太陽エネルギーを利用した熱電子発電器の発電効率および出力特性

太陽エネルギーを利用 した熱電子発電器の発電効率お よび出力特性

荻野 明久^*、  神藤 正士^*

(2000年12月21日受理)

Electrode Hcadng and Efflciency of Solar Themionic Energy Converter

Akihisa OGINO, Masashi KANDO

(Reccived Dec.21,2000)

Abstract

A solar energy driven thermionic energy converter is aimed to generate electric power by solar energy, which is used to emitter heating and auxiliary discharge for the establishment of the ignited mode. In the present paper, the conversion efficiency was evaluated to consider the possibility of such a novel thermionic energy converter. In the calculation, output current from the converter was assumed to be equal to the thermionic electron emission current in the case of ignited mode operation. The potential drop induced in the space between the electrodes of the converter is also presumed in the calculation. The emitter temperature was numerically calculated by heat conduction equation as a function of solar power density on the surface of the earth and the emitter surface.

The numerical results show that at a certain emitter work function, the conversion effrciency has a maximum, which increases with solar power and emitter temperature. The conversion efficiency at solar power of 1000 W is typically 9o/o, when the emitter with light trap for efficient emiffer heating by solar light is considered.

The emitter heating canied out using 105x75 cm square fresnel lens approved that SUS emitter with 15 mm in diameter and 1 mm thick was heated up to the temperature higher than 1800 K by solar power density of 840 Wm2. This will assure the actualization of the thermionic energy converter proposed here.

The preliminary experiment has been carried out using a Solar TEC operated by solar light illumination. The operation mode remained in unignited mode so that the short circuit current density was only 0.97 mA/cm2 atTe=14O0 K and Tc"=4O2 K for solar power density of 919 Wm2. In order to increase the ouput current, it is necessary to induce the ignited mode which will be taken place at Tcs at least higher than 500 K.

1.緒 ^一日

熱電子発電 は、高温 に加熱 された電極(エミッタ_)からの熱電 子放出を利用 して、熱 を電気エネルギーに変換する直接発電で ある。エ ミッタか ら放出 された熱電子は、これと近接 して設置 され低温 に維持 された電極(コレクタ)で捕集 され、負荷 を経由 して元のエ ミッタに戻る過程で電気的な仕事 をする。熱電子発 電器 は、多様な熱源が利用で き、理論的な変換効率が高 く、コ

ンパ ク トな形状で高出力が得 られるので、宇宙用か ら地上用 ま で種々の応用が考えられている。

しか しエ ミッタか らの熱電子 自身が作る負の空間電位 によっ て、熱電子はコレクタに到達できな くな り、出力が大幅に抑制 されることが熱電子発電の課題 となっている。この問題への対 処 として、電極間隔を^l nlm以下に狭 くするとともに、発電器内 にセシウムを封入 し、エ ミッタ面上での接触電離 もしくは電極 間空間における体積電離 により正 イオンを生成することによっ て、負の空間電荷の中和が行われてきた。 さらに、電極間隔を 狭 くすることで電極間の熱電子の集積 を低減で きるので、電極 間隔は通常lmm以内 となっている。

当研究室では、熱電子発電器の電極間空間に光照射 を行い、

これによるセシウム原子の光励起 。電離 を補助放電 として利用 することで、出力特性の改善 を計 るための研究を行 っている。

*  静 岡大学大学 院電子科学研 究科 電子応用工学専攻 波動制御 講座

Graduate School of Electronic Science and Technology, Shizuoka U面 versity,Halnalnatsu 432,Japan

これまでの研究で明 らかにされている点は、 1)エミッタ近傍で セシウムイオンが過剰 となるように発電器の動作条件 を設定す れば、電極間隔をlo mm以 上に広 くしても出力電流の低下が さ けられること、 2)電子過剰の場合に太陽光 と類似のスペク トル を持つキセノンランプの放射光 を照射すると、非点火モー ド動 作時において、出力電流が10倍以上 に増大すること、 3)エ ミッ

タの仕事関数が2.2eV以 上、熱電子放出電流密度が lmA/cm2以 上、空間電荷中和度が10‑2以下の場合に光照射 を行 うと、非点火 モー ドか ら点火モー ドヘの移行が助長 されること、が明 らかに された。これ らの現象は主 としてセシウムの光励起 。電離 によ り引 き起 こされていることで説明で きる^1)‐5)。

本研究では上記の成果 を基 に、太陽エネルギーを熱源 とする 熱電子発電器 の開発 を目的 とす る。本方式 の熱電子発電器 で は、太陽光の長波長成分でエ ミッタを加熱 し、短波長成分で補 助放電 を行 うことにより、太陽光の全ての波長成分が発電に利 用 されることが期待 される。我が国の地表面での太陽光の年平 均照射電力密度は、晴天時の南中時で^8鵜W/m2でぁることが知 られている。太陽エネルギーは電力密度が低いため、太陽熱温 水器や太陽電池など、低電力密度で動作可能な機器での利用 に 留 まっている。 しか し太陽光の集光 により、高温動作の熱電子 発電 にも利用が可能 となる。太陽電池 よりも高い発電効率 を実 現で きる太陽エネルギー利用熱電子発電器は、製造 コス トが低 く利用価値 も高いので、地球環境 に負担の少ない新たな発電方 式 として有望である。

本論文では、太陽エネルギー利用熱電子発電器の発電効率 を 数値計算 により評価すると共に、これにより判明する高効率発

電 に必要 とされるエ ミッタ温度 を太陽光照射で どの程度実現可 能かを調べ るためのエ ミッタ加熱の実験結果 を紹介する。 さら に予備的な段階ではあるが、太陽光照射による発電実験 を行つ ているので、その成果について も触れる。

2。 発電効率の評価

2。1. 計 算方法

理想モー ドの熱電子発電器の最大出力Pmaxは、出力電圧拗 ゞエ ミッタとコレクタの仕事関数の差:昨 φE φ Cに 等 しい とき にPmaゴSEy。 で与えられる。ここで」Rはエ ミッタからの飽和 熱電子電流密度で、Richardson―Dushmanの 式で与えられる。 ま たSEはエ ミッタ表面積である。理想モー ドとは、空間電位制限 効果や電子 ―中性粒子間衝突のような熱電子のコレクタヘの流 れを阻害する要因を全て無視 して求めた動作モー ドで、その出 力特性は図 1の 点線で示 される。理想モー ドでは出力電圧拗 灌 触電位差70=φ E φ Cより低い場合、エミッタから放出された

熱電子 はすべ て コ レク タに到達す るこ とがで きる。

Fig。l Typical output characte五 stics of TEC for ideal,unignited and ignited mode.

しか し現実の発電器では、空間電荷制限効果、電子のセシウ ム原子 との弾性及び非弾性衝突による電子のエネルギー損失、

拡散 や再結合 による電子密度低下などの種 々の要因が存在す る。これらは、エ ミッタからコレクタに向か う電子 に対する実 質的な電位障壁 とな り、理想モー ドと比べて最大出力ならびに 出力電圧は低下する。図 1の 実線は点火モー ドの出力特性の一 例である。点火モー ドでは空間電荷 を中和するセシウムイオン が、電子 とセシウム原子の衝突電離によって生成 されると考え られている。発電器内の電子のエネルギーはo.2eV程 度 とセシ ウムの電離電圧3.89 eVよ りもかな り低いため、セシウムの電離 過程 は累積電離 によるものと考えられる。体積電離により生成 されるセシウムイオン密度は、通常、空間電荷の中和 に十分で あることか ら空間電荷制限が取 り除かれ、非点火モー ドに比べ 大 きな出力電流 を得ることがで きる。

図 2は 点火モー ドにおける電極間空間のポテンシャル分布の 一例0で あ り、横軸は電極間空間の位置、縦軸は空間電位であ る。点火モー ドにおける電子の衝突効果は、理論的には発電器 内部で生 じる電位降下 yDと して取 り扱 うことが出来る。物理的 には^yDはコレクタの仕事関数 φ^cを実質的に高めることになる ので、新たにyB=φc+7Dで表現されるバリアインデックス

yBつを導入すれば、Pm銚は^y。=φE yBのときに得られる。図 2のモーテイブ図では、yDが考慮されている。なお、^yBはェ

ミッタとコレクタの温度および仕事関数ならびにセシウム蒸気 圧Pcsを変数とする複雑な関数である。

EF

Fig。 2 Motive diagram of therlnionic energy converter under the ignited lnode operation.

熱 電 子 発 電 器 の発 電 効 率 η は、太 陽光 入射 電 力Ohお^よび発 電器の最大出力JSE(φ E VB)を用いて、

η=

で与えられる。ここで Jは 出力電流密度 を表すが、正確 なJを 理論的に導出することは非常 に困難である。 ここでは、点火 モー ド動作の発電器では、空間電荷制限が無視で きる と仮定

し、簡単のためにJ=JRと したo JRは式(2)で与 えられる。

JR= ^4rcmk2

こ こで ι、 、た お よびんはそれぞれ電子 の電荷 、質量 、 Boltzmann定数お よびいlanck定数である。7Dは^y。 を低下 させる だけでな くJに も影響 し、一般 にはJ≦JRと 考えられる。 この ため(2)式か ら求まるηは幾分過大な評価 となることがあるが、

ηと φ^E、 エ ミッタ温度 TEお よびPCsとの関係 を知る上には十 分な情報 を与えるもの と考えられる。

太陽光照射で加熱 される ■ は、次の熱伝導方程式

劣 響 =″LOh 現に4̲■4卜κ

キ Q̲リ^ーJR亀レ 亀 十の

(3)

より、 φ^E、 9nおよび SEの 関数 として求めることができる。こ こで、 αおよびら は、エ ミッタの照射光吸収率および集光系全 体の集光効率 を表す。また″、6お よびcは 、それぞれエ ミッタ の質量、比熱および放射率、また た、scお よびと は、エ ミッタ 固定用導線の熱伝導率、断面積および長 さを表す。■ お よび σ は、それぞれ周囲温度お よびStephan‐Boltzmann定 数 を表す。

(3)式の右辺の各項は、エ ミッタに吸収 される太陽光入射電力、

エ ミッタからの放射損失、熱伝導損失および熱電子放出に伴 う 電子冷却 を表す。なお対流による損失は、発電器内のガス圧が 低いために他の損失 に比べ無視で きる。

φ^Eおよび φCは 般_にrE、■及び Pcsの 関数である。^yB、 Tc 及びPcsを与えてやれば、 ηを^2inの関数 として数値計算するこ とがで きる。

2.2。 計 算結 果 お よび考察

yBをパラメータとした時のηおよび^TEと φ^Eの関係を図3に 示す。実線は_7、 点線はTEを表す。ここで、エミッタは光 ト

re狸(券

) 

λ³ ヽ

お 一ｏｃ

﹁ｏ を ９

﹂コ ０ ち ちＱ ０

VO=φ_E‐φ_C

Emitter work functionφ E(eVp

Fig。3■〕C efFlciency η and emitter work func■on φ^E・

Emitter work function φ E(eVl (o Emi■er without light trap.

3   3。5   4   435

Emitter work function φ E(eVl (b)Emi■er with light trap.

Fig.4 Solar TEC efflciency η and emitter temperature■ calCulated for eIIlltter with and without light trap.

ラ ップ付 とし、その内部で入射光 を多数回反射 させ る ことで実 効 的 な吸収率が高 まるので、計算 ではc=0.3および α=0.8を 仮 定 した。実現性 のあ る値 と してch=lkW、各=0。83とした。rEは yBに 依存せず、 φ^Eの関数 となる。

図3で■がφ^Eと共に増大するのは、熱電子放出が減少して電 子冷却による損失が減少するためである。また^yBヵⅥヽさいほど出 力電圧が増大するため、出力が増大してηは上昇する。ηがφ^E に対して最大値η nlaxを とるのは、」Rおよび^y。が共にφ^Eに依存 するためである。JRはφ^Eの増大と共に減少するが^y。は増大する ため、ηは増大してη IIlaxに達するが、さらにφ^Eが増大すると、

70の増大よりもJRの減少が顕著となり、_7は減少に転じる。

図4に照射光吸収率αが増大したときのηの変化を示す。2inを

パラメータとし、(a)は光 トラップ無しの場合でc=α=0.3、

(b)は光 トラップ有りの場合でε=0.3、 α=0.8とし、それぞれ

yB=2.5 eV、S肝5。9 cm2の 下で ηおよび^7Eを数値計算 した。 日射 量が8 W/m2 の場合、レンズ径が87 cmの 時Oinは 500W、 ¹²³

cmではlooo w、150 cmで1500Wと なる。図 4(b)よ り、光 ト ラップ付 きエ ミッタの場合、2in=1000Wお よび π却^.83に対 し て、φ F3.6 eVおよびЪ=2200Kの時、η=9%と なることが判 る。

セシウムを封入した熱電子発電器では、■ およびPcsにより 電極表面のセシウム付着状態が変化するため、φ^Eはセシウムの 仕事関数1.7 eVから電極固有の仕事関数の間で変化する^0。 Pcs は発電容器の温度を調節することにより自由に制御することが で きるため^9)、 ηを最大にする φ^Eを選択することが可能であ る。図5に 、仕事関犯 。6eVの タングステンをセシウム蒸気中に 浸 した時の仕事関数とЪノ■sの関係を示すЮ^)。 例えば、 φ藤^3.6 evを得るには、υ as=3.6で あるので、Ъ=2200Kとすれば、

■s=6H K(Pcs=640 Pa)と なる。

次に、^SEをパラメータとした場合のηと■ の関係を図6に 示 す。これまでと同様に、 ηは光 トラップの有無により変化する とともに、SEに も大きく依存することが判る。エ ミッタの表面 積を小さくすることによる■の上昇が φEの 上昇に伴うJRの 低 下を補うこととエ ミッタ表面積に比例する放射損失が減少する ため、ηは^sE力Ⅵ｀さくなるほど増大する。

4

ビ ³ 碑 2

1

0 2  2.5  3  3.5  4  4.5  5

Emitter work function φ E(eV) Fig.5 Emitterworkincdon φ E VoS・υ^rcs.

3.太陽エネルギーによるエ ミッタ加熱

3.1。 実験 装 置 お よび方法

図 7は 太陽光 によるエ ミッタ加熱用太陽光集光装置の概略図 である。太陽光の集光 には、105 cm× 70 cm、焦点距離100 cm の長方形 フレネルレンズを使用 した。フレネル レンズはプラス チ ック材料 を利用で き軽量かつ安価であ り、大型化 も容易であ る。今回用いた レンズは厚 さ2mmのアクリル樹脂製で、l IIm あた り9本の溝が刻 まれている。

太陽光によるエ ミッタ加熱実験では、対流 による冷却 を除去 するために、外形寸法 φ^{185nlm×h100 rrlmの}真空容器内の中央 にエ ミッタを固定 した。エ ミッタには、厚 さ lmm、 直径15また

は25 nlmのステンレスを使用 した。フレネルレンズの色収差 によ

る焦点の広が りがあるため、エ ミッタは公称の焦点距離を中心 に前後に±50 nlmにわたって可動できるようにした。真空容器に は入射光透過用のパ イレックスガラスが取 り付けられている。

実験 では、太陽光が垂直 に入射す るように レンズお よびエ ミッタを設置 し、太陽追尾 は手動で行 った。エ ミッタ温度は、

ｇ

︶ 畔 望 Ｅ Ｅ ｏ ＥＱ ｇ 祟 当 一Ｅ Ш

︵Ｓ︶きむＥｏ

Ｅ一ｏШ ヨｇ当ｇ︶暉望２ｏＥｈＱ

一ＥШ 2.5   3   3.5   4   4。 5

ｇ︶鰐望ヨ●ｂａＥｇｂ甚ＥШ

3000

‑67‑

９︶響望ヨ２ｏＱＥｇｈ当

一ＥШ

︵Ｓ︶きむＥｏＯＥШ

(b) Emitter with light fap.

Fig. 6 ^TEC efficiency T ^{and emitter} temperature Is for different emitter surface Se.

SUS-1S$mm emifter

(→015 mm SUS disk emitt∝

(b)025 mm SUS disk emi■e■

Fig。8 Change of■ after the onset of solar light illumination.Date:

Oct.2000 in Halnmatsu(N34° 43ヽE137・ 431).

エ ミッタの光照射面の裏側に溶接 した熱電対で測定 した。 また 日射量は、受光部 に入射光波長域で均一の分光感度 を有する サーモパ イルを使用 した日射計(EKO製:MS‑601)に より測定 し た。なお、この日射計 に使用 されるサーモパイルは3000 nln以上 の赤外放射 も同時に検知 して しまうので、3000 nln以上の放射を 完全 にカッ トで きるガラス ドームで覆われている。

3。 1。 実験 結 果 お よび考察

この実験では、エ ミッタの照射光吸収率 αとエ ミッタヘの大 陽光入射電力Ohを測定 した。熱電対は被照射面裏側の中央に取 り付 けたが、エ ミッタの直径 に比べて照射光の集光スポ ットの サイズが大 きく、また、ステンレスエ ミッタの比熱および質量 がそれぞれ0.51J/gOKお よび0。44gと小 さく、その熱容量力洵.22 J/Kと小 さいために、本実験ではエ ミッタの温度分布は場所によ

らず一様であると考えている。

105 cIIl×70cm方形 フレネルレンズにより加熱 されたエ ミッタ

温度の測定値 ならび計算値の時間変化 を図 8に 示す。図 8(a) は、2000年10月 14日正午の晴天時、1000Wノm2の場合の直径15 mm、厚 さl mmの ステ ンレス製エ ミッタ温度の測定値 と計算値 である。実線は白金―ロジウム熱電対により測定 した ■ である。

光照射 を開始 して約10秒後 にエ ミッタは融解 し始め、■ は^18欄 Kに 達 した。同様に、図 8(b)は 、2000年10月 19日H時における

直径25 nlm、厚 さlmmのステンレス製エ ミッタの実験結果 を示

す。880W/m2の日射量 に対 して、TEの 測定値は1437Kに達 し た。光照射開始10秒後、エ ミッタ温度の曲線が大 きく変化 して いるのは、一時的にではあるが、太陽が雲に覆われ日射量が低 下 したためである。

(→VaCuum chalnber宙 th 15 0mm SUS emit軋

(b) Concentration of emitter heating.

Fig. 7 Vacuum chamber and concentration system for emitter by solar light illumination.

０       ０       ０       ０ ０       ０       ０       ０ ０       ５       ０       ５ ２       １       １ ９

︶ 望 ヨ 巴 ｏＱ Ｅ ｇ 喜鷺

一Ｅ

3   335   4   4.5   5 Ш Emitter work function  φ E(eり

(→Emi■er without light trap。

9

Emitter work tunction _{0 E} (eV)

pump

︵求もお写﹁望ＥｏＥＥト

・４ ２ １

・８

・６

・４ ２ ０ ｒｔＥ

﹃ ｔ

≧こ只と理環選Ｅ３ｏＱ∽

９ 稲 卜 留 ヨ ２ ｏａ Ｅ 一卜 ｂ 奎 Ｅ Ш

500       1000      1500      2000      2500      3000      3500      4000 Wavebngh λ(n0

Fig.9 The solar spectrunl at ground level and transnussivities Offresnel lenS and pylex glass.

′/´ ^´     

=I庸鼎鳶^:柿島秘

「 ^:fttp口ぃ「

K又 欄∬蠍

(mm)

Fig。10 Schematic diagram ofemitter with lighttrap.

点線は熱伝導方程式(3)よ り求めた計算値であ り、光照射後の

■ の時間変化 を示す。ら は、レンズおよびパイレックス窓の透 過率か ら算出 した値である。図 9は パイレックスガラスおよび フレネルレンズの分光透過率ならびに日本の地表面での晴天時 における太陽光スペ ク トル分布である。分光透過率 は、パ イ レックスガラスでは、350〜2200 nmの 光に対 し90%、フレネル レンズでは、400〜 ■00 nmの 光 に対 して90%であることが判 る。太陽光スペク トルは地表面で300〜2500 nmの 波長を持つの で、フレネルレンズでは長波長成分 を十分に透過で きない。 し か し、太陽光では110o nln以下の波長成分が全エネルギーの80%

を占める。 このため、数値計算では、フレネルレンズお よびパ イレックス窓の透過率を波長に依 らずそれぞれ^0。91と した。また ステンレスエ ミッタの仕事関数は、 φ^E=3.4eVと した^11)。 エ ミッ タ温度の時間変化 をαと化 をパラメータとして数値計算 し、熱 電対 による測定値の時間変化 と最 も良 く一致する時の αおよび ら が、このエ ミッタの照射光吸収率 と本集光系の集光効率 とを 与える。

数値計算によると直径15 nlmのステンレスエ ミッタでは、 ε=

α=0.30で9L=0。58の時、直径25 mmの ステ ンレスエ ミッタで は、c=α_=o.30で各=0。75の時、計算値 と測定値が良い一致 を 示 した。数値計算では、 cお よび αの波長依存性 は無視 し、か つ ε=α とした。直径15 nlmのエ ミッタに対 して π 力測ヽさくな るのは、焦点のスポッ トがエ ミッタよりも大 きく、太陽光が十 分 に集光 しきれていないことに起因する。すなわち、焦点のサ イズは20111m×14 mm程度であ り、直径15 111nlのエ ミッタに照 射 される照射光利用率は、両者の面積比で与 えられるので、約

40

￢me(S)

Fig。1l Change of TE With time after the onsOt of solar light illumination.Date:Aug。 2,2000 in HaIIlalnatsu(N34・ 43', E137° 43!).

63%と なる。

以上の ように、太陽光によるエ ミッタ加熱では、集光効率 を 高 くすると同時 にエ ミッタの太陽光吸収率 を高 くする必要があ る。図10はエ ミッタに光 トラップ機構 を持たせ、その内部で入 射光 を多数回反射 させることで、実効的な吸収率 を高める工夫 を施 したエ ミッタであ る。直径は^15111m、高 さ511mであ り、部 材の厚 さは^0。7 11nllと した。エ ミッタ上部には光入射のために直 径711mの開口部が設けられている。エ ミッタ内部 に設置 された 円錐が光 トラップを行 う。円錐の頂点の角度は、開口部か らの 入射光がエ ミッタ内部で繰 り返す反射の軌跡(Ray―tracing)を数値 計算 により求め、エ ミッタ内部での反射回数が最大 となる角度 を算出することにより決定 した。本実験で使用するフレネル レ ンズでは、この値は^36度となる。

光 トラップ付 きのエ ミッタによる実験結果 を図■に示す。図 Hは、エ ミッタ上面 より光照射 を行つて光 トラップ機能のある 場合 と、同エ ミツタの底面 より光照射 を行 って光 トラップ機能 の無い場合の■の温度上昇を比較 したものである。実線は ■ の 測定値 を、点線 は計算値 を表 している。 なお これ らの実験 は 2000年8月 2日に行ったもので、この時には直径880‐mの円形 フ レネルレンズ(卜76011m、溝2本/mm)を 用いている。このレンズ は溝の切 り方が荒 く矩形の レンズに比 して集光率が低い。

光 トラップのない場合、 日射量987Wノm2に 対 して■=1288K

であるが、光 トラップが有る場合では、966Wノm2の より低い 日 射量であるにも拘 わらず、エ ミッタは1413Kま で加熱 された。

■の測定値 と計算値の比較か らαお よび cを 決定 した結果、

光 トラップの無い場合の照射光吸収率は α=0.33だ つたのに対

‑69‑

し、光 トラップのある場合は α=0.51とな り、光 トラップが照射 光吸収率の改善 に効果があることが確かめ られた。

4.太陽 エネル ギー利用熱 電子発電器 の出力特性 4.1実験装置 お よび方 法

図12は太 陽エ ネルギー利用熱電子発電器の概略図である。 こ の発電器では一つの円板状 エ ミッタの前後 に同一形状 の二つの コ レク タAおよびBを近接 して配 置 した。 エ ミッタは直径25 mm、 厚 さlmmの円板状 タンタルで発電器 中央 に設置 した。 コ レクタはエ ミッタ側の開口部が直径25 mm、 照射光入身寸側の開口 部 が 直径40 mm、 全 長 が30 mmの中空部 が 円錐状 ス テ ン レス (SUS304)であ り、図示の ように配置 した。 またエ ミッターコレ クタ間の最小電極 間隔 はlmmと した。

発電器内 にセ シウムを封入する前 に、発電器本体 を約1∞℃か ら約180℃までの温度範囲で十分 なガス出 しを行 い、 さらに10‐4

Pa以 下 に排気 した後、セ シウム を封 入 した。 フ レネル レンズに よ り集光 された太陽光 はコレクタAの開口部 を通 してエ ミッタ を照射 し、エ ミッタを加熱す る。 この コレクタAの_{内部 の プラ}

ズマお よびセ シウム蒸気 は照射光 に曝 される。

図13に出力測定用 回路 を示す。発電器 の出力特性 はl Hz、 ̲3

〜3Vの三角波電圧 をエ ミッターコレクタ間に印加 し、 これに対 す る出力電流 を測定 す る こ とに よ り測定 した。 三角波電圧 を

yT、 出力電流 を ぉ耐、負荷抵抗 をRとす る と接 地 に対す るエ ミッ タお よび コ レク タの電位 はそれぞれyTぉ_{ょび ―R Iomと なる。}

従 って、熱電子発電器 の出力電圧 路帆は Zmt=レ

̀r+Rノ

。ut

で与えられる。Rぉ帆が^y。瞑に影響 を与 えないよう測定 を行 うに

1ま yT≫_RIomの関係が必要である。RはRぉЩが yTの 波高値の3%

以内に収まり、かつ良好なsN比 が得 られるように1.2Ω とした。

4.2. 実験 結果 お よび考察

太陽エネルギー利用熱電子発電器を太陽光で駆動 して発電実験 を行つた。エ ミッタ温度を知るために、同形のエ ミッタを別に用 意 された真空容器内に設置 して、太陽光照射による加熱特性を調 べ た。図14はその実験結果であ り、^2000年H月30日12時におけ る直径25、厚 さlmmのタンタル製エ ミッタのTEの変化である。

光照射の開始後100秒で ■ は飽和 し1415Kに達 した。発電実験 に使用する発電容器内の ■ もこれにほぼ等 しいと考えられる。

φ40mm¨collector (Cylindrical SUS‑304)

front view side view

Fig.12 Schematic diagram of thermionic energy converter for solar light illumination.

図15に2000年H月28日13時5分に太陽光照射を開始 した時の出 力特性 を示す。なお ■sは発電容器温度 rRに 等 しい として実験 データを整理 した。太陽光の照射開始 と同時に ■ およびrcsは 上昇 し、約100秒後に ■ は14∞Kに 達 し一定 となるが、rcsは発 電容器の熱容量が非常 に大 きいため上昇 し続けた。 この出力特 性 は、発電器が非点火モー ド動作 している時の ものであるが、

光照射 によるセシウムの光励起・電離効果により電極間空間の 負の電荷は中和 されていると考えられる。セシウム雰囲気中で はTE= 定の条件下で ■sを上昇 させるとφEが低下するため、

エ ミッタからの熱電子電流が増加する。 この結果、出力電流は 図15に示 されるように ■sに敏感に応答 し、照射時間の経過 とと もに上昇 した。 ■s402Kの時の短絡電流密度は、0.97 mA/cm2 であった。仕事関数4.6eVの タングステンをセシウム蒸気中に浸 した時のφ^Eは、図5よ りたs=402Kおよび■〓1400Kに おいて φ^{E=3.45 cVと}なる。しかし実際に実験に使用 したタンタル本来 の仕事関数は^4.2 eVであ り、タングステン本来の仕事関数より も低い。従って、Tcsおよび ■が同じでもタンタルエ ミッタの

X axis Y axis

Fig.13 Schematic diagram for the measurement of the output characteristics.

丁ime(s)

Fig。14 Change of zE aftCr thc onset of solar lightinuminatiOn.Date:

Nov.30,2000,in Hamamatsu(N34°  43',E137°  43').

φ^Eはタングステンエミッタに比して低 くなることが予想され る。実験結果の0.97 mA/cm2の熱電子電流密度は■=1400K、

■s=400Kの時のφEを 3.16 eVと 仮定すれば、エミッタからの全 熱電子流が出力電流となっていることが判る。これは太陽光照 射によって、負の空間電荷が中和された結果と考えられる。

Q25mmtantalum emitter

=晰^{温 具(吼=Q4o}

♂=0.19 α〓^0。19

空層^1瀾浩^.。n:1000W/m2

J。(mA)

ume‐_[フL(Ю′SOlar radiauon(wノm2)]

13:13¨E402′919ピ B14398,929＼

1■_08‐[379′

13:06‐[376′

‐3   ‑2   ‑1

Fig。15 Change of output characte五 stics after the onset of solar light illumination.Date:Nov.28,2000 in Halnalnatsu(N34° ^43', E137° 431).

5.結    論

太陽エネルギー利用熱電子発電器は、太陽光 をエ ミッタの加 熱 と補助放電 に利用することにより太陽光の全ての波長成分 を 有効 に利用 しようとした ものである。

発電効率の数値計算 より、エ ミッタ温度が高いほど発電効率 が高 くなることが判明 した。このため、照射光の吸収率の高い エ ミッタが高効率の発電に必要 となるが、これには光 トラップ 機能が有効 であることが実験 によ り確 かめ られた。因み に、

9n=1000Wで夕L=0・83の時、光 トラップ付 きエ ミッタを用いる と、 φ^E=3.6 eVお よび ■=2200Kで η=9%であった。

またフレネル レンズを使用 した太陽光によるエ ミッタ加熱実 験では、直径15 mm、厚 さlmmのステンレスエ ミッタでは18鵜 K、直径25 mm、厚 さlmmのエ ミッタでは1437Kまで加熱する

ことがで きた。この温度は、熱電子発電器を高発電効率で動作 させ るのに十分な温度である。

以上のように、本研究では始めに太陽エネルギー利用熱電子 発電器の発電効率 ηの評価 を行った結果、■=2200Kで η=9%

が期待 されることを示 した。本方式の発電器の実現 には太陽光 集光系お よびエ ミッタ加熱方法の確立が重要であ り、光 トラッ プ機能付 きエ ミッタが有望であることを実験 により確認 した。

発電実験では、出力電流密度 と」Rが 、ほぼ 致_{する結果が得}

られた。これは太陽光照射 によってセシウム原子が励起 。電離 された結果、負の空間電荷が緩和 され、エ ミッタ前面に生 じる 負の電位障壁が解消 されたことによるものである。^TE≦1 00K の低温動作で発電効率をよリー層高め、発電器出力を実用 レベ ルにまで増大させるには、TEお よび■sを更に高めて点火モー ド 動作 を実現す ることが必要である。

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