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【発明の名称】 発電装置
【発明者】 【氏名】村田 清仁

【氏名】中山 英樹

【氏名】大川 進

【要約】 【課題】熱光発電素子と燃焼機関との複合型であり、発電効率の高い発電装置を提供する。

【解決手段】発電機12を駆動し、発電動作を行わせるガスタービン10の前段にこれとは別体に燃焼室16が設けられ、この燃焼室16からガスタービン10駆動用の燃焼ガスが供給される。燃焼室16には熱光発電素子22が設けられ、燃焼室16の燃焼中に発生する光により光発電も行わせる。熱光発電素子22で発電動作を行わせる場合には、短波長の光が有利であるので燃焼室16の温度を極力高温に維持し、熱交換器20によりガスタービン10に供給される燃焼ガスの温度を燃料及び空気と熱交換することによって低下させ、ガスタービン10に最適な温度の燃焼ガスも供給することが可能となる。これにより、発電効率を向上させるとともにガスタービン10の運転も可能とする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関の前段に、ガスタービン機関とは別体とされ、熱光発電素子が備えられた燃焼室が独立して設けられ、この燃焼室で燃料を高温燃焼させつつ前記熱光発電素子で発電を行わせ、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には燃焼ガス温度が所定の温度まで低下されていることを特徴とする発電装置。
【請求項2】 請求項1記載の発電装置において、前記熱光発電素子は前記燃焼室の上流から下流に向けて複数設けられ、上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴とする発電装置。
【請求項3】 請求項1記載の発電装置において、前記燃焼室が並列に複数設けられ、それぞれに備えられた前記熱光発電素子の出力特性を異ならせるとともに、要求出力に応じて燃焼室が選択使用されることを特徴とする発電装置。
【請求項4】 請求項1記載の発電装置において、前段の前記燃焼室と後段の前記ガスタービン機関との間に熱交換器が介在され、前記燃焼室に供給される燃料または空気がこの熱交換器で加熱されることを特徴とする発電装置。
【請求項5】 熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と一体の燃焼室に、その燃焼室の上流から下流方向に複数の熱光発電素子が配設され、前記複数の熱光発電素子は上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴とする発電装置。
【請求項6】 熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と一体の燃焼室内に設けられた燃焼筒壁部が輻射材に置換され、前記燃焼筒壁部から発生した光により発電を行う光発電セルが前記燃焼筒壁部の周囲に設けられ、前記燃焼筒壁部と前記光発電セルとにより熱光発電素子が構成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項7】 熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、燃焼機関に配設された熱光発電素子の前面に波長変換用非線形光学フィルタが設けられ、このフィルタは高圧電源に接続された電極を備え、前記フィルタにポーリング電界が形成されることを特徴とする発電装置。
【請求項8】 請求項7記載の発電装置において、前記高圧電源は前記燃焼機関の点火装置の電源であることを特徴とする発電装置。
【請求項9】 請求項8記載の発電装置において、前記燃焼機関はレシプロ機関であり、前記燃焼機関の点火と同時に前記フィルタの電極に電圧が印加されることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱光発電素子と燃焼機関とを組み合わせた複合型の発電装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】従来ジェットエンジンを搭載したジェット機等の装置における電力発生装置は、機械的な回転エネルギを電気エネルギに変換する交流同期発電機が用いられていた。しかしこのような発電機は、大型でかつ大重量であるため、小型かつ軽量である熱光発電素子(TPV)を使用することが提案されている。たとえば、特開昭52−152188号公報にも、ジェットエンジンやガスタービン等の燃焼機関に上記熱光発電素子を付加し、燃焼により発生する輝光や輻射といった放射エネルギを電力に変換し、熱効率を向上させる技術が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の熱光発電素子を用いた発電装置では、十分なエネルギ変換効率が得られないという問題があった。この理由は主に2つあり、1つは、従来技術のように燃焼機関を主とし、熱光発電素子を補助的に使用する場合には、回転部分を有し耐熱強度に限界がある燃焼機関の仕様に合わせて燃焼条件を設定するため、燃焼温度を低く抑える必要があり、十分な放射エネルギが得られずに、熱光発電素子による発電効率が低下することによるものであり、2つめは、燃焼機関で発生する光の波長が必ずしも熱光発電素子にとって適切なものとはいえないことによるものである。この2つめの理由に対しては、放射波長をフィルタにより熱光発電素子にとって最適な波長に変換することも考えられる。しかし、そのフィルタとしては非線形光学素子を用いる必要があり、燃焼熱により配向が失われ、非線形性がなくなって熱光発電素子にとって適切な波長が得られなくなるという問題がある。
【0004】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、熱光発電素子と燃焼機関との複合型であり、発電効率の高い発電装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関の前段に、ガスタービン機関とは別体とされ、熱光発電素子が備えられた燃焼室が独立して設けられ、この燃焼室で燃料を高温燃焼させつつ熱光発電素子で発電を行わせ、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には燃焼ガス温度が所定の温度まで低下されていることを特徴とする。
【0006】また、上記発電装置において、熱光発電素子は燃焼室の上流から下流に向けて複数設けられ、上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴とする。
【0007】また、上記発電装置において、燃焼室が並列に複数設けられ、それぞれに備えられた熱光発電素子の出力特性を異ならせるとともに、要求出力に応じて燃焼室が選択使用されることを特徴とする。
【0008】また、上記発電装置おいて、前段の燃焼室と後段のガスタービン機関との間に熱交換器が介在され、燃焼室に供給される燃料または空気がこの熱交換器で加熱されることを特徴とする。
【0009】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と一体の燃焼室に、その燃焼室の上流から下流方向に複数の熱光発電素子が配設され、複数の熱光発電素子は上流側がより短波長の光に適したものであることを特徴とする。
【0010】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、発電機を駆動するガスタービン機関と一体の燃焼室内に設けられた燃焼筒壁部が輻射材に置換され、燃焼筒壁部から発生した光により発電を行う光発電セルが燃焼筒壁部の周囲に設けられ、燃焼筒壁部と光発電セルとにより熱光発電素子が構成されていることを特徴とする。
【0011】また、熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置であって、燃焼機関に配設された熱光発電素子の前面に波長変換用非線形光学フィルタが設けられ、このフィルタは高圧電源に接続された電極を備え、非線形光学フィルタにポーリング電界が形成されることを特徴とする。
【0012】また、上記発電装置において、高圧電源は前記燃焼機関の点火装置の電源であることを特徴とする。
【0013】また、上記発電装置において、燃焼機関はレシプロ機関であり、燃焼機関の点火と同時に非線形光学フィルタの電極に電圧が印加されることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0015】実施形態1.図1には、本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態1の構成が示される。図1において、発電装置はガスタービン10により発電機12を駆動して発電を行う。発電機12により発電された電力はバッテリ14に蓄えられる。このガスタービン10へは、ガスタービン10と別体とされ、独立して設けられた燃焼室16から燃焼ガスが供給される。燃焼室16には、ガスタービン10の排気ガスにより、熱交換器18で加熱された燃料及び空気が供給され燃料の高温燃焼が行われる。図1に示された例では、前段の燃焼室16と後段のガスタービン10との間に熱交換器20が設けられ、熱交換器18から燃焼室16に供給される燃料及び空気を熱交換器20で、燃焼室16からの燃焼ガスによりさらに加熱する。
【0016】本実施形態では、燃焼室16に熱光発電素子(TPV)22が設けられている。燃焼室16で燃料が高温燃焼する際に発生する光により、熱光発電素子22により発電が行われ、この電力が上述したバッテリ14に蓄えられる。このように、ガスタービン10の前段に設けられた燃焼室16において熱光発電素子22により発電を行わせ、さらに燃焼室16からガスタービン10に燃焼ガスを供給してこれを駆動することにより発電機12で発電を行わせるので、ガスタービン10のみの発電装置と比べて発電効率を上昇させることができる。なお、発電機12により発電される電力は交流であり、熱光発電素子22により発電される電力は直流であるので、発電機12からの交流電力はいったん直流とし、バッテリ14には直流電力として蓄える。このバッテリ14に蓄えられた電力によりモータ24を駆動して所定の出力を得る。
【0017】熱光発電素子22は、燃焼室16で発生する光の波長が短く光放射エネルギが高いほど高効率の発電を行うことができる。このためには、燃焼室16における燃焼温度をなるべく高くする必要がある。他方、ガスタービン10には回転部分があるので、燃焼室16から供給される燃焼ガス温度が所定値たとえば1600°Kより高くなると回転部分の材料が温度に耐えられず破損する等の問題がある。このため、ガスタービン10に供給される燃焼ガス温度は上記所定温度よりも低くする必要がある。本実施形態では、上述したとおり燃焼室16とガスタービン10との間に熱交換器20を設けたので、この熱交換器20において燃焼室16に供給される燃料及び空気と燃焼室16からガスタービン10に供給される燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、燃焼ガスの温度を上記所定値以下まで低下させることができる。このような構成とすることにより、燃焼室16における燃料の燃焼温度を上昇でき、熱光発電素子22による発電効率を向上させることができるとともに、ガスタービン10に供給する燃焼ガス温度を所定温度まで低下でき、ガスタービン10による発電機12の駆動を支障なく行わせることができる。また、燃焼室16からの燃焼ガスと、燃焼室16へ供給される燃料及び空気との間で熱交換器20により熱交換が行われるので、エネルギ効率も向上させることができる。
【0018】なお、熱光発電素子22を構成する発電用セルは、低温なほど発電効率がよくなるので、動作中冷却したほうがよい。本実施形態では、ガスタービン10の排気から熱交換器18により排熱を回収し、この排熱により冷凍機26を駆動して空気を冷却し、この冷気で熱光発電素子22の発電用セルの冷却を行わせている。上記冷凍機26としては、たとえば吸収式あるいは吸着式の冷凍機を使用することができる。
【0019】図2には、上記ガスタービン10により駆動される発電機12による発電と熱光発電素子22による発電とを組み合わせた場合の発電効率が示される。前述したとおりガスタービン10は材料強度上の制約で1600°K以上の温度では使えない。したがって、ガスタービン10を使用した場合の最高効率は、図2のGTで示される点となる。他方熱光発電素子22を使用した場合には、回転部分が存在しないぶんだけ温度限界が回転機器よりも高くなる。したがって、ガスタービン10での最高使用温度よりも高い温度で発電を行わせることができる。この結果、熱光発電素子22における発電効率は図2のTPVで示される点となる。以上より、熱光発電素子22を高温域で利用し、ガスタービン10をその適温域で利用すれば、これらの組み合わせにより発電効率をそれぞれ単独で使用した場合よりも高くすることができる。たとえば、熱光発電素子を2300°Kで使用した場合の発電効率は40%であり、ガスタービン10を1600°Kで使用した場合の発電効率は30%である。したがってこれらを組み合わせた場合の総合発電効率は40+60×0.3=58%となる。
【0020】図3には、本実施形態に係る発電装置の変形例が示され、図1と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。本変形例において特徴的な点は、燃焼室16の上流から下流に向けて作動温度の異なる複数の熱光発電素子が設けられた点にあり、図3では、最も上流の高温域に作動温度が2300°Kの熱光発電素子22aが、中央の中温域に同じく2000°Kの熱光発電素子22bが、最も下流の低温域に同じく1700°Kの熱光発電素子22cがそれぞれ設けられている。なお、上記のように熱光発電素子22a、22b、22cの作動温度が異なるのは、これらを構成する光発電用セルの最適な光の波長が異なり、これらの波長の光を発生するための温度が異なるためである。図3の例では、燃焼室16の上流側に設けられた熱光発電素子ほどより短波長の光に適した光発電用セルで構成されていることになる。
【0021】図4には、図3に示された構成の発電装置の発電効率が示される。図4において、Aで2300°Kにおける熱光発電素子22aの発電効率が示され、Bで2000°Kにおける熱光発電素子22bの発電効率が示され、Cで1700°Kにおける熱光発電素子22cの発電効率がそれぞれ示されている。また、Dでガスタービン10により駆動される発電機12の発電効率が示されている。本変形例では、図4に示されるように、燃焼室16の高温域、中温域、低温域に、それぞれの部分の温度で最高の発電効率となるような光発電用セルで構成された熱光発電素子22a、22b、22cを設けたので、ガスタービン10に最適な温度の燃焼ガスを供給しつつ発電装置全体としての発電効率をより高めることができる。
【0022】なお、本変形例では、燃焼室16の中を燃焼ガスが移動する間に熱光発電素子22a、22b、22cにより発電のためのエネルギが使われて、燃焼ガスの温度が低下していく。このため、燃焼室16とガスタービン10との間に熱交換器を設けなくとも、ガスタービン10に供給される燃焼ガスの温度は所定の温度まで低下している。また、上記発電装置においても、ガスタービン10の排気から熱交換器18により熱エネルギを受け取り、冷凍機26によりセル冷却用の冷気を製造してそれぞれの熱光発電素子22a、22b、22cの光発電用セルの冷却に使用している。
【0023】図5には、図3に示された燃焼室16及びこれに設けられた3つの熱光発電素子22a、22b、22cの具体例が示される。図5において、燃焼室16の最上流側に配置された第1の熱光発電素子22aは、光発電用のセル28aとこのセル28aにとって最も発電効率のよい光のみを透過させる光フィルタ30aとバーナ32による燃焼ガスからの熱を受けて光を発するエミッタ(輻射材)34aとにより構成されている。同様に燃焼室16の中間位置に配置された第2の熱光発電素子22bは、光発電用のセル28bと光フィルタ30bとエミッタ34bとで構成され、燃焼室16の最下流側に配置された第3の熱光発電素子22cは、セル28cと光フィルタ30cとエミッタ34cとで構成されている。なお、上記光フィルタ30a、30b、30cは、エミッタ34a、34b、34cから放射される光を透過させる光透過部材56の上に設けられている。
【0024】これらの熱光発電素子22a、22b、22cは、燃焼室16の上流側に配置されたものほどより短波長の光に適したものである。これは、上流側の方がバーナ32から放出される燃焼ガスの温度が高く、エミッタ34a、34b、34cから放出される光が燃焼室16の上流側ほど短波長となるためである。このようにしてバーナ32から放出された燃焼ガスはそれぞれ熱光発電素子22a、22b、22cにおける発電のためにそのエネルギの一部が使用され、その温度が低下していき、下流側からガスタービン10に供給される際には、ガスタービン10にとって適切な温度、たとえば1600°Kまで温度が低下する。
【0025】図5に示された燃焼室16においては、セル28a、28b、28cを冷却するためのセル冷却用空気が各セル28a、28b、28cと光フィルタ30a、30b、30cとの間の隙間を流れ、セル28a、28b、28cを冷却する。このようにセル28a、28b、28cを冷却した後のセル冷却後空気は、引き続いてエミッタ34a、34b、34cと接し、ここで加熱された後、昇温後空気としてバーナ32に燃焼用空気として供給される。したがって、図3に示される熱交換器18の機能はエミッタ34a、34b、34cとの熱交換により代替される。また、バーナ32は、図3に示された熱交換器18により加熱された燃料が供給される。
【0026】図6〜図9には、図5に示された第1、第2、第3の熱光発電素子22a、22b、22cを構成する光発電用のセル28a、28b、28cの接続方法の例が示される。図6において、上流側にあるセルほど短波長の光に対応したものであり、大きなバンドギャップのものが用いられているので、発生する起電力も大きくなる。そこで、図6に示された例では、高温域、中温域、低温域の3つのセル28a、28b、28cを直列接続し、これら直列接続したものを複数並列に接続して所定の電圧及び電流を得ようとしたものである。この場合、各セル28a、28b、28cに流れる電流を同一にする必要があるので、それぞれのセルの面積を調整している。
【0027】また、図7においては、これら3つのセル28a、28b、28cを直列に接続したものを1つのユニットとしてあらかじめ製造しておけば、一定の電圧を発生する電池として利用できることを示している。これら各ユニットは、必要に応じて直列接続すればさらに高い起電力を得ることもできる。
【0028】さらに、高い起電力が必要な場合には、図8(a)に示されるように、セル28a、28b、28cをそれぞれ複数個接続し、さらにこれらを直列に接続することも好適である。また、その場合に、図8(b)に示されるように、セル28a、28b、28cの直列接続の数を用途に応じて調整することも可能である。以上に述べた図7及び図8の場合にも、各セルに流れる電流を一定とするため、それぞれのセル28a、28b、28cの面積は適宜調整する。
【0029】また、図9に示されるように、直列接続されたそれぞれのセル28a、28b、28cの起電力が同一となるように接続するセルの数を適宜調整することも好適である。図9に示されるような接続方法によれば、各セルの面積を特に調整しなくても電流の不整合の問題は生じない。
【0030】実施形態2.図10には、本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態2の構成が示される。図10においても、図1と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
【0031】図10において、発電装置には3基の燃焼室16が設けられている。これらの燃焼室は並列に設けられており、それぞれからガスタービン10に燃焼ガスが供給される。各燃焼室16にはそれぞれ熱光発電素子22が備えられており、燃焼室16における燃焼エネルギの一部である輻射光により発電を行う。
【0032】それぞれの燃焼室16には、たとえばメンテナンス時等ガスタービン10の停止中でも燃焼室16及び熱光発電素子22を運転するためのバイパスライン36が設けられている。これにより、ガスタービン10のメンテナンス中における発電電力の低下を最小限に抑えることができる。
【0033】また、燃焼室16あるいは熱光発電素子22のメンテナンス時等燃焼室16が停止中においてもガスタービン10を運転できるように、予備燃焼室38も設けられている。
【0034】これらの燃焼室16及び予備燃焼室38には、図1の場合と同様に、熱交換器18によりガスタービン10からの排気と熱交換され加熱された燃料及び空気が供給される。
【0035】上述のように、燃焼室16が3基設けられ、それぞれに熱光発電素子22が備えられているので、これらの運転の組み合わせにより発電電力量を調整することができる。これによって、負荷側の要求電力に応じて発電電力を制御することができる。図11(a)、(b)、(c)には、発電電力の制御の説明図が示される。図11(a)には、ガスタービン10に流される燃焼ガスのガス流量と発電機12により発電される電力との関係が示される。また、図11(b)には、3基の燃焼室16にそれぞれ設けられた熱光発電素子22の定格出力が等しい場合の発電出力の様子が示される。図11(b)は、各熱光発電素子22が定格出力で運転している場合の図であるが、負荷側の電力需要量に応じて、運転する熱光発電素子22の数を制御することにより、3段階で発電電力量を制御できる。したがって、図11(a)と図11(b)との組み合わせにより、負荷側の電力需要に応じることができる。
【0036】さらに、図11(c)には、定格出力が異なる熱光発電素子22を3基の燃焼室16にそれぞれ設けた場合の例が示される。このように、3つの熱光発電素子22の出力特性を異ならせることにより、さらにきめ細かな発電電力の制御が可能となる。
【0037】実施形態3.図12には、本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態3に使用される燃焼室の例が示される。図12において、燃焼室16には、内部に内筒52が設けられ、この内筒52に燃料噴射弁40から燃料が噴射され、同時に一次空気孔42から一次空気が供給される。このように噴射された燃料は、点火プラグ44により点火され、さらに内筒52に設けられた二次空気孔46、三次空気孔48から所定量の空気が供給されつつ高温燃焼される。この燃焼室16は、図示しないガスタービン10と一体とされており、高温燃焼された燃焼ガスは燃焼室16からガスタービン10に供給される。なお、二次空気孔46及び三次空気孔48から燃焼室16に供給される空気は、空気供給口50より供給されるが、たとえば図10で示された熱交換器18により、ガスタービンの排気と熱交換することにより加熱され、図示しないコンプレッサにて加圧された状態で供給される。
【0038】本実施形態においては、燃焼室16の内筒52は輻射材で構成されており、エミッタを形成している。また、内筒52は、外殻部材54の内部に収容されており、この外殻部材54の所定位置には孔があけられていて、この位置にSiO2ガラスで構成された光透過部材56が配置されている。内筒52の内部で燃料が高温燃焼し、エミッタとしての内筒52から光が輻射され、光透過部材56を介してその光が外部に取り出される。外殻部材54の外側の光透過部材56に対応する位置には、内筒52の周囲を囲うように光発電用のセル28が設けられ、光透過部材56を透過してきた輻射光により光発電が行われる。なお、上述したエミッタとしての内筒52が本発明に係る燃焼筒壁部に相当し、内筒52と光透過部材56とセル28とにより本発明に係る熱光発電素子が形成される。この熱光発電素子は、燃焼室16の上流から下流方向に複数配設されており、上流側がより短波長の光に適したものとなっている。また、上述した内筒52を形成している材料としては、たとえばSiCやドープ型のYAG等を使用することができる。
【0039】以上のような構成により、従来外殻部材54から外部に逃げていた熱エネルギをセル28により電気エネルギに変換できるので、熱損失を低減することができる。また、本実施形態においては、燃焼室16中で発生する燃焼エネルギの一部がセル28により電気エネルギに変換されるため、燃焼室16内の燃焼温度をガスタービン10の運転温度よりも高く設定しても、ガスタービン10に供給される燃焼ガスの温度をガスタービン10の運転に最適な温度まで低下させることができる。したがって、燃焼室16の運転温度を高めに設定でき、セル28による発電効率を高く維持することができる。
【0040】なお、セル28の外側にセルアッセンブリ58を設けることにより、セル28の外部損傷を防止することもできる。
【0041】上述したとおり、光透過部材56は、外殻部材54の所定位置に孔をあけて取り付けてあるが、外殻部材54の残りの部分である骨格部材60の部分からは輻射光は透過してこない。したがって、セル28は、この骨格部材60の影とならないように配置する必要がある。図13には、セル28の配置の様子が示される。図13は、図12を燃料噴射弁40の方向から見た図である。また、図14(a)には、図13からセル28及びセルアッセンブリ58を取り除いた部分が示され、このB−B断面図が図14(b)に示される。
【0042】また、図15(a)には、図13に示されたセル28及びセルアッセンブリ58が示され、このB−B断面図が図15(b)に示される。
【0043】以上の各図より、光透過部材56の配置及び骨格部材60の影とならないようにセル28を配置した様子が示される。
【0044】図16には、本実施形態に係る燃焼室16の変形例が示され、図12と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。図16において、燃焼用の空気は空気フィルタ62を介して外殻部材54とセルアッセンブリ58とで形成される空間のうち、セル28の隙間を流れるように供給される。これにより、セル28の冷却が行われ、セル28における発電効率を向上させることができる。セル28の冷却に使用された空気は、その後図示しないガスタービン10の排気と熱交換器18により熱交換されて加熱され、コンプレッサで加圧された後空気供給孔50から燃焼用の二次空気及び三次空気として供給される。この空気は、図12で説明したとおり、内筒52に設けられた二次空気孔46及び三次空気孔48から燃焼空気として内筒52の内部に供給される。なお、セル28の冷却効果をさらに高めるために、セルアッセンブリ58に放熱用のフィン66を取り付けるのも好適である。
【0045】図17には、本実施形態に係る燃焼室16の他の変形例が示され、図12と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。図17において、光透過部材56の外面には光フィルタ68が設けられている。この光フィルタ68は、セル28において光電変換効率の高い波長のみを透過させ、他の波長の光を燃焼室16内に反射する機能を有している。これにより、セル28における発電効率を向上させるとともに、一部の光を反射することにより、光電変換に使用されずに外部に熱損失として逃げるエネルギを低減させることができる。これによって、燃焼室16の熱効率を向上させることができる。さらに、光フィルタ68を設けることにより、発電にさほど寄与できない波長の光がカットされるので、セル28の温度を低下させることができ、これによっても発電効率を向上させることができる。
【0046】なお、光フィルタ68の配置される位置としては、光透過部材56の外面に限らずその内面もしくは光透過部材の両面あるいは光透過部材56の近傍に設けることができる。
【0047】図18には、本実施形態に係る燃焼室16のさらに他の変形例が示され、本例でも図12と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。図18において、セルアッセンブリ58の外側には冷却器70が設けられている。この冷却器70には、たとえば図1に示された吸着式あるいは吸収式の廃熱を利用した冷凍機により生成された冷気が流され、これによりセル28を冷却する構成となっている。図18に示された冷却器70は、セルアッセンブリ58の外側に巻かれたパイプで構成されている。このようにセル28を冷却することにより、セル28における発電効率を向上させることができる。
【0048】また、Ge、GaSb等で構成されたセルよりもエネルギギャップが小さい、すなわちより長波長側で発電できるセルの材料であるInSb等は、高温になると発電能力がなくなり、熱光発電素子のセル28として使用することは困難であるが、本変形例のように冷却器70で冷却すれば使用が可能となる。これにより、一部のセルを上記InSbで構成することにより、より長波長側での発電も効率よく行うことができるので、さらに光電変換効率を向上させることができる。
【0049】図19及び図20には、本実施形態に係る燃焼室16のさらに他の変形例が示され、本例でも図12と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。燃焼室16内の温度は、燃焼初期においてはさほど高温になっておらず、エミッタとしての内筒52からの発光量は極めて少量である。このため、燃焼初期段階においては、内筒52からの輻射光ではなく、燃焼室16内において燃焼している炎の光により直接発電するほうが効率がよい。そこで、本変形例では図19に示されるように、燃焼初期段階では、内筒52を図の下方向にずらし、内筒52の上部に所定の間隙をあけてここから出てくる炎の光によりセル28で発電する構成となっている。この場合、内筒52は、形状記憶合金ばね72により支持された構造となっている。この形状記憶合金ばね72は、温度の低い、すなわち燃焼初期段階では内筒52を図の下方向に下げた位置で支持している。これに対して、図20に示されるように、燃焼温度が上昇した段階では、内筒52を図の上方向に押し上げ、内筒52の上部の隙間を閉じるように変形する。
【0050】図19において、燃焼の初期段階では、上述のとおり内筒52の上部に間隙があるので、前述した各燃焼室16の例のように、内筒52に設けられた二次空気孔46及び三次空気孔48から二次空気及び三次空気を供給することが困難となっている。そこで、燃料噴射弁40の近傍下部に臨時空気供給口74を設け、ここから初期段階での燃焼用空気を供給する。なお、点火プラグ44も上下に移動する内筒52の胴部ではなく移動しない上部に取り付けられている。
【0051】図19に示された状態で初期段階の燃焼が行われ、燃焼室16内の温度が上昇していくと、上述のとおり形状記憶合金ばね72の変形により内筒52が上部に移動され、図20に示されるように間隙が閉じられる。この段階では、内筒52の温度も十分高くなっているので、セル28はエミッタである内筒52からの輻射光を光透過部材56を介して受け取り発電動作を行う。
【0052】以上のような構成により、燃焼初期段階における発電効率をより向上させることができる。
【0053】実施形態4.図21(a)、(b)には、本発明に係る熱光発電素子と燃焼機関との複合型の発電装置の実施形態4の構成が示される。図21(a)において、光発電用のセル28は、燃焼機関としてのレシプロ機関のシリンダの胴部に設けられている。このセル28が設けられたシリンダの胴部は、SiO2ガラスで構成されており、セル28の保護とともに光透過部材56としても機能している。これらのセル28及び光透過部材56は、アルミケース76により一体化されており、アルミケース76の外側には冷却水通路78が設けられている。これにより、冷却水通路78を流れる冷却水によりアルミケース76を介してセル28が冷却される構成となっている。
【0054】図21(a)に示された内燃機関においては、シリンダヘッドに吸排気弁80が設けられており、これにより吸排気を行わせながらコネクティングロッド82が接続されたピストン84が燃料の爆発エネルギより上下運動を行う。この際、燃料の爆発時にエネルギの一部が光となるので、この光を光透過部材56を介して光発電用のセル28が受け取り光発電を行う。従来このような光は、その後熱エネルギとなって外部に逃げ、熱ロスとなっていたが、本実施形態のようにこれを電気エネルギに変換することにより有効利用することができる。
【0055】各セル28は、図21(b)に示されるように接続線86により円周方向に配置されたセル毎に直列に接続されている。また、セル28で発電された電力は、引き出し線88により外部に取り出される構成となっている。
【0056】上述のセル28は、ダイオード特性を有するので、光が当たっていない場合には電流が流れない。したがって、あるセル28に光が当たり光発電が行われていても、これと直列に接続されたセル28に光が当たっていない場合には回路全体としては電流が流れなくなる。例えば、シリンダ中のピストン84の位置を図22に示されるように各セル28の縦方向の位置毎にA、B、C、D点とする。ただしD点はピストンの最下位点を示す。このような構成において、上段、中段、下段のセル28をすべて直列に接続した場合には、光セル28に生じる電圧Vと流れる電流iの時間変化は図23(a)、(b)に示されるようになる。すなわち、ピストン84の位置が図22のCまで降りるまでは、一部に光の当たっていないセル28(最下段のセル28)が存在するため、電圧を発生していても電流が流れないこととなる。これに対してピストン84がC点まで到達すると、すべてのセルに光が当たり始めるので電流が立ち上がり、D点とC点の間にいる時のみ最高の電流が流れる。したがって、セル28の数を増やしても、セル28による発電電力を大きくすることができない。
【0057】そこで、セル28はシリンダの円周方向にのみ直列に接続し、各段のセル28から電力を取り出す回路にスイッチを設け、光の当たっているセル28の回路のみONとする構成とすれば、光の当たっているセル28から常に発電電力を取り出すことが可能である。図24(a)には、このための回路構成が示される。図24(a)において、A、B、Cは図22におけるピストン84の位置がそれぞれA、B、Cにあるときに爆発による光が当たるセル28を示す。また、K1、K2、K3は、それぞれ切り替えスイッチを示し、図示しない制御回路により制御される。この切り替えスイッチがa側にあるときにはそのセル28から発電電力が取り出され、b側にあるときには下段のセル28と直列接続の状態となる。また、それぞれのセル28から取り出された発電電力はいったんバッテリ24に蓄えられる。
【0058】図24(a)に示された回路により取り出される発電電流及び電圧の様子が図24(b)、(c)に示される。図24(c)では、各スイッチの位置とその場合に発生する電圧との関係が示される。たとえば、ピストン84の位置がAであり、最上段のセル28にのみ光が当たっている場合には、スイッチK1をa側に倒し、最上段のセル28における発電電圧のみにより発電電流を取り出す。次にピストン84が位置Bまで降りてきたときには、スイッチK1をb側に、スイッチK2をa側に倒せば、最上段と中段のセル28とが直列接続となり、これに対応した電圧により発電電流を取り出すことができる。さらに、ピストン84の位置がCより下がった場合には、すべてのスイッチをb側に倒し、上段、中段、下段のセル28を直列接続として発電電流を取り出す。以上のようにして発電電流を取り出した場合の様子が図24(b)に示される。この図からわかるように、常に光の当たっているセル28のみバッテリ14と接続できるようにスイッチK1、K2、K3を制御するので、光の当たっていないセル28のダイオード特性により、発電電流が取り出せなくなる時間をなくすことができ、図23(a)と比較して大幅に電流量を増加させることができている。
【0059】なお、セル28による発電は、シリンダ内における燃料の爆発時のみ行われるので、爆発工程の後の排気及び吸気行程では光発電は行われない。したがって、上述した発電工程は、シリンダ内における爆発工程においてのみ実行されるものである。このため、爆発工程以外の時間では、たとえばバッテリ14に接続されたスイッチK4をOFFとしておく。
【0060】図25には、上記スイッチ制御の工程のフローが示される。図25において、図示しない制御回路によりエンジン回転数を計測し(S1)、ピストン速度を算出する(S2)。
【0061】また、シリンダ内の爆発工程を検知するために点火信号を確認する(S3)。
【0062】以上のピストン速度及び点火信号の有無により制御回路がシリンダ内の爆発工程時において図24(c)に示されるようなスイッチ制御を行う(S4)。
【0063】図26には、本実施形態に係る発電装置の変形例が示され、図21(a)と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。図26において、光発電用のセル28はピストン84の上部に設けられており、このセル28の上部にはSiO2等の材料で構成された光透過部材56が設けられている。また、セル28で発電された電力は引き出し線88により取り出され、コネクティングロッド82を通じてスリップリング等から取り出される。
【0064】このような構成とすることにより、ピストン84がどの位置にあっても、常に爆発による光をセル28で受けることができ、図24で示されたような複雑な制御回路を不要とすることができる。
【0065】図27には、本実施形態に係る発電装置の他の変形例が示され、本例でも図21(a)と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。本変形例では、セル28がシリンダヘッドに設けられている。このような構成とすれば、セル28が常に静止状態であるので、引き出し線88からの発電電力の取り出しを容易に行うことができる。
【0066】図28には、本実施形態に係る発電装置のさらに他の変形例が示され、本例でも図21(a)と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。本変形例でも、セル28はシリンダヘッドに設けられているが、ピストン84の上面に、たとえば銀めっき等による反射部90が設けられている。これにより、爆発により生じた光のうちピストン84側に向かった光も、反射部90で反射され、すべてセル28の方向に向かわせることができる。これにより、セル28における発電効率を向上させることができる。なお、かかる反射部90は、ピストン84上面のみならずシリンダの内面にも施すのが好適である。
【0067】実施形態5.以上に述べた各実施形態においては、光の発生源とセル28との間に設けられた光透過部材56としては、SiO2ガラス等が用いられていた。この光透過部材56として、たとえば二次非線形性を有する材料を用い、発光源の光をより短波長化すればセル28により光電変換できなかった長波長側の光も発電に利用可能となる。そこで、図5、図12、図16、図17、図18、図19、図20において、熱光発電素子を構成するセル28の前面に設けられた光透過部材56として波長変換用非線形光学フィルタを使用することが好適である。ただし、非線形光学フィルタは、高温にさらされるとその二次非線形性が消失するので、高圧電源に接続された電極を備え、この電極により常にこの非線形光学フィルタにポーリング電界を印加する必要がある。このように、非線形光学フィルタにポーリング電界を印加するための高圧電源としては、たとえば燃焼機関の点火プラグ44に点火用の電力を供給する電源等が考えられる。
【0068】図29(a)、(b)には、本実施形態に係る発電装置の変形例が示される。本変形例において、実施形態4に示されたレシプロ機関のシリンダを構成する光透過部材56がその半径方向に2分割されており、内側にはSiO2ガラスが配置され、外側には二次非線形性を有するSiO2−GeO2ガラスが配置されている。この様子が図29(a)のB−B断面図である図29(b)に示されている。また、これらのSiO2ガラス及びSiO2−GeO2ガラスの間には、SiO2−GeO2ガラスにポーリング電界を印加するための電極92が設けられている。この電極92には、点火プラグ44に電圧を印加するためのイグニッション回路から高圧電源がレシプロ機関の点火と同時に印加される。これにより、点火のたび毎に高圧電界がSiO2−GeO2ガラスに印加され、点火動作のたび毎にポーリングが実施される。したがって、SiO2−GeO2ガラスが燃焼機関の高温状態にさらされても、二次非線形性を常に維持することができる。したがって、爆発工程で発生した光の波長を常に短波長化することができ、高効率の光発電を行うことができる。
【0069】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ガスタービン機関の前段に設けられた燃焼室の燃焼温度を高温に維持して熱光発電素子での発電効率を高めるとともに、ガスタービンへ燃焼ガスを供給する際には、燃焼ガスの温度が降温されているのでガスタービン機関の運転と調和させることが可能となる。
【0070】また、上記燃焼室の上流側から下流側に向けて熱光発電素子を複数設け、かつ上流側をより短波長の光に適したものとするので、発電効率を向上させることができる。
【0071】また、並列に複数設けられた燃焼室に備えられる熱光発電素子の特性を異ならせ、これを選択使用すれば、負荷側の要求出力に応じた最適な発電を行うことができる。
【0072】また、燃焼室とガスタービン機関との間に熱交換器を設ければ、ガスタービン機関へ供給する燃焼ガスの温度を最適に調整でき、燃焼室の温度を高温に維持して運転できるので、熱光発電素子による発電効率が向上できる。
【0073】また、ガスタービン機関と一体の燃焼室に複数の熱光発電素子を設け、上流側の素子をより短波長に適したものとすれば、高い発電効率と、ガスタービン機関へ供給する前の燃焼ガスの十分な降温とを両立することができる。
【0074】また、燃焼室内に輻射材で構成された燃焼筒壁部を設けることにより、熱光発電素子に適した波長の光を得ることができ、発電効率を向上できるとともに、燃焼ガス温度をガスタービン機関に適する温度まで十分に降温することができる。
【0075】また、熱光発電素子の前面に非線形光学フィルタを設け、より長波長側の光まで発電に利用するとともに、この非線形光学フィルタをポーリングにより再生し、長期間効果を維持することができる。
【0076】また、ポーリング電界として燃焼機関の点火装置の電源を用いることにより、自動的に上記ポーリングを行うことができる。
【出願人】 【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】 平成11年9月13日(1999.9.13)
【代理人】 【識別番号】100075258
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 (外2名)
【公開番号】 特開2001−82167(P2001−82167A)
【公開日】 平成13年3月27日(2001.3.27)
【出願番号】 特願平11−258499