太陽光エネルギー変換装置 技術分野 Solar energy converter Technical field
この発明は、 太陽から放出される光エネルギーを電気エネルギーに変換する太 陽光エネルギー変換装置に関するものである。 背景技術 The present invention relates to a solar energy conversion device that converts light energy emitted from the sun into electric energy. Background art
石炭や石油などの化石燃料を燃焼させることにより得られるエネルギ一は地球 環境の劣化を招くとともに、 それらの埋蔵量に限界があることにより、 長期的に それらを使用することは困難である。 The energy obtained by burning fossil fuels such as coal and petroleum causes deterioration of the global environment and the limited amount of reserves makes it difficult to use them over the long term.
このような化石燃料の燃焼により生じていた地球温暖化の原因である二酸ィ匕炭 素などによる環境問題の悪化を解決し、 また化石燃料枯渴問題から解放されるた めに、 太陽から放出される太陽光エネルギーを利用する方法 ·装置を開発するこ とは人類の生存には必要であり、 太陽光のエネルギーを電気エネルギーに効率良 く変換することが可能となると、 人類の長期的な生存に必要なエネルギーが太陽 によって安定的に供給される可能性がある。 それゆえにこれまで様々な鋭意開発 が進められてきた。 In order to solve the deterioration of environmental problems caused by the burning of fossil fuels such as dioxide and carbon dioxide, which cause global warming, and to release the problem of fossil fuel depletion, Developing devices and methods that utilize the released solar energy is necessary for the survival of humankind, and if it becomes possible to efficiently convert solar energy into electrical energy, It is possible that the sun will supply the energy needed for a healthy survival. For this reason, various intensive developments have been pursued.
ここで、 このような太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する方法'装 置として望まれることとしては、 第一に太陽光線の持つエネルギーを電気的なェ ネルギ一に変換する際の効率が良いことがあげられ、 太陽光エネルギーのクリ一 ンさを考慮し、 環境を破壊、 悪ィ匕させるような物質は使用しないことである。 次に、 普及させる必要があるので安価であることが必要となる。 安価であるた めには入手が困難な物質や、 製造コストのかかる物質の使用は避ける必要があり 、 またその構造が簡単であることが望ましい。
構造が簡単であれば構成部品を交換するなどにより長期的に使用することが可 能となり、 長期的に使用するためには耐久性があり、 耐用年数が長いことも重要 であり、 かつ保守費用やランニングコストが安いことが望ましい。 Here, as a method for converting the energy of sunlight into electric energy, what is desired as an apparatus is that, first, the efficiency of converting the energy of sunlight into electrical energy is high. Considering the cleanliness of solar energy, do not use substances that destroy or harm the environment. Second, it needs to be inexpensive because it needs to be spread. In order to be inexpensive, it is necessary to avoid the use of materials that are difficult to obtain or that require high production costs, and it is desirable that the structure be simple. If the structure is simple, it can be used for a long time by replacing components, etc.For long-term use, it is important that it is durable and has a long service life, and maintenance costs It is desirable that running costs are low.
さらには、 いかなる場所でも使用できるよう、 軽量かつ小型であることが望ま しい。 Furthermore, it is desirable that it be lightweight and compact so that it can be used anywhere.
ところで、 これまでの太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する 装置としては、 主として半導体を用いて構成された太陽電池が一般的に知られて いる。 これら従来の太陽電池では、 利用できる光の波長は 4 0 0 nmから 4 5 0 nmの青色付近が中心である。 すなわち、 従来の太陽電池によって利用可能な太 陽光は、 太陽から注がれている光の一部のスペクトルのみであり、 緑色から赤色 の可視光線および赤外線の殆どは電気エネルギーに変換することができなかった 。 このために太陽電池の効率向上の改良が多くの研究者によって行われたが、 太 陽電池の効率は 2 0 %以下に留まっている。 By the way, as a conventional device for directly converting solar energy into electric energy, a solar cell mainly composed of a semiconductor is generally known. In these conventional solar cells, the available light wavelength is centered around blue at 400 nm to 450 nm. In other words, the sunlight that can be used by conventional solar cells is only a part of the spectrum of light that is poured from the sun, and most of visible light and infrared light from green to red can be converted to electric energy. Did not. To this end, many researchers have improved the efficiency of solar cells, but the efficiency of solar cells remains below 20%.
また、 太陽電池を構成する半導体は、 製造コストがかかるとともに、 製造工程 において環境悪ィ匕物質を放出することも知られている。 It is also known that semiconductors constituting solar cells have high manufacturing costs and emit environmentally harmful substances during the manufacturing process.
従って、 太陽電池による太陽光エネルギーの電気エネルギーへの変換方法 ·装 置は、 先に述べた太陽光エネルギーの電気エネルギーへの変換方法 ·装置が具備 すべき条件を満足しているとは言えないというのが現状である。 Therefore, the method and device for converting solar energy into electric energy using solar cells cannot be said to satisfy the conditions that the above-described method and device for converting solar energy into electric energy should have. That is the current situation.
本発明の目的は、 太陽光線のさらに多くのスぺクトルに対応する波長のェネル ギー、 つまり従来の太陽電池が利用していない太陽光の波長領域のエネルギーに ついても電気的なエネルギーに変換させることにより、 より効率が良く、 力つ安 価で、 環境に悪影響のない太陽光エネルギー変換装置を提供するものである。 発明の開示 An object of the present invention is to convert energy of a wavelength corresponding to more spectrum of solar rays, that is, energy in a wavelength region of sunlight that is not used by a conventional solar cell, into electric energy. By doing so, it is possible to provide a solar energy conversion device that is more efficient, cheaper, and has no adverse effects on the environment. Disclosure of the invention
上記問題点を解決するため、 太陽光の一部のスぺクトルのみしか利用できない 太陽電池 (P N接合の半導体) の使用とは一線を画し、 電子放出電極を用いた太
陽光エネルギー変換装置を提供することを発明の骨子としている。 In order to solve the above problems, the use of solar cells (PN-junction semiconductors), which can use only a part of the solar spectrum, is different from the use of solar cells. The gist of the invention is to provide a solar energy conversion device.
ここで、 電子放出電極とは、 熱電子を放出する電極であり、 通常は電子放出能 力の高い金属 (タングステン、 タンタル、 スカンジウム、 イリジウム、 等) に熱 電子を放出しやすい物質 (酸化バリウム、 酸化イリジウム、 ストロンチュ一ム炭 酸塩、 イリジウムおよびスカンジウムなどの化合物) を含浸、 あるいは塗布する ことにより得られ、 温度を上昇することにより熱電子を放出するものである。 放 出された熱電子を電子収集電極により受け止め収集することで太陽光エネルギー を熱電子の放出により電気エネルギーに変換した状態で得られる。 Here, the electron-emitting electrode is an electrode that emits thermoelectrons, and is usually a material (barium oxide, barium oxide, etc.) that easily emits thermoelectrons to a metal with high electron-emitting ability (tungsten, tantalum, scandium, iridium, etc.). Compounds such as iridium oxide, strontium carbonate, iridium and scandium) are obtained by impregnation or coating, and emit thermal electrons when the temperature is increased. The emitted thermoelectrons are received and collected by the electron collection electrode, and the solar energy is converted into electrical energy by the emission of thermoelectrons.
このような電子放出電極については、 1 9 6 7年の米国特許 U S P 3 , 3 5 8, 1 7 8や、 1 9 7 3年の米国特許 U S P 3 , 7 1 9 , 8 5 6および 1 9 7 7年の米国特許 U S P 4 , 0 0 7 , 3 9 3により提案され、 放出される熱電子の 放出効率の向上、 および耐久性の向上が得られたものが登場した。 以上の技術は これまでおもに真空管、 および C R T (Cathode Ray Tube) の分野で用いられた 本発明の太陽光エネルギー変換装置の構造は真空管と類似性をもつ一面もある が、 しかしながら、 真空管の機能は増幅作用と整流作用と発振作用であり、 本発 明の太陽光エネルギー変換装置の機能は発電作用である。 すなわち、 真空管と太 陽光エネルギー変換装置は機能において全く異なる。 Such electron-emitting electrodes are described in US Pat. Nos. 3,968,178, US Pat. No. 1,697, US Pat. No. 3,719,856, and US Pat. A proposal was made by the US patent US Pat. No. 4,077,393 in 77, which improved the emission efficiency of emitted thermoelectrons and improved durability. Although the above technology has been used in the field of vacuum tubes and CRTs (Cathode Ray Tubes), the structure of the solar energy conversion device of the present invention is similar to vacuum tubes in some respects. The function of the solar energy converter of the present invention is the power generation function. That is, vacuum tubes and solar energy converters are completely different in function.
具体的に、 本発明の第 1の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 Specifically, the solar energy conversion device of the first embodiment of the present invention,
太陽光を集める集光装置と、 A concentrator that collects sunlight,
真空容器内に配置され、 前記集光装置によって集められた太陽光が照射される 加熱板と、 A heating plate arranged in a vacuum vessel and irradiated with sunlight collected by the light-collecting device;
前記真空容器内に前記加熱板と熱的に結合されて配置され、 前記加熱板の温度 上昇とともに温度が上昇することにより真空中に電子を放出する電子放出電極と、 前記真空容器内に前記電子放出電極と対向配置される電子加速電極と、 前記電子放出電極にマイナス端子が接続され、 前記電子加速電極にプラス端子
が接続される電子加速電源と、 An electron emission electrode that is disposed in the vacuum vessel so as to be thermally coupled to the heating plate, and that emits electrons in a vacuum when the temperature of the heating plate rises as the temperature of the heating plate rises; An electron acceleration electrode disposed to face the emission electrode, a minus terminal connected to the electron emission electrode, and a plus terminal connected to the electron acceleration electrode An electron acceleration power supply to which is connected
前記真空容器内に配置され、 前記電子放出電極と前記電子加速電極の間を飛翔 する電子の軌道を曲げる偏向装置と、 A deflecting device disposed in the vacuum vessel, for bending a trajectory of an electron flying between the electron emission electrode and the electron acceleration electrode;
前記偏向装置によって軌道が曲げられた飛翔電子を収集する電子収集電極と.、 を備え、 And an electron collecting electrode for collecting flying electrons whose trajectory has been bent by the deflecting device.
前記電子収集電極を負電極とし、前記電子放出電極を正電極とすることにより、 前記電子放出電極の電子を移動させて電気を発生させる構成としたことを特徴と するものである。 The electron collection electrode is a negative electrode, and the electron emission electrode is a positive electrode, so that the electrons of the electron emission electrode are moved to generate electricity.
また、 本発明の第 2の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1の形態の太陽 光エネルギー変換装置において、 前記偏向装置は、 偏向磁石或いは静電偏向電極 の何れか一方を備えることを特徴とするものである。 Further, a solar energy conversion device according to a second aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to the first aspect, wherein the deflection device includes one of a deflection magnet and an electrostatic deflection electrode. It is assumed that.
また、 本発明の第 3の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1又は 2の形態 の太陽光エネルギー変換装置において、 前記電子収集電極の表面に、 金属繊維、 或いは網目状又は格子状の金属線により構成され前記飛翔電子を捕獲する電子捕 獲部を形成したことを特徴とするものである。 The solar energy conversion device according to a third aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to the first or second aspect, wherein the surface of the electron collection electrode has metal fibers, or a mesh-like or lattice-like metal. An electron capture portion configured by a line and capturing the flying electrons is formed.
また、 本発明の第 4の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 太陽光を集める集 光装置と、 ' Further, a solar energy conversion device according to a fourth embodiment of the present invention includes: a light concentrator that collects sunlight;
真空容器内に配置され、 前記集光装置によって集められた太陽光が照射される 加熱板と、 A heating plate arranged in a vacuum vessel and irradiated with sunlight collected by the light-collecting device;
前記真空容器内に前記加熱板と結合されて配置され、 前記加熱板の温度上昇と ともに温度が上昇することにより真空中に電子を放出する電子放出電極と、 前記真空容器内に前記電子放出電極と対向配置される電子加速電極と、 前記電子放出電極にマイナス端子が接続され、 前記電子加速電極にプラス端子 が接続される電子加速電源と、 An electron emission electrode that is disposed in the vacuum vessel in combination with the heating plate, and that emits electrons in a vacuum when the temperature rises with the temperature of the heating plate; and the electron emission electrode in the vacuum vessel. An electron accelerating electrode arranged to face the electron accelerating power source, wherein a negative terminal is connected to the electron emitting electrode, and a positive terminal is connected to the electron accelerating electrode;
前記電子放出電極と前記電子加速電極との間に設けられ、 前記電子放出電極か ら放出された飛翔電子を収集する電子収集電極と、 を備え、
前記電子収集電極は、 金属繊維、 或いは網目状又は格子状の金属線により構成 され、 An electron collection electrode provided between the electron emission electrode and the electron acceleration electrode, for collecting flying electrons emitted from the electron emission electrode. The electron collection electrode is made of a metal fiber or a mesh-like or lattice-like metal wire,
前記電子収集電極を負電極とし、前記電子放出電極を正電極とすることにより、 前記電子放出電極の電子を移動させて電気を発生させる構成としたことを特徴と するものである。 The electron collection electrode is a negative electrode, and the electron emission electrode is a positive electrode, so that the electrons of the electron emission electrode are moved to generate electricity.
また、 本発明の第 5の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 太陽光を集める集 光装置と、 Further, a solar energy conversion device according to a fifth aspect of the present invention includes: a light collecting device that collects sunlight;
真空容器内に配置され、 前記集光装置によって集められた太陽光が照射される 加熱板と、 A heating plate arranged in a vacuum vessel and irradiated with sunlight collected by the light-collecting device;
前記真空容器内に前記加熱板と結合されて配置され、 前記加熱板の温度上昇と ともに温度が上昇することにより真空中に電子を放出する電子放出電極と、 前記真空容器内に前記電子放出電極と対向配置される電子加速電極と、 前記電子放出電極にマイナス端子が接続され、 前記電子加速電極にプラス端子 が接続される電子加速電源と、 An electron emission electrode that is disposed in the vacuum vessel in combination with the heating plate, and that emits electrons in a vacuum when the temperature rises with the temperature of the heating plate; and the electron emission electrode in the vacuum vessel. An electron accelerating electrode arranged to face the electron accelerating power source, wherein a negative terminal is connected to the electron emitting electrode, and a positive terminal is connected to the electron accelerating electrode;
前記電子放出電極と前記電子加速電極との間に設けられ、 前記電子放出電極か ら放出された飛翔電子を収集する電子収集電極と、 を備え、 An electron collection electrode provided between the electron emission electrode and the electron acceleration electrode, for collecting flying electrons emitted from the electron emission electrode.
前記電子加速電極と、 前記電子収集電極と、 は互いに電気的に絶縁され、 前記電子収集電極を負電極とし、前記電子放出電極を正電極とすることにより、 前記電子放出電極の電子を移動させて電気を発生させる構成としたことを特徴と するものである。 The electron accelerating electrode and the electron collecting electrode are electrically insulated from each other, and the electrons of the electron emitting electrode are moved by using the electron collecting electrode as a negative electrode and the electron emitting electrode as a positive electrode. It is characterized in that it is configured to generate electricity by using
また、 本発明の第 6の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜5の何れか の形態の太陽光エネルギー変換装置において、前記電子放出電極は、イリジゥム、 スカンジウム、 或いはバリウムのうち、 少なくとも何れか一つを含む化合物を含 有或いは付着させたことを特徴とするものである。 The solar energy conversion device according to a sixth aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the electron emission electrode is at least one of iridium, scandium, and barium. It is characterized by containing or attaching a compound containing any one of them.
また、 本発明の第 7の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜6の何れか の形態の太陽光エネルギー変換装置において、 前記集光装置は、 レンズ或いは凹
面鏡の何れかを備えることを特徴とするものである。 The solar energy conversion device according to a seventh aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the condensing device is a lens or a concave. It is characterized by including any one of a surface mirror.
また、 本発明の第 8の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜7の何れか の形態の太陽光エネルギ一変換装置において、前記電子収集電極は、ステンレス、 モリブデン化合物、 及び夕ングステン化合物のうちの何れか一つからなることを 特徴とするものである。 The solar energy conversion device according to an eighth aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to any one of the first to seventh aspects, wherein the electron collection electrode is made of stainless steel, a molybdenum compound, and a tungsten compound. It is characterized by comprising any one of the following.
また、 本発明の第 9の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜8何れかの 形態の太陽光エネルギー変換装置において、 前記加熱板若しくは前記電子収集電 極のうち、 少なくとも一方に黒体ィ匕処理が施されていることを特徴とするもので ある。 A solar energy converter according to a ninth aspect of the present invention is the solar energy converter according to any one of the first to eighth aspects, wherein at least one of the heating plate or the electron collection electrode is a black body. It is characterized by having been subjected to a dani processing.
また、 本発明の第 1 0の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜 9の何れ かの形態の太陽光エネルギー変換装置において、 前記電子収集電極に衝突した前 記飛翔電子が、 前記電子収集電極から再放出することを防止する電子再放出防止 部を形成したことを特徴とするものである。 The solar energy converter according to a tenth aspect of the present invention is the solar energy converter according to any one of the first to ninth aspects, wherein the flying electrons that collide with the electron collecting electrode are the electrons. An electron re-emission preventing portion for preventing re-emission from the collecting electrode is formed.
また、 本発明の第 1 1の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜1 0の何 れかの形態の太陽光エネルギ一変換装置において、 前記電子収集電極を前記電子 放出電極側に屈曲させ、 前記電子放出電極側に開口する凹部を形成したことを特 徴とするものである。 ' The solar energy conversion device according to the eleventh aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the electron collection electrode is bent toward the electron emission electrode. And forming a recess opening on the electron emission electrode side. '
また、 本発明の第 1 2の形態の太陽光エネルギ一変換装置は、 第 1〜1 1の何 れかの形態の太陽光エネルギー変換装置において、前記真空容器の一部の領域に、 前記集光装置によって集光された太陽光を通過させる太陽光通過窓を形成したこ とを特徴とするものである。 Further, the solar energy conversion device according to the twelfth aspect of the present invention is the solar energy conversion device according to any one of the first to eleventh aspects, wherein: It is characterized by forming a sunlight passage window through which sunlight condensed by the optical device passes.
また、 本発明の第 1 3の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜1 2の何 れかの形態の太陽光エネルギー変換装置において、 前記加熱板を、 熱伝導不良材 料からなる固定部材によつて真空容器に取り付けたことを特徴とするものである。 また、 本発明の第 1 4の形態の太陽光エネルギー変換装置は、 第 1〜: 1 3の何 れかの形態の太陽光エネルギー変換装置において、 前記真空容器内に配置された
加熱板と電子放出電極との間に、絶縁物を挟み込む構成にすることを特徴とする。 図面の簡単な説明 Further, a solar energy converter according to a thirteenth aspect of the present invention is the solar energy converter according to any one of the first to the eleventh aspects, wherein the heating plate is fixed from a material having poor heat conduction. It is characterized in that it is attached to a vacuum vessel by means of members. A solar energy converter according to a fourteenth aspect of the present invention is the solar energy converter according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the solar energy converter is disposed in the vacuum vessel. It is characterized in that an insulator is interposed between the heating plate and the electron emission electrode. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明に係る太陽光エネルギー変換装置の基本構成を示すものであり 、 真空容器を切断して内部構成を示した側面図である。 FIG. 1 shows a basic configuration of a solar energy conversion device according to the present invention, and is a side view showing an internal configuration by cutting a vacuum vessel.
図 2は、 静電偏向方式を適用した太陽光エネルギー変換装置を示すものであり 、 真空容器を切断して内部構成を示した側面図である。 FIG. 2 shows a solar energy conversion device to which an electrostatic deflection method is applied, and is a side view showing an internal configuration by cutting a vacuum container.
図 3は、 磁界偏向方式を適用した太陽光エネルギー変換装置の一部分 (磁石の 配置関係) を示す斜視図である。 Fig. 3 is a perspective view showing a part (arrangement relation of magnets) of the solar energy conversion device to which the magnetic field deflection method is applied.
図 4は、 磁界偏向方式を適用した太陽光エネルギー変換装置を示すものであり 、 真空容器を切断して内部構成を示した側面図である。 FIG. 4 shows a solar energy conversion device to which a magnetic field deflection method is applied, and is a side view showing an internal configuration by cutting a vacuum vessel.
図 5は、 電子収集電極に電子再放出防止部材を取り付けたものを示す断面図で ある。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing an electron collecting electrode provided with an electron re-emission preventing member.
図 6は、 磁界偏向方式の太陽光エネルギー変換装置の電子収集電極を電子放出 電極側に屈曲させ、 電子再放出防止部材を取り付けた状態を示すものであり、 真 空容器を切断して内部構成を示した側面図である。 Fig. 6 shows a state in which the electron collection electrode of the magnetic field deflection type solar energy conversion device is bent to the electron emission electrode side, and the electron re-emission prevention member is attached. FIG.
図 7は、 電子収集電極に金属繊維を用いた例を示す斜視図である。 FIG. 7 is a perspective view showing an example in which metal fibers are used for the electron collection electrodes.
図 8は、 電子収集電極に金属網を用いた例を示す斜視図である。 FIG. 8 is a perspective view showing an example in which a metal net is used for the electron collection electrode.
図 9は、 図 8の電子収集電極の金属網に垂直な方向の断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the electron collecting electrode of FIG. 8 in a direction perpendicular to the metal net.
図 1 0は、 電子偏向装置を用いない太陽光エネルギー変換装置を示す断面図で ある。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing a solar energy conversion device that does not use an electron deflection device.
図 1 1は、 電子傾向装置を用いない太陽光エネルギー変換装置の別の実施例を を示す断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another embodiment of the solar energy conversion device that does not use the electronic tendency device.
図 1 2は、 本発明の太陽光エネルギー変換装置の太陽光通過窓とその周辺にあ る加熱板の固定部材等を示す断面図である。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing a solar light passing window of the solar energy conversion device of the present invention and a fixing member for a heating plate and the like around the window.
図 1 3は、 加熱板と電子放出電極の間に絶縁物を挟み込む構成を示す側面図で
ある。 Fig. 13 is a side view showing a configuration in which an insulator is sandwiched between the heating plate and the electron-emitting electrodes. is there.
図 1 4は、 凹面鏡を集光装置として用いた例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態 FIG. 14 is a diagram showing an example in which a concave mirror is used as a light collecting device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
図 1には、 太陽から放出される光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置 である、 太陽光エネルギー変換装置 1 0 0の基本構造を示す。 ただし、 図 1は基 本的な構造を示すものであり、 実用的な太陽光エネルギー変換装置とは少し異な るが、 基本的な動作を説明するために用いる。 FIG. 1 shows the basic structure of a solar energy conversion device 100, which is a device that converts light energy emitted from the sun into electric energy. However, Figure 1 shows the basic structure, which is slightly different from a practical solar energy converter, but is used to explain the basic operation.
図 1に示す太陽光エネルギー変換装置 1 0 0は、 真空容器 3と、 真空容器 3に 設けられた凸レンズ 2 0と、 真空容器 3内に配置された加熱板 5と、 加熱板 5と 密着結合した電子放出電極 6と、 電子加速電極 7と、 電子放出電極 6と電子加速 電極 7に接続した電子加速電源 3 0、 等を備えている。 電子放出電極 6とは電子 を放出する電極であり、 通常は熱電子を放出しやすい物質を塗布し温度を上昇す ることにより熱電子を放出するものである。 (1 8 8 3年に E d i s o nによつ て発見されたエジソン効果の力ソードに対応する電極を電子放出電極と言う。)電 子加速電極 7とは電子放出電極 6から放出された熱電子を加速するために電子が 飛翔する方向にプラスの電圧を印加して配置し、 電子を加速するものである。 ま た熱電子とは、 真空中において電子放出能力の高い物質 (タングステン、 タンタ ル、 酸化バリウム、 酸化イリジウム、 ストロンチューム炭酸塩、 イリジウムおよ びスカンジウムなどの化合物) を陰極として高温にすると、 陽極に印加する電圧 によって陰極から放出される電子のことである。 The solar energy converter 100 shown in FIG. 1 includes a vacuum vessel 3, a convex lens 20 provided in the vacuum vessel 3, a heating plate 5 disposed in the vacuum vessel 3, and an intimate connection with the heating plate 5. And an electron accelerating power source 30 connected to the electron emitting electrode 6, the electron accelerating electrode 7, and the like. The electron emission electrode 6 is an electrode that emits electrons, and normally emits thermoelectrons by applying a substance that easily emits thermoelectrons and raising the temperature. (The electrode corresponding to the Edison effect force sword discovered by E dison in 1988 is called an electron emission electrode.) The electron acceleration electrode 7 is thermion emitted from the electron emission electrode 6 In order to accelerate the electrons, a positive voltage is applied in the direction in which the electrons fly, and they are arranged to accelerate the electrons. A thermoelectron is a substance that has a high electron emission ability in a vacuum (compounds such as tungsten, tantalum, barium oxide, iridium oxide, strontium carbonate, iridium, and scandium). Electrons emitted from the cathode due to the voltage applied to
真空容器 3の内部は真空であり、 電子放出電極 6と電子加速電極 7とは対向し て配置されている。 The inside of the vacuum vessel 3 is vacuum, and the electron emission electrode 6 and the electron acceleration electrode 7 are arranged to face each other.
太陽光 2を集めるための集光装置 1 (凸レンズや凹面鏡のように光を狭い領域 に集める装置) として凸レンズ 2 0を用い、 その焦点付近に加熱板 5を配置する と、 太陽光の照射によって加熱板 5の温度が上昇し、 密着して結合した電子放出
電極 6の温度が上昇する。 ここで真空容器 3の内部は真空であるので、 発生した 熱が外部への伝導などによりロスしてしまうことがほとんどない。 また、 太陽の 方向は時間経過とともに変化するので、 光センサ (図示せず) を用いて太陽光の 方向を検出し、 駆動装置 (図示せず) を用いて集光装置 1を太陽光の方向に向け るようにしてもよい。 このようにすれば、 太陽光エネルギーを電気エネルギーに 変換する効率は向上する。 When a convex lens 20 is used as a condenser 1 for collecting sunlight 2 (a device that collects light in a narrow area like a convex lens or concave mirror), and a heating plate 5 is placed near its focal point, The temperature of the heating plate 5 rises, and the tightly coupled electron emission The temperature of the electrode 6 rises. Here, since the inside of the vacuum vessel 3 is in a vacuum, the generated heat is hardly lost due to conduction to the outside. In addition, since the direction of the sun changes over time, the direction of the sunlight is detected using an optical sensor (not shown), and the condensing device 1 is directed to the direction of the sunlight using a driving device (not shown). You may be directed to. In this way, the efficiency of converting solar energy into electrical energy is improved.
電子放出電極 6には熱電子を効率良く放出するバリウムやスカンジウムなどの 化合物が含浸されており、 電子放出電極 6の温度上昇によつて真空容器内に熱電 子が放出される。 特に、 加熱板 5と電子放出電極 6に黒い物質を塗布するなどし て、 黒体化処理を施すと、 黒体に入射した太陽光のエネルギーは黒体部に留まり 外部に放射されるエネルギーが最少になり、 ほとんど全てのエネルギーは加熱板 5と電子放出電極 6の温度上昇に利用され、 温度上昇効率が良好になり、 熱電子 が多く放出され光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率は向上する。 ここで、 直流電圧発生装置である電子加速電源 3 0のプラス端子 1 0を電子加 速電極 7に接続し、 電子加速電源のマイナス端子 1 1を電子放出電極 6に接続す ると、 放出された熱電子は電子加速電極 7に加えられたプラス電圧によって加速 され、 電子加速電極 7に向かって飛翔し、 電子加速電極 7に衝突する。 従って、 電子加速電極 7には電子が過剰になるが、 図 1の構造では電気エネルギーとして 有効に取り出すことができない。 The electron emission electrode 6 is impregnated with a compound such as barium or scandium that efficiently emits thermoelectrons, and the temperature of the electron emission electrode 6 causes the thermoelectrons to be emitted into the vacuum vessel. In particular, if a black substance is applied to the heating plate 5 and the electron emission electrode 6 by applying a black substance, the energy of sunlight incident on the black body remains in the black body and the energy radiated to the outside is reduced. Minimized, almost all energy is used to raise the temperature of the heating plate 5 and the electron emission electrode 6, and the temperature rise efficiency is improved, and more thermoelectrons are emitted and the efficiency of converting light energy to electric energy is improved. . Here, the positive terminal 10 of the electron accelerating power supply 30, which is a DC voltage generator, is connected to the electron accelerating electrode 7, and the negative terminal 11 of the electron accelerating power supply is connected to the electron emitting electrode 6. The thermoelectrons are accelerated by the plus voltage applied to the electron acceleration electrode 7, fly toward the electron acceleration electrode 7, and collide with the electron acceleration electrode 7. Therefore, although electrons are excessive at the electron accelerating electrode 7, the structure shown in FIG. 1 cannot be effectively extracted as electric energy.
そこで本発明においては、 電子加速電極 7とは分離して電子を収集するための 電極として電子収集電極 8を配置し、 '電子偏向装置 9を用い、 電子加速電極 7ベ 向かう電子を電子収集電極 8の方向に導くことにより、 電子を電子収集電極 8に 収集することにより電気エネルギーとして有効に取り出すこととしている。 その 太陽光エネルギー変換装置の構造を図 2 ~ 4に示す。 Therefore, in the present invention, an electron collecting electrode 8 is arranged as an electrode for collecting electrons separately from the electron accelerating electrode 7, and an electron deflecting device 9 is used to deflect electrons toward the electron accelerating electrode 7. By guiding the electrons in the direction of 8, the electrons are collected by the electron collecting electrode 8 so as to be effectively extracted as electric energy. Figures 2 to 4 show the structure of the solar energy converter.
ここで、 電子収集電極 8とは、 電子を収集する電極であり、 放出された熱電子 を受け止める電極である。 エジソン効果のアノードに対応する電極を電子収集電
極と言う。 (ただし、従来の真空管では電子加速電極と電子収集電極が同一であり、 これをアノードと呼んでいる。 しかし、 本発明の太陽光エネルギー変換装置では 電子収集電極と電子加速電極が分離して配置される。)この電子収集電極8はステ ンレス、モリブデンおよびタングステンの化合物を用いて構成する場合が多いが、 他の導電性の金属でも代用することができる。 特にモリブデン、 チタン、 タンダ ステン、 ステンレス ·スチールなどの硬い金属が適している。 Here, the electron collecting electrode 8 is an electrode that collects electrons, and is an electrode that receives emitted thermoelectrons. The electrode corresponding to the Edison effect anode is Say pole. (However, in a conventional vacuum tube, the electron accelerating electrode and the electron collecting electrode are the same, and this is called an anode. However, in the solar energy conversion device of the present invention, the electron collecting electrode and the electron accelerating electrode are arranged separately. This electron collecting electrode 8 is often made of a compound of stainless steel, molybdenum and tungsten, but other conductive metals can be used instead. In particular, hard metals such as molybdenum, titanium, tungsten and stainless steel are suitable.
電子偏向装置 9とは、 真空中を飛翔する電子の軌道を曲げる装置であり、 静電 偏向方式と磁界偏向方式がある。 静電偏向方式とは、 電子の飛翔軌道付近に正の 電圧を加えたプラスの静電偏向電極と負の電圧を加えたマイナスの静電偏向電極 を配置し、 電子の持つ電荷に働くクーロン力によって電子の軌道を曲げる方式で あり、 磁界偏向方式とは、 電子の飛翔軌道付近に磁石の N極と S極を配置し、 磁 石が形成する磁場において飛翔電子に働くローレンツ作用によって電子の軌道を 曲げる方式である。 The electron deflecting device 9 is a device that bends the trajectory of electrons flying in a vacuum, and includes an electrostatic deflecting method and a magnetic field deflecting method. The electrostatic deflection method consists of a positive electrostatic deflection electrode with a positive voltage applied and a negative electrostatic deflection electrode with a negative voltage applied near the electron trajectory. The magnetic field deflection method places the N and S poles of a magnet near the electron's flight trajectory, and uses the Lorentz effect on the flying electrons in the magnetic field formed by the magnet to traverse the electron's trajectory. This is a method of bending.
図 2は、 静電偏向方法を用いた太陽光エネルギー変換装置 1 0 1であり、 太陽 光エネルギー変換装置 1 0 0に電子収集電極 8と、 電子偏向装置 9としての静電 偏向装置 9 0とを備えたものである。 静電偏向装置 9 0は、 静電偏向正電極 1 4 のプラス端子 1 4 aと、 静電偏向負電極 1 5のマイナス端子 1 5 aと、 静電偏向 電源 4 0等からなる。 FIG. 2 shows a solar energy conversion device 101 using the electrostatic deflection method. The solar energy conversion device 100 has an electron collection electrode 8, and an electrostatic deflection device 90 as an electron deflection device 9. It is provided with. The electrostatic deflecting device 90 includes a positive terminal 14 a of the positive electrode 14 for electrostatic deflection, a negative terminal 15 a of the negative electrode 15 for electrostatic deflection, an electrostatic deflection power supply 40, and the like.
図 2の静電偏向方法を用いた太陽光エネルギー変換装置 1 0 1は、 図 1の太陽 光エネルギー変換装置 1 0 0と同様に、 太陽光 2を集めるための集光装置 1とし て凸レンズ 2 0を用い、 その焦点付近に加熱板 5を配置すると、 太陽光の照射に よつて加熱板 5の温度が上昇し、 密着して結合された電子放出電極 6の温度が上 昇する。 電子放出電極 6の温度上昇によって真空容器 3内に熱電子が放出され、 放出された熱電子は電子加速電極 7に加えられた電子加速電源 3 0の正の電圧に よって加速され、 電子加速電極 7に向かって飛翔する。 The solar energy converter 101 using the electrostatic deflection method shown in FIG. 2 has a convex lens 2 as a condensing device 1 for collecting the sunlight 2, similarly to the solar energy converter 100 shown in FIG. When 0 is used and the heating plate 5 is arranged near the focal point, the temperature of the heating plate 5 rises due to the irradiation of sunlight, and the temperature of the electron-emitting electrode 6 that is closely bonded is increased. Thermions are emitted into the vacuum vessel 3 due to the temperature rise of the electron emission electrodes 6, and the emitted thermoelectrons are accelerated by the positive voltage of the electron acceleration power supply 30 applied to the electron acceleration electrodes 7, Fly toward 7.
熱電子の飛翔軌道空間を挟むように静電偏向装置 9 0の静電偏向正電極 1 4、
静電偏向負電極 1 5が配置されているので、 飛翔した熱電子は静電偏向装置 9 0 による静電界によって曲げられた軌道を進行する。 すなわち、 電子放出電極 6か ら放出された熱電子は電子加速電極7によって加速されて、 初期には電子加速電 極 7の方向に進むが、 静電偏向正電極 1 4のプラス端子 1 と静電偏向負電極 1 5のマイナス端子 1 5 aの間の空間を熱電子が移動すると、 飛翔した熱電子は 静電偏向負電極 1 5のマイナス端子 1 5 aから斥力を受け、 静電偏向正電極 1 4 のプラス端子 1 4 aから引力を受けて、 図 2に実線で示す方向に曲げられて進行 する。 曲げられた進行方向に電子収集電極 8が配置されているので、 最終的に飛 翔した熱電子は電子収集電極 8に到達する。 The electrostatic deflection positive electrode 14 of the electrostatic deflection device 90 sandwiches the trajectory space of the thermoelectrons. Since the electrostatic deflection negative electrode 15 is provided, the flying thermoelectrons travel on an orbit bent by an electrostatic field by the electrostatic deflection device 90. That is, the thermoelectrons emitted from the electron emission electrode 6 are accelerated by the electron acceleration electrode 7 and initially travel in the direction of the electron acceleration electrode 7, but statically move to the plus terminal 1 of the electrostatic deflection positive electrode 14. When a thermoelectron moves in the space between the negative terminal 15a of the negative electrode 15 and the flying thermoelectron receives a repulsive force from the negative terminal 15a of the negative electrode 15 and the positive electrostatic deflection It receives an attractive force from the positive terminal 14a of the electrode 14 and bends in the direction shown by the solid line in FIG. Since the electron collecting electrodes 8 are arranged in the bent traveling direction, the thermoelectrons that finally fly reach the electron collecting electrodes 8.
以上の現象の結果として、 電子収集電極 8には中和状態よりも電子が増えて電 子過剰状態になり、 負電位に帯電し、 電池の負極と同じ状態になる。 一方、 電子 放出電極 6は電子が放出されたので、 電子が不足した状態になり、 正電位に帯電 し、 電池の正極と同じ状態になる。 この状態で、 電子放出電極 6をプラス端子と し、 電子収集電極 8をマイナス端子とし、 両端子の間に負荷 (例えば、 コンデン サ) を接続することにより電気を取り出すことが可能となり、 太陽光エネルギー が電気エネルギーに変換される。 As a result of the above phenomena, the electron collecting electrode 8 has more electrons than in the neutralized state and is in an electron excess state, is charged to a negative potential, and is in the same state as the negative electrode of the battery. On the other hand, since the electrons are emitted from the electron-emitting electrode 6, the electron-emitting electrode 6 is in a state of lack of electrons, is charged to a positive potential, and is in the same state as the positive electrode of the battery. In this state, it becomes possible to extract electricity by connecting the load (for example, a capacitor) between the two terminals by using the electron emission electrode 6 as a positive terminal and the electron collection electrode 8 as a negative terminal. Energy is converted to electrical energy.
ここで、 電子加速電極 7が消費する電力を考察する。 電子を加速するためには 電子加速電極 7にプラスの電圧を加える必要があり、 そのため電子加速電源 3 0 を必要とする。 電子加速電極 7は熱電子を加速するためにのみ用いられるので、 電子加速電極 7に電子が衝突することはない。 すなわち、 電子を加速するための 電源である電子加速電源 3 0は、 飛翔電子にク一ロンの静電気力を作用させるだ けであるので、 電子加速電源 3 0から供給される電流は殆ど零である。 従って、 電子加速電源 3 0が消費する電力は殆ど零である。 Here, the power consumed by the electron acceleration electrode 7 is considered. In order to accelerate electrons, it is necessary to apply a positive voltage to the electron accelerating electrode 7, and therefore, an electron accelerating power source 30 is required. Since the electron acceleration electrode 7 is used only for accelerating the thermoelectrons, the electrons do not collide with the electron acceleration electrode 7. In other words, the electron acceleration power supply 30, which is a power supply for accelerating the electrons, only applies the electrostatic force of the cron to the flying electrons, so that the current supplied from the electron acceleration power supply 30 is almost zero. is there. Therefore, the power consumed by the electron acceleration power supply 30 is almost zero.
また、 静電偏向装置 9 0が消費する電力を考察する。 静電偏向を行うためには 静電偏向正電極 1 4、 静電偏向負電極 1 5に電圧を加える必要があり、 そのため 静電偏向電源 4 0を必要とする。 静電偏向正電極 1 4、 静電偏向負電極 1 5は電
子の飛翔の軌道を曲げるために用いられるので、 静電偏向正電極 1 4に電子が衝 突することはない。 すなわち、 電子の飛翔の軌道を曲げるための電源である静電 偏向電源 4 0は飛翔電子にクーロンの静電気力を作用させるだけであるので、 静 電偏向電源 4 0から供給される電流は殆ど零である。 従って、 静電偏向電源 4 0 が消費する電力は殆ど零である。 Also consider the power consumed by the electrostatic deflection device 90. In order to perform electrostatic deflection, it is necessary to apply a voltage to the electrostatic deflection positive electrode 14 and the electrostatic deflection negative electrode 15, and therefore, an electrostatic deflection power supply 40 is required. Electrostatic deflection positive electrode 14 and electrostatic deflection negative electrode 15 Since it is used to bend the trajectory of the child's flight, electrons do not collide with the electrostatic deflection positive electrode 14. That is, since the electrostatic deflection power supply 40, which is a power supply for bending the trajectory of the electron flight, only applies the Coulomb electrostatic force to the flying electrons, the current supplied from the electrostatic deflection power supply 40 is almost zero. It is. Therefore, the power consumed by the electrostatic deflection power supply 40 is almost zero.
このように電子加速電源 3 0と静電偏向電源 4 0においては消費される電力が ほとんど零であるので、 発電のために必要な消費電力がほとんど零となることと なって、 太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高く、 この太陽光 エネルギー変換装置 1 0 1は実用性が高いと言える。 Thus, since the power consumed by the electron acceleration power supply 30 and the electrostatic deflection power supply 40 is almost zero, the power consumption required for power generation becomes almost zero, and the solar energy is reduced. The efficiency of conversion to electric energy is high, and this solar energy converter 101 can be said to be highly practical.
次に、 磁界偏向方法を用いた太陽光エネルギー変換装置 1 0 2について説明す る。 Next, the solar energy conversion device 102 using the magnetic field deflection method will be described.
図 3は磁界偏向方法を用いた太陽光エネルギー変換装置であり、 磁界偏向装置 9 1と、 電子放出電極 6と、 電子加速電極 7と、 電子収集電極 8と、 の配置関係 を示す。 図 4は磁界偏向方法を用いた太陽光エネルギー変換装置であり、 太陽光 エネルギー変換装置 1 0 0に電子収集電極 8と、 電子偏向装置 9として磁界偏向 装置 9 1とを備えたものである。 磁界偏向装置 9 1はいわゆる磁石である。 図 4 は図 3に示される磁界偏向装置 9 1の S極 1 7側から熱電子の飛翔軌道を挟み磁 界偏向装置 9 1の N極 1 6側を望む方向から見た図である。 FIG. 3 shows a solar energy conversion device using a magnetic field deflection method, and shows a positional relationship among a magnetic field deflection device 91, an electron emission electrode 6, an electron acceleration electrode 7, and an electron collection electrode 8. FIG. 4 shows a solar energy conversion device using a magnetic field deflection method. The solar energy conversion device 100 includes an electron collection electrode 8 and a magnetic field deflection device 91 as an electron deflection device 9. The magnetic field deflection device 91 is a so-called magnet. FIG. 4 is a view of the N pole 16 side of the magnetic field deflector 91 viewed from a desired direction, with the trajectory of the thermoelectrons interposed from the S pole 17 side of the magnetic field deflector 91 shown in FIG.
図 3の磁界偏向方法を用いた太陽光エネルギ一変換装置 1 0 2は、 図 1の太陽 光エネルギー変換装置 1 0 0と同様に、 太陽光 2を集めるための集光装置 1とし て凸レンズ 2 0を用い、 その焦点付近に加熱板 5を配置すると、 太陽光の照射に よって加熱板 5の温度が上昇し、 熱的に結合した電子放出電極 6の温度が上昇す る。 電子放出電極 6の温度上昇によって真空容器 3の内部に熱電子が放出され、 放出された熱電子は電子加速電極 7に加えられたプラス電圧によって加速され、 電子加速電極 7に向かって飛翔する。 The solar energy conversion device 102 using the magnetic field deflection method shown in FIG. 3 is similar to the solar energy conversion device 100 shown in FIG. When 0 is used and the heating plate 5 is disposed near the focal point, the temperature of the heating plate 5 rises due to the irradiation of sunlight, and the temperature of the thermally coupled electron-emitting electrode 6 rises. Thermions are emitted into the vacuum vessel 3 due to the temperature rise of the electron emission electrodes 6, and the emitted thermoelectrons are accelerated by the plus voltage applied to the electron acceleration electrodes 7 and fly toward the electron acceleration electrodes 7.
熱電子の飛翔軌道空間を挾むように磁界偏向装置 9 1が配置されているので、
飛翔した熱電子は磁界によって曲げられた軌道を進行する。 すなわち、 電子放出 電極 6から放出された熱電子は電子加速電極 7によって加速されて、 初期には電 子加速電極 7の方向に進むが、 磁界偏向装置 9 1の N極 1 6および磁界偏向装置 9 1の S極 1 7'が形成する磁界中を通過する際に、 ローレンツ力を受けてフレミ ングの左手の法則に従う方向に軌道が曲げられる (図 4の破線で示す曲線状に電 子飛翔軌道が曲げられる)。曲げられた進行方向に電子収集電極 8が配置されてい るので、 最終的に飛翔した熱電子は電子収集電極 8に到達する。 Since the magnetic field deflector 91 is arranged so as to sandwich the trajectory space of the thermoelectrons, The flying thermoelectrons travel on an orbit bent by the magnetic field. That is, thermions emitted from the electron emission electrode 6 are accelerated by the electron acceleration electrode 7 and initially travel in the direction of the electron acceleration electrode 7, but the N pole 16 of the magnetic field deflector 91 and the magnetic field deflector When passing through the magnetic field formed by the S pole 17 ′ of 91, the trajectory is bent in the direction according to the framing left-hand rule due to Lorentz force (electron flying in the curve shown by the broken line in Fig. 4). The track is bent). Since the electron collecting electrodes 8 are arranged in the bent traveling direction, the thermoelectrons that finally fly reach the electron collecting electrodes 8.
以上の現象の結果として、 電子収集電極 8には中和状態よりも電子が増えて電 子過剰状態になり、 負電位に帯電し、 電池の負極と同じ状態になる。 一方、 電子 放出電極 6は電子が放出されたので、 電子が不足した状態になり、 正電位に帯電 し、 電池の正極と同じ状態になる。 電子放出電極 6をプラス端子とし、 電子収集 電極 8をマイナス端子とし、 両端子の間に負荷 (例えば、 コンデンサ等) を接続 することにより電気を取り出すことが可能となり、 太陽光エネルギーが電気エネ ルギ一に変換される。 As a result of the above phenomena, the electron collecting electrode 8 has more electrons than in the neutralized state and is in an electron excess state, is charged to a negative potential, and is in the same state as the negative electrode of the battery. On the other hand, since the electrons are emitted from the electron-emitting electrode 6, the electron-emitting electrode 6 is in a state of lack of electrons, is charged to a positive potential, and is in the same state as the positive electrode of the battery. The electron emission electrode 6 has a positive terminal, the electron collection electrode 8 has a negative terminal, and a load (for example, a capacitor or the like) is connected between the two terminals, so that electricity can be taken out. Is converted to one.
ここで、 電子加速電極 7が消費する電力については、 前述の通りほとんど零で ある。 また、 磁界偏向装置 9 1は永久磁石あり、 磁界偏向を行うためには電源を 必要としないので消費される電力は零である。 Here, the power consumed by the electron acceleration electrode 7 is almost zero as described above. In addition, since the magnetic field deflector 91 is a permanent magnet and does not require a power supply to perform magnetic field deflection, power consumption is zero.
このように電子加速電源 3 0で消費される電力がほとんど零であり、 磁界偏向 装置 9 1で消費される電力は零であるので、 発電コストはほとんどかからず、 太 陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高く、 この太陽光エネルギー 変換装置 1 0 2は実用性が高いと言える。 As described above, the power consumed by the electron acceleration power source 30 is almost zero, and the power consumed by the magnetic field deflector 91 is zero, so that the power generation cost is almost nil, and the solar energy is converted into electric energy. The conversion efficiency is high, and it can be said that this solar energy conversion device 102 is highly practical.
なお、 本発明の太陽光エネルギー変換装置においては、 静電偏向装置 9 0、 磁 界偏向装置 9 1以外の部分の構造は静電偏向方式と磁界偏向方式は同じである。 次に、 電子収集電極 8における熱電子の収集効率を検討する。 In the solar energy conversion device of the present invention, the structure of the portion other than the electrostatic deflection device 90 and the magnetic field deflection device 91 is the same between the electrostatic deflection method and the magnetic field deflection method. Next, the collection efficiency of thermoelectrons in the electron collection electrode 8 will be examined.
ここで、 図 2に示された電子収集電極 8の表面は湾曲した凹形状であり、 その 表面が電子放出電極 6の方向に向けられており、 さらに電子再放出防止部材 1 8
が配置されているので、 電子収集電極 8に衝突した熱電子が跳ね返り、 再放出さ れて電子加速電極 Ίの方向に移動することを防止することが出来る。 Here, the surface of the electron collecting electrode 8 shown in FIG. 2 has a curved concave shape, the surface of which is oriented in the direction of the electron emitting electrode 6. Because of the arrangement, the thermoelectrons that collide with the electron collecting electrode 8 can be prevented from rebounding, re-emitted, and moving in the direction of the electron accelerating electrode Ί.
しかし、 図 4に示された電子収集電極 8の形状では、 電子収集電極 8に衝突し た熱電子が跳ね返り再放出されて電子加速電極 7の方向に移動する可能性がある 。 電子加速電極 7に熱電子が到達すると、 電子収集電極 8から取り出すことがで きる電流が減少するとともに、 電子加速電極 7に熱電子が到達すると、 電子加速 電極 7に外部電源から電流を供給する必要があり、 消費電力も多くなり、 太陽光 エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が低下してしまう。 However, with the shape of the electron collecting electrode 8 shown in FIG. 4, there is a possibility that the thermoelectrons that collide with the electron collecting electrode 8 are rebounded and re-emitted and move in the direction of the electron accelerating electrode 7. When the thermoelectrons reach the electron accelerating electrode 7, the current that can be extracted from the electron collecting electrode 8 decreases, and when the thermoelectrons reach the electron accelerating electrode 7, a current is supplied to the electron accelerating electrode 7 from an external power supply. Need, power consumption increases, and the efficiency of converting solar energy into electrical energy decreases.
そこで、 図 5のような電子収集電極 8を深く囲う略升形状を有した電子再放出 防止部材 1 8を取り付ける。 この電子再放出防止部材 1 8により、 電子収集電極 8に衝突して跳ね返った熱電子が電子加速電極 7の方向に移動して再放出するこ とが阻止される。 従って、 電子収集電極 8から取り出すことができる電流が減少 する現象がなくなり、 電子加速電極 7に外部電源から必要以上の電流を供給する ことがなく、 装置自体が消費する電力が増加しないので、 太陽光エネルギーを電 気エネルギーに変換する効率が向上する。 Therefore, an electron re-emission preventing member 18 having a substantially square shape and deeply surrounding the electron collecting electrode 8 as shown in FIG. 5 is attached. The electron re-emission preventing member 18 prevents thermal electrons that collide with and bounce off the electron collecting electrode 8 from moving toward the electron accelerating electrode 7 and being re-emitted. Therefore, the phenomenon that the current that can be extracted from the electron collecting electrode 8 does not decrease does not occur, and no unnecessary current is supplied from the external power supply to the electron accelerating electrode 7, and the power consumed by the device itself does not increase. The efficiency of converting light energy to electric energy is improved.
図 6には電子再放出防止のための別の実施例を示す。 図 6に示す太陽光ェネル ギ一変換装置 1 0 3における電子収集電極 8は、 図 2のように湾曲面を形成する のではなく、 電子放出電極 6側に屈曲させた部分を形成させたものである。 この ような構造にすれば、 図 2に示すものと同様に、 電子収集電極 8に衝突して跳ね 返された熱電子の電子加速電極 7方向への移動を阻止することができる。 しかも 、 電子収集電極 8と電子加速電極 7の間には、 絶縁材料で製作された電子再放出 防止部材 1 8が配置されているので、 いっそう効果的に電子収集電極 8から電子 加速電極 7への電子の移動が阻止される。 従って、 消費電力が少なく、 取り出す 事が可能な電気エネルギーも多くなるので、 太陽光エネルギーを電気エネルギー に変換する効率が向上し、 実用性が高くなる。 FIG. 6 shows another embodiment for preventing electron re-emission. The electron collecting electrode 8 in the solar energy converter 103 shown in FIG. 6 does not form a curved surface as shown in FIG. 2, but has a portion bent toward the electron emitting electrode 6. It is. With such a structure, as in the case shown in FIG. 2, it is possible to prevent the movement of the thermoelectrons that have collided with the electron collecting electrode 8 and bounced back toward the electron accelerating electrode 7. Moreover, since the electron re-emission preventing member 18 made of an insulating material is disposed between the electron collecting electrode 8 and the electron accelerating electrode 7, the electron collecting electrode 8 is more effectively moved from the electron accelerating electrode 7 to the electron accelerating electrode 7. Transfer of electrons is stopped. Therefore, power consumption is low and the amount of electrical energy that can be extracted increases, so that the efficiency of converting solar energy into electrical energy is improved, and practicality is enhanced.
また、 電子再放出を防ぐ方法として、 電子収集電極 8の形態を変形させた実施
例を示す。 As a method for preventing electron re-emission, the form of the electron collecting electrode 8 was modified. Here is an example.
電子収集電極 8は、 これまでは金属板状の電極を用いていたが、 このような剛 体表面では飛翔した熱電子が電極に衝突した際に跳ね返りが起こることがあり、 これまで電極を鈎状に折れ曲がつた構造にすることや、 絶縁材料で製作された電 子再放出防止部材 1 8を取り付けることで、 再放出電子を最小限に防いでいた。 ここで電極に用いる金属材料をそのままに繊維状にした金属繊維 5 0や、 メッ シュ状に金属線を配置した金属網 6 0を重ねた構造の電極を用いることでも再放 出電子を最小限に防ぐことができる。 (図 7、 図 8 ) Until now, a metal plate-shaped electrode was used as the electron collecting electrode 8.However, on such a rigid body surface, when the flying thermoelectrons collided with the electrode, it could bounce off. The re-emission electrons were minimized by adopting a bent structure and attaching an electron re-emission prevention member 18 made of an insulating material. Minimizing re-emitted electrons can also be achieved by using an electrode with a structure in which the metal material used for the electrode is made into a fibrous metal fiber 50 or a metal mesh 60 in which metal wires are arranged in a mesh shape. Can be prevented. (Fig. 7, Fig. 8)
つまり、 電子収集電極 8を金属繊維 5 0や、 メッシュ状に金属線を配置した金 属網 6 0で構成すると、 電子放出電極から放出された飛翔した熱電子が電子収集 電極 8へ衝突する際、 金属繊維ゃメッシュ状に金属線を配置した金属網の周辺に は空間があり、 飛翔した熱電子はその空間に入りつつ、 電極の内部において電極 に衝突することとなる。 そこで跳ね返りが起きても、 電極内部空間では様々な方 向に電極を構成する金属が配置されているので、 外部に飛出する以前に接近した 金属に衝突し、 最終的には電子収集電極 8に捕獲される。 また、 電極の内部で飛 翔した熱電子が電極金属に衝突して 2次電子を叩き出すこともあるが、 この場合 においても 2次電子は外部に飛出する以前に接近した金属に衝突し、 電子収集電 極 8に収まる。 (図 9は図 8に示した電子収集電極 8の金属網に垂直な方向の断 面図であり、 電極内部での熱電子の動きを模式的に表したものである。) つまり、 一度でも電極の内部に侵入した飛翔した熱電子が、 電極から脱出する 確率は低くなる。 すなわち、 真空中を飛翔する熱電子の殆どは金属繊維やメッシ ュ状に金属線を配置した金属網で構成する電極に捕獲される。 従って、 金属繊維 を用いて電子収集電極 8を製作すると剛体表面の金属で構成するよりも、 飛翔し た熱電子を捕獲する確率が向上する。 飛翔した熱電子の捕獲確率が増加すると、 太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が向上する。 In other words, if the electron collecting electrode 8 is composed of a metal fiber 50 or a metal network 60 in which metal wires are arranged in a mesh, when the flying thermoelectrons emitted from the electron emitting electrode collide with the electron collecting electrode 8, However, there is a space around the metal net where the metal wires are arranged in a metal fiber-mesh shape, and the flying thermoelectrons enter the space and collide with the electrode inside the electrode. Therefore, even if a bounce occurs, the metal that constitutes the electrode is arranged in various directions in the internal space of the electrode. Captured by In some cases, thermionic electrons flying inside the electrode collide with the electrode metal and strike out secondary electrons.In this case as well, the secondary electrons collide with the metal approaching before flying out. It fits in the electron collection electrode 8. (FIG. 9 is a cross-sectional view of the electron collecting electrode 8 shown in FIG. 8 in a direction perpendicular to the metal net, and schematically shows the movement of thermoelectrons inside the electrode.) The probability that a flying thermoelectron that has entered the inside of the electrode escapes from the electrode is low. That is, most of the thermoelectrons flying in the vacuum are captured by the electrodes composed of metal fibers or metal nets in which metal wires are arranged in a mesh. Therefore, when the electron collecting electrode 8 is manufactured using the metal fiber, the probability of capturing the flying thermoelectrons is improved as compared with the case where the electron collecting electrode 8 is formed of the metal on the rigid body surface. Increasing the probability of capture of flying thermoelectrons increases the efficiency of converting solar energy into electrical energy.
さらに、 このようなメッシュ状あるいはダリッド状に金属線を配置した金属網
を重ねた構造の電子収集電極 8を用いると、 図 1 0に示すような、 電子偏向装置 9を必要としない太陽光エネルギー変換装置 1 0 4とすることができる。 Furthermore, a metal net in which metal wires are arranged in such a mesh or dalid shape. By using the electron collecting electrode 8 having a structure in which the electron deflecting device 9 is superimposed, a solar energy conversion device 104 that does not require the electron deflecting device 9 as shown in FIG. 10 can be obtained.
図 1 0に示す太陽光エネルギー変換装置 1 0 4では、 電子収集電極 8は金属網 を束ねた構成であり、 電極表面から裏面にかけて隙間 ·空間を有している。 つまり、 電子加速電極 7を電子収集電極 8の裏面 '背部に配置しても、 電子収 集電極 8の隙間 ·空間を抜けて電界が作用するので、 加速効果が得られる。 よつ て電子放出電極 6から放出、 加速された熱電子は偏向することなく電子収集電極 8に到達する。 In the solar energy conversion device 104 shown in FIG. 10, the electron collecting electrode 8 has a configuration in which a metal net is bundled, and has a gap and a space from the electrode surface to the back surface. That is, even if the electron accelerating electrode 7 is arranged on the back side of the electron collecting electrode 8, the electric field acts through the gap and space of the electron collecting electrode 8, so that the acceleration effect can be obtained. Thus, thermions emitted and accelerated from the electron emission electrode 6 reach the electron collection electrode 8 without being deflected.
図 1 1は電子偏向装置 9を必要としない太陽光エネルギー変換装置の別の実施 形態 1 0 5を示したものである。 図 1 1に示す太陽光エネルギー変換装置 1 0 5 では、 電子収集電極 8はドーナツ状の円盤形状部 8 aを有しており、 その中心孔 には円錐形状の絶縁物質 7 0がその円錐先端を電子放出電極 6へ向けられて配置 されている。 また、 円錐形状の絶縁物質 7 0の表面に電子収集電極 8の一部を構 成するメッシュ状、 グリッド状、 あるいはスパイラル状に金属線で形成された線 状部 8 bを有する。 円錐形状の,絶縁物質 7 0の下部には電子加速電極 7が配置さ れている。 電子加速電極 7は円錐形状の絶縁物質 7 0で覆われていることより熱 電子を吸収することはない。 円錐形状の絶縁物質 7 0は、 例えば、 S i〇2のよ うなかたい物質である。 FIG. 11 shows another embodiment 105 of the solar energy conversion device that does not require the electron deflection device 9. In the solar energy converter 105 shown in FIG. 11, the electron collecting electrode 8 has a donut-shaped disk-shaped portion 8a, and a conical insulating material 70 is provided in the center hole of the conical tip. Are directed to the electron emission electrode 6. In addition, the surface of the conical insulating material 70 has a linear portion 8b formed of a metal wire in a mesh shape, a grid shape, or a spiral shape that constitutes a part of the electron collecting electrode 8. An electron accelerating electrode 7 is arranged below the conical insulating material 70. Since the electron accelerating electrode 7 is covered with the conical insulating material 70, it does not absorb thermoelectrons. Insulating material 7 0 conical shape, for example, a good UNA hard material S I_〇 2.
この電子加速電極 7により、 円錐形状の絶縁物質 7 0の電子加速電極 7に近い 部分には負電荷が集まり、 遠い部分には正電荷が集まる。 正電荷から発せられた 電気力線は電子放出電極 6に至るので電場 (電界) が構成され、 熱電子は加速さ れる。 加速された熱電子は電子収集電極 8 bに吸収されるものばかりでなく、 円 錐形状の絶縁物質 7 0に当たり弾かれるものや、 円錐形状の絶縁物質 7 0付近に 留まるものがある。 弾かれた熱電子は周辺にある電子収集電極 8のドーナツ状の 円盤形状部 8 aに吸収される。 一方、 円錐形状の絶縁物質 7 0付近に留まった熱 電子は電界の影響で円錐形状の絶縁物質 7 0の表面を滑るように移動して、 電子
収集電極 8の線状部 8 b、 ないし円盤形状部 8 a、 に吸収される。 Due to the electron accelerating electrode 7, negative charges are collected in a portion of the conical insulating material 70 near the electron accelerating electrode 7, and positive charges are collected in a portion far from the electron accelerating electrode 7. The lines of electric force generated from the positive charges reach the electron-emitting electrode 6, so that an electric field (electric field) is formed and the thermoelectrons are accelerated. The accelerated thermoelectrons are not only absorbed by the electron collecting electrode 8b, but are repelled by the cone-shaped insulating material 70, or stayed near the conical insulating material 70. The repelled thermoelectrons are absorbed by the doughnut-shaped disk-shaped portion 8a of the electron collecting electrode 8 located in the periphery. On the other hand, the thermoelectrons staying in the vicinity of the conical insulating material 70 slide on the surface of the conical insulating material 70 under the influence of the electric field, and It is absorbed by the linear portion 8b or the disk-shaped portion 8a of the collecting electrode 8.
図 1 2は、 真空容器 3に太陽光通過窓 4を設置した場合と、 加熱板 5と電子放 出電極 6を真空容器 3に取り付ける状態を示したものである。 FIG. 12 shows a case where the sunlight passing window 4 is installed in the vacuum vessel 3 and a state where the heating plate 5 and the electron emission electrode 6 are attached to the vacuum vessel 3.
図 1 2の太陽光エネルギー変換装置 (部分図) においては、 真空容器 3の一部 の領域に光透過性のある透明な物質を用いて製造された太陽光通過窓 4を設置さ れている。太陽光線は太陽光通過窓 4を通過して加熱板 5に照射される。 (破線の 矢印は太陽光線を示す。) このように太陽光透過窓 4を設けた場合には、凸レンズ のような集光装置 1を設けたものより、 加熱板 5を加熱する効率が下がるが、 ,よ り効率を上げる必要がある場合には、 真空容器 3の外部に集光装置 1を設け、 そ れにより集光された太陽光線を太陽光通過窓 4を通過させ、 加熱板 5に照射する ようにすればよい。 In the solar energy converter (partial view) shown in Fig. 12, a sunlight passage window 4 made of a transparent material that is transparent to light is installed in a part of the vacuum vessel 3. . The sunlight passes through the sunlight passing window 4 and irradiates the heating plate 5. (The broken arrows indicate sunlight rays.) When the sunlight transmitting window 4 is provided in this manner, the efficiency of heating the heating plate 5 is lower than that in the case where the condensing device 1 such as a convex lens is provided. If it is necessary to increase the efficiency, a concentrator 1 is provided outside the vacuum vessel 3, and the condensed sunlight is passed through the sunlight passage window 4, and Irradiation may be used.
また、 図 1 2の太陽光エネルギー変換装置 (部分図) において加熱板 5と電子 放出電極 6は固定部材 1 9を用いて真空容器 3に取り付けられる。 固定部材 1 9 は雲母やセラミックなどの熱の不良導体の材料を用いて製造される。 固定部材 1 9は熱の不良導体であるので、 加熱板 5が加熱され、 温度が上昇し得られた熱量 が、 固定部材 1 9を介し真空容器 3に伝導する熱量は微量であるので、 失われる 熱量はわずかであり、 効率よく熱電子放出が行われる。 In the solar energy conversion device (partial view) of FIG. 12, the heating plate 5 and the electron emission electrodes 6 are attached to the vacuum vessel 3 using the fixing members 19. The fixing member 19 is manufactured using a material of a poor heat conductor such as mica or ceramic. Since the fixing member 19 is a poor conductor of heat, the heating plate 5 is heated, the temperature rises, and the amount of heat obtained is small because the amount of heat conducted to the vacuum vessel 3 via the fixing member 19 is very small. The amount of heat is small and thermionic emission is performed efficiently.
図 1 3は加熱板 5と電子放出電極 6との結合形態の別の実施例である。 FIG. 13 shows another embodiment of the form of connection between the heating plate 5 and the electron emission electrode 6.
これまでは加熱板 5と電子放出電極 6とは直接的に熱的結合していたが、 ここ では加熱板 5と電子放出電極 6との間に絶縁物' 7 1を入れる形態とした。 作用は これまでと同様に加熱板 5が加熱され上昇した温度が絶縁物 7 1を介し電子放出 電極 6へ伝わる。 電子放出電極 6の温度が上昇すると熱電子が出やすくなり、 し かも、 絶縁物 7 1の負電荷が電子放出電極 6の近くにあるので同符号電荷の反発 作用により、 熱電子は真空中に放出される。 Until now, the heating plate 5 and the electron-emitting electrode 6 were directly thermally coupled, but here, the insulator '71 was inserted between the heating plate 5 and the electron-emitting electrode 6. The effect is that the heating plate 5 is heated and the increased temperature is transmitted to the electron emission electrode 6 via the insulator 71 in the same manner as before. When the temperature of the electron-emitting electrode 6 rises, thermoelectrons are more likely to be emitted, and the negative electrons of the insulator 71 are located near the electron-emitting electrode 6, so that the thermoelectrons are repelled by vacuum due to the repulsive action of the same sign charge. Released.
ここで、 加熱板 5と電子放出電極 6とは絶縁されているので、 電子加速電極 3 0から電子放出電極 6へ電子が供給されることはない。 つまり、 消費電力は最小
Here, since the heating plate 5 and the electron emission electrode 6 are insulated, electrons are not supplied from the electron acceleration electrode 30 to the electron emission electrode 6. In other words, power consumption is minimal