CN1716749A - 集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，为按特定几何结构沉积有光电薄膜及热离子发射薄膜、并在基底上设置有半导体热电元件及其他更多类型微电池模块，从而实现良好能量梯级利用的集光电、温差电及热离子电等于一体的复合式电产生模块。本发明提供的发电模块可在许多场合下发挥作用，特别是在配备同位素燃料后，可作为空间微飞行器或其他有效载荷的高效、长寿命电池；另外，在地面上太阳能比较丰富的地方，或者不方便建立其它能源供应的地方如沙漠等，该装置尤其会发挥重要作用；值得指出的是，将本发明提供的发电模块进一步微型化后，还可作为一些微电子机械系统的高效、长寿命供能装置。

Description

集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块

技术领域

本发明涉及一种空间用的集成化多模式发电器件，特别涉及一种按特定几何结构沉积有光电薄膜、热离子发电元件、同位素燃料、半导体热电元件或更多其他类型薄膜电池，从而实现良好梯级能量利用的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电装置。

背景技术

在迄今所展开的各种探索、开发和利用太空的过程中，能源技术始终是一个关键。众多的宇航器如人造卫星、载人飞船、空间飞行器、轨道载人太空站、行星际探测器等，由于太空工作需要，均须配备能源，以满足诸如姿态及热控制、电推进、有效载荷能耗等需求。因此，就太空能源技术的开发，各航天大国一直投以巨资极力推进。近年来，由于深空探测的需要，更使长寿命、轻便型微能源的研发被放到一个至关重要的地位。

与地面能源利用不同的是，太空探索活动中，必须发展经济、轻便、自给自足的高效能源体系。在各种空间能源如太阳能电池、核能电池、热电池及燃料电池等中，太阳能电池在一定程度上确实能满足这一要求，因而成为太空活动中的重要能源，但目前其光伏转换效率偏低，要达到较高功率，需要安装面积巨大的太阳能电池板，而这会造成航天器的制造、发射和使用成本增高，可靠性下降。我们知道，空间太阳能的特点与地球表面不同，比如：太阳的光能只有二十二亿分之一能到达地球大气高层，经大气层时53％被反射和吸收，仅有不到一半的能量到达地球表面。所以，在近地表面的空间，太阳能的利用效率比在地球上高很多，这给活动于该区域的飞行器(如微小卫星等)提供了高效利用太阳能的机会。此外，空间电力设备还常常工作于极端环境条件下，比如它们的部分表面暴露于强烈阳光的辐照下，而其余部分则处于极低背景温度(约4K)下的真空中。由此会在元件中产生很大的温度梯度(如太空船体的内外两侧就可能经受巨大而且稳定的温差)。如能利用这部分免费的温度梯度来产生电力，则对于太空航行、卫星的通信系统、空间站和其它太空活动具有重要意义。此方面，热电元件是一种较好的电力产生装置，尽管其温差发电效率偏低，但技术相对成熟，结构简单轻便，因而事实上在太空飞行器中，很早就发挥了作用，并一直延续至今。除空间应用外，研究热电转换的价值还体现在地面节能及发展清洁能源方面(如工业余热利用、分布式发电等)。1990年至今，国际上由于对无污染空调和制冷器件的电力设备需要，使得对提高热电材料工作效率的研究得到了大量的经费支持，近年来的研究热度更趋高涨。然而，相比于半导体制冷研究，温差发电技术却长期被忽视。近年来，随着能源资源的日益短缺，这种技术逐步成为关注的焦点。

选择空间能源需根据航天任务要求而定，如工作环境、持续时间、体系质量、转换效率乃至制造成本等。由于受到发射成本、空间运行等的限制，太空能源要求具有小尺寸、高功率密度等特点。目前的空间系统电源大体可分为五类：1.涡轮发电机(短时间供电)；2.燃料电池(短时间供电)；3.光电发电机(相对较重-每千瓦电功率为50公斤，体积为每千瓦电功率5-12平方米)；4.太阳能发电机(可作为空间站补充能源)；5.放射性同位素热电发电机(使用寿命长，容易发展)。

在各种能源形式中，太阳电池已成为空间技术中的支撑性电源，但随着所需功率的增大，其布片面积将成正比地直线上升。而且，这类供电系统必须依赖阳光，需配备采光定向装置和卫星进入无光周期使用的蓄电池；若远离太阳，日照强度会下降(如火星附近的日照强度已是地球轨道附近强度的50％)，如继续远离太阳到土星、木星、天王星、海王星、冥王星去探测，日照强度将更为显著减弱，此时，太阳电池供电系统完全失去其存在的意义。而且，在进行月球探测时，由于月球的夜间时间相当于地球的14天，在此期间无光照，月球工作站会因此可能被冻毁，所以科学家预计，采用核电源可望是一种可靠的选择，而其核心发电元件正是热电转换器。现在逐步为人们所认同的是，对于飞行任务遥远的深空探测及远离太阳的地方，热电转换器几乎是唯一可选的能源。

太空能量转换系统中，热电转换起着举足轻重的作用。在一些太空热电转换中，已用到多达近万个热电元件，通过调整其数目来获得不同的功率输出。与光电转换过程必须依赖阳光不同的是，热电转换由于具备小尺寸、高功率密度等优点而倍受重视。其热量的来源过去主要是通过功率密度极高的核燃料提供，因而可将整个电源系统作得很小、很轻。热电转换一般有半导体热电转换式及热离子辐射式。前者在太空中的应用由来已久，美国NASA发射的Cassini太空船就使用了三组热电发电器，而非太空中无所不在的太阳光能，它依靠燃料(同位素)的放射性衰减释放热量，从而驱动热电转换产生电力。除了这类热电转换方式外，热离子辐射式核电源也具有很多优点，在大功率下其比功率远远高于太阳能电池系统，且寿命极长，其许多用途为太阳能电池供电系统所无法取代，因而人们普遍认为，热离子辐射式核反应堆电源的性能最为优越。在其发展初期主要是满足军事航天工程的需要，许多太阳系探测器中都采用放射性同位素电热转换作为其动力和热源。这种电源在体积、重量及其相对于太阳对卫星的姿态方面没有要求，功率可以很快提升到名义功率值的2-2.5倍。同位素电池由于具有寿命长、运行可靠、结构紧凑、不受环境影响等特点，是一种可与太阳能电池和化学电池相媲美，且性能优良的空间电源。目前同位素温差发电器的服务期限可达十几年，且可作到极小尺寸，比如此方面的一个典型例子是作为心脏起博器用的钮扣电池。由于这些特点，同位素温差发电是发展空间微型能源系统的较佳候选方案，毫无疑问，它在各种脱离基地长期工作的微系统如微飞行器中的应用价值极高。

可见，许多空间电源的核心技术路线是基于光电-热电转换的原理，沿此方向可以实现更新更轻的高致密性复合能源系统。单一能源各自均存在一定缺点，无论何种发电技术，它们目前的效率均仍偏低，而改善其性能的重要途径就是发展出复合式能源系统，以使之达到相互匹配而实现能量的梯级利用。实际上，通过深入剖析各种发电器件的工作特点，可以看到，它们的工作温度范围存在一定差异，也就是说存在一定的温度梯度，比如，热离子电转换器的发电效率很高，可以达到卡诺循环的效率，但它需要在一个极高的温度下工作；半导体热电元件和光电薄膜的发电效率偏低，但可以在比较低的温度下工作。因此，从能量综合利用的角度看来，若能充分将这些发电元件耦合到一起，并发挥各自的产电优势，可望从最终效果上实现能量的高效率利用。本发明正是针对空间能源单一形式的不足，提供的一种新型复合式空间微能源系统，其目的旨在通过多种产电方式联合，并结合发热密度极高、寿命极长的燃料如同位素燃料，实现光电及热电长期持续稳定的供应。毫无疑问，集光电、温差电及热离子电于一体的复合式发电器件将会比任何一个单一的发电器件的效率更高、能源输出更多。而且，若将同位素燃料代之以地面上常规的燃料如石油、天然气等，还易于将本发明提供的装置拓展应用到地面上的各种军事及民用场合。甚至，在无燃料的情况下，本装置也可作为光电及温差发电耦合在一起的高效太阳能发电模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间用的集成化多模式发电装置，特别涉及一种按特定几何结构沉积有光电薄膜、热离子发电元件、同位素燃料、半导体热电元件及更多其他类型薄膜电池，从而实现良好能量梯级利用的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块。

本发明提供的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其每一部件均可由常规的薄膜型发电元件构成，各自的发电原理分别介绍如下。

光电薄膜：当光线照射到金属的表面时，金属会释放出电子，这种效应被称为光伏效应。光电薄膜材料一般有钻石、类钻、ITO透明导电膜、多晶硅、氮化钛、锌、钨等。其中，多晶硅薄膜太阳电池既具有体材料晶体硅电池性能稳定、工艺成熟和高效的优点，又有大幅度减少材料用量从而显著降低成本的潜力，因而成为目前光伏界的研究热点。

热离子电薄膜：热离子转换器是一种将热能转化为电能的装置，其原理在于将射电部分(emitter)升至很高温度，沸腾的电子从表面射出，通过一个极狭窄的电极间隙，到达一个温度较低的集电部分(collector)。热离子转换器实际上是一种热机，所以它的最高效率受到卡诺循环的限制。典型的热离子电工作参数如下：射电部分工作温度1600-2000K；集电部分工作温度800-1100K；电极间隙＜0.5nm；电极效率＞20％；能量密度1-10W/cm²。典型的热离子电材料如下：射电部分可采用W，Re，Mo等；集电部分可采用Nb，Mo等；绝缘材料可采用Al203，Al203/Nb金属陶瓷等；电极间可充气Cs，真空度在1 Torr左右。

热电元件：热电效应取决于Seeback效应。两个不同的导体A和B形成一个通路，当两个电路节点处于不同温度时，电路中将有电流产生。不同温区下的温差发电需采用不同的热电元件材料。对于高温下的热电转换如利用热离子电的余热来发电时，需要采用工作温度比较高的热电元件，如GeTe(+Bi)、AgSbTe2、SiGe等。

除这里特别介绍的几种薄膜型发电元件外，其他类型的薄膜或块状发电元件也均可按本发明提供的技术路线组合在一起，从而实现能量的综合利用。为简洁起见，本发明中主要以太空利用中常见的光电、热电及同位素热离子电转换器的组合为例说明这种复合器件的实现途径。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，包括：

平行放置的一光收集器6和一散热板7；以及

放置在光收集器6和散热板7之间的一光电薄膜层1、一热离子电薄膜层2、一半导体电薄膜层3和一高密度发热模块层5；

放置在所述光收集器6的上方的太阳光聚焦的聚光器4；

所述光电薄膜层1，包括密闭真空环境及放置在该密闭真空环境中的阴极和阳极，阴极和阳极之间通过负载电路连接；所述光电薄膜层1为钻石、类钻、ITO、多晶硅、氮化钛、锌、钨材质的材质的透明导电膜；其工作温度在100K到1500K；

所述热离子电薄膜层2，包括充有Cs气体的密闭空间或真空度在1 Torr的真空间，及放置于密闭空间或真空间的集电极和射电极，集电极和射电极之间通过负载电路连接；所述射电部分的材质为W、Re、Mo，其工作温度1600-2000K；所述集电部分的材质为Nb、Mo，其工作温度800-1100K；

所述半导体热电薄膜层3，其上部紧贴热离子电薄膜层2的集电极，下部处于环境温度中，所述上部和下部通过负载电路连接；所述热电薄膜层3为GeTe、AgSbTe2或SiGe材质的热电薄膜层；

所述高密度发热模块层5为Po-235同位素燃料、石油或液化天然气燃料制做的发热模块层；

该空间微型发电模块的总体尺寸为1mm×1mm×1mm到100cm×100cm×100mm范围。

所述的光电薄膜层1、热离子电薄膜层2、半导体电薄膜层3和高密度发热模块层5为层层叠加的串联排列。

所述的光电薄膜层1、热离子电薄膜层2、半导体电薄膜层3和高密度发热模块层5为热并联排列式。

所述的光电薄膜层1、热离子电薄膜层2、半导体电薄膜层3和高密度发热模块层5为同心环或同心圆排列。

所述光电薄膜层1为1至8层；所述的热离子电薄膜层2为1至8层；所述热电薄膜层3为1到8层，所述底下几层为Bi2Te3、PbTe、ZnSb、Ge、InSb材质的热电薄膜层；所述的高密度发热模块层5为1至8层。所述的光电薄膜层1、热离子电薄膜层2和半导体电薄膜层的发电负载电路独立。所述太阳光聚光器4为任一种可将太阳光有效聚集的玻璃或其他有机聚合物材质的太阳光聚光器。

所述散热板7为铝或钛高导热轻质金属材质的肋片式散热板。

其中，太阳光聚焦的聚光器4可以采用任何一种有效的聚光方法。光电薄膜层1中，包括了密闭的真空环境，聚焦过的太阳光照射在其阴极上，阴极射出电子，流向阳极，通过负载电路连接阴极和阳极，形成电流。

热离子电薄膜层2中，包括了密闭的空间，里面可以是真空，也可以充入Cs气体。热离子射电极接收通过光电薄膜层1的太阳能或同位素燃料燃烧后产生的热量，达到较高的工作温度以后，发射出电子，并流向温度较低的集电极，余热则由集电极排出，供下一级能量发电元件使用。负载电力连接集电极和射电极，形成电流。

半导体热电薄膜层3的上部，紧贴热离子电薄膜层2的集电极，利用集电极排出的余热，半导体热电薄膜层的下部处于环境温度中。这样，利用半导体热电薄膜层上部和下部的巨大温差，用负载电路连接两个节点，借助于温差电效应，形成电流。

对于半导体热电薄膜基底温度仍较高如500℃的情况，还可在此处布置一微型蒸汽轮机，内部设置有工质如水，一方面可对热电薄膜的底部进行降温，另一方面，受到加热的蒸汽将冲击微型叶片，从而带动电机发电。这有些类似于燃汽蒸汽联合循环的情况，技术相对成熟，直接采用即可。

光电层、热电层和热离子电层，每层厚度可从数十纳米到数十厘米，面积可以从1mm²到1×10⁴cm²。每种能量形式可包含多层同类型发电薄膜，如光电层可由沉积有1至8层的光子吸收率略有差别的光电薄膜构成，而对于半导体薄膜热电层，也可包括工作温区有一定差别的1至8层的匹配在一起的复合式热电层。对于其他薄膜型发电器件如固体微型燃料电池等，也可按类似方法制作。

光电薄膜层的材料可有钻石、类钻、ITO透明导电膜、多晶硅、氮化钛、锌、钨等。其工作温度可在100K到1500K范围。采用分层的概念，一方面是能够充分的利用太阳能；另一方面，太阳光不同波长的光线，能够在对应的薄膜层中，得到更高效率的光电转换效率。这样，光电部分的整体发电效率也会得到提高。甚至针对光电薄膜层，其材料还可以设计成混合型，即既具有光伏特性，又具有热释电特性，这样，当这种混合型光电池在接收阳光时，其输出的电能既有由阳光直接转化而来的电能，又有经过吸收太阳光变成热能后以热释电方式转化而来，这种光电池效率显然会高于以往的单一性光电池。

除了利用太阳能产热外，还可采用燃料如同位素燃料Po-235或Po-210等通过放射衰减产热，也可采用常规燃料如石油、天然气，通过微型燃烧器的燃烧产生热量。这部分高密度发热模块可根据热管理的需要，按串连方式或其他结构设置到以上所述的产电模块中。

热电薄膜层的材料需要采用工作温度比较高的热电元件，例如GeTe(+Bi)、AgSbTe2、SiGe等，也可以分为1到8层，在底下的几层中，可以采用工作温度较低的热电元件，例如Bi2Te3、PbTe、ZnSb、Ge、InSb等。采取分层的方法，是考虑到工作温度较低的热电元件发电效率相对较高，分层以后，整个热电层的工作效率会有所提高。

热离子薄膜层采用的材料可以是：射电部分W、Re、Mo，工作温度1600-2000K；集电部分Nb、Mo，工作温度800-1100K；绝缘材料Al203，Al203/Nb CERMET；电极充气Cs，真空度在1 Torr。

总之，无论是光电薄膜、半导体热电元件，还是热离子电材料，都是直接把光能或热能转化为电能，并且没有机械运动部件。相对其它发电方式而言，这三种发电方式都是简便的、可靠的，每种技术都相对成熟，这使得本项目提供的多模式发电模块的制作比较可行；另一方面，由于将多种发电方式耦合在一起的尝试极少，这又使得本发明技术具有很强的新颖性。随着科技的发展尤其是微/纳米技术的发展，无论是光电材料、热电元件还是热离子电材料，都在向微小化和高效率方向发展，使得各种薄膜材料性能进一步提高。这将使本发明的制作更加简便。本发明提供的复合式电能转换器，其每一组件如光电薄膜、热电元件、同位素燃料等均可直接购买到，因而利用这些原材料进行组合并无困难。

以上阐述的复合发电器件中，三个部分的负载电路是独立的，每个薄膜层相当于一个电源，内阻不同，发电效率和输出都是独立的，因而可分别输出电能。但是在热流上是一个串联的关系，三个薄膜层的能量来源来自太阳能或燃料产生的热能。此外，由本发明提出的复合式能源结构不限于以上方案，也可结合更多发电模块形式如微型固体燃料电池、碱金属燃料电池等实现更多应用。

本发明充分地实现了能量的梯级利用，因而可望比以往任何一种基于单一电能转换方式的发电器件的效率都高，从而是一种致密能源系统，在太空及地面能源的高效利用中有重要作用。

附图说明

附图1为本发明提供的一种层状形复合式发电器件结构示意图；

附图2为本发明提供的一种平面型复合式发电器件结构示意图；

附图3为本发明提供的一种同心环型复合式发电器件结构示意图。

其中：1-光电薄膜层；2-热离子电薄膜层；

      3-半导体电薄膜层；4-太阳光聚焦器；

      5-高密度发热模块；6-光收集器；

      7-散热板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。

本发明提供的技术路线可以实现多种复杂能源模块的组合。作为示例，这里主要以层层叠加的热串联结构加以说明。

图1是本发明提供的一种层状复合式发电器件结构示意图，包括：

平行放置的一光收集器6和一散热板7；以及

放置在光收集器6和散热板7之间的一光电薄膜层1、一热离子电薄膜层2、一半导体电薄膜层3和一高密度发热模块层5；

放置在所述光收集器6的上方的太阳光聚焦的聚光器4；一光电薄膜层1；

其中，用于将太阳光聚焦的聚光器4，可以采用任何一种有效的聚光方法。聚光器4厚度可在10nm-10cm，宽度和长度可在1nm到100cm；材料可由玻璃或一些有机聚合物材料做成。为满足尽可能多吸收、少反射阳光的要求，聚光器4的表面形状和结构可采用多样化设计，甚至是柔性结构。

光电薄膜层1中，包括了密闭的真空环境，聚焦过的太阳光照射在其阴极上，阴极射出电子，流向阳极，通过负载电路连接阴极和阳极，形成电流。光电薄膜层的材料可有钻石、类钻、ITO透明导电膜、多晶硅、氮化钛、锌、钨等。光电部分可以为单级结构，也可以是1到8级的光电薄膜层复合而成。其工作温度在100K到1500K。采用分层的概念，一方面是能够充分的利用太阳能；另一方面，太阳光不同波长的光线，能够在对应的薄膜层中，得到更高效率的光电转换效率。这样，光电部分的整体发电效率也会得到提高。

除光电层外，热电层和热离子电层，每层厚度也均可从数纳米到数十厘米，面积可以从1mm²到1×10⁴cm²。

热离子电薄膜层2中，包括了密闭的空间，里面可以是真空，也可以充入Cs气体。热离子射电极接收通过光电薄膜层1的太阳能或同位素燃料燃烧后产生的热量，达到较高的工作温度以后，发射出电子，并流向温度较低的集电极，余热则由集电极排出，供下一级能量发电元件使用。负载电力连接集电极和射电极，形成电流。热离子薄膜层采用的材料可以是：射电部分W、Re、Mo，工作温度1600-2000K；集电部分Nb、Mo，工作温度800-1100K；绝缘材料Al203，Al203/NbCERMET；电极充气Cs，真空度在1 Torr。

半导体热电薄膜层3的上部，紧贴热离子电薄膜层2的集电极，利用集电极排出的余热，半导体热电薄膜层的下部处于环境温度中。这样，利用半导体热电薄膜层上部和下部的巨大温差，用负载电路连接两个节点，借助于温差电效应，形成电流。热电薄膜层的材料需要采用工作温度比较高的热电元件，例如GeTe(+Bi)、AgSbTe2、SiGe等，也可以分为1到8层，在底下的几层中，可以采用工作温度较低的热电元件，例如Bi2Te3、PbTe、ZnSb、Ge、InSb等。采取分层的方法，是考虑到工作温度较低的热电元件发电效率相对较高，分层以后，整个热电层的工作效率也会有所提高。

本发明中，用于实现温差发电的热量部分除了利用自身太阳能产热外，还可采用高密度燃料如同位素燃料Po-235通过放射衰减产热，也可采用常规燃料如石油、天然气，通过微型燃烧器的燃烧产生热量。这部分结构表示为如图1所示的高密度发热模块5中。

散热板7可以是各种高导热金属平片，但以轻型材料较佳，如铝、钛等，结构可为肋片式；散热板尺寸可在1nm×1mm×1mm到1mm×100cm×100cm之间。

除采用如图1所示的串联结构外，以上各发电器件及发热模块也可以采用热并联的结构组成，如图2所示。各层可以采用的材料和热串联的时候是一样的。不同的是，热电部分、热离子电部分和光电部分，处于同一个工作温区下。三种发电方式利用的太阳能不同，发电效率不同，最终会达到一种平衡，以实现能量的最大梯级利用，提高太阳能的有效利用效率。

从组合的结构上看，还可以采用由内到外的圆筒状结构，如图3所示。其中，由内而外，分别是燃料棒5，热离子电发电器2、热电发电器3和光电发电器1。其中中间的温度最高，外面为环境温度，从而实现一个径向的巨大的温度梯度。在腔体中心，由于增加了产热机构，如燃烧器或同位素燃料，产生热量即作为发电的能量。例如使用放射性元素钚-235，利用钚-235的发射性衰减释放出热量，可使热离子电元件的两端产生温度梯度而发电。由于同位素燃料功率密度高，因而可将整个机构作得很小。当然，在腔体中，还可以采用更多其它方式提供热能，例如使用化石燃料如石油、天然气燃烧的方式实现。对于无燃料的情况，该温度梯度的产生，也可通过聚焦的太阳能，集中的对中间腔体进行加热，使其温度达到1200K以上的热离子电工作温度。各层的材料，依然可以是前面提到的所有材料。

本发明提供的发电模块可在许多场合下发挥作用，特别是在配备同位素燃料后，可作为空间飞行器或其他有效载荷的高效、长寿命电池；另外，在地面上太阳能比较丰富的地方，或者不方便建立其它能源供应站的地方，例如沙漠等，该装置也会发挥重要作用；值得指出的是，将本发明提供的发电模块进一步微型化后，还可作为一些微电子机械系统的供能装置。

使用时，若太阳能是单独的能量来源时，只需将该发电模块置于光照度较好的地方，即可实现电力输出，从而满足各方面的电力需求。在无光照的情况下，可通过在模块中心设置燃料如各种常规燃料(石油、天然气、生物质等)或特种核燃料(同位素等)提供热源，即可连续地提供电能输出。当然，若联合光电及热电发电，还可提供更大功率、更高效的电能输出。

Claims (11)

1、一种集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于，包括：

平行放置的一光收集器(6)和一散热板(7)；以及

放置在光收集器(6)和散热板(7)之间的一光电薄膜层(1)、一热离子电薄膜层(2)、一半导体电薄膜层(3)和一高密度发热模块层(5)；

放置在所述光收集器(6)的上方的太阳光聚焦的聚光器(4)；

所述光电薄膜层(1)，包括密闭真空环境及放置在该密闭真空环境中的阴极和阳极，阴极和阳极之间通过负载电路连接；所述光电薄膜层(1)为钻石、类钻、ITO、多晶硅、氮化钛、锌、钨材质的透明导电膜；其工作温度在100K到1500K；

所述热离子电薄膜层(2)，包括充有Cs气体的密闭空间或真空度在1Torr的真空间，及放置于密闭空间或真空间的集电极和射电极，集电极和射电极之间通过负载电路连接；所述射电极材质W、Re或Mo，其工作温度1600-2000K；所述集电极材质Nb或Mo，其工作温度800-1100K；

所述半导体热电薄膜层(3)，其上部紧贴热离子电薄膜层(2)的集电极，下部处于环境温度中，所述上部和下部通过负载电路连接；所述热电薄膜层(3)为GeTe、AgSbTe2或SiGe材质的热电薄膜层；

所述高密度发热模块层(5)为Po-235同位素燃料、石油或液化天然气燃料制做的发热模块层；

该空间微型发电模块的总体尺寸为1mm×1mm×1mm到100cm×100cm×100mm范围。

2、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述的光电薄膜层(1)、热离子电薄膜层(2)、半导体电薄膜层(3)和高密度发热模块层(5)为层层叠加的串联排列。

2、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述的光电薄膜层(1)、热离子电薄膜层(2)、半导体电薄膜层(3)和高密度发热模块层(5)为热并联排列式。

3、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块其特征在于：所述的光电薄膜层(1)、热离子电薄膜层(2)、半导体电薄膜层(3)和高密度发热模块层(5)为同心环或同心圆排列。

4、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述光电薄膜层(1)为1至8层；

5、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述的热离子电薄膜层(2)为1至8层；

6、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述热电薄膜层(3)为1到8层，所述底下几层为Bi2Te3、PbTe、ZnSb、Ge、InSb材质的热电薄膜层；所述的半导体电薄膜层(3)为1至8层；

7、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述的高密度发热模块层(5)为1至8层。

8、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述的光电薄膜层(1)、热离子电薄膜层(2)和半导体电薄膜层(3)的发电负载电路独立。

9、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述太阳光聚光器(4)为任一种可将太阳光有效聚集的玻璃或其他有机聚合物材质的太阳光聚光器。

10、按权利要求1所述的集光、温差和热离子电转换于一体的空间微型发电模块，其特征在于：所述散热板(7)为铝或钛高导热轻质金属材质的肋片式散热板。

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