CN106688105B - 利用超材料将电磁辐射转换为电能的系统 - Google Patents

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Abstract

在所需频率或频率带下利用超材料实现热源发出辐射的频谱调整。该超材料包括具有孔的几何结构，这些孔具有选定的尺寸和间距，使得所得表面将会在所需频谱下发出辐射。收集器可由类似的超材料或天线阵列制成，以检测所发出的辐射并将其传送到转换器装置，该转换器装置将所检测的辐射转换为电力。实施例还提供了向转换器装置的有效连接，以获取能量。可利用冷却散热器或深空来冷却转换器装置。

Description

利用超材料将电磁辐射转换为电能的系统
本申请要求于2014年6月20日递交的美国临时申请62/015,121的优先权，由此通过引用，将其并入至本文的全文中。
背景
技术领域
本发明的实施例大体上涉及用于从电磁辐射获取能量的结构和方法，并且更具体地，涉及用于从例如红外光、近红外光及可见光谱获取能量以及从毫米波及太赫兹(THz)波中获取能量的纳米结构、超材料及相关方法。
背景技术
如今世界非常需要便宜的可再生能源。讽刺的是，阳光和热量形式的可用能源很充足，但是需要将其转换为电能形式方可用来支持社会需要。现今使用的绝大多数电能都是从有关热量转换的过程中得来。以核能、煤、柴油及天然气为动力的发电厂，均将所储存的能量形式转换为热量以转换成电能。这些发电厂的工艺效率低，通常产生的余热比转换为电能的更多。
以低成本将获取的热源转换为可用电能是尤为需要的。在这一点上低成本的涡轮机相关的技术方案已得到认可。因此，将热量转换为电能的新技术方案的存在面临着比较成熟的环境。由于需求及固定定价的环境，新技术开始处理这一问题。这些新技术包括热光伏(TPV)、热电(TE)及有机朗肯循环(ORC)系统。
TPV技术在热转换上曾进展艰难，因为光伏(PV)转换与热相关的红外光(IR)及近IR光谱范围内的短波辐射而不转换长波。将这样的长波能量应用至光伏(PV)电池的新微米间隙方法，仍需要更适合该长波辐射入射的转换技术。PV电池带隙仅对高能光子起作用，因为低能光子没有能量越过该带隙并最终被吸收，从而在PV电池中产生热量。
热电效应仅能够以低效率将热量转换为电能。至今，热电(TE)将热量转换为电能的应用已经不能够在能量转换中发挥实质性的功效。尽管如此，TE仍应用于余热的回收，这进一步证明需要采用可替代热源来进行电转换的技术。
有机郎肯循环(ORC)技术通过将涡轮机与热交换器连接在一起来获取余热，每个热交换器在其系统内具有较低沸点的液体。不幸的是，ORC系统体积庞大并且具有大量活动部件。这些系统也受液体特性限制，并最终受工作空间内附加系统的时间、空间及临界效果的限制。
发明内容
成对的纳米天线及二极管阵列的表面技术在能量收集应用上表现出很大的优势。这些系统在余热回收领域是理想的，因为它们没有活动部件，制造成本低并能够被调谐至目标源的频谱。将系统的收集元件调谐至目标源的频谱特性的能力使这些技术不仅在余热应用上，而且对于一般的热量收集，以及最后的太阳能收集，也是理想的。
本文所述实施例包括利用超材料设计，调谐至热源频谱特性的方法。收集器和源调谐的结合，使其成为从各种源获取能量的有效方法。除了对源的调谐以及收集元件，本文所述实施例采用了能够使热能有效耦合到纳米结构的方法，以获取能量。
在实施例中，超材料装置充当正在传播的电磁场与集中的电磁场之间的转换器，以作为辐射量子耦合至基于天线的能量接收器的有效路径。这种结构能够超越黑体辐射的限制。这些系统的收集器阵列部件称为纳米天线电磁收集器(NEC)。
已经开发了各种基于纳米结构的超材料表面处理，用以增加从热源获取的能量。超材料层将热体的热辐射调谐至处于能量高效转换的优化频道。这些方法已被证明能够实现价格合理且大规模的装置建造。
本发明的实施例还包括从远场平面波获取电磁辐射、从近场消散波和/或等离激元波获取电磁(EM)辐射、以及利用远场和近场效应的组合获取电磁辐射系统和方法。用于获取并集中能量的系统和装置包括共振天线结构和超材料膜。用于能量转换的系统和装置包括整合到天线装置中的各种类型的整流工艺，这些天线装置在本文中也称为整流天线。能量转换装置和方法包括，但不限于：金属-绝缘体-金属(MIM)、金属-绝缘体-绝缘体-金属(MIIM)、以及行波二极管(TWD)装置。
在一实施例中，本发明为包括共振元件的能量采集系统，该共振元件被调谐至可用辐射能量的频率范围内。通常，这些频率的所在范围大约为从处于红外频段的10THz至超过1000THz(可见光)。在一实施例中，这些共振元件由导电材料组成，并与传送元件相连接。该传送元件将共振元件内激发起的电能传换成直流电，由此构成共振和传送元件对。在一实施例中，该共振元件和传送元件对布置在阵列中，而该阵列则嵌入基板中并与其相互连接，由此形成电源，该电源例如用于电路或其他需要有源电能来运行的设备或装置。在2012年12月7日递交的、发明名称为“用于将电磁辐射转换为电能的系统及方法”的美国专利申请13/708,481(美国专利申请公开号US 2013/0146117)(“481申请”)，在2013年12月16日递交的、发明名称为“在高含水量介质中利用THz频谱指纹识别材料的系统和方法”的美国专利申请14/108,138(美国专利申请公开号US 2014/0172374)(“138申请”)，以及在2014年2月21日递交的、发明名称为“将电磁辐射转换为电能的结构、系统和方法”的美国专利申请14/187,175(如附录A，该副本附在美国临时申请62/015,121中，并通过引用，将其并入至本文的全文中)(“175申请”)中描述了共振元件和传送元件实施例的其他细节，由此通过引用，将上述各元件并入至本文的全文中。
除了上述共振元件和传送元件，在一实施例中，材料表面改为超材料。超材料使得该表面能够辐射出能量，该能量的频谱匹配对其进行采集的NEC部件的频谱。在一实施例中，超材料包括由具有特定深度、面积和间距的孔所构成的格栅。这些孔在特定频率下产生人工表面共振。这种操作类似于金属表面的表面等离激元。电磁场集中在将会放置NEC装置的孔上方。进一步地，可获取的能量大部分集中在近场，该近场定义为距离该表面处于光波长内的区域。在一实施例中，NEC置于距离各个孔上方3μm处，并且该表面和NEC被调谐至1THz。在另一实施例中，NEC置于近场内，位于各个孔上的某一距离处，该距离为小于引起表面共振的特定频率下的波长的0.5倍。在实施例中，NEC置于部分孔上方，而不是在所有孔上方。在一实施例中，孔的特定尺寸以及孔的布置根据表示光与材料之间的相互作用的麦斯维尔方程，并通过计算机模拟来确定。例如在一实施例中，孔距为50μm，孔径为10μm且孔深为40μm。所用模拟软件为可从COMSOL有限公司购得的COMSOL，以及可从Lumerical技术有限公司购得的Lumerical。
在一实施例中，该装置的部件、元件和基板由可使自身以低成本方法如卷对卷加工，生产的金属和材料组成。
在一实施例中，本发明为将热量转换为电力的系统，其包括具有表面的超材料、以及整流天线，超材料的表面被调整为在所需频率下产生增强电场，该整流天线置于增强电场上方一定距离处，以与所产生的电场相互作用，并由此产生电力。在一实施例中，超材料的表面包括具有某一尺寸和间距的多个孔，以引发该表面在所需频率下产生增强电场，并且其中整流天线置于各个孔上方。在另一实施例中，超材料的表面包括具有某一尺寸和间隔的多根柱，以引发该表面在所需频率下产生增强电场。
附图说明
图1A为支持表面等离激元共振的金属表面电场的曲线图。
图1B为金属表面上下电场强度对距离的函数曲线图。
图2为示出了在半无穷大的铝样本上方各个高度处，局域态密度相对于频率的曲线图。
图3为示出了距离金属表面各个距离处，在宽频谱下每单位体积每单位频率所发出的能量曲线图。
图4A和4B示出了在金属表面产生等离激元共振的一个超材料结构中的各元件相互关系。
图5A和5B示出了超材料结构元件的横截面。
图6A和6B示出了对置于超材料的表面其中一个孔附近的整流天线的电场强度模拟结果三维图。
图7为整流天线置于结构孔上的超材料结构横截面图。
图8示出了能够获取地热的系统横截面图。
图9示出了图8所示系统的三维图。
图10示出了THz源与THz传感器相配以提供电力输出的实施例，电力输出通过电力总线来承载，向电气装置供电。
具体实施方式
展示下文是为了使得本领域技术人员能够制造并使用本发明，并且下文按照专利申请的用语及其要求进行撰写。对所述实施例的各种修改对本领域技术人员而言是显而易见的，本文的通用原理可适用于其他实施例。因此，本发明不应视为受所示实施例限制，而应视为符合与本文所述的原理和特征相一致的最宽范围。
图1A为支持表面等离激元共振的金属表面电场的曲线图。图1B为金属表面上下电场强度对距离的函数曲线图，其中δd为在表面上的距离，δm为在表面下的距离。图2为示出了在半无穷大的铝样本上方各个高度处，局域态密度相对于频率的曲线图。局域态密度表示可用辐射量子态的数量，局部态密度越大自然会使得光能密度更高。图2显示在表面等离激元频率下，局部态密度强力提升，这意味着光能密度的强力提升可以在该频率实现。金属的表面等离激元频率不能够调谐。因此，有必要采用超材料的概念，超材料允许我们设计表面等离激元频率能够调谐的人工结构表面。图3为距离超材料的表面各个距离处，在宽频谱下每单位体积每单位频率所发出的能量曲线图，其中该超材料被设计为在1THz下表现为表面等离激元模式。其显示在表面等离激元频率下，光能密度强力提升。
图1A、1B、2和3展示了超材料能够被设计为，在可调谐的共振频率下，产生具有增强场强的电场。如下文所述，在实施例中，超材料被设计为当存在与热量相关的频率时，表现出共振，并因此呈现增强电场。整流天线置于电场内，以将电场的能量转化为电力。在一实施例中，整流天线是这样的装置，其具有响应电场的天线元件，以及将天线元件辐射出的能量转换为电力的转换装置，例如MIM二极管或MIIM二极管。
图4A和4B是在热对象408表面上的超材料结构的示范性示意图。利用本领域技术人员已知的平板印刷和蚀刻方法在表面405上制造孔401。在一实施例中，由尺寸402(长度)和403(宽度)表示的孔401的尺寸(或面积)，孔401之间的间距406，以及孔401的深度407由入射到热表面405和结构408元件的模拟电磁波来确定，使得超材料表面在所需频率或在所需频率附近支持强力的表面共振。在实施例中，所需频率为1THz。图2和3示出了在1THz附近的这种表面共振的示例。例如在一实施例中，该模拟利用给定的几何结构，从数值上解开了麦斯维尔方程。图4B示出了在特定实施例中用于三维模拟的示范性几何结构。在该实施例中，孔具有表面尺寸a和b，分别表示宽度和长度。该尺寸a和b是相等的，即该孔为正方形，共振频率近似为：
其中ωpl为有效等离激元共振频率，c0为光速，a为孔的大小，εh为介电常数并且μh为材料的磁导率。
电磁波，例如光，表现出偏振现象。由于环境/材料边界条件引起散射和吸收，会出现各种偏振模。超材料能够被设计为响应各种偏振模式中并从中提取能量。例如，如果尺寸a和b不相等，即孔为矩形，超材料变为各向异性并对不同的偏振表现出不同的响应。类似地在一实施例中，方向x上的间隔d可以不同于方向y上的间隔d。随着x方向和y方向的间隔d不同，超材料变为各向异性并对不同的偏振表现出不同的响应。
为了确定孔尺寸和孔距以获得所需的共振频率，图5A和5B示出了根据一实施例的用于二维模拟的示范性几何结构。在一实施例中，孔距和孔尺寸构成超材料408的孔401的周期性结构。同样地，示范性模拟能够通过利用仅包含一个单元体的计算单元和周期性边界条件来简化。对于垂直于超材料表面的方向，使用吸收边界条件模拟无限的介质。在图5A中，尺寸分别用402、403和407来指示长度、宽度和深度，406则用于指示孔距406。在图5B中，尺寸表示为a(孔面积)、d(孔深)、以及p(孔距)。
在一典型模拟中，具有固定波长的平面波发射到超材料表面上，并计算后续的反射功率。在某一波长范围内重复这种模拟来获得反射率频谱。反射率频谱应当在表面等离激元共振的波长处表现为下降。然后调整超材料表面的几何结构(孔尺寸和孔距)将反射率频谱中的共振下降移动至所需波长。全面优化还需包括将反射下降的线宽最小化以及深度最大化，因为这些条件对应于最强的共振。
在利用上述平面波的该模拟中，入射波必须耦合表面波，以便在反射率频谱中产生下降。这可通过孔的周期性来实现，这些孔充当光栅，并提供与表面波耦合所需的动力。
具体地，光栅耦合条件给定位：
其中λ、θ和ρ分别表示波长、入射角和光栅周期。当传播常数β匹配表面波的传播常数，入射波将会耦合表面波，引致反射率频谱下降。
每当条件符合而发生耦合时，耦合效率可以改变。因此，即使确实存在表面波，某些结构也可以不表现出突出的反射率下降。为了避免由于不良的耦合效率而错过表面波，在模拟中使用偶极源。偶极源基本上是谐波振动点偶极子。振动点偶极子产生各向同性发射的电磁波。通过将许多点偶极子源置于超材料表面上，确保与表面波的耦合。在这种情况下，通过监测表面附近的电场和磁场模式，将会检测到表面波的存在。表面附近的场强度的大幅提升即表示存在表面波。
在所关注的调谐频率下，共振形成于材料408的表面上。在一实施例中，这个频率为1THz。材料408可以是各种材料，例如包括铜、或任意其他高导电性材料。如果如上所述地通过模拟重新计算设计的尺寸，可使用其他材料。在一实施例中，超材料408是厚度为100μm的铜。实施例的尺寸为，孔长402为10μm，孔宽403为10μm，孔距406为50μm而孔深407为40μm。
图6A和6B示意性地示出了置于孔401上方的、具有场强度映像的整流天线601。整流天线601包括天线元件601a和601b、以及二极管602。将整流天线置于图6A和6B所示超材料的表面的孔401上方，是为了将集中的电场释放给天线元件601从而释放给二极管602，其中发生的是将辐射能采集为电力。一旦辐射热能被采集，这些热能通过导线603和604被传导至总线结构，并能够用于为电子装置供电或传导至电力储存设备。整流天线601的其他细节在481申请、138申请和175申请中有所描述。
图7示出了具有整流天线601的超材料408的横截面视图，其包括天线元件601a和601b以及二极管602。在图7所示实施例中，孔401填满高度绝缘材料708。示范性的高度绝缘材料708包括SU8胶、气凝胶、空气、以及真空。材料708必须绝缘但是可让辐射透过。整流天线601设置在距离超材料408表面某一距离703处。这个距离非常重要，因为电场功率随着距表面的距离呈指数下降。在一实施例中，该距离为3μm或大约3μm，这样为绝热与接近场强之间提供了良好的平衡。在另一实施例中，整流天线601置于近场内孔401上方的某一距离处，该距离为小于引起表面共振的特定频率的波长的0.5倍。在一具有多个孔401的实施例中，整流天线601置于各个孔401上方。在一具有多个孔401的实施例中，整流天线置于某些孔401而不是所有孔上。
在整流天线601顶部的材料706和707将整流天线601连接至冷源710并将热量传导至冷源710。包围整流天线601的材料704和705是隔热的，以防止源701损失热，并用于通过辐射将热量引导至整流天线601。
图8示出了本发明的实施例，其用于在深空低温环境中从地球获取能量。在这个实施例中，深空充当整流天线1101的冷却源。如图8所示，整流天线1101置于柱式超材料结构1104的近场内。柱式结构1104集中电场，并利用上述模拟，将该电场以根据表面超材料结构设计来设定的频率来释放，其中该电场由陆地源(例如地球)所释放的热量在表面上产生。为了将这种系统的卡诺系统优点最大化，期望将整流天线1101的频率调谐至地球大气的空带。公知的两个上述带为：3μm至5μm，以及8μm至12μm。调谐至这个带的整流天线将会自由地向深空冷源发出辐射，并创建出其卡诺区接近100％的系统(C＝1-Tc/Th；其中Tc＝3K，而Th＝300K)。
如图8所示，在一使用外层空间作为冷源的实施例中，超材料为多根柱1104的形式，而不是孔401，图8示出了其中一根柱。在一实施例中，多根柱如上述对于孔401那样周期性地布置。柱1104被绝热且可被辐射穿透的材料1103包覆。这种材料1103的示例为气凝胶。在另一实施例中，材料1103可替换为真空，以优化绝热性能。在一实施例中，整流天线1101置于柱1104上方2μm或大约2μm处。在另一实施例中，整流天线1101置于近场内，位于柱1104上方某一距离处，该距离为小于引起表面共振的特定频率下的波长的0.5倍。在一实施例中，整流天线1101置于某些柱1104上方，而不是所有柱上方。在一实施例中，柱1104的高度至少为整流天线1101所调谐的频率下的波长的1/4。柱设计1104允许整流天线1101的元件向深空1106发出辐射，因为空间1106距金属表面的距离大于1/4波长。极为贴近柱1104与距离金属表面1105大于1/4波长的结合，使得整流天线1101能够从被调整的超材料1104接收能量，并仍然向外层空间1106发出辐射。
整流天线1101的调谐频率等于超材料1104的调谐频率，这是有利的，这样表面等离激元将会非常高效地将能量释放至整流天线1101。而且，整流天线1101必须被调谐至大气空带的范围内。
图8所示的系统将能量采集成电力，因为整流天线1101被模拟为由陆地源激发振动。在实施例中，效率来源起源于能源的反射，而能源来自于附近的陆地源，其中陆地源位于空的大气窗口以外的带范围内。该系统必须为整流天线1101反射掉这种“带外”能量来通过外层空间1106来保持冷却。
这是环境外罩1102的一部分目的。环境外罩1102是绝热的，且对于大气的“带内”波长，即空带具有辐射可透性。方向性也是本设计中的重要因素。因为该系统与天空接触，整流天线1101必须指向天空并且不会被介入物掩盖。
图9示出了多个这种元件。表面1105上的超材料柱1104创建等离激元结构，该等离激元结构在柱结构顶端集中等离激元电场。整流天线1101置于这个结构的近场内，并被调谐至在等离激元频率进行近场共振。整流天线1101的调谐必须匹配大气透窗的一部分。
如果在如图8和9所示的实施例中，用天线代替了整流天线1101，该系统将热能转换为天线调谐频率下的辐射。在用作THz辐射的廉价来源时，这种系统具有显著的优点。特别是，覆盖有THz调谐天线(匹配被调整的超材料1104)的表面以非常低的成本产生THz辐射。整个THz范围能够通过在表面1105上覆盖某表面的亚区来产生，该表面亚区被调谐至THz频谱的亚区(包括天线和超材料的频谱)。
图10示出了根据一实施例，用于产生THz辐射的系统。THz源层1202匹配THz传感器1204，THz源层1202和THz传感器1204可以如481申请、138申请和175申请所述。
如图10所示，热源1201发热。THz源层1202包括THz超材料和调谐至THz频率的天线。在THz源层1202中的超材料在调谐的THz的频率下产生能量，以作为对热源1201发热的响应。在THz源层1202中的天线装置也被调谐至THz频率，并向THz传感器1204发出THz辐射。THz传感器1204响应所发出的THz辐射，生成电力输出，这些电力通过电力总线1205来承载并向电气装置供电，电气装置例如为计算机1206，其除了一般元件之外，可包括例如数字处理能力、存储功能、以及显示功能。在一实施例中，THz源1202如上文关于天线的变体所述，天线的变体如上文关于图8和图9所述。这种系统在相隔距离以低成本提供了主动发射的THz检测。THz源1202和THz传感器1204均为在THz范围内可调，使得这种系统高度灵活，并可延展至各种应用上。

Claims (17)

1.一种将热量转换为电力的系统，包括：
超材料，其具有表面，所述表面被调整为在所需频率下产生增强电场；以及
置于所述增强电场上方一定距离处的整流天线，其与所产生的电场相互作用，并由此产生电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超材料的所述表面包括具有某一尺寸和间距的多个孔，以引发所述表面在所需频率下产生增强电场，并且其中整流天线置于各个孔上方。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，各个整流天线置于近场内，位于所述孔上方的某一距离处，所述距离为小于所需频率下的波长的0.5倍。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流天线包括：
调谐至所需频率的天线，与所产生的电场相互作用，由此在天线元件内产生电流；以及
传送结构，将电流转换为直流电。
5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括，至少一根承载直流电的导线，用于为其他装置供电或传导至电力储存设备。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括，充当冷却散热器的冷源，以冷却整流天线。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括，绝热且可被辐射穿透的材料，其置于所述超材料的所述表面与整流天线之间。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述整流天线包括天线元件，其进一步包括导热材料，用以将所述天线元件连接至冷源。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括，在所述导热材料任一侧上的绝热材料，防止热源损失热。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，孔尺寸和孔距在所述超材料的所述表面上形成周期性模式。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超材料的所述表面包括具有某一尺寸和间距的多根柱，以引发所述表面在所需频率下产生增强电场。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，深空用作所述整流天线的冷却散热器。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述整流天线置于近场内，位于每根柱上方的某一距离处，所述距离为小于所需频率下的波长的0.5倍。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述柱的高度大于所需频率下的波长的1/4。
15.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括，绝热且可被辐射穿透的材料，所述材料包覆每根柱。
16.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括，环境外罩，用以反射掉带外能量。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述所需频率的波长带为3μm至5μm，以及8μm至12μm的其中之一。
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