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熱輻射光発電装置 NEW

国内特許コード P200016806
整理番号 5745
掲載日 2020年5月8日
出願番号 特願2017-034724
公開番号 特開2018-143025
出願日 平成29年2月27日(2017.2.27)
公開日 平成30年9月13日(2018.9.13)
発明者
  • 野田 進
  • 井上 卓也
  • 渡辺 晃平
  • 浅野 卓
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 熱輻射光発電装置 NEW
発明の概要 【課題】出力密度及び発電効率が共に高い熱輻射光発電装置を提供する。
【解決手段】熱輻射体12と、熱輻射体12から離間して配置された、半導体層1111、1112、1121、1122を有する光電変換素子11と、熱輻射体12と光電変換素子11の間に、光電変換素子11に接し、各半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーのうちの最小のものに対応する波長であるバンドギャップ波長の1/3以下の距離だけ熱輻射体12から離間して配置された、波長0.5~1000μmの光に関して誘電率の実部が正の値を有し且つ光電変換素子11において光電変換される波長範囲内の少なくとも一部の波長の光を透過する材料から成る中間部材13を有する。熱輻射体12と中間部材13が近いことから近接場光を利用できるため出力密度が高く、光電変換素子11で発電に寄与しない長波長の光が光電変換素子11の半導体層の表面を伝播することを防止することができるため発電効率が高い。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

一般に、物体を加熱すると、物体を構成する物質及び物体の温度に応じたスペクトルを有する熱輻射光が放出される。この熱輻射光を光電変換素子に照射することにより、発電を行うことができる。この原理を用いて、例えば火力発電所やエンジンを用いた発電機において発電に寄与することなく発生する熱で生じる熱輻射光により発電を行うことで、エネルギーの利用効率を高めることができる。また、熱源さえあれば、別途電源を用意することなく電力を得ることができる。例えば赤外線を用いてエンジンの排ガス中の成分を分析するための排ガスセンサにおいて、エンジンの廃熱で生じる熱輻射光により発電を行うことで、別途電源を用意することなく排ガスセンサを動作させるための電力を得ることができる。

熱輻射光発電装置は、加熱によって熱輻射光を発する熱輻射体と、該熱輻射光を電気に変換する光電変換素子で構成されるが、光電変換素子を保護するため、両者を直接接触させることはできず、両者の間には隙間を設けなければならない。熱輻射体を加熱した際には、その内部を含む全体から熱輻射光が放出されるが、内部で生成された熱輻射光は、熱輻射体の表面から外部に放出される他、例えばその表面で全反射することにより熱輻射体内に留まるものも存在する。但し、このように熱輻射体内に留まる光であっても、その表面からわずかに外側(例えば表面から1μm未満の範囲内)には浸出している。このような光を近接場光という。近接場光も光電変換素子に取り込むことができれば、発電の出力密度を高くすることができる。そこで特許文献1に記載の熱輻射光発電装置は、熱輻射体と光電変換素子を構成する半導体層の距離(隙間の大きさ)を、熱輻射体の表面付近に生成される近接場光が該半導体層に伝播するように十分に小さく(例えばナノオーダー、すなわち1μm未満に)する、という構成をとっている。

産業上の利用分野

本発明は、物体を加熱することにより生じる熱輻射光を光電変換することにより発電を行う熱輻射光発電装置に関する。なお、本明細書では「熱輻射光」には、可視光及び赤外線以外の電磁波を含むものとする。

特許請求の範囲 【請求項1】
a) 熱輻射体と、
b) 前記熱輻射体から離間して配置された、1層又は複数層の半導体層を有する光電変換素子と、
c) 前記熱輻射体と前記光電変換素子の間に、該光電変換素子に接し、前記1層の半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーに対応する波長又は前記複数層の各半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーのうちの最小のものに対応する波長であるバンドギャップ波長の1/3以下の距離だけ前記熱輻射体から離間して配置された、波長0.5~1000μmの光に関して誘電率の実部が正の値を有し且つ前記光電変換素子において光電変換される波長範囲内の少なくとも一部の波長の光を透過する材料から成る中間部材と
を備えることを特徴とする熱輻射光発電装置。

【請求項2】
前記熱輻射体と前記中間部材の距離が0.2μm以下とすることを特徴とする請求項1に記載の熱輻射光発電装置。

【請求項3】
前記熱輻射体と前記中間部材の距離が、前記中間部材を配置することなく前記熱輻射体と前記光電変換素子を離間して配置した構成において、該熱輻射体で生成される熱輻射光の全エネルギーに占める、該光電変換素子が表面波を吸収することにより生じるエネルギーの損失の割合が10%となる場合の該熱輻射体と該光電変換素子の距離よりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱輻射光発電装置。

【請求項4】
前記中間部材の材料の屈折率が、前記光電変換素子において光電変換される波長範囲内において3以上であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の熱輻射光発電装置。

【請求項5】
前記熱輻射体が、前記中間部材が透過する波長の光を増幅するフォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の熱輻射光発電装置。

【請求項6】
前記熱輻射体が、表面に柱状部が複数形成された支持基体の該柱状部に載置されていることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の熱輻射光発電装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2017034724thum.jpg
出願権利状態 公開
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