JP2010199577A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱電発電装置に関する。
【解決手段】本発明の熱電発電装置は、集熱器と、熱電変換装置と、を備える。前記集熱器は、少なくとも１つの熱吸収体を含む。前記集熱器の熱吸収体は、前記熱電変換装置に熱的に結合され、且つ外部から熱を吸収して、前記熱電変換装置に伝送する。前記熱吸収体は、カーボンナノチューブ構造体又はカーボンナノチューブ複合材料体を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特にカーボンナノチューブを応用した熱電発電装置に関するものである。

石油の産出量は２０１０〜２０２０年頃にピークを迎えると予測され、経済成長を持続しながらもエネルギーの安定供給と地球環境の問題解決に我々は迫られている。目下地球全体で一次供給エネルギーを消費しているが、その約７０％は１００〜３００℃の低温熱エネルギーであり、未利用のまま大気中に廃棄されている。安価又は資本の投入が小さいなど優れた性能を有する廃熱エネルギー及び太陽エネルギーを有効に利用することが精力的に研究されている。廃熱エネルギーを効率良く、しかも安価で回収する技術の実現は困難であったが、この中で最も有望な太陽エネルギー及び廃熱の回収技術が熱電変換装置としての熱電発電装置である。

熱電変換装置のエネルギー変換率は次の公式を満たす：
ここで、Ｔ_１が高温部の温度であり、Ｔ_２が低温部の温度であり、Ｚが材料と関係のある因子であり、因子
が次の公式を満たす：
即ち、エネルギー変換率が熱電変換装置の採用された材料に関係するばかりでなく、また高温部と低温部との温度差にも関係する。従って、高温部の温度を増加させることによって、熱電変換装置のエネルギー変換率を改善することができる。

図１を参照すると、特許文献１に掲載された従来の熱電発電装置２００は、熱電変換装置２１０と、加熱端部２２０と、冷却端部２２２と、金属層２２４と、ガラス板２２６と、冷却用ヒートシンク２３０と、を備える。前記加熱端部２２０と冷却端部２２２は、前記熱電変換装置２１０の両側に対向されて配置させる。前記金属層２２４が前記加熱端部２２０の前記熱電変換装置２１０から離れた方の表面で熱を吸収するように配置されている。前記金属層２２４は、ニッケル・クロム合金からなる。前記ガラス板２２６は、前記加熱端部２２０と１つの真空室２２８を構成する。前記冷却用ヒートシンク２３０は、前記冷却端部２２２に隣接されて配置される。

中国特許出願公開第２８４７６８６号明細書

Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、ニッケル・クロム合金の太陽エネルギーを吸収する能率が低く、且つ熱を吸収するように配置された前記金属層２２４は、ニッケル・クロム合金からなるので、前記ニッケル・クロム合金からなる金属層２２４を採用して熱を吸収材料として用いる熱電発電装置２００の熱電変換能率が低い。

従って、前記課題を解決するために、本発明は熱電変換能率が高い熱電発電装置を提供する。

本発明の熱電発電装置は、集熱器と、熱電変換装置と、を備える。前記集熱器は、少なくとも１つの熱吸収体を含む。前記集熱器の熱吸収体は、前記熱電変換装置に熱結合され、且つ外部から熱を吸収して、前記熱電変換装置に伝送する。前記熱吸収体は、カーボンナノチューブ構造体又はカーボンナノチューブ複合材料体を含む。

前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも１つのカーボンナノチューブフィルム、少なくとも１つのカーボンナノチューブワイヤ又はカーボンナノチューブアレイからなる。

前記カーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブを含む、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続され、又は複数のカーボンナノチューブが分子間力で接近して、相互に絡み合っている。

従来の技術と比べて、本発明の熱電発電装置の集熱器は、カーボンナノチューブ構造体からなる熱吸収体を採用し、且つカーボンナノチューブが光エネルギーに対して良好な吸収特性を有するので、前記集熱器のエネルギー吸収能率を著しく高める。従って、本発明の熱電発電装置の熱電変換率を有効的に高めることができる。

特許文献１に掲載された従来の熱電発電装置の構造を示す図である。 本発明の熱電発電装置の第一実施形態の構造を示す図である。 図２に示す熱吸収体が採用したドローン構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図３中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。 図２に示す熱吸収体が採用したプレシッド構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図２に示す熱吸収体が採用した綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。 図２に示す熱吸収体が採用したカーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の熱電発電装置の第二実施形態の構造を示す図である。 本発明の熱電発電装置の第三実施形態の構造を示す図である。 本発明の熱電発電装置の第四実施形態の構造を示す図である。 図３中のカーボンナノチューブフィルムを引き出す見取り図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図２を参照すると、本実施形態の熱電発電装置３００は、集熱器３２０と、熱電変換装置３３０と、冷却装置３４０と、を含む。前記集熱器３２０は、熱を集めるように用いられ、且つ収集された熱を前記熱電変換装置３３０に伝送することができる。前記冷却装置３４０は、前記熱電変換装置３３０に対向して配置される。且つ、前記冷却装置３４０は前記熱電変換装置３３０と熱的に接続されている。

前記集熱器３２０は、第一基板３１０と、第二基板３１２と、側壁３１６と、熱吸収体３１４と、第一光選択透過層３２２と、第二光選択透過層３２４と、支持体３２６と、を含む。前記第二基板３１２は、第一表面３１及び該第一表面３１に対向する第二表面３２を含む。前記第一基板３１０は、第二基板３１２の第一表面３１に対向して、所定の間隔を置いて配置される。前記側壁３１６は、前記第一基板３１０と第二基板３１２との間に位置し、且つ前記第一基板３１０と第二基板３１２との間にチャンバー３１８が形成される。前記熱吸収体３１４は、前記チャンバー３１８の中に設置されている。前記支持体３２６は、前記熱吸収体３１４を支持するために設置され、且つ前記熱吸収体３１４に接続される。前記第一光選択透過層３２２は、前記第一基板３１０の前記第二基板３１２に対向する表面に接続されるように、前記チャンバー３１８の中に設置されている。前記第二光選択透過層３２４は、前記第二基板３１２の第一表面３１に接続されるように、前記チャンバー３１８の中に設置されている。

前記第一基板３１０は、ガラス、プラスチック、セラミック、ポリマー、シリコンなどの透明な材料からなる。前記第一基板３１０の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍであるが、３ｍｍであることが好ましい。前記第一基板３１０の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。本実施例において、前記第一基板３１０は、長方形のガラス板である。

前記第二基板３１２は、例えば、金属、ガラス、ポリマーなどの熱伝導材料からなる。ここで、前記金属材料は、亜鉛、アルミニウム、ステンレス鋼などの一種又は幾種の混合物である。前記第二基板３１２の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍであるが、３ｍｍであることが好ましい。前記第二基板３１２の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。本実施例において、前記第二基板３１２は、長方形なガラス板である。

前記側壁３１６は、ガラス、プラスチック、ポリマーなどの強靱性材料からなる。前記側壁３１６の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであるが、１５０μｍ〜２５０μｍであることが好ましい。

前記チャンバー３１８の中に、真空及び熱絶縁性の雰囲気が形成されることができる。又は、前記チャンバー３１８の中に、熱伝導性が低いガス（例えば、窒素）、又は光透過性が高い保温材料（例えば、耐熱性プラスチック）を充填させることができる。本実施例において、前記チャンバー３１８の中に、真空及び熱絶縁性の雰囲気が形成されるので、外部の空気が進入して対流を生じることを防止することができ、前記集熱器３２０の集熱能率を高める。

前記熱吸収体３１４は、複数のカーボンナノチューブのみからなるカーボンナノチューブ構造体、又は複数のカーボンナノチューブと基材からなるカーボンナノチューブ複合材料体である。前記基材は、無機材料、金属材料又はポリマーであり、例えば、酸化アルミニウム、銀、銅、ニッケルなどの優れた熱伝導率を有する材料かるなることが好ましい。前記熱吸収体３１４の厚さがその光の吸収率と関係し、即ち、前記熱吸収体３１４がより厚くなれば、前記熱吸収体３１４の単位時間当たりの吸収熱量が多くなる。本実施例において、前記熱吸収体３１４の厚さは３μｍより大きい。

前記カーボンナノチューブ構造体及びカーボンナノチューブ複合材料体におけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも１つのカーボンナノチューブフィルム又は複数のカーボンナノチューブワイヤからなる。前記カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブからなり、自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、前記カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。

前記カーボンナノチューブ構造体には、複数のカーボンナノチューブが均一に分散されている。該複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。前記カーボンナノチューブ構造体に、前記複数のカーボンナノチューブが配向し又は配向せずに配置されている。前記複数のカーボンナノチューブの配列方式により、前記カーボンナノチューブ構造体は非配向型のカーボンナノチューブ構造体及び配向型のカーボンナノチューブ構造体の二種に分類される。本実施例における非配向型のカーボンナノチューブ構造体では、カーボンナノチューブが異なる方向に沿って配置され、又は絡み合っている。配向型のカーボンナノチューブ構造体では、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列している。又は、配向型のカーボンナノチューブ構造体において、配向型のカーボンナノチューブ構造体が二つ以上の領域に分割される場合、各々の領域における複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。この場合、異なる領域におけるカーボンナノチューブの配列方向は異なる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

本発明のカーボンナノチューブ構造体としては、以下の（一）〜（五）のものが挙げられる。

（一）カーボンナノチューブアレイ
前記カーボンナノチューブアレイは、複数の相互に平行、且つ前記基板に垂直なカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブアレイは高さが１００μｍ程度になる。

該カーボンナノチューブアレイは、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材を提供し、該基材はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。

本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。

本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。

（二）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、図３に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献１を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている（図１１を参照）。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。図３及び図４を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長さ方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。

前記カーボンナノチューブ構造体は、積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ構造体に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。

前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は次のステップを含む。

第一ステップでは、前記（一）のカーボンナノチューブアレイを提供する。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイから、少なくとも、一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす。まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。例えば、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブセグメントからなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。

前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブセグメントが端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。

（三）プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。

図５を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向せずに配置される。該カーボンナノチューブフィルムは、等方的に配列されている複数のカーボンナノチューブを含む。隣接するカーボンナノチューブが分子間力で相互に引き合い、接続する。該カーボンナノチューブ構造体が平面等方性を有する。該カーボンナノチューブフィルムは、平面を有する押し器具を利用して、カーボンナノチューブアレイが成長された基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを押すことにより形成される。

また、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列されることもできる。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。

（四）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。図６を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで、自立構造は、支持体材を利用せず、前記カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができるという形態である。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。

前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のステップを含む。

第一ステップでは、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの素になるカーボンナノチューブ）を提供する。

ナイフのような工具で前記カーボンナノチューブを前記基材から剥離し、カーボンナノチューブ原料が形成される。前記カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。前記カーボンナノチューブの原料においては、該カーボンナノチューブの長さは、１００マイクロメートル以上であり、１０マイクロメートル以上であることが好ましい。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成する。

前記カーボンナノチューブ原料を前記溶剤に浸漬した後、超音波式分散、又は高強度攪拌又は振動などの方法により、前記カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。前記溶剤は水または揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法により、カーボンナノチューブを含む溶剤に対して１０〜３０分間処理する。カーボンナノチューブは大きな比表面積を有し、カーボンナノチューブの間に大きな分子間力が生じるので、前記カーボンナノチューブはそれぞれもつれて、綿毛構造に形成されている。

第三ステップでは、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液をろ過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出す。

まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を濾紙が置かれたファネルにつぎ、しばらく放置して、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が分離される。前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが互いに絡み合って、不規則的な綿毛構造となる。

分離された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を容器に置き、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を所定の形状に展開し、展開された前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に所定の圧力を加え、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に残留した溶剤を加熱するか、或いは、該溶剤が自然に蒸発すると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が展開される面積によって、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度を制御できる。即ち、一定の体積を有する前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は、展開される面積が大きくなるほど、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度が小さくなる。

また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ Ｆｕｎｎｅｌ）を利用して綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。具体的には、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、前記綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を、前記微多孔膜を通して前記エアーポンプファネルにつぎ、該エアーポンプファネルに抽気し、乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２マイクロメートルにされている。前記微多孔膜は平滑な表面を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムは容易に前記微多孔膜から剥落することができる。さらに、前記エアーポンプを利用することにより、前記綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムに空気圧をかけるので、均一な綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成させることができる。

（五）カーボンナノチューブワイヤ
前記カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一本のカーボンナノチューブワイヤを含む。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの熱容量は、０（０は含まず）〜２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであり、５×１０^−５Ｊ／ｃｍ^２・Ｋであることが好ましい。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は４．５ｎｍ〜１ｃｍである。図７を参照すると、前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。また、前記カーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することもできる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。この場合、一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。前記カーボンナノチューブ構造体は、前記非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はそれらの組み合わせのいずれか一種からなる。

前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してなるカーボンナノチューブフィルムを利用する。前記カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種では、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、前記カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断し、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、前記カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、前記カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成することができる。第三種では、前記カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）してねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。詳しく説明すれば、まず、前記カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、前記紡糸装置を動作させて前記カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。

前記カーボンナノチューブ複合材料体は、カーボンナノチューブとポリマー基材からなる場合、カーボンナノチューブの質量パーセンテージは８０％である。前記カーボンナノチューブ複合材料体は以下のステップによって形成する。まず、複数のカーボンナノチューブを、硬化剤を含む溶液に浸漬させて混合物を形成する。次に、前記混合物を固化させて、カーボンナノチューブ複合材料体を形成する。前記カーボンナノチューブ複合材料体は、カーボンナノチューブと無機の材料基体／金属材料基体からなる場合、前記カーボンナノチューブ複合材料体は以下のステップによって形成する。まず、複数のカーボンナノチューブを無機の材料又は金属粉を含む有機溶剤に浸漬させて混合物を形成する。次に、前記混合物から有機溶剤を揮発させるので、カーボンナノチューブ複合材料体を形成する。

その他、複数のカーボンナノチューブを１，２−ジクロロエタンに分散させ、且つ超音波で前記複数のカーボンナノチューブを液体の１，２−ジクロロエタンに十分に分散させて混合物を形成する。次に、前記十分に分散させた混合物をテルピネオールとセルロースの混合物に加入させて固化するので、カーボンナノチューブ複合材料体を形成する。

本実施例において、前記熱吸収体３１４は、複数のカーボンナノチューブフィルムが積層されて形成されたものである。前記カーボンナノチューブフィルムが良好な柔軟性を有するので、前記熱吸収体３１４は所望の形状により曲げられることができる。さらに、カーボンナノチューブは、各々の波長の光に対して良好な吸収特性を有し、特に、太陽光に対して優れた吸収能力を持っている。従って、本発明のカーボンナノチューブフィルムは、照射された太陽エネルギーの９３％〜９８％を吸収することができる。

前記第一光選択透過層３２２と第二光選択透過層３２４は、紫外光線、可視光線、近赤外光線を透過させ、遠赤外光線を反射させることができる。前記熱吸収体３１４は、太陽エネルギーを吸収した後、遠赤外光線を続いて放射する。前記放射された遠赤外光線は、前記第一光選択透過層３２２と第二光選択透過層３２４に反射された後、再び前記熱吸収体３１４に吸収される。従って、前記集熱器３２０の光吸収率を高めることができる。前記第一光選択透過層３２２と第二光選択透過層３２４は、それぞれインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛酸化アルミニウム、カーボンナノチューブフィルム又は二酸化チタンからなる。前記第一光選択透過層３２２と第二光選択透過層３２４の厚さは、それぞれ１０ｎｍ〜１μｍである。本実施例において、前記第一光選択透過層３２２と第二光選択透過層３２４は、それぞれインジウムスズ酸化物からなる。

前記支持体３２６は、前記熱吸収体３１４の、前記第二基板３１２の第一表面３１に対向する表面に配置される。前記支持体３２６は、前記熱吸収体３１４を支持するために設置される。前記支持体３２６は、ガラス、銅又はアルミニウムなどの熱伝導率係数が高い材料からなる。

前記熱電発電装置３００は、さらに少なくとも１つのスペーサー（図に示せず）を含む。前記スペーサーは、前記側壁３１６と同じ高さを持っている。前記スペーサーは、熱伝導率が低い材料、例えば、ガラス又はセラミックからなる。前記スペーサーの形状に対しては特に制限がなく、球形又は柱形の形状に形成されることができる。前記第一基板３１０と第二基板３１２が大寸法である場合、前記スペーサーが外部の気圧に抵抗するために、前記第一基板３１０と第二基板３１２の間に配置される。当然、前記第一基板３１０と第二基板３１２が小寸法である場合、スペーサーは省略可能である。

前記熱電変換装置３３０は、前記集熱器３２０のチャンバー３１８の中に設置され、且つ前記第二光選択透過層３２４と前記支持体３２６の間に位置する。前記熱電変換装置３３０は、複数の第一電極３３２と、複数の第二電極３３４と、複数のＰ型熱電材料体３３６と、複数のＮ型熱電材料体３３８と、を備える。前記複数のＰ型熱電材料体３３６と複数のＮ型熱電材料体３３８は、交互に間隔を置いて配置されている。即ち、前記Ｎ型熱電材料体３３８は、隣接した２つのＰ型熱電材料体３３６の間に位置する。前記各々のＰ型熱電材料体３３６は、前記各々のＮ型熱電材料体３３８と平行する。前記複数のＰ型熱電材料体３３６と複数のＮ型熱電材料体３３８は、前記複数の第一電極３３２及び複数の第二電極３３４によってチャンバー３１８の中に電気的に接続されている。前記熱電変換装置３３０を作動させる場合、電流が前記複数のＰ型熱電材料体３３６と複数のＮ型熱電材料体３３８に交互に順番に流れ込むことができる。本実施例において、前記１つの第一電極３３２は、２つの隣接したＰ型熱電材料体３３６とＮ型熱電材料体３３８の一端に電気的に接続させる。且つ前記集熱器３２０の支持体３２６に接触するように配置され、前記熱吸収体３１４と熱結合する。前記第二電極３３４は、２つの隣接したＰ型熱電材料体３３６とＮ型熱電材料体３３８の他端に電気的に接続させる。且つ、前記集熱器３２０の第二光選択透過層３２４に接触するように配置される。

前記熱電変換装置３３０の低温部の温度を下げて、前記熱電変換装置３３０の高温部と低温部との間の温度差を増加するために、前記冷却装置３４０を、前記集熱器３２０のチャンバー３１８の外部に、前記第二基板３１２の第二表面３２に接続するように配置させている。これにより、前記熱電発電装置３００の熱―電エネルギー変換率を改善することができる。前記冷却装置３４０は、水冷式装置、風冷式装置又は散熱片であることができる。本実施例において、前記冷却装置３４０は、水冷式装置である。

前記熱電発電装置３００の前記熱吸収体３１４は、カーボンナノチューブ構造体を含んでいるので、前記熱吸収体３１４の可視光線に対する吸収率が９８％より大きい。且つ前記熱吸収体３１４と前記熱電変換装置３３０は、全て前記チャンバー３１８の中に位置するので、前記熱吸収体３１４と前記熱電変換装置３３０の間の熱損失を減少することができる。従って、前記熱電変換装置３３０の高温部の温度を高めるので、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換能率を高めることができる。

勿論、前記熱電発電装置３００は、ただ前記集熱器３２０と前記熱電変換装置３３０とを備えることができ、且つ前記集熱器３２０は、ただ前記熱吸収体３１４を含んでいることができる。前記熱電発電装置３００は、ただ前記集熱器３２０と前記熱電変換装置３３０とを備える場合、前記熱吸収体３１４は、前記熱電変換装置３３０の第一電極３３２に直接的に配置させることができる。

（実施形態２）
図８を参照すると、本実施形態２の熱電発電装置４００は、集熱器４２０と、熱電変換装置４３０と、冷却装置４４０と、を含む。前記集熱器４２０が、熱を集めるように用いられ、且つ収集された熱を前記熱電変換装置４３０に伝送することができる。前記冷却装置４４０は、前記熱電変換装置４３０に対向するように配置される。且つ、前記冷却装置４４０と前記熱電変換装置４３０との間が熱的に接続される。

本実施形態に係る熱電発電装置４００の構造は、実施形態１に係る熱電発電装置３００と比べて、次の異なる点がある。前記集熱器４２０は、分離された複数の熱吸収体４１４を含んでいる。且つ各々の熱吸収体４１４は、前記熱電変換装置４３０の各々の第一電極４３２に対応して配置させる。即ち、前記熱吸収体４１４の数量が前記第一電極４３２の数量と同じである。

（実施形態３）
図９を参照すると、本実施形態３の熱電発電装置５００は、集熱器５２０と、熱電変換装置５３０と、冷却装置５４０と、を含む。前記集熱器５２０が、熱を集めるように用いられ、且つ収集された熱を前記熱電変換装置５３０に伝送することができる。前記冷却装置５４０は、前記熱電変換装置５３０に対向するように配置される。且つ、前記冷却装置５４０と前記熱電変換装置５３０との間が熱的に接続される。

本実施形態に係る熱電発電装置５００の構造は、実施形態１に係る熱電発電装置３００と比べて、次の点が異なる。前記熱電変換装置５３０は、前記集熱器５２０のチャンバー５１８の外部に、前記集熱器５２０と前記冷却装置５４０の間に位置するように配置される。熱吸収体５１４は、前記集熱器５２０のチャンバー５１８の中に、第二光選択透過層５２４の第一光選択透過層５２２に対向する表面に直接的に配置される。さらに、前記熱電変換装置５３０と前記冷却装置５４０の間に、前記前記熱電変換装置５３０を支持するために支持部品５５０を配置されている。前記支持部品５５０は、ガラス、セラミック又は熱伝導性が良好な材料からなる。前記熱伝導性が良好な材料は、銅又はアルミニウムである。

（実施形態４）
図１０を参照すると、本実施形態４の熱電発電装置６００は、集熱器６２０と、熱電変換装置６３０と、冷却装置６４０と、を含む。前記集熱器６２０が、熱を集めるように用いられ、且つ収集された熱を前記熱電変換装置６３０に伝送することができる。前記冷却装置６４０は、前記熱電変換装置６３０に対向するように配置される。且つ、前記冷却装置６４０と前記熱電変換装置６３０との間が熱的に接続される。

本実施形態に係る熱電発電装置６００の構造は、実施形態３に係る熱電発電装置５００と比べて、次の点が異なる。前記集熱器６２０は、同じ表面における相互に分離された複数の熱吸収体６１４を含んでいる。且つ各々の熱吸収体６１４は、前記熱電変換装置６３０の各々の第一電極６３２に対応して配置される。即ち、前記熱吸収体６１４の数量が前記第一電極６３２の数量と同じである。

３００、４００、５００、６００ 熱電発電装置
３２０、４２０、５２０、６２０ 集熱器
３１０、４１０、５１０、６１０ 第一基板
３１２、４１２、５１２、６１２ 第二基板
３１８、４１８、５１８、６１８ チャンバー
３１４、４１４、５１４、６１４ 熱吸収体
３２２、４２２、５２２、６２２ 第一光選択透過層
３２４、４２４、５２４、６２４ 第二光選択透過層
３１６、４１６、５１６、６１６ 側壁
３３２、４３２、５３２、６３２ 第一電極
３３０、４３０、５３０、６３０ 熱電変換装置
３３４、４３４、５３４、６３４ 第二電極
３３６、４３６、５３６、６３６ Ｐ型熱電材料体
３３８、４３８、５３８、６３８ Ｎ型熱電材料体
３４０、４４０、５４０、６４０ 冷却装置
３２６、４２６ 支持体
５５０、６５０ 支持部品
３１ 第一表面
３２ 第二表面

Claims (3)

1. 集熱器と、熱電変換装置と、を備える熱電発電装置であって、
   前記集熱器が、少なくとも１つの熱吸収体を含み、
   前記集熱器の熱吸収体が、前記熱電変換装置に熱的に結合され、且つ外部から熱を吸収して、前記熱電変換装置に伝送し、
   前記熱吸収体が、カーボンナノチューブ構造体又はカーボンナノチューブ複合材料体を含むことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも１つのカーボンナノチューブフィルム、少なくとも１つのカーボンナノチューブワイヤ又はカーボンナノチューブアレイからなることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記カーボンナノチューブフィルムとカーボンナノチューブワイヤが、複数のカーボンナノチューブを含み、前記複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続され、又は複数のカーボンナノチューブが分子間力で接近して、相互に絡み合っていることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。