太陽エネルギー利用熱電子発電器の出力向上に関す る研究

太陽エネルギー利用熱電子発電器の出力向上に関す る研究

著者 荻野 明久

雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

巻 24

ページ 95‑99

発行年 2003‑03‑28

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1439

氏名^0(本籍

) 

学位 の種 類

学位 記 番 号

  225  

学位授与の要件

学位論文題目

論 文 審 査 委 員   (委員長)

教 授 江 間 義 則

論 文 内 容 の 要 旨

わが国の太陽光発電の研究開発は、1974年 度か らサ ンシャイン計画 (1993年度からはニューサ ン シャイン計画)の一部 として実施 され、二酸化炭素排出削減の観点から、1999年度実績20.5万kWに_対

して、2000年 度 目標は40万kW、2010年 度 目標は500万kWという高い導入目標が掲げられている。そ

して、1992年以来、補助金による導入助成事業が実施 され太陽電池などの導入が盛んに展開されてい

る。 しか し、現時点では既存の電源に比べてコス トが割高なこともあ り、日標の達成は予断を許さな い。太陽光利用熱電子発電器の開発は、この目標達成への一助になると共に地球環境の保全に幾ばく かの貢献が期待 される。

熱電子発電は高温動作 に特徴があ り、理論的な発電効率は15〜20%と 高い。本研究の目的は太陽エ ネルギーを熱源 とする高効率の熱電併給型熱電子発電器"Solar WE"の 実用化である。熱電子発電器 には、通常セシウムが封入 される。 これによって、1)冷却 して使われるコレクタの表面 にセシウム 皮膜が形成 されてコレクタの実質的な仕事関数が低下 し、発電器の出力電圧 を高 くする、2)高温の エ ミッタ面上での接触電離または電極間空間での累積電離により生成されるセシウムイオンがエミッ タか ら大量に放出される熱電子が形成する負の空間電位 を緩和 し、発電器の出力電流を増大 させる、

の2つの効果が発揮 され、発電効率が改善 される。周知の通 リセシウムの電離および励起電圧はあ らゆる元素中で最 も低 く、太陽光でもセシウム原子の光励起・電離が可能である。また、光励起・電 離に寄与 しない太陽光成分はエ ミッタと発電容器の加熱に利用できる。熱電子発電器の出力増大 と発 電効率の向上を図るにはエ ミッタの高温加熱 と同時にセシウムイオンの生成が必要であるが、太陽光

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はこの2つの要請に同時に応えることができる。Solar TECで は、太陽光の全ての波長成分がセシウ ムの励起 とエ ミッタ加熱 に有効に活用で きるので、高効率の太陽エネルギー利用が期待 される。ま た、この発電原理は他の放射エネルギーにも適用することができる。必要に応 じて都市ガスの燃焼熱 を併用すれば、常時発電 も可能 となる。

本研究は太陽光利用熱電子発電器の出力特性 を解析 し、太陽光利用 に最適な動作条件等 を検証 し た。本論文 を各章毎にまとめると、以下の通 りである。

第1章では熱電子発電器の研究の歴史を簡単 に紹介 し、本研究の目的並びに本論文の構成 を述べ た。

第2章では熱電子発電器の主要な物理現象である熱電子放出、表面電離、仕事関数等の基本概念 を紹介 し、熱電子発電器の原理 と特徴 を説明 した。次いで、プラズマの生成及び消滅過程 について述 べ、それらに関係する諸パラメータを紹介 している。更に、熱電子発電器で重要な空間電荷中和度を 定義 し、電極間の空間電位分布 との関係 を述べた。

第3章では、発電器の製作および発電実験 を行 うにあた り、太陽光 によるエ ミッタ加熱特性 を計 算ならびに実験の両面から検討 した。 この加熱実験 より得 られた結果を利用 し、Razor等 の解析方法 を参考にして太陽光利用熱電子発電器の発電効率の評価を行 った。熱電子発電器の理論 によると、発 電器内部での電圧降下の指標であるバ リアインデックスyBお_{よび太陽光の入射電力}olが^{一定の時、}

発電効率 ηはエ ミッタの仕事関数Eとその温度 亀 ならびにセシウム蒸気圧PQに依存する。また、

φEは ■ と^PCsの、■ は φ^Eヽ 2hお^{よびエミッタ表面積SEの}関数である。 ηはあるφEの値に対 し て最大値 η nExを とり、この φEに 対応 して ■ とPcsが定まる。chが^{一定でも、SEを小 さくしエ}

ミッタの光吸収率を高めればη mxは上昇する。試算によると、ch=1000W、 ^{yB=2.2 eVでレンズ} の集光率が85%の 時、^SE力%Cm2の光 トラップ付 きエ ミッタ(光吸収率Ю。^8、放射率Ю。^3)を用いると、

φE=3.4 eVお よび 亀=2300Kの時 η max=14%で あつた。

第4章では、2種類の太陽光利用熱電子発電器 Solar TEC A"および B"を製作 してその出力特性 について述べた。^Solar■EAは、電極間空間への光照射の有無による出力特性を比較することがで きる構造を持っている。また発電領域での点火モー ド動作を目指 してSolar TEC Bを設計 した。こ の発電器では、発電容器がコレクタを兼ねることで、発電器構造が簡略化できると共に、エミッタ‐

コレクタ間のギャップを縮小 して電子の拡散によつて生ずる出力電流の減少を抑制できる。これらの 発電器から次のような結果を得た。

1)非点火および点火モー ド動作の両モー ドにおいて光照射によって出力電流が増大することが分 かった。これは光照射によつて、セシウム原子が励起^0電離された結果、負の空間電荷が中和され、

エミッタ前面に存在する負の空間電位障壁が緩和・解消されたことによるものと考えられる。特に空 間電荷中和度 βく^1と なる動作条件では、光照射による電流増大効果が大きいことが実験により判明

した。

2)定常動作時の点火開始お よび点火消滅時の出力電圧 は、光照射 によ り^0.25〜0.27V増 大 した。 こ れは、電極 間空間でのプラズマ生成 を電子 と封入気体原子 との体積電離のみに依存せず、補助放電 に

よ リプラズマ を生成す ることで、 プラズマの維持 に必要な電圧損失が低減 したためであると考 えられ る。

3)出 力電流は、 φ^Eおよび■ に敏感に応答する。 ■ が低い時、 ■ を上昇 してもφEの変化が少 ないためにエミッタからの熱電子電流が増大 し出力電流 も増大する。 しかし、さらに■ が上昇する と、 φEが増大するため ■ が上昇することによる出力電流の増大よりもφEの増大による出力電流 の減少効果が顕著に現れるようになる。また点火モー ド動作時の出力電流は空間電荷中和度の影響を 受け、β〜^1の条件の時、出力が最大 となった。この時の短絡電流密度は^0。73A、VBは 2.4Vであっ た。出力が最大となるこの動作条件は、効率計算から得られる最適動作条件と比較的良 く一致するこ とから、さらに出力を増大させるには、エミッタ温度を上げることが必要となる。以上より、効率の 高い集光システムと光吸収率の高いエミッタの開発が、高い発電効率を得る上で重要であることが 判つた。

最後に第5章で本論文の内容を各章毎に要約 し、まとめとした。

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論 文 審 査 結 果 の 要 旨

本論文は、太陽エネルギーを熱源 として発電すると同時に温水 を製造 して、コジェネレーションシ ステムを構築するための熱電併給型熱電子発電器(Solar¶E)の実用化 を目指す研究を纏めたもので ある。

第^1章の序論では、これまで行われてきた原子カエネルギー及び燃焼熱 を熱源 とする熱電子発電器 研究の歴史的経緯 と現状の紹介があ り、太陽エネルギーを利用する Solar TECの位置づけがなされて いる。第2章は熱電子発電の動作原理 を述べてお り、電極での表面現象および電極間空間でのプラズ マ現象 とを関連づけながら、熱電子発電の動作原理が述べ られている。また、熱電子発電を行 うには コレクタ電極を冷却する必要があるが、このとき発生する温水の利用が太陽エネルギーの総合的利用 効率 を高めることを述べている。

第3章では、Rasorら の手法を適用 して熱電子発電器の発電効率を理論的に評価 し、最適な動作条 件 を明らかにしている。これから、発電効率の向上には、エ ミッタ温度を2000K以上に高めることが 必要であることを明らかにするとともに、^Solar賢℃ では、エ ミッタ電極が太陽光で加熱 されるため に、エ ミッタの太陽光吸収率の向上が発電効率の向上に必須であることを述べている。このための手 段 として光 トラップ付エ ミッタを新たに提案 し、入射光を補足するとともに放射損失の低減が可能 と

なることを示 した。直径

1511m、

第4章では試作 した2種類の S01ar TECを 用いて太陽光照射 による発電実験 を行 った。1枚のエ ミッタとこれを挟んで同一形状の円錐台状 コレクタからなる^Solar■К の片側から、透明サファイヤ 窓を通 して105cm×70cmのフレネルレンズで集光 した太陽光 を照射 した。 この装置では、太陽光が コレクタ内に存在する場合 とそうでない場合の出力特性を同時測定でき、セシウムの光励起 0電離の 出力特性 に及ぼす効果を調べることができる。測定は、照射開始から^10分間にわたつて行い、出力電 流、コレクタ温度、日射量 を同時測定 した。この実験結果から、太陽光がプラズマに当たつている場 合の出力は、太陽光照射のない場合 に比べて数倍程度大 きくなったが、これは太陽光がセシウム原子 の励起・電離 に寄与 した結果であることを述べている。

次 に、円錐台状 コレクタとその底部 に l Hlm離 して設置 したエ ミッタからなるSolar HEを使 って 出力特性 を測定 した。 この S01ar TECは 電極間隔が短いので大 きな出力が得 られる構造 となってい る。光照射開始後の出力特性は定常状態に至るまでに刻々変化する。照射開始後の最初の1分間以内 では、エ ミッタは温度が低いためにセシウム付着により仕事関数が低 く抑えられているために、熱電 子放出は多いが出力電圧が低いために出力は低いが、その後は、エ ミッタ温度の上昇に伴い出力電圧 が上昇するとともに発電領域で点火モー ド動作が生 じ、出力の増大が確認 された。出力特性の時間変 化 に関する考察が加えられ、発電特性向上、の指針が与えられている。第5章 は結論であ り、研究成

果の纏め と今後の研究課題が述べ られている。

本論文は燃焼熱等 を熱源 とする熱電子発電器を太陽エネルギーカ滞

U用

Solar

TECに関する研究であ り、十分な学術的内容 を具備 している。 よって、博士_(工学)を授与するに十 分な ものであることを認める。

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