特許 6824500 発電構造、熱光起電力発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6824500

(24)【登録日】2021年1月15日

(45)【発行日】2021年2月3日

(54)【発明の名称】発電構造、熱光起電力発電方法

(51)【国際特許分類】

   H02S 10/30 20140101AFI20210121BHJP

   F23G 5/46 20060101ALI20210121BHJP

【ＦＩ】

   H02S10/30

   F23G5/46 ZZAB

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-177203(P2017-177203)

(22)【出願日】2017年9月14日

(65)【公開番号】特開2019-54637(P2019-54637A)

(43)【公開日】2019年4月4日

【審査請求日】2019年7月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000136804

【氏名又は名称】株式会社プランテック

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100084630

【弁理士】

【氏名又は名称】澤 喜代治

(74)【代理人】

【識別番号】100127764

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 泰州

(72)【発明者】

【氏名】鮫島 良二

(72)【発明者】

【氏名】山田 裕史

(72)【発明者】

【氏名】清水 信

(72)【発明者】

【氏名】湯上 浩雄

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０５６８０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−０７１２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１０１４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８８０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２８８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００２９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１０３５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００２７６７３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｓ １０／３０

Ｈ０１Ｌ ３１／０４−３１／０７８

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

焼却炉と、
前記焼却炉の炉壁に配置されたエミッタと、
前記エミッタの光放出面の有効面積を増減させるシャッターと、
炉外に設置された光電変換ユニットと、
を具備してなり、
前記焼却炉の燃焼熱によって加熱された前記エミッタの光放出面から発する熱ふく射光を、前記光電変換ユニットの受光面に受光させることによって熱光起電力発電することを特徴とする発電構造。

【請求項2】

請求項１に記載の発電構造において、
更に、炉内温度に応じて前記シャッターを開閉する制御装置が設けられてなる発電構造。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の発電構造において、
前記焼却炉の炉出口に、更に、廃熱ボイラが設けられてなる発電構造。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電構造において、
前記焼却炉が、１日あたり百トン未満の処理能力の小型炉である発電構造。

【請求項5】

熱源から生じる熱エネルギーによってエミッタを加熱し、前記エミッタから発する熱ふく射光を光電変換セルにて電気エネルギーに光電変換する熱光起電力発電方法において、
前記熱源として焼却炉の燃焼熱を用い、
前記エミッタの光放出面の有効面積を増減させることによって炉内温度を調節することを特徴とする熱光起電力発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、焼却炉の燃焼熱を熱源とする発電構造、及び熱光起電力発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

我が国では、一般廃棄物の約８０％が焼却処理されており、従来、焼却処理に伴って発生する余熱の利用を促進すべく、余熱をボイラにて蒸気回収し、タービンを回すことによって発電する廃棄物発電が行われていた（例えば、下記特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−７１２０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

廃棄物発電は、焼却処理される廃棄物をエネルギーとして回収するので、効率的なエネルギー利用といえる。しかしながら、現在、我が国にある一般廃棄物焼却施設のうち約３０％に発電設備が備えられているが、処理能力１日あたり百トン未満の小型炉に対しては、数％しか発電設備が備えられていない。

【0005】

この理由としては、係る小型炉に水管等を配することが困難である点、小型の蒸気タービンは効率が低く費用対効果が見込めない点、が挙げられる。

【0006】

又、小型炉本体をボイラ構造とするが困難であるため、炉内の過熱に伴うクリンカの発生を防止すべく、炉内に水を噴霧したり冷却空気を混合したりすることによって炉内温度を１０００℃以下にする必要がある。しかしながら、多くの発電量がみこめない小型炉では、水の噴霧や冷却空気の混合のために駆動された動力によって熱回収率や発電効率が低下する。

【0007】

本発明は前記技術的課題に鑑みて開発されたものであり、焼却炉の燃焼熱を熱源とする新規な発電構造、及び熱光起電力発電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記技術的課題を解決するために、本発明の発電構造は、焼却炉と、前記焼却炉の炉壁に配置されたエミッタと、炉外に設置された光電変換ユニットと、を具備してなり、前記焼却炉の燃焼熱によって加熱された前記エミッタの光放出面から発する熱ふく射光を、前記光電変換ユニットの受光面に受光させることによって熱光起電力発電することを特徴とする（以下、「本発明発電構造」と称する。）。

【0009】

前記本発明発電構造においては、更に、前記エミッタの光放出面の有効面積を増減させるシャッターが設けられてなるものが好ましい態様となる。

【0010】

前記本発明発電構造においては、更に、炉内温度に応じて前記シャッターを開閉させる制御装置が設けられてなるものが好ましい態様となる。

【0011】

前記本発明発電構造においては、前記焼却炉の炉出口に、更に、廃熱ボイラが設けられてなるものが好ましい態様となる。

【0012】

前記本発明発電構造においては、前記焼却炉が、１日あたり百トン未満の処理能力の小型炉であるものが好ましい態様となる。

【0013】

前記技術的課題を解決する本発明の熱光起電力発電方法は、熱源から生じる熱エネルギーによってエミッタを加熱し、前記エミッタから発する熱ふく射光を光電変換セルにて電気エネルギーに光電変換する熱光起電力発電方法において、前記熱源として焼却炉の燃焼熱を用いることを特徴とする（以下、「本発明発電方法」と称する。）。

【0014】

前記本発明発電方法においては、前記エミッタの光放出面の有効面積を増減させることによって炉内温度を調節することが好ましい態様となる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、焼却炉の燃焼熱を熱源とする発電を行うことができる。又、記エミッタの光放出面の有効面積を増減させれば炉内温度を制御することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明発電構造を断面状態にて示す正面図（ａ）と、断面状態にて示す上面図（ｂ）である。

【図2】図２は、エミッタの光放出面を拡大して示す斜視図である。

【図3】図３は、実施形態１に係る本発明方法を模式的に示す概要図である。

【図4】図４は、実施形態２に係る本発明方法を模式的に示す概要図である。

【図5】図５は、制御装置を示すブロック図である。

【図6】図６は、前記制御装置による制御手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

【0018】

［実施形態１］
＜本発明発電構造１＞
図１に、実施形態１に係る本発明発電構造１を示す。前記本発明発電構造１は、焼却炉２と、エミッタ３と、光電変換ユニット４と、を具備する。

【0019】

‐焼却炉２‐
本発明において、前記焼却炉２の燃焼方式、処理能力等は特に限定されない。本実施形態においては、前記焼却炉２として、一般に「竪型ごみ焼却炉」と称されるものを用いた。この焼却炉２は、竪型の炉内に廃棄物Ｗを厚く積み、垂直方向に廃棄物Ｗを移動させながら燃焼させる燃焼方式を採用している。前記廃棄物Ｗの燃焼に伴い発生する可燃ガスは、燃焼室２１において燃やされ、炉出口２２を通じて排出される。なお、本実施形態において用いた「竪型ごみ焼却炉」では、前記廃棄物Ｗの燃焼に伴い発生する可燃ガスにつき、まず、主燃焼室２１１において燃やし、次いで、整流装置２３を通過したガスを再燃焼室２１２において燃やしている。

【0020】

−エミッタ３−
前記エミッタ３は、前記焼却炉２の炉壁に配置される。前記エミッタ３は、熱エネルギーを光エネルギーに変換する素子である。本実施形態においては、前記エミッタ３として、図２に示すような、二次元矩形構造（穴サイズ：１．０×１．０μｍ、深さ０．８μｍ）の光放出面３１を有する単結晶タングステンからなる平板状の選択エミッタを用いた。又、本実施形態においては、前記焼却炉２の炉壁に複数の開口を開け、各開口に前記エミッタ３をはめ込むことによって、前記エミッタ３を前記焼却炉２の炉壁に配置した。

【0021】

‐光電変換ユニット４‐
前記光電変換ユニット４は、前記焼却炉２の炉外に設置される。前記光電変換ユニット４は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。本実施形態においては、前記光電変換ユニット４として、太陽電池セルとして用いられるＩｎＳｂセルを用いた。又、前記光電変換ユニット４は、前記燃焼室２１の周囲を囲むようにして、炉外の常温域に複数枚設置した。この際、各光電変換ユニット４の受光面４１が、各エミッタ３の光放出面３１にそれぞれ対向するようにした。

【0022】

＜本発明発電方法＞
以下、前記構成を有する本発明発電構造１を用いた本発明発電方法を説明する。図３に示すように、前記本発明方法では、熱源としての前記焼却炉２から生じる熱エネルギーによって前記エミッタ３を加熱し、前記エミッタ３から発する熱ふく射光を前記光電変換ユニット４にて電気エネルギーに光電変換する。

【0023】

更に詳しく説明すると、前記本発明発電構造１の前記焼却炉２を稼働させれば、焼却熱に起因する熱エネルギーが前記エミッタ３に伝達される。熱エネルギーが伝達された前記エミッタ３は、光放出面３１から熱ふく射光を放出する。前記エミッタ３から放出された熱ふく射光は、前記光電変換ユニット４の受光面４１に入射し、光起電効果によって電気エネルギーに光電変換される。

【0024】

即ち、本発明発電方法（本発明発電構造１）では、熱源として、前記焼却炉２の燃焼熱を利用する。発電時における前記エミッタ３の光放出面３１の温度を９００℃とすると、前記エミッタ３は、１００±２０ｋＷ／ｍ^２の熱量を吸収でき、前記光電変換ユニット４を通じて、１０±２ｋＷ／ｍ^２の発電量となることが確認されている。

【0025】

又、本発明発電方法（本発明発電構造１）によれば、発電の際、前記焼却炉２の炉壁に配した前記エミッタ３が炉内の熱を吸収するため、炉内の過熱が抑制される。

【0026】

更に、前記エミッタ３は、任意の形状、大きさに加工できるため、前記焼却炉２の炉壁に対し容易に配置することができる。そのため、１日あたり百トン未満の処理能力の小型炉に対しても容易に配置することができる。

【0027】

なお、本実施形態においては、前記焼却炉２の炉出口２２を通じて排出される排ガスについての利用はなされていないが、前記炉出口２２に廃熱ボイラを設ければ、熱光発電とボイラ発電との組合せからなる高効率発電構造を構築することができる。

【0028】

［実施形態２］
図４に、実施形態２に係る本発明発電構造１を示す。本実施形態に係る本発明発電構造１は、前記実施形態１に係る本発明発電構造１と同様、焼却炉２と、エミッタ３と、光電変換ユニット４と、を具備する（図１参照）。

【0029】

そして、本実施形態に係る本発明発電構造１には、更に、シャッター５と、制御装置６が設けられている。

【0030】

‐シャッター５‐
前記シャッター５は、前記エミッタ３の光放出面３１の有効面積を増減させる役割を担う。本実施形態においては、前記シャッター５は、炉の外壁に配置されている複数の前記エミッタ３の各々に取り付けられており、前記シャッター５の開度により、前記光放出面３１を覆う閉状態から前記光放出面３１を全開にする全開状態までを採り得る仕組みとなされている。

【0031】

‐制御装置６‐
前記制御装置６は、炉内温度に応じて前記シャッターを開閉させる役割を担う。図５に示すように、本実施形態において、前記制御装置６は、炉内温度（Ｔ）を測定する測定手段６１と、最適な炉内温度としてあらかじめ設定された設定温度（Ｔｓ）を記憶する記憶手段６２と、炉内温度（Ｔ）と設定温度（Ｔｓ）を比較する演算手段６３と、炉内温度（Ｔ）に応じて前記シャッター５の開閉を命令する制御手段６４と、を具備する。

【0032】

図６のフローチャートに示すように、前記制御装置６は、本発明発電構造１の稼働開始から一定時間経過した後（Ｓ１）、前記測定手段６１にて炉内温度（Ｔ）を測定する（Ｓ２）。

【0033】

前記演算手段６３は、前記記憶手段６２に記憶された設定温度（Ｔｓ）と、測定された炉内温度（Ｔ）とを比較する（Ｓ３）。

【0034】

炉内温度（Ｔ）が所定の温度より高い場合（本実施形態においては、炉内温度（Ｔ）が設定温度（Ｔｓ）より１０℃以上高くなった場合）、前記制御手段６４は、閉状態にある前記シャッター５の一部に対し、開状態を採る命令を与える（Ｓ４）。複数設置されている前記エミッタ３のうち、前記シャッター５が開状態となされたものの割合が増えれば、その分、炉内の熱エネルギーが前記エミッタ３を通じて放出され、もって、炉内温度（Ｔ）が低下する。

【0035】

一方、炉内温度（Ｔ）が所定の温度より低い場合（本実施形態においては、炉内温度（Ｔ）が設定温度（Ｔｓ）より１０℃以上低くなった場合）、前記制御手段６４は、開状態にある前記シャッター５の一部に対し、閉状態を採る命令を与える。複数設置されている前記エミッタ３のうち、前記シャッター５が閉状態となされたものの割合が増えれば、その分、炉内の熱エネルギーの放出が制限され、もって、炉内温度（Ｔ）が上昇する。

【0036】

なお、炉内温度（Ｔ）が所定の温度範囲内にある場合（本実施形態においては、炉内温度（Ｔ）が設定温度（Ｔｓ）の±１０℃の範囲内にある場合）、前記シャッター５に対する開閉命令は与えられず（Ｓ４）、所定時間経過した後（Ｓ１）、再度炉内温度（Ｔ）が測定され（Ｓ２）、炉内温度（Ｔ）と設定温度（Ｔｓ）との比較がなされる。又、前記シャッター５に対する開閉命令が与えられた場合も（Ｓ４、Ｓ５）、所定時間経過した後（Ｓ１）、再度炉内温度（Ｔ）が測定され（Ｓ２）、炉内温度（Ｔ）と設定温度（Ｔｓ）との比較がなされる。

【0037】

即ち、本実施形態に係る本発明発電方法（本発明発電構造１）によれば、前記エミッタ３の光放出面３１の有効面積を増減させることによって炉内温度を調節することができる。これより、従来、炉内温度調節のために行っていた水の噴霧や冷却空気の混合が不必要ないし小規模なものとすることができ、その分、熱回収率や発電効率が向上する。

【0038】

その余は、前記実施形態１において説明した事項と同様であり、繰り返しを避けるべく、ここでは説明を省略する。

【0039】

なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は、焼却炉の燃焼熱を熱源とした発電システムとして好適に用いられる。

【符号の説明】

【0041】

１ 本発明発電構造（発電構造）
２ 焼却炉
２１ 燃焼室
２１１ 主燃焼室
２１２ 再燃焼室
２２ 炉出口
２３ 整流装置
３ エミッタ
３１ 光放出面
４ 光電変換ユニット
４１ 受光面
５ シャッター
６ 制御装置
６１ 測定手段
６２ 記憶手段
６３ 演算手段
６４ 制御手段
Ｗ 廃棄物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】