以上を意味する。 - 前記光電素子と前記透過板との間に形成された空間に強制的に気流を発生させる気流発生装置を更に備える
請求項13または請求項14に記載の発電設備。 - 多数の前記発電ユニットと前記保護部材との間の空間を、前記発電ユニット毎の空間に区画する区画部材と、
前記発電ユニット毎に区画された前記空間に前記配列方向に直交する方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
請求項13または請求項14に記載の発電設備。 - 多数の前記発電ユニットと前記保護部材との間の空間を、少数の前記発電ユニット毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記発電ユニット毎に区画された前記空間に前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
請求項13または請求項14に記載の発電設備。
なお、少数とは、2~5つを意味する。 - 多数の前記冷却部が配置された空間を、前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
前記冷却部毎に区画された前記空間に前記配列方向に直交する方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
請求項13~請求項17の何れか一項に記載の発電設備。 - 多数の前記冷却部が配置された空間を、少数の前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記冷却部毎に区画された前記空間に、前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
請求項13~請求項17の何れか一項に記載の発電設備。
なお、少数とは、2~5つを意味する。 - 多数の前記発電ユニットおよび多数の前記冷却部が配置された空間を、少数の前記発電ユニットおよび少数の前記冷却部毎の空間に区画する区画部材と、
少数の前記発電ユニットおよび少数の前記冷却部ごとに区画された前記空間に、前記配列方向の気流を流す気流発生装置と、を更に備える
請求項13または請求項14に記載の発電設備。
なお、少数とは、2~5つを意味する。 - 前記貫通孔は、1区画内に配列された少数の前記発電ユニットに対して1つ形成されている、
請求項17または請求項20に記載の発電設備。
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