CN101836053A - 太阳能热电和太阳能热的热电联产 - Google Patents

太阳能热电和太阳能热的热电联产 Download PDF

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Abstract

一种能源发电方法包括：通过太阳能吸收器接收太阳辐射，由所述太阳能吸收器将热量供给成套热电转换器的热端，由所述成套热电转换器发电，并且将来自所述成套热电转换器的冷端的热量提供到被提供至太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置的流体。一种实现所述方法的系统包括至少一个热电装置和太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置。

Description

太阳能热电和太阳能热的热电联产
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2007年5月21日提交的申请号为60/939,126的美国临时专利申请和2008年4月17日提交的申请号为61/071,204的美国临时专利申请的权益。在此通过引用将所述临时申请的全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于太阳能转换的方法和装置。具体地，本发明涉及将太阳能热转换与太阳能热电转换结合的方法和装置。
背景技术
太阳能转换器包括太阳能电转换器、太阳能燃料转换器和太阳能热转换器。太阳能电转换器利用太阳能光伏(PV)电池将太阳能直接转换为电能，或者利用太阳能热电转换器将太阳能间接转换为电能。太阳能燃料转换器利用电解从溶液中提取燃料，其中驱动电解步骤的电能直接来自PV电池。太阳能热转换器将太阳能转换为热能或热量。
与占据较大市场份额的热水系统一样，PV电池和太阳能热转换器两者都用于居住方面。一些国家侧重于屋顶PV电池，而其他一些国家广泛使用屋顶热水系统。
除了严格地用作热水系统之外，太阳能热转换器已被用于通过其产生的蒸汽驱动机械热机来发电。在太阳能热转换器中，提供与太阳辐射吸收表面直接热接触的一个或一个以上的流体导管。所述太阳辐射吸收表面吸收太阳辐射并且将热量传递到所述导管。传递的热量提高了流过所述导管的诸如油、液体盐或水之类的流体的温度。加热过的流体随后用于诸如蒸汽驱动发电机之类的发电机以发电。本文所用的术语“流体”包括液体和气体两者。
相比之下，热电发电依靠固体材料的赛贝克效应将热能转换为电。工作在热端温度Th和冷端温度Tc之间的热电装置的理论能量转换效率ηte由下式给出：
n te = ( 1 - T c T h ) 1 + ZT - 1 1 + ZT + T c / T h - - - ( 1 )
其中第一个因子(括号内)是卡诺效率，第二个因子(分数部分)由热电材料的热电品质因数Z和平均温度T＝0.5(Th+Tc)决定。
热电品质因数Z与热电材料的赛贝克系数S通过下面的等式相关联：
Z＝S2σ/k                                (2)
其中σ是所述热电材料的电导率，k是所述热电材料的热导率。
具有1-2之间的无量纲品质因数ZT、工作在Th＝500K和Tc＝300K之间的热电装置可具有9％-14％的效率。增加热端和冷端之间的温差至Th＝1000K且Tc＝300K可改善热电装置的效率达到17％-25％。在过去，热电材料的最大ZT值限制在大约1，导致热电发电机效率低。例如，一种现有技术系统采用Si80Ge20合金作为热电发电机中的热电材料并且采用放射性同位素作为热源，所述系统工作在最高温度900℃，热能到电能的转换效率为6％。
最近，随着新热电材料的引入，研究人员已实现12％-14％的热能到电能的转换效率。已有报道使用Bi2Te3/Sb2Te3超晶格和PbTe/PbSe超晶格以及使用纳米结构的体材料使得ZT有大的提高。已有报道在300℃下使用PbTe/PbSe超晶格使得ZT值高达3.5。
发明内容
一种能源发电方法，所述方法包括通过太阳能吸收器接收太阳辐射，由所述太阳能吸收器提供热量到成套热电转换器的热端，由所述成套热电转换器发电，并且将来自所述成套热电转换器冷端的热量供给被提供至太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置的流体。一种实现所述方法的系统，所述系统包括至少一个热电装置和太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置。
附图说明
如附图所示，从以下本发明优选实施方式的更加详细的描述中，本发明前述的和其他的目的、特征和优势将会显而易见，其中，同样的附图标记指的是所有的不同视图的相同部件。所述附图不一定按比例绘制，而是重点举例说明本发明的原理。
图1是根据本发明的一些实施方式的太阳能-电能发电机模块的平板结构的侧视图。
图2描述了根据本发明的一些实施方式的在允许扣除发射率的情况下不同抛光铜表面的反射率随波长的函数的图表。
图3是根据本发明的一些实施方式的具有一个p型支架和一个n型支架的太阳能-电能发电机模块的平板结构的侧视图。
图4是根据本发明的一些实施方式的封闭在隔离环境中的数个平板模块的侧视图。
图5A是根据本发明的一些实施方式的使用透镜作为太阳能聚集器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图5B是根据本发明的一些实施方式的使用两个反射结构作为太阳能聚集器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图5C是根据本发明的一些实施方式的使用透射式透镜作为太阳能聚集器(与太阳能捕获结构接触)的太阳能-电能发电机的侧视图。
图6A是根据本发明的一些实施方式的使用太阳能聚集器和水平位置上的热电转换器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图6B是根据本发明的一些实施方式的使用太阳能聚集器和水平位置上的在彼此顶部堆叠的两个热电转换器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图6C是根据本发明的一些实施方式的使用蘑菇状的太阳能聚集器和水平位置上的热电转换器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图7是根据本发明的一些实施方式的将按槽式排列的多个反射表面用作多个太阳能聚集器的太阳能-电能发电机的侧视图。
图8A是根据本发明的一些实施方式的将多个透镜装置用作多个太阳能聚集器的太阳能-电能发电机的透视图。
图8B是根据本发明的一些实施方式的图8A中所示的太阳能-电能发电机的侧视图。
图9是根据本发明的一些实施方式的使用多个透镜结构(所述透镜结构作为多个太阳能聚集器)和具有分组转换器的单个太阳能热电发电机的太阳能-电能发电机的侧视图。
图10A是根据本发明的一些实施方式的使用平面菲涅尔透镜(所述平面菲涅尔透镜作为太阳能聚集器)和封闭热电转换器于隔离环境中的屏障结构的太阳能-电能发电机的侧视图。
图10B是根据本发明的一些实施方式的使用曲面菲涅尔透镜(所述曲面菲涅尔透镜作为太阳能聚集器)和封闭热电转换器于隔离环境中的屏障结构的太阳能-电能发电机的侧视图。
图10C是根据本发明的一些实施方式的使用两个反射表面将太阳辐射聚集到封闭热电转换器于隔离环境中的屏障结构上的太阳能-电能发电机的侧视图。
图11是根据本发明的一些实施方式的使用抛物反射表面将太阳辐射聚集到封闭与具有突出元件的捕获结构连接的转换器的屏障结构上的太阳能-电能发电机的侧视图。
图12是根据本发明的一些实施方式的与基于流体的热传递系统连接的支撑结构的侧视图，该热传递系统用于从所述支撑结构移走热量。
图13A提供了根据本发明的一些实施方式的原型太阳能-电能发电机的示意图。
图13B提供了在图13A中所示的原型太阳能-电能发电机中测试的功率-负载电阻图表。
图13C提供了对应于图13B所示的数据测试的效率-负载电阻图表。
图14A-图14D提供了根据本发明实施方式的太阳能热-热电(STTE)转换器元件的三维视图。
图15和图16是对于多种热电转换器材料-温度的ZT值-温度图表。
图17A和图17B是描述热电材料的两种可能的纳米结构热电材料复合物的示意图。
图18A示出Bi2Te3和Bi2Se3纳米微粒的TEM图。
图18B示出基于Bi2Te3的合金纳米粉的压实样本的TEM图。
图19A-图19E图示了SiGe纳米复合材料的电导率、赛贝克系数、功率因子、热导率和ZT值分别与温度的依赖关系。
图20A-图20C是2D和3D太阳能通量聚集器的三维示意图。
图21A图示了一系列槽式聚集器，并且图21B图示了用在由太阳能热-热电转换器组装的发电站中的流体导管。
图22提供了单独的太阳能热-热电转换器单元的侧视截面图。
图23A-图23C图示了根据本发明实施方式的热电装置的效率、热聚集比率和热端温度与ZT值的依赖关系。
图24是本发明实施方式的热水加热系统的期望的发电效率和水加热效率随ZT值的函数的图表。
图25是本发明实施方式的系统的期望的发电效率和加热效率随ZT值的函数的图表。
具体实施方式
本发明的发明人认识到如果将太阳能热电装置与诸如太阳能流体加热装置或太阳能热电转换装置之类的太阳能热转换装置结合，太阳能转换系统的效率将得到改善。太阳能热电转换装置(可简称为“太阳能热装置”)包括但不限于基于兰金(Rankine)和基于斯特林(Stirling)的装置，并且包括槽式、塔式和盘式装置，这将在下面进行描述。这种系统同时产生太阳能电能和太阳能热能。具体地，如果所述太阳能热转换装置是太阳能流体加热系统(例如太阳能热水加热系统)，那么所述系统可以为设施(例如，建筑物)提供电能(利用太阳能热电装置)和热水(利用太阳能热水系统)的联产。
在本发明的一种实施方式中，发明人还认识到在包括热电装置和太阳能流体加热系统的组合系统中，流体导管应该通过导热性较差的热电材料的支架或支柱与太阳辐射吸收表面在物理上分离并且在热学上隔离，以使横跨所述热电支架或支柱能够产生适当的温差，因此在太阳能吸收表面和所述流体导管之间产生适当的温差。这种系统结构与只包括太阳能流体加热装置的现有技术的系统相反，在所述太阳能流体加热装置中，为达到从所述吸收表面到流体的最佳热传递，放置所述流体导管与所述太阳辐射吸收表面热接触。
所述热电装置由于其热端和冷端之间的温差而产生电，所述热端与所述吸收表面热接触并且任选地与所述吸收表面物理接触。本文所使用的术语“两个表面之间的热接触或热结合”是指：由于所述两个表面直接物理接触，或者由于所述两个表面没有直接接触但是通过例如金属等导热材料连接，使得热量在所述两个表面之间有效地传递。
发明人认识到如果放置所述太阳能热转换装置的流体导管与所述太阳能吸收器(也称为太阳能吸收表面)热接触，那么所述流体导管将起到散热器的作用。这将显著地减小所述热电装置的热端和冷端之间的温差，并且将会因此显著地降低所述热电装置的效率。
相反，如果放置所述流体导管与所述热电装置的冷端热接触，那么所述流体导管将起到散热器的作用并且增加所述热电装置的热端和冷端之间的温差，并且因此提高所述热电装置的效率。因为所述热电装置的热电转换器(例如，半导体支架或支柱)是差热转换器，所以所述流体导管不与所述太阳能吸收表面热接触(即：不与所述太阳能吸收表面热结合)。因此，所述流体导管对所述太阳能吸收表面不起散热器的作用，并且不会影响所述热电装置工作。
此外，所述热电装置的冷端仍然足够暖(即：高于室温)以将所述流体导管中的流体(例如水或者油)加热到期望的温度。例如，对于热水加热系统，可维持热电装置的冷端的温度在大约50℃至大约150℃，例如低于100℃，优选地维持在30℃到70℃，这样的温度对于家用、商用或工业用途来说足够高以将水加热至大约40℃到大约150℃。因此，通过所述热电装置的冷端加热的水作为用于各种用途的热水(例如用于淋浴或水槽的热水、在用于房屋供暖的散热器中使用的热水或蒸汽等)由所述流体导管提供给设施。可选地，如果流体(例如，油或盐)被充分加热，那么该流体可用于热电站以发电。例如，可以加热所述油或盐高于其沸点。可选地，可以加热所述油或盐低于其沸点，但要达到足够高的温度，以便于用来将水加热成蒸气，所述蒸气被送入蒸汽轮机中用来发电。
还可在所述太阳能吸收器上提供任选的太阳能通量收集器和/或太阳能通量聚集器来收集和/或聚集太阳能。聚集入射太阳能通量的成像光学方法和非成像光学方法可用来收集和聚集所述太阳能通量以产生较高的太阳能通量密度。这种增加太阳能通量的方法被称为光聚集。所述热端的温度取决于光和热的聚集比率，下面将更加详细地对其进行描述。
任选的选择性表面将在可见(V)光谱和紫外(UV)光谱中的太阳能传递到太阳能吸收器(即：太阳能吸收表面)。所述太阳能吸收器将太阳辐射转换成热能(即：热量)。所述选择性表面通过限制红外辐射将热量保留在所述太阳能吸收器中。具有收缩横截面的成套任选的导管将存储于所述太阳能吸收器中的热能传导至成套热电转换器(例如成套的p-型和n-型交替的半导体支架或支柱)，将吸收的热能聚集至热电支架。关于术语“收缩横截面”，应当注意，在平板聚集器中，优选地没有所述吸收器的厚度的物理收缩。然而，热量以近乎同心的方式传递至热电支架，因而热量传递面积实际上是变化的。在其他结构中所述收缩横截面可包括物理上收缩的横截面。因而，所述转换器与所述太阳能吸收器热接触。通过热传导的热能聚集被称为热聚集。流经所述成套热电转换器的最终的热能通量密度由所述横截面、间距和所述热电转换器的长度决定。
通过所述光聚集和热聚集的结合可增加流入热电装置的能通量，其取决于所述热电支柱的适当的热端温度和冷端温度以及选择性吸收器的特性。
所述热电转换器将存储的热能的一部分转换成电能。所述热电转换器自身可由各种体材料和/或纳米结构制成。所述转换器优选地包括多套两种转换器元件，所述两种转换器元件为：一种p型半导体转换支柱或支架和一种n型半导体转换支柱或支架，其电连接以形成p-n结。所述热电转换器的材料可包括但不限于下列之一Bi2Te3:Bi2Te3-xSex(n-型)/BixSe2-xTe3(p-型)、SiGe(例如，Si80Ge20)PbTe、方钴矿(skutterudite)、Zn3Sb4、AgPbmSbTe2+m、Bi2Te3/Sb2Te3量子点超晶格(QDSL)、PbTe/PbSeTe QDSL、PbAgTe以及这些材料的组合。所述材料可包括压实的纳米微粒或嵌于块状基体材料中的纳米微粒。
任选地，将由散热材料组成的基部置于热电装置的热电转换器的冷端与流体导管之间。所述基部可包括金属或者其他高导热材料以实现所述热电转换器和流体导管之间的热接触。与未被转换的热能有关的热量从所述热电装置的冷端通过基部传导至所述流体导管。在所述基部中可以设置任选的热交换器。来自流体导管的流体穿过所述热交换器以接收来自热电装置的热量。所述热交换器包括导热板、成套的导热管、热管或者其组合。最终被加热的流体(例如，水和/或蒸汽)可用于居家、商业或其他用途。若需要，可以利用下述中的一种或多种方式使所述流体循环：推进器驱动、抽吸、虹吸、扩散及其组合。
因此，本发明实施方式的系统利用太阳能热电能量转换与基于机械的太阳能热能-电能转换的结合或者与太阳能流体加热的结合实现了更高的效率。更一般而言，热电和热能联产方法包括如下步骤：在太阳能吸收器上接收并且任选地聚集太阳辐射以加热该吸收器；由所述吸收器提供热能(即：热量)到成套热电转换器；利用所述成套热电转换器将所述热能的一部分转换为电能；将所述热能的未转换的部分提供给诸如水或其他流体之类的可置换介质；以及提供所述可置换介质用于后续用途。
应当理解，本文所示和描述的具体实施方式为本发明的实施例，除此之外它们并非意在以任何方式限定本发明的保护范围。此外，本发明的技术适用于在太阳能热电能和太阳能热能热电联产、制造业以及热能-电能发电站和热能热电联产中的应用或者任何其他类似的应用，尤其适用于目前浪费或剩余未转换的太阳能或热能源的应用。
太阳能热转换器的热效率在大约50％-70％之间，其取决于工作温度。热电转换器的效率较低。太阳能热电效率可以划分为两项之积：
ne＝nst(Ts，Th)nte(Th，Tc)                    (3)
第一项反映太阳能-热能的转换效率，将具有与太阳表面温度Ts相等的特征温度的光子转换为声子或热能，将所述太阳能热电装置的热端的温度提高到Th。第二项表示由热能产生电能的热电元件的效率，假定热端温度与冷端温度分别为Th与Tc。如等式(1)所示，第二项取决于热电材料的ZT。
效率ηst是若干个热损耗机制的函数，包括来自所述太阳能吸收器和热电元件的表面的热辐射损耗、对流损耗和传导损耗。以上描述的太阳能热电能量转换提供了ηst和ηte二者的最优化以及用于热电能和热能的热电联产的装置的设计，或者更为具体而言，提供了太阳能热电能和太阳能热能的热电联产，并且解决了两种转换过程中的低效率以改善所述太阳能热电和太阳能热能热电联产。
发电所需的横跨热电支架的温差ΔT与穿过所述支架的热通量
Figure G2008800253718D00081
有关，如下：
q · = kΔT / d - - - ( 4 )
其中，d是所述热电支架的长度，k是热电材料的热导率。对于稳态系统，热通量
Figure G2008800253718D00092
为常量。地球表面的平均太阳能通量大约为1000W/m2。利用这个数值，并利用典型的热电转换器常量k＝1W/mK以及d＝1mm，产生的温差为ΔT＝1℃。这种小的温差产生来自所述热电转换器的少量的电能。为了增大温差，应该增加流经所述热电装置的热通量超过所述太阳能通量。在太阳能热电学中，这可以通过两种方法实现。一种方法是在入射太阳辐射被吸收并转换成热量之前光学聚集所述入射太阳辐射，这种方法称为光聚集，另一种方法是在所述太阳能通量被吸收之后通过热传导聚集热量。后者称为热聚集。根据应用情况可以结合使用上述两种方法。
热聚集器结构
热聚集利用了太阳能吸收器的面积与热电支架横截面的面积的不同比率。图1示出了根据本发明一些实施方式的更一般地被称为太阳能-电能发电机13的热电装置13。太阳能-电能发电机13包括太阳能吸收器，所述太阳能吸收器被称为与一对或一对以上热电转换器14连接的辐射捕获结构12。辐射捕获结构12依次包括辐射吸收层1a和前表面1b，前表面1b适于直接地或通过聚集器暴露于太阳辐射。尽管在本实施例中前表面1b大体上是平的，但在其他实施例中辐射吸收层1a可以是弯曲的。而且，尽管本实施例中所示的辐射吸收层1a为连续的，但在其他实施例中，该辐射吸收层1a可以成形为多个分离部分。撞击在前表面1b上的太阳辐射可在辐射捕获结构12中产生热量，所述热量可被传递到每个热电转换器14的一端15，这将在下面更为详细地论述。更具体地，在本实施例中辐射吸收层1a可由对太阳辐射(例如，波长小于约1.5微米、2微米、3微米或者4微米的太阳辐射)表现出高吸收同时表现出低发射率的材料构成，因此该辐射吸收层1a对一些太阳辐射(例如，对于波长大于约1.5微米、2微米、3微米或者4微米的太阳辐射)表现出低吸收。
太阳辐射的吸收使得在辐射吸收层1a中产生热量，所述热量可通过导热中间层2传递到导热后面层3a。热电转换器14在端15处与导热后面层3a热连接以接收所产生的热量的至少一部分。以这种方式，所述热电转换器的端15(此处也称为高温端)被维持在提升的温度。由于所述热电转换器的相反端16暴露于较低的温度，所以所述热电转换器可产生电能。如下面更为详细地论述，上辐射吸收层1a表现出高的横向热传导性(即：在与前表面1b相切的方向上的高导热性)以更加有效地将所产生的热量传递至所述热电转换器。
如图1所述，在一些实施方式中，基部或者衬背结构10(也称为支承结构)与所述热电转换器的低温端16连接以提供结构支承和/或将热量从端16传递走，即：起散热器的作用。例如，衬背结构10可与热交换器热连接，在所述热交换器中供使用的流体或者用于额外发电的流体被加热。例如，如图12所述，衬背结构或基部1220与热电转换器1210进行热连通。
用于太阳能流体加热系统或者太阳能发电站的流体导管1250与热电装置13在热学上和在物理上结合。具体地，导管1250与衬背结构1220连接以从衬背结构1220移走热量。真空密封装置1260可以用来在转换器1210周围维持排空环境。导管1230可使热量从衬背结构1220传递进入被示意性地画作环状的导管1250，热量被提供至建筑物1240(例如大厦)用于产生热水或者被提供给电厂用于蒸汽驱动发电。如图1所述，还可以使用与所述热电转换器的相反的端16连接的其他导热结构。
对于在图1中所示的发电机(即：热电装置)13，描述了用于将发电机13与电力负载耦合的电极9。在图1中还描述了电导线4、电导线11，电导线4和电导线11可以在热电转换器内和/或热电转换器之间提供合适的电连接，并且可用于提取由转换器14产生的电能。
在图1中描述的太阳能-电能发电机13适于具有平板结构，即：发电机13具有代表所述太阳能捕获表面的至少一种维度的区域18，该区域18大于不代表所述太阳能捕获表面的至少一种其他维度的区域17。这种结构有利于增加可用于太阳能辐射捕获的面积同时提供充足的热聚集，使得横跨所述热电转换器建立足够的温差以产生大量的电。平板结构可以通过提供可用于屋顶或者其他人造建筑物的扁平装置而得到实际应用。尽管在图1中以平板结构描述所述装置，但是应当理解图1中的装置以及在其他图中的装置还能在维持其工作性能的同时配置成非平板结构。
在许多实施方式中，所述捕获结构的辐射吸收部(至少在该辐射吸收部的某些部分)表现出高横向导热性，例如足以使横跨所述吸收表面的温差小(例如，小于大约100℃、50℃、10℃、5℃或1℃)的横向导热性，以充当用于将热量传递到所述热电转换器的高温端的有效的热聚集器。在一些实施方式中，例如由图1中的衬底层2描述的那样，辐射捕获结构在横向上(例如，在这种情况下，在大体上垂直于吸收表面1b的方向)和/或在侧向上也表现出高导热性以利于将热量从所述吸收层传递到所述转换器。例如，所述捕获结构可包括由具有高热导率(例如，高于大约20W/mK或者在大约20W/mK到大约400W/mK的范围内)的材料构成的辐射吸收层。在一些实施方式中，可以在具有所述热导率值的衬底上沉积薄膜。也可利用具有较低热导率的较厚材料实现高导热性。可以使用的材料的实例包括任何金属化合物(例如，含铜化合物、含铝化合物)、陶瓷、诸如定向聚合物(例如，在想要的方向(例如层的平面)上具有足够的导热性)之类的各向异性材料以及玻璃。尽管由图1中的单衬底层2示例了捕获结构的高导热性的特性，但应当理解，多重结构(例如多种分层材料)也可以在一些实施方式中用来提供高导热性的特性。
在一些实施方式中，捕获结构可包括适于提供一种或多种有利的功能的若干组件。例如，图1所示的捕获结构12的辐射吸收层1a可适于选择性地吸收太阳辐射。例如，辐射吸收层1a可适于吸收波长小于大约1.5微米、2微米或者3微米的太阳辐射，或者吸收波长在大约50纳米至大约1.5微米、2微米或者3微米之间的太阳辐射，或者吸收波长在约为200纳米至1.5微米、2微米或3微米之间的太阳辐射。就可被吸收的撞击的太阳辐射的百分率而言，吸收层1a可适于表现出的太阳辐射吸收率可大于大约70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或者99％。例如，对于在大约50纳米至大约3微米范围内的太阳辐射波长，辐射吸收层1a可以达到这样的吸收率。在一些实施方式中，吸收层1a可以包括涂覆在衬底2以提供期望的选择性太阳吸收率特性的一种或者一种以上涂层。一种或一种以上选择性涂层可以通过一层或者一层以上具有不同光学指标的异型材料(即一维光子结构)来实现。选择性涂层还可由栅板、表面结构或者其他合适的二维结构实现。在另一实施例中，选择性涂层可以通过使两种或两种以上的材料(包括纳米复合材料)形成合金或者复合所述材料来实现。衬底2还可以是选择性表面1b的一部分。
在一些实施方式中，捕获结构的前表面或者适于暴露于太阳辐射的其他表面可以在一定波长范围内(例如，在大于大约1.5微米、2微米、3微米或者4微米的辐射波长范围内)表现出低发射率的特性。例如，在上述辐射捕获结构12中，在波长大于约3微米的范围内，前表面1b可以表现出小于约0.3、或者小于0.1、或者小于约0.05、或者更优选地小于约0.01的发射率。这种低发射率表面可以减少来自太阳辐射捕获结构的由辐射发射引起的热损耗。尽管所述低发射率也可减少波长大于约1.5微米、2微米、3微米或者4微米的太阳辐射的吸收，但是当所述波长的太阳辐射度显著下降时，所述低发射率对吸收的影响是极微的。在这个示例性具体实施方式中，不仅前表面1b而且辐射捕获结构12的后表面3a也表现出低发射率。所述后表面不需要具有波长选择性，并且其发射率应该很小，在小于0.5、或者小于0.3、或者小于0.1、或者小于约0.05的范围内。对高发射率值的容限取决于热聚集比率，热聚集比率为总的太阳能吸收表面的面积与热电支架的总的横截面的面积的比率。所述比率越大，发射率应该越小。前表面1b和后表面3a的低发射率特性不需要一致。在一些其他的实施方式中，前表面和后表面中只有一个表现出低发射率。
此外，衬背结构10的内表面3b(面向辐射捕获结构12的后表面3a)可以表现出低发射率。所述低发射率可以是涉及所有的波长，或者可以是涉及大于约1.5微米、2微米、3微米或者4微米的波长。内表面3b的低发射率特性可类似于辐射捕获结构的后表面3a的低发射率特性，或者可以不同于辐射捕获结构的后表面3a的低发射率特性。捕获结构12的后表面3a的低发射率与衬背结构10的内表面3b的低发射率的结合将在这两个表面之间传递的辐射热减到最小，并因此有助于横跨热电转换器的温差的产生。
内表面3b可由与衬背结构10的其余部分相同的材料构成，尤其是当衬背结构由金属构成时(在这种情况下，应当在热电支架之间提供电绝缘以便电流按设计的顺序流过所有的支架，该设计的顺序通常为串联以及有时为串联和并联的结合)。可选地，内表面3b可由不同于衬背结构10的其余部分的材料构成，例如，选用在红外辐射区中具有增强的反射率的不同金属。所述层或者涂层可以是连续层，或者被划分成彼此电绝缘的不同区域，或者被划分为电连接在一起的区域，这也可起到将热电元件互连的作用。具有高反射率的涂层(例如金)可以充当低辐射发射器。一般而言，相对于粗糙金属表面，抛光金属可以表现出较高的反射率，并因此表现出较低的发射率。如图2所示，被抛光以改善精致程度的铜表面产生具有较高反射率的表面，即机器抛光的铜表面具有最高的反射率，接着是手工抛光的铜表面和未抛光的铜表面。图2的反射率的测量可能具有3％-5％的误差，因为作为参考的铝镜的反射率略低于1(unity)。因为反射率与各自的发射率之和为1，所以在一定波长范围内的这种高反射率与该波长范围内的低发射率相对应。另外，未氧化的表面相对于氧化的表面倾向于具有更低的发射率。
使用低发射率表面1b、3a、3b的任意组合可起阻止热量从捕获结构12传递走的作用，并因此维持横跨热电转换器14的相当大的温度梯度。当利用多个低发射率表面时，这些表面可以具有类似的特性，或者具有不同的发射率特性。在一些实施方式中，一种或者一种以上结构的低发射率特性可在选定的温度范围(例如，在太阳能-电能发电机运行期间，太阳能捕获表面或者捕获结构的其他部分经受的温度范围)内表现出来。例如，低发射率特性可在如下温度范围内表现出来：大约0℃至大约1000℃、或者大约50℃至大约500℃、或者大约50℃至大约300℃、或者大约100℃至大约300℃。在一些实施方式中，任意层的低发射率特性可以在电磁波谱的一种或者一种以上波长范围内表现出来。例如，任意层的低发射特性可在大于约1.5微米、2微米、3微米或4微米的波长表现出来。在其他实施方式中，任意层的低发射率特性在于在其工作温度下，表面的总发射率值小于约0.1、小于约0.05、小于约0.02或者小于约0.01。
在一些实施方式中，如前所述，表面可包括一种或者一种以上涂层以便提供期望的低发射率特性。在另外的实施例中，如在下述公开出版物中的描述，低发射率可以通过使用多层的金属介电光子晶体来实现，所述公开出版物为：Narayanasywamy，A.et al，“Thermal emission control withone-dimensional metallodielectric photonic crystals，”Physical ReviewB，70，125101-1(2004)，通过引用将其全部并入本文。在一些实施方式中，其他一些结构也可以充当低发射率表面的一部分。例如，关于由图1举例说明的实施方式，衬底2还可为低发射率表面1b的一部分。例如，用作衬底的高反射金属还可在红外线区域内充当低发射率表面，而可将在所述金属之上的一种或一种以上涂层设计为吸收太阳辐射。
在一些实施方式中，图1中的衬背结构的外表面(例如，示例性太阳能发电机13中的表面19)可表现出高发射率(例如，对于红外辐射波长)以便于促进辐射冷却。可以做到这一点，例如，通过在衬背结构的外表面上沉积适当的涂层来实现。
在图1所示的实施方式中，连同本文的其他实施方式，太阳能-电能发电机可包括被封装(例如，通过壳体封装)的部分以使该被封装的部分处于隔离环境6(例如，相对于大气压强被排空的环境)。优选地，所述隔离环境被选择用来将从捕获结构12传递出的热量减到最小。因此，一些实施方式采用压强比大气压强充分低的排空环境。例如，所述排空环境可具有小于约1毫托或者小于约10-6托的压强。如图1中所描述，壳体5可封装整个装置13。至少壳体5的顶面对太阳辐射可以是充分透明的，例如，对太阳辐射具有高透射率、低反射率和低吸收率。可以采用的潜在材料包括不同类型的玻璃或者透明塑料。可以将一种或者一种以上涂层涂覆在壳体壁的一侧或者一侧以上以达到期望的特性(例如，低反射损耗)。在一些实施方式中，捕获结构12可以几乎不与壳体5物理接触以减少可能从捕获结构12传递走的热量。尽管图1所示的实施方式可以采用基本封装整个太阳能-电能发电机结构13的壳体5，但其他实施方式可以通过可选的方式进行配置。例如，太阳能捕获表面1b可以不被封装以接收直接入射的太阳辐射，而装置13的剩余部分或者在内表面3a、3b之间的区域可被封装以置于排空环境中。应当注意，非排空的环境通常不适用于没有任何光聚集的平板型装置，但是，如果结合热聚集与光聚集，非排空的环境可以适用。原因在于，在没有光聚集的平板型装置中，吸收器表面的面积相比支架的横截面的面积大。如果所述装置没有被排空，则由于对流使热量损耗至周围环境，并且降低效率。包含排空环境的壳体或其他结构可通过任何可接受的方式(包括本领域技术人员所熟知的方式)形成。
在可选的实施方式中，本文所论述的壳体和闭合罩可以用来封闭隔离环境，其可具有低导热性(例如，相对于周围大气)的特性。因此，代替真空，封闭环境可包括具有低热导率的例如惰性气体(如氩气的惰性气体)的气体。在另外的实施例中，可在闭合罩内包括隔热材料以限制热量的传递。例如，捕获表面的后表面和衬背结构的内表面除了使用低发射率层外还可包括附在其中的材料以提供额外的隔离。因此，本文所论述的采用“排空环境”的实施方式还可使用这些可选的环境来实施。所述隔热材料的实例为气凝胶和多层隔热。然而，这并不是优选的，因为吸收器和衬底之间的大空间。
例如图1描述的转换器14，当横跨热电转换器建立起足够的温差时，所述热电转换器可发电。在一些实施方式中，热电转换器元件包括p型热电支架和n型热电支架，例如，所述支架在一端热学上和电学上连接以形成结，如pn结或者p-金属-n结。所述结可包括辐射捕获结构或者与之连接，所述辐射捕获结构可充当热聚集器，与本文所论述的结构一致。多种多样的材料可用于热电转换器。一般而言，采用具有大ZT值的材料(例如平均ZT值大于约0.5、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8、2、3、4或者5的材料)更为有利。这些材料的一些实例在下列文献中有描述：2004年10月29日提交的、申请号为10/977,363、公开号为US 2006-0102224 A1的美国专利申请和2006年12月1日提交的、申请号为60/872,242的、名称为“Methods for High-Figure-of-Meritin Nanostructured Thermoelectric Materials”的美国临时专利申请，上述两篇文献通过引用全部并入本文中。
关于p型和n型材料，这种对材料进行掺杂可通过例如使用本领域技术人员熟知的技术来实现。掺杂后的材料大体上可以是具有一定掺杂水平的单一材料，或者掺杂后的材料可包括结合使用的多种材料，在一些实例中被称为分段结构。热电转换器还可以采用层叠式热电发电机，其中，两个或者两个以上不同的发电机连接，每个发电机在不同的温度范围下工作。例如，每个p-n对可以是一叠p-n对，设计每个对在选定温度下工作。在一些实例中，分段结构和/或层叠结构适于在大的温度范围内使用，以便适当的材料在其工作最佳的温度范围内使用。
p型和n型元件的布局可以以能使太阳能-电能发电机工作的任何方式变化。例如，p型和n型元件可以以具有周期性或者缺乏周期性的模式进行设置。图1给出了一个实施例，其中，p型支架7和n型支架8被紧密地聚集在一起以形成热电转换器14。转换器支架或者单个转换器支架的聚集方式可以是相等地或者不相等地间隔开。可使用任何数目(包括只有一对)的成对的p型元件和n型元件。如用来举例说明的图3所示的太阳能-电能发电机100，另一种可能的结构可将p型元件和n型元件间隔开更远的距离。装置100在某些方面类似于图1所示的太阳能-电能发电机13，装置100具有如下结构：用于提供相对于大气压强的排空环境6’的屏障结构5’、具有捕获表面1’的捕获结构12’、衬背结构10’以及电极9’。捕获结构12’和衬背结构10’可由金属材料构成。所述金属材料(可以形成层2b’)可以充当衬背结构10’或者层2a’、层2b’的散热器以在结构7’、结构8’的两端上的热电结构7’、热电结构8’之间提供电连接。应当注意，衬背结构10’上的层2b’被绝缘块20隔开以避免结构7’、结构8’的短路。因此，应当理解，如在本文的各种实施方式中采用的涂层和/或层可以是连续的或者非连续的以提供期望的功能，例如电连接的期望结构。任选地，与本文所述的一些实施方式一致，金属材料2a’表面和金属材料2b’表面之一或者两者可被抛光成具有低发射率。在图3所示的装置100中，相对于图1所示那样，n型热电元件7’和p型热电元件8’被隔开更远的距离。当在太阳能热电发电机中采用多个热电转换器元件时，p型和n型热电元件可以被(如均匀地)隔开而不是被聚集在一起。例如，考虑到热损耗仅仅是由于辐射以及使用铜材料作为吸收器，那么支架间的间隔大小可为0.3m。例如，与太阳能水加热系统一起使用的发电机13，相比与太阳能热电站一起使用的发电机13，所述支架可以被更远地间隔开。例如，对于与太阳能水加热系统一起使用，所述支架可被间隔开15mm至50mm，例如大约25mm至50mm。对于与太阳能热电厂一起使用，所述支架可被间隔开小于20mm，例如1mm至15mm。
图4描述了热电转换器元件的另一种可能的布局，其中，多个热电转换器的多个热电转换器元件(支架)210被聚集成间隔开的组220。热电转换器元件210的组220被屏障230封装以将整体围封在排空环境中。当太阳辐射非均匀地分散在一个或一个以上太阳辐射捕获表面时(如在使用本文所述的光聚集器的实施方式中)，使用这种布局是有利的。即使没有采用光聚集器，例如，转换器元件的布局可被配置成：当太阳黑子在捕获表面上方传播一整天时，跟随所述太阳黑子的路径。对于如图4所示的布局，所述组在物理上分离。然而，应该理解，在转换器元件的组被稀疏地相互分离的情况下，装置可以作为单一实体实现。
热电转换器元件的空间分布也会影响太阳能-热电发电机的发电性能。在一些实施方式中，热电转换器元件在空间上布局以在该热电转换器元件的高温部和低温部之间建立起最小的温差。所述最小的温差可大于约40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃、280℃或者300℃。在一些实例中，当没有使用光聚集时，横跨所述热电转换器的温度差可以通过如下方式实现：将所述转换器的低温端保持在低于约95℃、90℃、80℃、70℃、60℃或者优选地低于约50℃的温度，而将所述转换器的高温端提升至不大于约350℃的温度。对于低太阳能聚集(例如，不大于大约2倍至大约4倍的入射太阳辐射的聚集)，所述温度可以不大于约500℃。所述温度差可保证所述太阳能-热电发电机在高效率下工作。具体而言，这些温度的详细说明可用于只使用入射太阳辐射(即：未聚集的辐射)和/或聚集的太阳辐射的热电发电机。
可选地，或者此外，实施方式可以采用如下热电转换器的空间分布：所述热电转换器在其各自端部之间提供有限的导热性。当大部分热量被设计成经过所述热电转换器时，这意味着所述转换器的导热性将大于总导热性的50％，甚至大于总导热性的95％。否则，大部分热量将从其他传导路径耗散。然而，所述转换器应当被设计成对于支架具有小热导率。导热性还会受到热电转换器支架的长度的限制-较长支架允许较小导热性。因此，一些实施方式通过所述支架限制支架的横截面面积与长度的比率以帮助减少导热性。例如支架的横截面面积与该支架长度的比率可在约0.0001米至约1米的范围内。还可以使用太阳能吸收器到成套热电转换器的总的横截面面积减缩率(大约10∶1和1000∶1)以帮助减少导热性。
在一些实施方式中，所述热电转换器和/或所述转换器的支架以稀疏方式(例如，相对于太阳能捕获表面或衬背结构)分布。热电元件的稀疏分布有助于减少通过所述元件从其高温端到低温端的散热。图1和图3中描述的热电转换器元件的布局提供了稀疏分布的元件的一些例证性的实施方式。
在一些实施方式中，一个或一个以上热电转换器元件相对于太阳能捕获表面稀疏分布，稀疏度是通过太阳能捕获面积(本文称“捕获面积”)与与转换器元件相关联的总的横截面面积(本文称“转换器面积”)的相对比率衡量。所述捕获面积可由用于暴露于太阳辐射以产生热量的选定太阳能捕获表面的总面积定义。所述转换器面积可由热电转换器元件或一些热电转换器元件的总的有效的截面面积定义。例如，参考图1，假定4个p型和n型元件全部在几何上与统一的横截面面积类似，所述“转换器面积”可以定义为p型元件或n型元件的横截面面积的4倍，每个元件的横截面由位于平行于捕获表面1b的与所述元件交叉的假想平面的横截面面积定义。通常，随着捕获面积与转换器面积的比率的增加，转换器元件的分布越来越稀疏，即：相对于太阳能捕获表面的总量热电转换器元件越来越少。
本文公开的各种实施方式可以利用一定范围的捕获面积与转换器面积的比率。在一些实施方式中，太阳能-电能发电机可具有如下特征：捕获面积与转换器面积的比率等于或大于约200、约400、约500或约600。所述实施方式是有利的，尤其是当采用具有在不使用太阳能聚集器的情况下捕获太阳辐射的平板结构的太阳能-热电发电机的时候。在一些实施方式中，太阳能-热电发电机可具有如下特征：捕获面积与转换器面积的比率大于约2、5、10、50、100、200或300。所述实施方式是有利的，尤其是当采用捕获聚集的太阳辐射的太阳能-电能发电机(即，太阳能聚集器用于收集和聚集入射到太阳能捕获表面上的太阳辐射)的时候。尽管所论述的实施方式对于所论述的特定结构是有利的，但应当理解，所述实施方式的范围并不局限于所述特定结构。
例如，图23示出了太阳能热电转换器的效率的一些示例性的计算结果。图23A示出了对于不同的光聚集比率效率作为无量纲品质因数ZT的函数。对应于每一个光聚集比率，还有最适宜的热聚集比率(太阳能吸收表面与热电支架的总的横截面面积的比率)。应当理解，这些支架可布置成不同的结构，如图1和图3中所举例的那样。有时，所述支架的一小部分可聚集在一起，而有时，所述支架可稀疏地并且均匀地分隔开，并且还有时，所述支架可不规则地分隔开。应当理解，在这些可能的结构中的每一种结构中，吸收器表面的温度不均匀性小，优选地将所述温度不均匀性保持在不超出1℃、5℃、10℃、50℃或100℃。图23C示出了模拟条件下(具有给定的光聚集，选择性表面特性等)的热端温度。基于这些图，显然对于每一个光聚集比率，通常都有最适宜的热聚集比率(决定了支架之间的间隔以及所述支架的横截面面积)以及最适宜的热表面温度。存在最适宜的热端温度的原因如下：如果热表面温度太高，则来自该热表面的辐射损耗太多。如果热表面温度太低，则热电装置的效率降低。应当理解，上述这些仅为示例性的情况，并且允许存在各种灵活的设计。例如，通过改变热电支架的横截面面积，可使用光聚集并且仍保持所述热端温度在预先设定的温度。
光聚集器结构
下面公开的一些实施方式采用适于与一个或一个以上光聚集器一起使用的太阳能热电发电机结构。光聚集器是指一种或一种以上能收集入射太阳辐射并且能聚集所述太阳辐射的装置。所述光聚集器通常还可将聚集的太阳辐射指引到诸如太阳能捕获表面的目标区域。在采用光聚集器的许多实施方式中，所述光聚集器通过更有效地加热所述热电转换器的高温端，可有助于产生横跨所述热电转换器的较高温差，这会使得由所述转换器输出可能更多的电。在可能维持太阳能-电能发电机的性能的同时，光聚集器还可能与具有较低的热聚集容量的太阳能捕获结构(例如，较小的太阳能捕获表面和/或表现出较大的热损耗的捕获结构)一起使用。尽管图1、图3和图4所描述的实施方式可适于用在利用入射太阳辐射(即，非聚集的太阳辐射)的情况下，但所述实施方式还可与光聚集器联合使用，利用本文所论述的任何数目的技术特征。类似地，关于太阳能聚集器而明确论述的一些太阳能-热电发电机设计不是必须需要这样的太阳能聚集器。
包括使用光聚集器的太阳能-热电发电机的一些实施方式由图5A-图5C所示的示例性装置图示。如图5A所示，太阳能-电能发电机510可包括光聚集器、辐射捕获结构、热电转换器元件和衬背结构。对于图5中描述的特定装置，光聚集器被用作传输元件511，即：能够经其传输太阳辐射的元件。传输元件可具体为成像或非成像透镜或者能聚集并指引太阳辐射的其他传输结构。如图5A所述，入射太阳辐射517可通过传输元件511聚集为被指引到所述辐射捕获结构的太阳能捕获结构512上的聚集的太阳辐射518。在这个实施例中，光聚集器511包括会聚透镜，其中，辐射捕获结构512接近所述会聚透镜的焦点安置以接收所述聚集的太阳辐射。太阳辐射的聚集可潜在地允许使用相对于利用入射太阳辐射的设计较小的太阳能捕获表面。这种太阳辐射的捕获可以使辐射捕获结构产生热量，所述辐射捕获结构进而将热电转换器516的n型元件514和p型元件515的热连接端加热。所述衬背结构可配置为联合电极/散热器513的结构，该衬背结构可在n型元件514和p型元件515之间提供电连接，并且提供与散热器的热连接以降低所述转换器元件的相反端的温度。
图5B描述了太阳能-电能发电机的另一种实施方式。对于太阳能-电能发电机520，成套的反射元件521和反射元件522充当太阳能聚集器。反射元件可用以改变辐射的方向而无需辐射实质穿过该元件。反射镜和具有其他类型的反射涂层的结构可充当反射元件。对于图5B所示的特定实施方式，入射太阳辐射517由结构524指引到反射镜面521，在本实施例中所述反射镜面被放置在热电转换器525的低温端附近。结构524任选地是透明的和/或类似框架，可以支撑所述反射镜并且向下指引太阳辐射使得可以通过较低的衬底实现散热。辐射反射元件521将入射到其上的辐射反射到反射元件522，该反射元件522进而反射太阳辐射到辐射捕获表面523上用于加热热电转换器525的高温端。在一些实例中，反射元件521具有弯曲的形状(例如，抛物面)，反射表面使反射光聚集到反射元件522上(例如，反射元件522可位于反射元件521的曲率中心附近)。所述聚集的太阳辐射随后通过反射元件522被指引，在一些实例中，反射元件522其自身还可将太阳辐射聚集到辐射捕获结构523上。
在图5C图示的实施方式中采用了另一种可选的光聚集器。太阳能-电能发电机530可包括用于收集并聚集入射太阳辐射的太阳能收集传输器531。太阳能收集传输器531可与辐射捕获结构532紧密连接(例如，太阳能收集传输器531与辐射捕获结构532接触或者二者之间具有非常小的间隙或者二者之间具有薄材料)以直接地引导聚集的太阳辐射到所述捕获结构，潜在地产生更有效的能量传递。捕获结构532与传输器531可直接接触。可选地，薄的隔热体(例如，由多孔玻璃或聚合材料制成)可置于结构531和结构532之间。由于与热电转换器元件533的较近的热连接，所述实施方式也可在不需要将所述装置封装在排空环境的情况下实施。同样，当太阳能的聚集程度高时(例如，超过入射太阳辐射的10倍或50倍)，对流损耗就不太重要了。然而，应当理解，所述装置也可用在排空环境中。
一些实施方式针对如下太阳能-电能发电机：相对于图5A-图5C所述的那样，在该太阳能-电能发电机中，热电转换器以替代的结构排列。如图6所示，可配置热电转换器614以便该热电转换器614的n型元件(支架)614a和p型元件(支架)614b沿路径排列，例如形成两端601。如图6A所具体例举的，两个支架的端601限定了大体线性的程度。所述元件为p型支架614a和n型支架614b，每一个支架的特征在于伸长方向(本文也称为轴向)，尽管其他支架结构还可采用例如弯曲形状。在本实施例中，所述支架布置在共同平面内，其轴向方向大体上相互对齐。更一般地，具有轴向方向的所述支架可相对彼此成一定角度布置在共同平面内，其中所述角度的范围可以为0度(即相互对齐)到小于大约180度，或者大约45度到大约180度，或者大约90度到大约180度。在其他实施方式中，三个或三个以上支架可以以变化的相对角度连接。在图6A中，支架614a和支架614b以线性结构排列。特别地，相对于图5A-图5C所示的垂直布置的支架，支架614a和支架614b可水平布置。所述结构可提供许多潜在的优点。例如，由于所述热电转换器的整个装置的壳体可具有较低的外形，与采用垂直方向的支架相比，水平方向的支架可提供更加坚固的机械结构。如本文所述，所述较低的外形结构可有助于构建用于太阳能-电能发电机的平板结构和/或当所述实施方式进一步采用排空环境时有助于为封装提供较小的体积。
如图6A所述，元件614a和元件614b共享位于热电转换器614的端601之间的接合处617。对于此处所示的实施方式，接合处617包括充当捕获结构的热收集器616，尽管所述接合处还可包括用于在元件614a和元件614b之间提供热连接和/或电连接的其他类型的元件。可选地，p型元件614a和n型元件614b可在物理上接触以形成所述接合处。可使用一个或一个以上辐射收集器以收集和捕获入射辐射，并且指引聚集的辐射到所述热电转换器上以便加热所述接合处。对于图6A的特定实例，透镜611指引聚集的太阳辐射到热收集器616，这使得在收集器616中可产生热量。由于热收集器616与接合处617热连接，热收集器616将其中产生的热量(或者所述热量的至少一部分)传递至所述接合处，从而使接合处617达到提升的温度。如本文关于其他实施方式所述，热收集器616还可以是太阳辐射吸收器，同时具有低发射率。所述热收集器的材料的例子为一层或一层以上碳石墨层。此外，结构612和结构613可充当散热器以保持元件614a和元件614b的连接端在较低的温度，使热电转换器614发电。
如图6A和图6B所述，应当理解，捕获结构可使用多种多样的几何形状，所述捕获结构可充当用于将热能指引至接合处的热聚集器。在一些实施方式中，使用相对于所述接合处(热能被指引至该接合处)具有相对大的捕获面积的捕获结构是有利的。图6C示意性地示出了作为导热元件630的捕获结构的一个实施例，导热元件630可与热电转换器650的接合处640热连接以将由于暴露于太阳辐射而产生的热量传递至接合处640。导热元件630与辐射捕获部分632一起具有蘑菇状的外形，其中辐射捕获部分632可响应暴露于太阳辐射而产生热量。也可以采用其他形状。适于与接合处640热连接的导热杆634提供了辐射捕获部分632与连接处640之间的热路径。还可采用相对于所述接合处面积具有用于太阳辐射捕获的较大捕获面积的捕获结构的其他实施例。
虽然图6A所示的装置610使用了一个热电转换器，但应当理解，其他实施方式可使用多个热电转换器。图6B示出了这种结构的一个实施例，图6B描述了在太阳能-电能发电机620中的两个热电转换器(热电转换器614和热电转换器615)。转换器614和转换器615中的每一个具有p型支架614a或p型支架615b和n型支架614b或n型支架615a，其中相应的p型支架与n型支架热连接和电连接。转换器614和转换器615共享包括导热体616的共同的接合处618。在这个实施方式中，所述两个转换器的p型支架和n型支架被大体上置于共同平面内。接合处618位于转换器615的端602之间以及位于转换器614的端603之间。光聚集器611指引太阳辐射到所述导热体上，并且因此指引到接合处618上以加热所述转换器支架614a、支架614b、支架615a和支架615b的端部，即：转换器614和转换器615的高温端。在这个实施例中，所述光聚集器包括会聚透镜，所述会聚透镜相对热电转换器615和热电转换器614放置以使该会聚透镜的主轴PA大体上平行于共同平面，其中p型热电支架和n型热电支架布置在共同平面内。转换器614和转换器615的堆叠方向和水平方向有助于设计低外形、机械上更加坚固的太阳能-电能发电机。
对于图5A、图5B、图5C、图6A、图6B和图6C所述的各种元件，所述元件可包括与对本发明的其他各种实施方式进行描述的这些元件相关的任何特征或变化。因此，例如可以任何组合方式实施如下技术特征：使用一个或一个以上低发射率表面、以平板结构配置装置、将装置或该装置的部分封装在隔离(例如，排空)环境以及空间上分布热电转换器。
同样，图5A、图5B、图5C、图6A、图6B和图6C所示的实施方式可使用额外的组件以提高太阳能-电能发电机的性能。例如，如图6A所示，在一些实施方式中可包括太阳能跟踪装置660以保持入射太阳辐射在一个或一个以上太阳能聚集器元件611上。通常，所述太阳能跟踪装置可包括用于移动太阳能聚集器611的一个或一个以上元件以跟踪太阳运动的机械装置665以便帮助加强太阳能捕获。可选地，太阳能跟踪装置也可用于没有太阳能聚集器的系统。在这种实例中，热电模块可包括太阳能捕获表面，其中，所述跟踪装置可移动所述捕获表面以保持入射太阳辐射撞击到所述表面上。虽然本文所述的一些实施方式可配置为在没有跟踪装置的情况下使用，但应当理解，太阳跟踪装置通常可与本发明公开的任何实施方式一起使用，除非明确禁止。
本发明的其他实施方式针对如下太阳能-电能发电机：所述太阳能-电能发电机使用可在多个区域聚集太阳辐射以加热一个或一个以上太阳能捕获结构的太阳能收集器。一些实施方式使用如图7中示例的多个反射太阳能收集器。如图7所述，多个太阳能收集器(如太阳能收集器710和太阳能收集器720)具体为被配置以形成多个槽(如槽711和槽721)的成套的反射镜面(如反射镜面713、反射镜面715、反射镜面723、反射镜面725)。热电模块717和热电模块727可分别置于槽711和槽721内。所述反射镜面713、反射镜面715、反射镜面723和反射镜面725可将太阳辐射反射到槽711和槽721内以便所述太阳辐射撞击在热电模块717和热电模块727各自的捕获表面上。所述热电转换器和光聚集器的这种布局除如图中所示之外可进行扩展。在这种情况下，太阳能收集器710和太阳能收集器720的彼此相对的两个倾斜的反射面715和反射面723使光能集中在热电转换器717的辐射捕获表面上。类似地，许多其他的热电转换器可通过反射来自两个光聚集器的两个相对的反射面的辐射来接收聚集的太阳辐射。这种结构可用于提供低程度的太阳辐射聚集(例如，大于1倍并且高达约4倍入射太阳辐射的太阳能通量)。所述太阳能收集器可适合于当太阳和地球相对彼此移动的时候在所述槽中可不断地收集大量的太阳辐射。因此，在这些实施方式的一些应用中可避免使用太阳能跟踪装置，尽管在其他应用中可使用所述跟踪装置。在可选的实施方式中，图7的V形收集器可作为二级收集器使用，其中，具有太阳能跟踪装置的大的太阳能聚集器用于将太阳辐射投射到所述V形收集器上。同样，可缩小V形收集器以使其适合在屏障结构包围的隔离环境中。
图7所示的多个热电模块具体为平板装置，每个所述平板装置封装在排空环境中。应当理解，可使用包括本文公开的装置的任何装置或特征的其他模块结构来代替。然而，在一些实施方式中，可选择与可由所述太阳能收集器产生的太阳能通量一致的模块(例如，使用入射太阳辐射值的1至大约4倍的太阳辐射能通量工作的模块，这可由收集角度决定的)。还应当理解，尽管图7描述了二维布局，槽还可以以三维布局方式实现，其中，考虑到太阳能-电能模块的三维分布，每个槽更类似窖。
使用多个太阳收集器的太阳能-电能发电机的其他实施方式可以使用不同类型的太阳能收集器以不同的布局方式配置。例如，在图8A的立体图中以及在图8B的局部剖视图中描述的太阳能-电能发电机810。具体为多个透镜结构825的太阳能收集器组合件820用来捕获入射太阳辐射。每个透镜结构825可聚集并指引太阳辐射至热电模块830，其中为每个透镜结构825提供各自的模块830。每个模块830可以在包括本申请所描述的任何结构在内的许多结构中实现。如图8B所描述，每个模块830可配置为在水平方向上(如图6A和6B所示)的成套热电转换器。因此，透镜结构825可适用于指引太阳辐射至所述模块830的相应接合处。模块830可以与衬背结构840连接，该衬背结构840可任选地配置为散热器以保持所述转换器的端部831处于相对于高温端部832的较低温度。如图7示例的实施方式，使用多透镜结构825可指引太阳辐射至特定位置，并且潜在地减少对太阳能跟踪装置的需求。
尽管图7和图8举例说明了一些示例性的多个聚集器与多个热电模块一起使用的实施方式，应当理解，聚集器还可配置为与单个热电模块一起使用。图9示出了这种配置的一个实施例。成套的太阳能收集器(例如透镜结构920)可用于捕获并聚集入射太阳辐射至热电模块910，该热电模块910可以用来根据聚集的太阳辐射产生电。所述模块可包括描述图1所示模块的许多特征(例如，低发射率表面、平板结构和/或排空环境)。对于图9所描述的特定结构，模块910可包括相对于捕获结构913被间隔开的p型支架与n型支架915的组群916。每个透镜结构920可适用于指引聚集的太阳辐射至捕获结构太阳能收集表面的部911，其中部911可与支架915的组群916的最接近的位置一致。应当理解，根据本发明的实施方式，可采用图9所描述系统的设计的各种变形(对于图7和图8同样如此)。例如，可采用不同结构的太阳能收集器(例如，使用适当配置的反射面)代替所述透镜结构。对于图9所示的模块，还可使用一种光学聚集器。在这种实例中，即使所述装置不使用跟踪，焦点/聚集的光点也可以随着太阳移动。本装置中的一个热电单元由于缩小的尺寸可产生较高的效率，并因此产生较低的辐射损耗。
尽管图7至图9所描述的实施方式已经示出了使用具有太阳能聚集器的各种热电模块结构，但是使用其他模块设计也是可能的。在图10A和图10B中描述了一种可选的模块设计及其应用。如图10A所示，可具体为菲涅尔透镜或者其他类型的衍射元件的太阳能收集器1010用于将聚集的太阳辐射集中至热电模块1020，该热电模块1020可与散热器1030热连接(或者更一般地与支撑结构连接)。可能的其他类型的太阳能收集器包括使用一个或一个以上透镜元件、反射元件和/或折射元件。在一些实施方式中，热电模块1020可与散热器1030可拆装地连接(例如，机械连接、热连接和/或电连接)。因此，热电模块1020可容易地被替换成所述散热器以加强所述系统的维护。
在图10A的放大框1025中提供了热电模块1020的更加详细的视图。热电模块1020可包括将热电模块1020封闭在隔离环境中的屏障结构1021(在本例中为类似球状物的结构)。所述隔离环境可以是相对于大气压强的排空环境，或者所述隔离环境可包含相对于环境大气具有低导热性的大气。一些实施例可包括使用具有低热容气体，例如惰性气体。还可以在屏障结构1021中加入隔热材料以减少所述热电模块高温端的热损耗。所述屏障可适合于至少部分地透射太阳辐射，其中所述屏障可包含关于图1的封装的描述中的许多特征。对于图10A所示的特定结构，屏障结构1021构成类似灯泡的闭合罩的至少一部分；其他几何结构也是可以考虑的。屏障结构1021可以任选地包括透镜结构1026，所述透镜结构还可指引和/或聚集撞击到屏障结构1021上的太阳辐射。在所述闭合罩的内部，辐射捕获结构1023可与热电转换器的支架1022连接。射到屏障结构1021上的太阳辐射可被指引到捕获结构上用来发热，并且保持支架1022的一端在相对高的温度。由所述转换器的支架1022产生的电可以通过电极1024与电力负载连接。
使用图10A例示的屏障结构的热电模块可具有许多优点。所述模块可紧凑地组装，具有缩小的体积(例如，相对于较大平板结构的体积)以便于保持排空环境。太阳能聚集器(例如，提供例如高于入射太阳辐射大约10倍的高度聚集的太阳能聚集器)的使用可允许使用较小的捕获机构来热聚集，这使得能够使用较小的体积。如前所述，这种紧凑的结构实质上还可以模块化，从而方便所述模块的更换。这种情形在包括多个模块的结构中会特别有利。例如，图8A和图8B所描述的系统可以用图10A中的封装模块1020代替模块830。如果一个模块损坏，这易于维护。然而，应当理解，图8A和图8B的模块830还可以被包含在封装的可替换的模块化结构中。
除了图10A中所示的那样(包括对于本领域技术人员来说显而易见的那些修改)，可考虑各种其他结构。例如，菲涅尔透镜聚集器可配置为图10A所示的平面结构1010，或者配置为图10B所示的曲面结构1015。同样，可以使用除了菲涅尔透镜之外的其他类型的光学聚集器，例如其他类型的衍射元件。如图10C所示，太阳能-电能装置1060可以使用两个反射器(反射器1040和反射器1050)，作为太阳能收集器指引太阳辐射至热电模块1020，类似于关于图5B所描述的那样。散热器1070可以与所述排空环境热连接以提供散热。同样，封装设计可以使用太阳能跟踪器，如本文所述，从而将太阳辐射保持在封装结构的一部分上。这种设计可有助于使所述封装结构上聚集的太阳辐射保持特定的程度(例如，至少10倍入射太阳辐射)。所有这些以及其他的变形都在本发明公开的范围内。
图11描述了用于本文所述的各种太阳能-电能实施方式的另外一种模块化结构。用于指引并聚集太阳辐射的太阳能聚集器可包括反射元件1140(例如，抛物柱面镜)。另一种光学元件1130(例如，会聚透镜)也可以用来将入射太阳辐射指引向反射元件1140。反射元件1140进而聚集并指引太阳辐射入射到热电模块1110。可任选地被封装在闭合罩1120内以提供相对于大气压强的排空环境的热电模块1110可包括辐射捕获结构1130，辐射捕获结构1130可包括一个或一个以上用于吸收太阳辐射的表面。所述捕获结构当暴露于太阳辐射时可产生热量。所述捕获结构可包括一个或一个以上突出元件1135，所述突出元件可适用于接收被反射元件1140反射的一部分太阳辐射，并且进一步可以配置为通过吸收太阳辐射波谱的至少一部分来产生热量。例如，如图11所示，突出元件1135大体垂直于捕获结构1130的平坦表面1133。因此，所述抛物柱面镜无需配置为仅指引光到所述平坦表面，而是还可以指引光到突出表面。这种设计是有利的，因为它可以提供太阳能收集器设计上要求的灵活性，并且可以增加捕获结构的产热能力。突出元件可以允许捕获结构从多角度和多方向(例如，包括单个平坦表面不能捕获的方向)吸收太阳辐射。一个或一个以上的热电转换器1160可与捕获结构1130连接，其中，所述转换器的一端与所述捕获结构热连接，而另一端与散热器1150热连接。所述突出元件可被组成和设计为与本中请公开的任何捕获结构一致(例如，具有高选择性太阳能吸收率和/或对红外线低发射率的金属或其他材料)。同样，如关于图10A-图10C所述，具有突出元件的模块可设计为可拆装地连接的模块。
提供下述的实施例以说明本发明的一些实施方式。根据本发明的教导，所述实施例并非意在限定所使用的任何特定实施方式的范围，并且所述实施例并非用于必然显示热电发电机的最佳性能。
图13A图示了热电发电机的原型及其性能。图13A是所述原型的示意图。所述发电机是由一对p型和n型、市面上有售的的热电元件构成。我们的热电元件使用的厚度为大约1mm。支架的厚度可为0.02mm到高达5mm。由铜制成的选择性吸收器附着在支架的顶部，并且还起电互连的作用。实验装置已经在真空室内测试过。图13B示出了在大约1000W/m2照度下的一对所述支架输出的功率，并且图13C示出了效率。所述原型没有采用平行板，并且没有试图增加所述吸收器背面的发射率。通过采取这些措施，在本申请公开的其他原型中，有可能达到更高的效率。
图14A图示了依照本发明用于太阳能热电能和热水热能的热电联产的太阳能热-热电(STTE)转换器1400的实施方式。太阳辐射入射到所述STTE转换器的太阳能吸收器1402(例如，图1所示的辐射捕获结构12)的选择性表面1401上。所述选择性表面吸收太阳辐射但是几乎不发出热辐射，允许所述太阳能吸收器加热高达到设定的温度，例如在150℃-300℃或者300℃-500℃的范围内。热电转换器1413将位于STTE转换器热端1412的太阳能吸收器1402与位于STTE转换器冷端1411的成套的导管1410分开，所述导管例如：输送水或其他流体的管或盘。转换器1413位于排空空间1414内部。
图14B、图14C和图14D图示了可用于STTE转换器系统1400的示例性流体导管。具体地，这些图图示了用于现有技术的没有热电转换器的太阳能热系统的导管，但是所述导管可以与热电装置一起使用，这样所述导管不仅是流体输送管，还包括应该位于所述导管之上的热电装置。具体地，现有技术中导管的吸收器材料应该由热电装置(例如图1所示的装置)替换，其中所述热电装置的底部衬底与热量输送流体导管热连接。还应当指出，所述导管和外部的玻璃管不是必须为圆形，还可以为其他形状。例如，图14B图示了排空导管1410，该排空导管1410包含封闭真空室1422的玻璃管壳体1420、由位于真空室1422中的任选的热吸收器1426(在系统1400中该吸收器可以省略)覆盖的流体输送热管1424以及在所述热管末端的任选的冷凝器1428。图14C图示了位于壳体1430内的一系列导管1410的实施例，所述壳体1430包含位于外部玻璃管壳体1420内的流体输送内管或管道1424。因为外部玻璃管壳体1420不接收太阳辐射，所以该外部玻璃管壳体不是必须由玻璃制成，而可以由诸如金属之类的导热材料制成。图14D图示了多个导管1410，导管1410与地面成一定角度安置，并且所述导管1410与位于所述导管上方的流体箱1432连接。
由所述太阳能吸收器吸收的热量被传导至成套热电转换器1413，在所述成套热电转换器1413处聚集太阳能吸收器1402中存储的热量，其中，在此发生热能到电能的转换。通过所述热电转换器自身从STTE转换器的热端1412向STTE转换器的冷端1411传导的热量接近于与用于热水加热系统的传统太阳能热转换有关的热量传递水平。发明的STTE转换器优于标准的太阳能热转换器的地方在于额外的太阳能热电能量转换，这使得所述STTE转换器按照当前能源价格以低于$1-$2/Watt(瓦特)的价格发电。
相比之下，基于安装成本，现有的PV电池以大约$4/Watt到$7/Watt的当前价格发电。在本发明的优选实施方式中，STTE转换器的安装成本是与热水系统的安装成本相结合的，降低了安装成本。
热能聚集和太阳能聚集的结合可以用来调整太阳能热电转换器使其工作在产生最高效率的峰值工作温度。该峰值工作温度取决于所用的光聚集和可用的材料。图23A-图23C图示了峰值工作温度如何随光聚集率变化的实施例，而图15示出了对于几种熟知的和目前所研究的热电转换器材料ZT作为温度的函数的一系列图。所有这些材料以及现有的和正在研制的其他材料可以用于太阳能热电联产系统。所述材料的例子有：SiGe(例如，Si80Ge20)、Bi2Te3:Bi2Te3-xSex(n型)/BixSe2-xTe3(p型)和PbTe、方钴矿(CoSb3)、Zn3Sb4、AgPbmSbTe2+m和Bi2Te3/Sb2Te3量子点超晶格(QDSL)、PbTe/PbSeTe QDSL和PbAgTe。一般而言，以分段支架(具有沿所述支架分布的不同材料的热电支架)的形式或以级联装置(每一个都工作在一定温度范围的一叠装置)的形式的不同材料的结合可用在太阳能热的热电联产系统中。
最近几年，在改善热电材料的ZT值方面已经取得显著的进步。大多数商用热电装置是基于具有ZT的峰值大约为1的Bi2Te3及其合金。在图15中概述了在ZT值方面的一些进步。在此进步之中有新材料的发现(例如，方钴矿)以及现有材料的纳米结构的发现(例如，超晶格)。所述纳米结构体材料(包含压实的半导体纳米微粒)特别有吸引力，因为所述材料是以与太阳能热的热电联产系统兼容的形式，并且还具有较高的ZT值以及是经济的。图16示出了纳米结构体材料Bi2Te3合金的ZT值与商用Bi2Te3合金的ZT值的比较，证明了ZT值的提高。所述纳米结构体材料可由如图17A所示的相同材料(例如，硅、SiGe、Bi2Te3、Sb2Te3等)的纳米微粒压实得到，或者由如图17B所示的不同材料的纳米微粒压实得到，所述不同材料中一种材料的纳米微粒形成主基体，而第二种材料的纳米微粒形成所述主基体中的内含物。可使用热压或者直流诱导热压实施压实。图18A示出了通过湿化学法合成的纳米微粒Bi2Te31810和纳米微粒Bi2Se31820的TEM图像，图18B示出了基于合金压实的纳米粉末的Bi2Te3的高分辨率SEM图像1830和TEM图像1840。TEM图像1840为基于合金纳米粉末的Bi2Te3提供了纳米畴结构的证据。
图19(a)-图19(e)示出了作为另一个实施例的纳米结构体材料SiGe的特性。纳米结构的SiGe合金微粒是通过使用球磨技术的机械合金化来制备。在此方法中，将硼(B)粉(99.99％，Aldrich)添加至球磨罐内的硅(Si)(99.99％，Alfa Aesar)块和锗(Ge)(99.99％，Alfa Aesar)块。它们随后被碾磨一定时间以得到具有大约20nm到200nm平均尺寸的期望的合金纳米粉末。机械制备的纳米粉末随后通过使用直流热压方法在不同温度被加压以在石墨模具中压实所述纳米粉末。压实的纳米结构的Si80Ge20材料由具有随机取向的尺寸在5nm到50nm范围内(例如5nm到20nm)的多晶颗粒组成。在图19A-图19E中，“点”表示纳米结构的SiGe，并且“实线”表示作为无线电同位素发电机(RTG)在过去的NASA(美国宇航局)飞行中使用的p型SiGe。图19A-图19C示出纳米结构的SiGe的电传输特性可被保持，具有能与RTG样本的电传输特性相比的功率因子。然而，纳米结构体材料样本的热导率在高达900℃的整个温度范围内比RTG样本(图19D)的热导率低很多，这使得纳米结构体材料样本Si80Ge20(图19D)的峰值ZT为大约1。这样的ZT的峰值比当前用于航天任务的p型RTG SiGe合金的ZT的峰值提高大约100％，比已报道的记录的ZT峰值提高60％。纳米结构样本的热导率的明显减少主要归因于增加的在任意的纳米结构的许多分界面声子散射。
太阳辐射入射到STTE转换器的太阳能吸收器的选择性表面上。所述选择性表面吸收太阳辐射而几乎不发出热辐射，使所述太阳能吸收器得以存储热量。热电转换器元件将位于STTE转换器元件热端的太阳能吸收器与位于STTE转换器元件冷端的成套的导管分隔，所述导管例如输送水或其他流体(例如油或溶解的盐之类)的管道。
STTE转换器的效率取决于太阳能吸收器1402的选择性表面1401的特性。太阳辐射在大约0.5μm的波长达到峰值。大于4μm的波长占全部太阳辐射的不到1％。在300K时由表面发射的全部太阳辐射的不到0.2％的辐射具有的波长小于4μm。太阳能吸收器的理想选择性表面设计成吸收100％的太阳辐射和发射0％的存储的热辐射。即，太阳能吸收器的理想选择性表面对于小于4μm的波长具有1.0的发射率，并且对于大于4μm的波长具有0.0的发射率。
一些商用选择性吸收器具有接近于上述要求的特性。例如，ALANODSunselect GmbH & Co.KG提供了在跃迁波长为2μm左右的情况下对太阳入射辐射具有吸收率为0.95以及选择性表面的热发射率为0.05的材料。由成套热电转换器1413分隔的成套的内表面之间的低发射率对于减少从所述成套热电转换器1413的热端1412到所述热电转换器的冷端1411泄露热辐射是重要的。
太阳能吸收器应该与成套热电转换器1413的成套的电触头连接。仿照铜箔基片制成的太阳能吸收器为所述成套热电转换器既提供高横向热导率又提供低电阻电触头。附加的薄金层，或者别的薄金属层，覆盖在太阳能吸收器选择性表面和面向成套热电转换器1413冷端的表面，可以减少选择性表面对于热辐射能量的发射率至0.02。此外，图14A所示的在热端1412和冷端1411之间的空间1414被通过对流的方式排空以限制热端到冷端的热损耗。
图20A-图20C图示了根据本发明优选实施方式用于太阳能热电能和在当前或将来的热电站中使用的流体的热电联产的各种二维(2D)2010和三维(3D)2020太阳能通量聚集器。在一种实施方式中，所述热电装置与加热流体并利用被加热的流体发电的太阳能热电站在物理上和热学上结合。热电转换器结合2D和3D太阳能热装置用作增压循环，驱动兰金或斯特林热机。可以使用下述2D和3D太阳能聚集器，例如：图20A所示的日光反射器2022、图20B所示的抛物面反射器2024和图20C所示的槽式聚集器。太阳辐射聚集到选择性或非选择性表面上，这根据太阳能聚集器的水平而定。太阳能吸收表面与热电装置热连接，并且在所述冷端排出的热量被用来加热用在热电站中的流体以驱动机械发电机(兰金或斯特林)。
在图14A中所示的太阳能吸收器1402与热电转换器1413的热端1412热连接。热电转换器1413的冷端1411与导管1410内的流体交换热量，所述流体驱动兰金或者斯特林热机，或者驱动基于热机械热循环(thermal-mechanicalheat cycle)的任何泵。在一种优选的实施方式中，热机由流体直接驱动。在斯特林转换器中，所述流体可包括气体(如果出现任何液体，那么该液体仅被用于将热量连接至包含气体在其内部的斯特林机)。在斯特林转换器中，太阳辐射被聚集到吸收器上，并且产生的热量被传递以加热斯特林机内部的气体。上述的热电装置可被用作所述斯特林机的增压循环。由热电装置的冷端排出的热量可以直接提供给所述气体而不是通过各种各样的流体提供给所述气体。在另一种优选实施方式中，热量交换器(未示出)与热电转换器系统外部的介质交换热量，并且所述介质(例如，液体或者气体)用于驱动热机。应当理解，并不限于图14A图示的热电发电机。本文所论述的所有其他的热电发电机结构都可以使用。
图21A图示了根据本发明优选实施方式可用于由在太阳能热电能和太阳能热能的热电联产中使用的STTE转换器组装的发电站的一系列槽式聚集器2026。排空管1420穿过将太阳光反射至该排空管的反射槽2026。根据本发明的示例性排空管的详细说明在下面给出：
http://www.schott.com/hungary/hungarian/download/ptr 70 brochure.pdf并且通过引用并入本文。如图22所示，前面所论述的热电发电机与所述排空管热连接，并且优选地置于所述排空管的内部，吸收器与所述热电发电机的热端热连接。
通过所述排空管排出所述反射槽的流体的温度为大约400℃。热流体在发电机(例如，使用兰金热机或蒸汽循环)内发电。可以使用任何合适的热传递流体，例如但不限于水、油和溶解盐。热电转换器1413的热端1412和冷端1411可以工作在恒温或者变温下。
图22示出了根据本发明优选实施方式的类似于图14A所示的单独的STTE转换器1400的侧视图，所述STTE转换器用于太阳能热电能和使用兰金循环驱动泵的太阳能热能的热电联产。图22示出了沿着输送用于发电站发电的相同流体的管道1410分布的热电转换器1413。相对于太阳的位置，热电转换器1413在管道1410上方形成。热电转换器1413可以全部或部分地覆盖管道1410。管道1410可为平面形状、圆柱形状或者任何其他合理的几何形状。所述管道和转换器可以设在外部壳或壳体1420内的真空中。沿着所述管道或其他导管的长度方向可使用不同的热电材料以沿着管道线利用不同的流体温度。例如，流体导管的入口端比该流体导管的出口端具有更大的流体和热电转换器之间的温差。因此，用在与导管的入口端热接触的热电转换器材料提供比导管的出口端的热电材料更低的冷端温度。热电转换器1413可在从真空级到大气压强的压强下有效地工作，潜在地增加太阳能发电效率从20％到25％-30％。
图24示出了结合了太阳能热电发电机和热水系统的系统(无光学聚集)的模拟结果的实施例。左侧的纵坐标表示发电效率，右侧的纵坐标表示水加热效率。除了其他特性，这些效率值取决于热水温度和选择性吸收器的发射率。使用低(热)发射率表面可达到较高的效率。例如，对于0.03和0.05的发射率值，ZT值从1到1.5，可达到大约4％到大约6％的发电效率值和大约50％到大约60％的加热效率值。图25示出了结合的太阳能热电发电机的冷端温度在50℃到400℃变化的模拟结果的实施例，与槽式太阳能热装置中的管道内流动的流体经历的类似。例如，对于上述冷端温度，ZT值从1到1.5，可以达到大约3％到大约10％的发电效率值和大约45％到大约55％的加热效率值。根据ZT值和其他参数，所述热电发电机可产生3％到10％的额外的电能，并且剩余的热量可用来驱动基于机械的电力转换循环。应当理解，这些仅是实施例，并且对于每一种应用，可以实现系统的最优化以获得在效率和发电成本上的最大增益。
尽管已经结合本发明的具体实施方式描述了本发明，应当理解，本发明还能够修改。此外，本申请意在包括本发明的任何变化、应用或者改编，包括自目前在本领域熟知和惯例范围内公开的到本发明附属的以及属于权利要求范围内的这些变更。
本说明书提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文以达到像每一篇单独的出版物、专利或者专利申请被特别地并且单独地指出通过引用并入的相同的程度。
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61.Methods for High Figure of Merit in Nanostructured ThermoelectricMaterials(US Application No.60/872,242，filed 12/1/2006).
62.Solar Thermoelectric Converters(US Application No.60/858,515，filed11/8/2006).

Claims (19)

1.一种能源发电方法，所述方法包括：
通过太阳能吸收器接收太阳辐射；
由所述太阳能吸收器提供热量到成套热电转换器的热端；
由所述成套热电转换器发电；并且
将来自所述成套热电转换器冷端的热量供给被提供至太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置的流体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述流体包括供给太阳能热水加热系统的水。
3.如权利要求2所述的方法，其中将加热过的水供给建筑物。
4.如权利要求1所述的方法，其中将所述流体供给至少一个兰金或斯特林太阳能热电转换装置。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述流体通过导管循环。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述导管通过所述成套热电转换器与所述太阳能吸收器在物理上和热学上隔离。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述循环的步骤包括以下之一：抽吸、虹吸、扩散及其组合；以及
所述流体包括：水、液体盐或油。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述流体包括气体，并且所述太阳能热电转换装置包括斯特林装置。
9.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括利用太阳能热装置发电。
10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将太阳辐射聚集到所述太阳能吸收器。
11.一种系统，所述系统包括：
至少一个热电装置；以及
太阳能流体加热系统或太阳能热电转换装置。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述系统包括所述太阳能流体加热系统，并且所述至少一个热电装置与该太阳能流体加热系统在热学上和物理上结合。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述系统包括所述太阳能热电转换装置，并且该太阳能热电转换装置加热流体并利用加热过的流体发电。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述至少一个热电装置与所述热电转换装置在热学上和物理上结合。
15.如权利要求14所述的系统，其中用于热-电转换的太阳能热装置包括兰金或斯特林太阳能热装置。
16.如权利要求11所述的系统，所述系统还包括与成套热电转换器在热学上和物理上结合的太阳能吸收器。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述太阳能流体加热系统或所述太阳能热电转换装置包括通过所述热电装置的成套热电转换器与所述太阳能吸收器在热学上和物理上隔离的流体导管。
18.如权利要求16所述的系统，所述系统还包括适于聚集太阳辐射至所述太阳能吸收器的光学太阳能聚集器。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述成套热电转换器包括：包含压实的纳米微粒的热电支架。
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