SURE: Shizuoka University REpository http://ir.lib.shizuoka.ac.jp/ Title Author(s) Citation Issue Date URL Version 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荻野, 明久静岡大学大学院電子科学研究科研究報告. 24, p. 95-99 2003-03-28 http://hdl.handle.net/10297/1439 publisher Rights This document is downloaded at: 2014-11-01T12:26:14Z 氏名 0(本籍) 荻野明学位の種類博士 (工学位記番号工博甲第学位授与の日付平成 14年 3月 23日学位授与の要件学位規程第 5条第 1項該当・専攻の名称研究科電子科学研究科電子材料科学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学位論文題目論文審査委員 (委員長 ) 久 (京都府) 学) 225 号教授江間義則教授窪野隆能教授永津雅章教授神藤正士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 -95- 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 φE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 ηnEx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 ηmxは上昇する。試算によると、ch=1000W、 yB=2.2 eVでレンズ 3)を用いると、 8、放射率Ю。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。 φE=3.4 eVおよび亀 =2300Kの時 ηmax=14%であつた。 B"を製作してその出力特性 Solar TEC A"および“ 第 4章では、2種類の太陽光利用熱電子発電器“ 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 -96- 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、 φE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。 -97- 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、高さ5mmの中空円筒の中心部に円錐状のトラップを設けたエミッタでの実験では、光吸収率力ヽ3%から51%に上昇し、エミッタ温度が1300Kから1450Kまで上昇することを確認している。エミッタの光吸収率を80%台まで高めることができれば、Solar■Eの発電効率は10%台に上昇することを示した。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 -98- 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用できるように発展させた 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。 -99-