JP2010529395A

JP2010529395A - 太陽熱電及び熱コジェネレーション

Info

Publication number: JP2010529395A
Application number: JP2010509364A
Authority: JP
Inventors: チェン，ガン; レン，ジフェン
Original assignee: ジーエムゼット・エナジー・インコーポレイテッド
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: CN101836053A; WO2008153686A3; CN101836053B; TW200907261A; WO2008153686A2; US20100186794A1; EP2167881A2; JP5431309B2

Abstract

エネルギ発生方法であって、太陽光吸収体に太陽放射を受ける工程と、前記太陽光吸収体から、熱電変換器セットの高温側に、熱を提供する工程と、前記熱電変換器セットから電気を発生する工程と、前記熱電変換器セットの低温側から、太陽光流体加熱システム又は太陽熱-電気変換プラントに供給される流体に、熱を提供する工程とを含む。前記方法を実施するシステムは、少なくとも1つの熱電装置と、太陽光流体加熱システム又は太陽熱−電気変換プラントとを含む。

Description

本発明は、一般に、太陽エネルギの変換のための方法と装置とに関する。具体的には、本発明は、太陽熱電変換を太陽熱変換と組み合わせる方法と装置に関する。

本出願は、2007年5月21日出願の米国仮特許出願第60/939,126号と、2008年4月17日出願の米国仮特許出願第61/071,204号との利益を請求するものである。これらの仮出願の全体をここに参考文献として合体させる。

太陽エネルギ変換器は、太陽電気、太陽燃料、及び太陽熱変換器を含む。太陽電気変換器は、太陽エネルギを太陽光発電(PV)セルによって直接的に、又は、太陽熱-電気変換器によって間接的に電気エネルギに変換する。太陽燃料変換器は、電解を利用して溶液から燃料を抽出するが、この電解工程を駆動する電気エネルギはPVセルから直接来る。太陽熱変換器は太陽エネルギを熱エネルギ又は熱に変換する。

PVセルも太陽熱変換器も共に、住宅で利用されているが、温水システムの市場シェアの方が大きい。屋上式PVセルに重点を当てている国もあるし、屋上式の温水システムが広く普及している国もある。

厳密に温水システムとして機能することに加えて、太陽熱変換器は、この太陽熱変換器から発生したスチームによって機械式ヒート・エンジンを駆動することによって電気エネルギを発生するためにも使用されている。太陽熱変換器において、単数又は複数の流体導管が太陽放射吸収体と直接的に熱接触状態で設けられる。その表面によって太陽放射を吸収し、その熱を前記導管に伝える。この伝導された熱によって、導管を通って流れるオイル、液体塩又は水、などの流体の温度が上昇する。その後、この加熱された流体を、蒸気駆動式発電装置などの発電装置に使用して電気を発生する。ここで「流体」という用語は、液体とガスの両方を含む。

これに対して、熱電発電は熱エネルギの電気への変換を固体内のゼーベック効果に依存する。高温側温度T_hと低温側温度T_cとの間で作動する熱電装置の熱電エネルギ変換効率η_teは下記の式によって与えられる。
n_te = (1-T_c/T_h){(1+ZT)^0.5-1}/{(1+ZT)^0.5+T_c/T_h} ・・・（１）
ここで、括弧内の第1因数は、カルノー効率であり、第2の因数、因数要素は、熱電材料の性能指数(merit) Zと平均温度T=0.5 (T_h+T_c)によって決まる。

前記性能指数Zの熱電気性能指数 (thermoelectric figure)は、下記の等式によって熱電材料のゼーベック係数Sに関連付けられる。
Z = S² σ/k ・・・（２）
ここで、σは導電率、そしてkは熱電材料の熱伝導率である。

T_h=500KとT_c=300Kとの間で作動する熱電装置は、1-2間の無次元性能指数ZTで、9-14%の効率を有することができる。T_h=1000KとT_c=300Kとの間に高温側と低温側との間の温度差を広げることによって熱電装置の効率は17-25%に改善させる。従来、熱電材料の最大ZTは、約1に限定され、これによって熱電発生装置の効率が低いものとなっていた。例えば、ある従来技術のシステムでは、熱電発生装置の熱電材料としてSi₈₀Ge₂₀合金を使用するとともに熱源として放射性同位元素を使用して、システムは最高温度900℃、熱エネルギ-電気エネルギ変換効率6%で作動する。

より最近では、新しい熱電材料の導入により、研究者は、12-14%の熱エネルギ-電気エネルギ変換効率を達成している。Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超格子及びPhTe/PbSe超格子と、ナノ構造化バルク材料とを使用したZTの大幅な増加が報告されている。3.5もの高いZT値が300℃のPbTe/PbSe超格子で報告されている。

エネルギ発生方法は、太陽光吸収体に太陽放射を受ける工程と、前記太陽光吸収体から熱電変換器セットの高温側に熱を提供する工程と、前記熱電変換器セットから電気を発生する工程と、前記熱電変換器セットの低温側から太陽光流体加熱システム又は太陽熱-電気変換プラント内に供給される流体に熱を提供する工程とを含む。前記方法を実施するシステムは、少なくとも1つの熱電装置と、太陽光流体加熱システム又は太陽熱-電気変換プラントとを含む。

上記及びその他の本発明の課題、特徴及び利点は、添付の図面に図示されている本発明の好適実施例の下記のより詳細な記載から明らかになるであろう。これら図面において、異なる図面間を通じて類似の文字は同じパーツを示している。これらの図面は必ずしも一定縮尺ではなく、本発明の原理を説明するために強調が施されている。
本発明のいくつかの実施例に共通する、フラットパネル型太陽電気発電モジュールの側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、放射率の推定を可能にする、波長の関数としての種々の研磨銅表面の反射率のグラフである。本発明のいくつかの実施例に共通する、１つのp型脚と１つのn型脚とを備えるフラットパネル型太陽電気発電モジュールの側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、隔離された環境に封入された複数のフラットパネル型モジュールの側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器(solar concentrator)としてレンズを使用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器として二つの反射構造体を使用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光捕捉構造体(solar capture structure)に接触する太陽光集中器としての透過型レンズを使用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器と水平位置の熱電変換器とを利用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器と水平位置において互いに上下に積み重ねられた２つの熱電気変換器とを利用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、キノコ形状の太陽光集中器と水平位置の熱電気変換器とを利用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、複数の太陽光集中器としてのトラフ構造に配置された複数の反射面を利用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、複数の太陽光集中器として複数のレンズ構造体を利用する太陽電気発生装置の斜視図である。図8Aに図示の太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、複数の太陽光集中器としての複数のレンズ構造体と、グループ化された複数の変換器を備える１つの太陽電気発生装置とを利用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器としてのフラットなフレネルレンズと、隔離された環境に熱電変換器を封入するバリア構造体とを使用する太陽熱発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、太陽光集中器としての湾曲したフレネルレンズと、隔離された環境に熱電変換器を封入するバリア構造体とを使用する太陽熱発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、隔離された環境に熱電変換器を封入するバリア構造体に太陽放射を集中する二つの反射面を使用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、突出部材を備える捕捉構造体(capture structure)に接続された変換器を封入するバリア構造体に太陽放射を集中するパラボラ反射面を使用する太陽電気発生装置の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、支持構造体から熱を除去するために流体式熱伝導システムに接続された支持構造体の側面図である。本発明のいくつかの実施例に共通する、プロトタイプの太陽熱発生装置の概略を示している。図13Aに図示のプロトタイプ太陽熱発生装置でテストされた出力対負荷抵抗のグラフを示している。図13Bに図示のデータと同様にテストされた効率対負荷抵抗のグラフを提供している。本発明の実施例による太陽熱-熱電(STTE)変換素子の三次元の図面である。本発明の実施例による太陽熱-熱電(STTE)変換素子の三次元の図面である。本発明の実施例による太陽熱-熱電(STTE)変換素子の三次元の図面である。本発明の実施例による太陽熱-熱電(STTE)変換素子の三次元の図面である。複数の熱電変換材料の、温度に対するZT値のプロットである。複数の熱電変換材料の、温度に対するZT値のプロットである。熱電材料用の可能なナノ構造の熱電材料複合材を示す略図である。熱電材料用の可能なナノ構造の熱電材料複合材を示す略図である。 Bi₂Te₃及びBi₂Se₃ナノ粒子のTEM画像を図示している。 Bi₂Te₃系の合金ナノパウダーから成る圧縮サンプルのTEM画像を図示している。種々のSiGeナノ複合材料それぞれの電気伝導率の温度依存性を示している。種々のSiGeナノ複合材料それぞれのゼーベック係数の温度依存性を示している。種々のSiGeナノ複合材料それぞれの力率の温度依存性を示している。種々のSiGeナノ複合材料それぞれの熱伝導性の温度依存性を示している。種々のSiGeナノ複合材料それぞれのZT値の温度依存性を示している。 2D及び3D太陽エネルギ束収集器(solar energy flux concentrator) の概略三次元図である。 2D及び3D太陽エネルギ束収集器(solar energy flux concentrator) の概略三次元図である。 2D及び3D太陽エネルギ束収集器(solar energy flux concentrator) の概略三次元図である。トラフ集中装置の列を図示している。複数の太陽熱伝熱変換器が設けられたパワー・プラントに使用される流体導管を図示している。個々の太陽熱-熱電変換セルの側方断面図である。本発明の実施例による熱電装置の効率のZT値依存性を示している。本発明の実施例による熱電装置の熱集中度のZT値依存性を示している。本発明の実施例による高温側温度のZT値依存性を示している。本発明の実施例の温水加熱システムの、ZT値の関数としての予想電気及び水加熱効率のプロットである。本発明の実施例のシステムのZT値の関数としての予想電気及び水加熱効率のプロットである。

本発明者等は、もしも太陽熱電装置が、太陽光流体加熱装置又は太陽熱−電気プラントなどの、太陽熱変換装置と統合されれば、太陽エネルギ変換システム効率が改善されるであろう、と認識した。太陽熱-電気変換プラント(これは、単に、「太陽熱プラント」と呼称することができる)は、非限定的に、ランキン式及びスターリング式プラントを含み、そして、後述するように、トラフ、タワー及び皿型プラントを含む。そのようなシステムは、太陽電気エネルギと太陽熱エネルギを熱併給発電（コジェネレーション）する。具体的は、もしも太陽熱交換装置が、太陽温水加熱システムなどの太陽光流体加熱システムであるならば、そのシステムは、太陽熱電装置を使用して電気と、そして、太陽温水システムを使用して、建物などの設備のための温水、とのコジェネレーションを提供することができる。

本発明の一実施例において、本発明者等は、更に、熱電装置と太陽光流体加熱システムとの両方を含む組み合わせシステムにおいて、前記流体導管は、熱伝導性の低い熱電材料からなる脚又は支柱によって太陽放射吸収表面から物理的に分離され熱的に切り離されるべきであり、それによって、適切な温度差を、それら脚又は支柱の両側に、そしてその結果として、前記太陽放射吸収表面と流体導管との間、に作り出すことが可能である、ということを認識した。このシステム構成は、流体導管が、その吸収表面から流体への熱の最適な伝達のために太陽放射吸収表面と熱接触状態に配置される太陽光流体加熱装置のみを含む従来技術のシステムとは反対である。

前記熱電装置は、その低温側と、前記吸収表面と熱接触状態で、場合によっては物理的接触状態にあるその高温側との間の温度差によって電気を発生する。ここでの使用において、二つの表面間の熱接触又は熱統合(thermal integration)という用語は、これらの表面が直接物理的に接触しているか、もしくは、直接には接触していないが、金属などの熱伝導性材料によって互いに接続されていることによって、これら表面間で熱が効率的に伝導されるということを意味する。

本発明者等は、又、もしも太陽熱変換器の流体導管も太陽光吸収体(太陽光吸収表面とも称する)と熱接触状態に置かれるならば、その流体導管はヒート・シンクとして作用することになる、ことに気づいた。これによって、熱電装置の高温側と低温側との間の温度差が大幅に低下し、その結果、熱電装置の効率が大幅に低下してしまう。

これに対して、もしも流体導管を熱電装置の低温側と熱接触状態に置けば、この流体導管はヒート・シンク（放熱装置）として作用し、熱電装置の高温側と低温側との間の温度差を増大させ、それによって熱電装置の効率が改善されるであろう。前記熱電交換装置の熱電変換器(例えば、半導体脚や支柱)は交換効率の低い熱交換器であるので、流体導管は、太陽光吸収体と熱接触状態にならない(即ち、熱的に統合されない)。従って、前記流体導管は、太陽光吸収表面に対するヒート・シンクとして作用せず、熱電装置の作動の障害とならない。

更に、熱電装置の低温側は、流体導管内の水やオイルなどの流体を所望の温度にまで加熱するのにまだ十分に暖かい(即ち、室温以上である)。例えば、温水加熱システムの場合、熱電装置の低温側は、約50〜約150℃、例えば、100℃以下、好ましくは、30〜70℃、の温度に維持されることができ、これは水を、家庭、商業又は工業用途のために約40〜約150℃に加熱するのに十分高い温度である。従って、前記熱電装置の低温側によって加熱された水が流体導管から施設へと、シャワー又はシンク（台所）用の温水、室内暖房等のためのラジエータ用の温水又はスチーム、などの種々の用途のために温水として提供される。或いは、もしも、オイルや塩などの前記流体が十分に加熱されるならば、それを電気を発生するために熱パワープラントに使用することができる。例えば、前記オイル又は塩は、その沸点以上に加熱することができる。或いは、前記オイル又は塩は、その沸点以下ではあるがそれを使用して水をスチームにし、これをスチームタービンに供給して電気を発生するのに十分に高い温度にまで加熱することができる。

太陽エネルギを収集および／又は集中するために、前記太陽光吸収体の上方に、オプションとしての太陽エネルギ束収集装置および／又は集中器を設けることも可能である。入射太陽エネルギ束を集中する結像又は非結像の光学方法は、より高い太陽エネルギ束密度を作り出すために、太陽光エネルギ束を収集し集中するのに使用することができる。このエネルギ束を増大させる方法を、光集中と称する。高温側温度は、後に詳述するように、光及び熱集中に依存する。

オプションの選択性表面は、可視(V)及び紫外線(UV)スペクトルを太陽光吸収体(即ち、太陽光吸収表面)へと通過させる。太陽光吸収体は、太陽放射を熱エネルギ(即ち、熱)に変換する。前記選択性表面は、赤外線放射を制限することによって前記太陽光吸収体中に熱を保持する。オプションとしての、幅の狭い断面を有する複数の導管のセットによって、前記太陽光吸収体に蓄えられた熱エネルギを、熱電変換器セット (交互に配置されたp型半導体とn型半導体の脚又は支柱等)へと伝導し、吸収された熱エネルギを熱電脚に集中する。ここで、「幅の狭い断面」という用語に関して、フラットパネル式集中体において、好ましくは、吸収体の厚みの物理的な狭小化は無いことが銘記されなければならない。しかしながら、熱は、ほぼ同心状の前記熱電脚へ伝導し、従って、熱伝達面積は実際には変化している。別の構成においては、前記狭小化断面は、物理的狭小化断面として構成することも可能である。従って、前記変換器は太陽光吸収体と熱接触状態に置かれる。熱伝導を介した熱エネルギ集中は、熱集中と称する。その結果発生する、前記熱電変換器セットを通して導かれる熱エネルギ束密度は、前記熱電変換器の、断面積、間隔、及び長さによって決まる。

熱電装置へ流れ込むエネルギ束は、前記熱電脚の所望の高温側及び低温側温度と、選択性吸収体の特性、とに依存して、前記光集中と熱集中との組み合わせを通じて増大させることができる。

前記熱電変換器は、蓄えられた熱エネルギの一部を電気エネルギに変換する。これら熱電変換器自身は、種々のバルク材料および／又はナノ構造から形成することができる。これら交換器は、好ましくは、二つの交換器素子、すなわちp-n接合を形成するべく電気接続された１つのp型と一つのn型の半導体交換器支柱または脚の複数のセット、から構成される。前記熱電変換器材料は、非限定的に、Bi₂Te₃：Bi₂Te_3-xSe(n-型)/Bi_xSe_2-xTe₃(p型)、SiGe(例えば、Si₉₀Ge₂₀)、PbTe、スクッテルド鉱、Zn₃Sb₄、AgPbmSbTe_2+m、Bi₂Te₃/Sb₂Te₃量子ドット超格子(QDSLs)、PbTe/PbSeTe QDSLs、PbAgTe、及びこれらの組み合わせの１つを含むことができる。これらの材料は、圧縮ナノ粒子、又は、バルクマトリクス材に埋め込まれたナノ粒子とすることができる。

オプションとして、ヒート・シンク材からなるベースが、前記熱電装置の熱電変換器の低温側と流体導管との間に配置される。このベースは、熱電変換器と流体導管との間の熱接触を提供するための金属又は熱伝導性の高い材料から構成することができる。未交換熱エネルギに関連する熱は、熱電装置の低温側から前記ベースを通って流体導管へと伝わる。オプションとしての熱交換器を、前記ベースに設けることができる。前記流体導管からの流体はこの熱交換器を通って熱電装置から熱を受け取る。前記熱交換器は、熱伝導プレート、又は、熱伝導パイプ、熱パイプのセット又はこれらの組み合わせから構成することができる。これによって得られる水および／又はスチームなどの加熱された流体は、住居、商業その他の用途に利用可能である。所望の場合、前記流体を、インペラによる駆動、ポンプ駆動、サイフォン駆動、拡散駆動、の単数又は複数及びこれらの組み合わせを使用して循環させてもよい。

このように、本発明の実施例のシステムは、太陽熱電気エネルギ変換及び機械ベースの太陽熱-電気エネルギ変換、又は太陽光流体加熱との組み合わせを使用することによって高い効率を提供するものである。より一般的には、熱電及び熱エネルギコジェネレーション方法は、太陽放射を太陽光吸収体上に、より好ましくはこれを集中して、受け取り、この太陽光吸収体を加熱する工程と、前記吸収体から熱エネルギ(即ち熱)を、熱電変換器セットに提供する工程と、前記熱電変換器セットによって前記熱エネルギの一部を電気エネルギに変換する工程と、前記熱エネルギの未変換部分を水その他の流体などの変位可能な(displaceable)媒体に提供する工程と、この変位可能媒体をその後の使用のために提供する工程とを含む。

尚、ここに図示し記載する特定の実施例は本発明の例であってその他のいかなる点においても本発明を限定することを意図するものではない。更に、前記技術は、太陽熱電エネルギ及び太陽熱エネルギコジェネレーション、製造及びパワープラント熱-電気エネルギ及び熱エネルギコジェネレーション、における用途、又は、その他類似の用途、特に、現在において、未変換太陽又は熱エネルギ源を浪費又は残している用途、に適している。

太陽熱変換器の熱効率は、その作動温度に依存して、約50-70%の範囲である。熱電変換器の効率はそれよりも低い。太陽熱電効率は、二つの項の積に分割することができる。
n_e = n_st(T_s,T_h)n_te(T_h,T_c) ・・・（３）
第1項は、太陽の表面でのそれに等しい特性温度T_sの光子を、フォノン又は熱エネルギに変換し、前記太陽熱電装置の高温側の温度をT_hへと上昇させる太陽光から熱へのエネルギ変換の効率を表す。第2の項は、それぞれある高温側温度及び低温側温度、T_h及びT_cを与えられた場合に、熱エネルギから電気エネルギを発生する熱電素子の効率を表す。等式(1)に示したように、後者の項は、熱電材料のZTに依存する。

前記効率η_stは、熱放射、対流及び、前記太陽光吸収体及び熱電素子の表面からの伝導損失を含む、複数の熱損失メカニズムの関数である。上述の太陽熱電エネルギ変換は、η_stとη_teとの両方の最適化と、熱電エネルギと熱エネルギとのコジェネレーション、より具体的には、太陽熱電エネルギと太陽熱エネルギとのコジェネレーション、を提供し、これら変換プロセスの両方における非効率性に対処して太陽熱電及び太陽熱エネルギコジェネレーションを改善する。

発電のために必要な前記熱電脚の両側の温度差ΔTは、下記の式によってこれらの脚を通る熱束qに関連つけられる。
q = kΔT/d ・・・（４）
ここで、dは、熱電脚の長さ、そしてkは熱電材料の熱伝導率である。定常システムの場合、熱束qは一定である。地球の表面における平均太陽束は、約1000W/m²である。この値を使用し、k=1 W/mK及びd=1mmの典型的な熱電変換器定数では、ΔT=1℃の温度差となる。このように小さな温度差では、熱電変換器から発生する電気エネルギの量は小さい。温度差を大きくするには、熱電装置を通って流れる熱束を太陽束以上に増加させなければならない。太陽熱電において、２つの方法によって実施できる。その１つの方法は、それが吸収されて熱に変換される前に入射太陽放射を光学的に集中させる方法であり、これを光学集中(optical concentration)と称し、他方の方法は、太陽束が吸収された後で、熱伝導を介して熱を集中させる方法である。後者を熱集中(thermal concentration)と称する。用途によって、これら二つの方法を組み合わせることができる。

〔熱集中装置構成〕
熱集中は、熱電脚の断面積に対する太陽光吸収体面積の異なる比率を利用する。図1は、熱電装置13を図示し、これは、以後、より一般的に、本発明のいくつかの実施例による太陽電気発生装置13と称する。前記発生装置13は、太陽光吸収体を有し、これは以後、放射捕捉構造体12と称され、単数又は複数対の熱電変換器14に接続されている。前記捕捉構造体12は、放射吸収層1aを有し、更にこれは、直接的に、又は集中器を介して間接的に、太陽放射に晒されるように構成された前方面1bを備える。この例では前記前方面1bは、実質的にフラットであるが、他の例では、前記層1aは湾曲していてもよい。更に、前記放射吸収層1aは、この例では連続したものとして図示されているが、他の例では、それは複数の分離セグメントとして形成することも可能である。前記前方面1bに当たった太陽放射は、捕捉構造体12中に熱を発生することができ、これを、以下より詳述するように、複数の熱電変換器14のそれぞれの一端部15に伝えることができる。より具体的には、この例において、前記放射吸収層1aは、太陽放射(例えば、約1.5, 2, 3又は4ミクロン以下の波長に対する)に対する高い吸収性を示す、一方、低い放射率、従って、低い吸収率(例えば、約1.5, 2, 3又は4ミクロン以上の波長に対する)を示す材料から形成することができる。

前記太陽放射の吸収によって、前記吸収層1a中に熱が発生し、これを、熱伝導性中間層2を介して熱伝導性裏層3aへと伝えることができる。前記熱電変換器14は、前記裏層3aの端部15に熱接続され、発生した熱の少なくとも一部を受け取る。このようにして、前記変換器の前記端部15(ここでは、高温側端部とも称される)は、昇温状態に維持される。低温に晒される前記変換器の反対側の端部16を持って、前記熱電変換器は電気を発生することができる。以下に更に詳細に説明するように、前記上部放射吸収層1aは、発生した熱を変換器により効果的に伝達するために高い側方熱伝導率(即ち、前記前方面1bの接線方向への高い熱伝導率)を示す。

いくつかの実施例において、図1に図示されているように、ベース又はバッキング構造10(支持構造としても知られる)は、前記熱電変換器の低温側端部16に接続されて構造的支持を提供し、および／又は、これら端部16から熱を離すように伝達する、即ち、熱拡散部として機能する。例えば、前記バッキング構造10は、利用又は追加の発電のために供給される前記流体がそこで加熱される熱交換器に熱接続することができる。例えば、図12に図示されているように、バッキング構造又はベース1220が熱電変換器1210と熱連通状態に配置される。

太陽光流体加熱システム又は太陽熱パワー・プラントのための前記流体導管1250は、前記熱電装置13と、熱的及び物理的に統合されている。具体的には、前記導管1250は、そこから熱を除去するために前記バッキング構造1220に接続されている。変換器1210の周囲に真空環境を維持するために真空取り付け具1260を利用することができる。導管1230によって、前記バッキング構造1220から導管1250への熱伝達を可能にするが、これは温水発生用の建物などの構造体1240内へ、又は、スチーム駆動発電用のパワープラントへと延出するループとして概略図示されている。図1に図示されてるように熱電変換器の反対側端部16に接続されたその他の熱伝導性構造も利用可能である。

図1に図示した発生装置(即ち、熱電装置)13の場合、この発生装置13を電気負荷に接続するための電極9が図示されている。図1には更に電導性リード線4, 11も図示され、これらは、熱電変換器内および／又は間、で適当な電気接続を提供し、変換器14によって発生された電気エネルギを取り出すために使用することができる。

図1に図示の前記太陽発生装置13は、フラットパネル構成を供えるように構成されている。即ち、この発生装置13は、太陽光捕捉表面を表さない少なくとも１つの他方の辺(dimensional extent)18よりも長い、太陽光捕捉表面を表す少なくとも１つの辺(dimensional extent)17を有する。このような構成によって、大きな電気を発生するべく熱電変換器の両側に十分な温度差を形成することを可能にするのに十分な熱集中を提供しながら、太陽放射捕捉のために利用可能な面積を増加させることが可能となる。フラットパネル構成は、屋根上やその他の人造構造物上に利用可能な嵩の低い装置を提供することによって実用が可能となる。図1に図示の装置は、フラットパネル構成を供えたものとして図示されているが、この図1の装置、又はその他は、又、その作動性を維持しながら、フラットではない構成として構成することも可能である。

多くの実施例において、前記捕捉構造体の放射吸収部は、少なくともその一部において、高い側方熱伝導率を示す。例えば、熱電変換器の高温側端部へ熱を伝達するための効率的な熱集中器として機能するべく、その吸収表面の全体にわたって温度差が小さくなる(例えば、約100℃、50℃、10℃、5℃又は1℃未満)ように十分大きな側方熱伝導率を示す。図1において基材層2によって図示されているような、いくつかの実施例において、放射捕捉構造体は、前記吸収層から変換器への熱の伝達を容易にするために、縦断方向(例えば、この場合は、前記吸収表面1bに対して実質的に直交する方向)および／又は側方方向、において高い熱伝導性を示すことができる。例えば、前記捕捉構造体は、高い熱伝導性、例えば、約20W/mK以上又は、約20W/mK〜約400W/mKの範囲、の材料から形成される放射吸収層を備えることができる。いくつかの実施例において、そのような熱伝導性値を有する基材上に薄膜を堆積することができる。より低い熱伝導性の材料をより大きな厚みで使用することによっても高熱電導性を達成することが可能である。使用可能の材料の具体例は、金属(例えば、銅含有、アルミニウム含有)、セラミック、配向高分子(例えば、十分な熱伝導性を有することが層の平面などにおける望ましい方向である)等の異方性材料、及びガラスの任意の組み合わせを含むことができる。捕捉構造体の高熱伝導性は図1の一体構造層2によって例示されるが、いくつかの実施例において望ましい高熱伝導性を提供するために複数の多層材料などの多重構造も使用可能である。

いくつかの実施例において、捕捉構造体は、単数又は複数の有利な機能を提供するための多数のコンポーネントを含むことができる。例えば、図1に図示される捕捉構造体12の放射吸収層1aを、選択的に太陽放射を吸収するように構成することができる。例えば、前記放射吸収層1aを、約1.5, 2, 3ミクロン以下の波長、又は約50nmから約1.5, 2, 9ミクロンまでの波長、或いは、約200nmから約1.5, 2, 9ミクロンまでの波長を有する太陽放射を吸収するように構成することができる。吸収可能な入射太陽放射の一部として、前記吸収層1aを、約70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%,又は99%の以上となりうる太陽放射の吸収率を示すように構成することができる。例えば、前記放射吸収層1aは、約50nm〜約3ミクロンの範囲の太陽放射波長でそのような吸収率を達成することができる。いくつかの実施例において、前記吸収層1aは、前記所望の選択的太陽吸収特性を提供するように基材2に塗布される単数又は複数のコーティングから構成することができる。単数又は複数の選択性コーティングを、光学指数の異なる異質材料の単数又は複数の層、即ち、一次元フォトニック構造、によっても実施することができる。選択性コーティングは、格子、表面テクスチュア、又はその他の適当な二次元構造としても実施可能である。別の例において、選択性コーティングは、ナノ複合材を含む、二種類以上の材料を合金化又は複合化することによって実施可能である。前記基材2は、又、前記選択性表面1bの一部とすることも可能である。

いくつかの実施例において、捕捉構造体の前方面、又は太陽放射に晒されるように構成されたその他の表面は、ある波長範囲、例えば、約1.5, 2, 3又は4ミクロン以上の放射波長に渡って低放射率特性を示すことができる。例えば、上記放射捕捉構造体12において、その前方面1bは、約3ミクロン以上の波長において、約0.3未満、又は0.1未満、或いは、約0.05未満、より好ましくは、約0.01未満である放射率を示すことができる。そのような低放射率によって放射放出による太陽捕捉構造体からの熱損失を低減することができる。そのような低放射率によって、約1.5,2,3又は4ミクロン以上の太陽放射波長の吸収も減らす可能性があるが、吸収に対するその作用は、そのような波長においては太陽照射が大きく低下するため、最小限である。この実施例において、前記捕捉構造体12の前記前方面1bのみならず裏面3aも低放射率を示す。前記裏面は、波長選択的である必要はなく、その放射率は、0.5未満、0.3未満、または0.1未満、或いは約0.05未満の範囲で小さなものでなければならい。高放射率値に対する許容範囲は、熱密度比、即ち、前記熱電脚の総断面積に対する前記総太陽吸収表面積の比率、に依存する。この比率が大きくなればなるほど、より小さな放射率となるべきである。前記前面1bと前記裏面3aとの低放射率特性は必ずしも同じである必要はない。いくつかの実施例において、前記前方及び裏面のいずれか一方のみが、低放射率を示すことができる。

更に、前記放射捕捉構造体12の裏面3aに面する前記バッキング構造10の内面3bは、低放射率を示すことができる。前記低放射率は、全ての波長に渡るものとしてもよいし、或いは、約1.5, 2, 3又は4ミクロン以上の波長に渡るものとすることも可能である。前記内面3bの低放射率特性は、前記放射捕捉構造体の裏面3aの低放射率特性に類似したものでもよいし、それと異なるものであってもよい。前記捕捉構造体12の裏面3aの低放射率と、前記バッキング構造10の内面3bの低放射率との組み合わせにより、これら二つの表面間の熱伝達が最小化され、従って前記熱電変換器の両側の温度差の発生を容易にする。

前記内面3bは、特に、前記バッキング構造が金属から形成される場合は、バッキング構造10の残り部分と同じ材料から形成することができる(この場合、熱電脚間の電気絶縁を、電流が所定のシーケンスですべての脚を通って流れるように設ける必要があり、通常は直列で、場合によっては直列と並列接続の組み合わせで設ける)。或いは、前記内面3bは、バッキング構造10の残り部分と異なる材料、例えば赤外線においてより高い反射率を有する別の金属、から形成することもできる。この層又はコーティングは、１つの連続層として形成してもよいし、或いは互いに電気絶縁された別々の領域に分割してもよいし、又は、熱電素子のための相互接続部材としても機能する、互いに電気接続された複数の領域に分割してもよい。金などの高い反射率を有するコーティングは、低放射体として機能することができる。一般に、研磨された金属は、粗い金属表面と比較して、より高い反射率、従って、低い放射率を示すことができる。図2に図示されているように、より良好な精度に研磨された銅表面は、より高い反射率の表面を提供する。即ち、機械研磨された銅表面が最も高い反射率を有し、その後に、手研磨された金属表面、更に研磨されない銅表面の順序となる。図2の反射率測定は、リファレンスのアルミニウムミラーがユニティー(unity)より僅かに低い反射率を有する可能性があるため、3-5%の誤差を有するかもしれない。ある波長範囲に渡るそのような高い反射率は、反射率と各放射率との合計がユニティー(unity)であるため、その波長範囲での低い放射率に対応する。同様に、非酸化表面は、酸化表面と比較して、低い放射率を有する傾向がある。

前記低放射率表面1b, 3a, 3bを任意の組み合わせで使用することによって、捕捉構造体12からの熱伝達が妨げられ、熱電変換器12の両側に大きな温度勾配を維持することができる。複数の低放射率表面が利用される場合、これらの表面は類似の特性を有するものであってもよいし、その放射率特性において異なるものであってもよい。いくつかの実施例において、単数又は複数の構造の低放射率特性は、太陽捕捉表面又は、捕捉構造体のその他の部分が太陽電気発生装置の作動中に受ける温度範囲、などの選択された温度範囲に渡って示すことができる。例えば、前記低放射率特性は、約0℃〜約1000℃、又は約50℃〜約500℃、又は約50℃〜約300℃、或いは約100℃〜約300℃、の温度範囲に渡って示されることができる。いくつかの実施例において、任意の層(単数又は複数)の低放射率特性は、電磁波スペクトルの単数又は複数の波長に渡って、示すことができる。例えば、任意の層(単数又は複数)の低放射率特性を、約1.5, 2, 3又は4ミクロンよりも長い波長以上に渡るものとすることができる。他の実施例において、任意の層(単数又は複数)の低放射率特性を、それらの動作温度において、約0.1未満、約0.05未満、約0.02未満又は約0.01未満の総放射率値を有する表面によって特長付けることができる。

いくつかの実施例において、表面は、前述したように所望の低放射率特性を提供するべく、単数又は複数のコーティングが塗布されたものとすることができる。別の場合、低放射率は、Narayanasywamy, A. et al.の公報、ここにその全体を参考文献として合体させる”Thermal emission control with one-dimensional metallodielectric photonic crystals” Physical Review B, 70, 125101-1 (2004)に記載されているように、多層金属誘電フォトニック結晶を使用して達成することができる。いくつかの実施例において、他の構造も低放射率表面の一部として機能することができる。例えば、図1に例示される実施例を参照すると、前記基材2を、低放射率表面1bの一部とすることができる。例えば、前記基材として使用される高放射率金属は、赤外線域において低放射率表面としても作用することができ、他方、この金属の上に塗布された単数又は複数コーティングは太陽放射を吸収するように構成することができる。

いくつかの実施例において、図1のバッキング構造の外表面(例えば、太陽発生装置13の表面19)は、例えば赤外線放射波長に対して、高放射率を示すことができ、それによって放射冷却を容易にする。これは、例えば、前記支持構造の外表面上に適当なコーティング層を堆積させることによって達成することができる。

ここでのその他の実施例の中で、図1によって示される実施例においては、太陽電気発生装置は、カプセルに入れられた(例えばハウジングによって)一部分を備えることができ、その部分が隔離された環境(例えば、大気圧に対して真空状態)に晒されるように構成することができる。好ましくは、前記隔離環境は、前記捕捉構造体12から逃げる熱伝達を最小限にするように選択される。従って、いくつかの実施例は、大気圧よりも遥かに低い圧力の真空環境を利用する。例えば、前記真空環境は、約1mtorr未満、又は約10^-6torr未満の圧力を有するものとすることができる。図1に示されているように、ハウジング5によって装置13全体をカプセルに入れる（カプセル化する）ことができる。このハウジング5の少なくとも上面は、例えば、太陽放射に対して、高透過率と低反射率及び吸収率を有するなど、太陽放射に対して実質的に透明にすることができる。利用可能性のある材料は、種々のガラス又は半透明プラスチックを含む。所望の特性(例えば、低反射損失)を与えるべく、前記ハウジングの壁の単数又は複数の面に単数又は複数のコーティングを塗布することができる。いくつかの実施例において、前記捕捉構造体12は、この捕捉構造体12から逃げる可能性のある熱伝導を少なくするために、前記ハウジング5とほとんど又は全く接触しないように構成することができる。図1に示す実施例では太陽電気発電構造13の全体を実質的にカプセル化することが可能なハウジング5を利用することが可能であるが、その他の構成の別実施例も可能である。例えば、直接の入射太陽放射を受け取るように前記太陽捕捉表面1bをカプセル化せず、これに対して前記装置13の残りの部分又は内面3a, 3b, の間の領域を真空環境内に配置されるようにカプセル化することができる。尚、カプセル化されない環境は、一般に、なんら光学集中構造を持たないフラットパネル式装置には不向きであるが、もしも熱集中を光集中と組み合わせるのであれば、それに適したものとすることができる。その理由は、光集中を持たないフラットパネル式装置において、その吸収表面積は脚の断面積と比較して大きいからである。もしも装置が真空化されないのであれば、それは対流によって周囲に対して熱を失い、効率が低くなる。前記カプセル化環境を含むハウジングその他の構造物は、当業者の知識内のものも含めて、いかようにでも構成可能である。

別実施例において、ここに記載したハウジング及びエンクロージャは、低熱伝導率(例えば、周囲大気に対して)によって特長付けることができる、隔離された環境を取り囲むために使用することができる。従って、真空の代わりに、取り囲まれた環境は、不活性ガス(例えば、アルゴンなどの希ガス)などの低熱伝導性のガスを含むことができる。別の例において、熱伝達を制限するべく、エンクロージャ内に、断熱材を含ませることができる。例えば、捕捉構造体の裏表面及びバッキング構造の内側表面に、低放射率層の使用を超えた追加の断熱性を提供するための材料を付着させることができる。したがって、「真空環境」を利用するここに記載の実施例は、これらの別の環境を使用することによっても実施することができる。そのような断熱材の具体例は、エアロゲル及び多層断熱構造である。しかしながら、これは吸収材と基材との間に大きな空間ができるために好適ではない。

図1に図示の変換器14等の熱電変換器は、それらの両側に十分な温度差が形成される時、電気を発生することができる。いくつかの実施例において、熱電変換器は、p型熱電脚とn型熱電脚とを含み、これらの脚は、例えば、pnジャンクション又はp-金属-nジャンクションを形成するために、その一端部において熱的及び電気的に接続されている。前記ジャンクションは、ここに記載の構造と同様に、熱集中器として作用することが可能な、放射捕捉構造体を含むか、もしくは、それに接続することができる。熱電変換器のために種々の材料を利用することができる。一般に、大きなZT値を有する材料(例えば、約0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 3, 4又は5以上の平均ZT値を有する材料)を利用すると有利でありうる。そのような材料のいくつかの具体例が、2004年10月29日出願の出願番号10/977,363を有する米国公開特許公報No. US2006-0102224 A1、2006年12月1日出願で、「Methods for High-Figure-of-Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials”と題する米国仮特許出願60/872,242号、に記載されており、ここにこれら両方の全体を参考文献として合体させる。

p型材料とn型材料とに関して、材料のそのようなドーピングは、例えば、当業者に知られている方法によって行うことができる。ドーピングされた材料は、いくつかのレベルのドーピングを有する単一材料でもよいし、いくつかの場合においてはセグメント化構成として知られている複数種の材料の組み合わせであってもよい。熱電変換器は、二つ以上の異なる発生装置が接続され、各発生装置が異なる温度で作動する、カスケード式熱電発生装置を利用することができる。例えば、各p-n対は、その各対が選択された温度で作動するように構成された、複数のp-n対のスタックとして構成することができる。いくつかの場合において、セグメント化構造および／又はカスケード構造は、適当な複数の材料がそれらが最善に動作する温度範囲で使用されるように大きな温度範囲に渡って使用されるように構成される。

前記p型及びn型素子の配置は、作動可能な太陽電気発生装置となるのである限り様々なものとすることができる。例えば、p型及びn型素子を、周期性を有するように、或いは周期性を有さないように、配置することができる。図1は、p型及びn型素子脚7,8が、互いに密集されて１つの熱電変換器14を形成している一例を表している。複数の変換器脚のクラスタ又は、個々の変換器脚を、互いに等間隔又は非等間隔で離間させることができる。p型及びn型素子の対の数は、単純な一対を含めていかなる数であってもよい。別の可能な構成として、図3に図示の太陽電気発生装置100によって例示されるように、p型及びn型素子を互いに更に離間配置することも可能である。前記装置100は、いくつかの点において、大気圧に対する真空環境6’を提供するためのバリア構造5’、捕捉表面1’を備える捕捉構造体12’、バッキング構造10’及び電極9’を備える、図1に図示の太陽電気発生装置6’に類似している。前記捕捉構造体12’と前記バッキング構造10’とは、金属材料から形成することができる。層2b’を形成可能な前記金属材料は、前記バッキング構造10’において熱拡散装置として作用するとともに、層2a’, 2b’において、前記両構造7’, 8’の両端部においてこれら熱電構造7’, 8’間の電気接続を提供することができる。尚、前記バッキング構造10’上の層2b’は、絶縁セグメント20によって分離されて前記構造7’, 8’の短絡を回避している。従って、ここに記載の種々の実施例において利用されるコーティングおよび／又は層は、所望の構成の電気接続などの、所望の機能を提供するべく、連続的なものであってもよいし、非連続的なものであってもよい。オプションとして、ここに記載のいくつかの実施例において、低放射率を提供するべく、前記金属材料2a’, 2b’表面の一方又は両方を研磨することができる。図3に図示の装置100において、前記n型熱電素子7’とp型熱電素子8’とは、図1に図示されているものと比較して、更に互いに離間されている。複数の熱電変換器素子を太陽熱電発生装置に利用する場合、p型熱電素子とn型熱電素子とは、互いに密集させるのではなく、互いに離間(例えば等間隔で)させることができる。例えば、放射のみよる熱損失を考慮し、吸収材として銅材料を使用する場合、脚の間の間隔は、0.3mもの大きなものとすることができる。例えば、太陽水加熱システムを備える発生装置13の使用の場合、前記脚は、太陽熱発電プラントを備える発生装置13の使用の場合よりも、更に互いに離間するものであってよい。例えば、前記脚は、太陽水加熱システムでの使用の場合、15〜50mm、例えば、約25〜30mm、の離間させることができる。これらの脚は、太陽熱プラントと使用される場合には1〜15mm等、20mm未満の間隔で離間させることができる。

熱電変換器素子の別の可能な構成が図4に図示されており、ここでは、複数の熱電変換器の複数の熱電変換器素子(脚)210が、互いに離間した複数のグループ220へと密集配置されている。熱電変換器210のこれらのグループ220を、この集合を真空環境に取り囲むためにバリア230によってカプセル化されている。このような構成は、ここに記載の光集中器を利用する実施例においてのように、太陽放射が単数又は複数の太陽捕捉表面に渡って非均一に分布される場合に、有利に利用可能である。もしも光集中器が利用されない場合は、変換素子の前記構成は、例えば、一日の間に捕捉表面上を移動する太陽点の軌跡に沿うように構成することができるであろう。図4に図示の構成の場合、前記グループは物理的に分離されている。しかしながら、装置を、変換素子のグループを互いに対してまばらに分離された単一体として実施することも可能であると理解される。

熱電変換素子の空間分布は、更に、太陽熱電発生装置の発電性能にも影響を与えうる。いくつかの実施例において、前記熱電交換素子は、１つの熱電変換器素子の高温部分と低温部分との間に最小の温度差を形成することが可能であるように空間配置することができる。この最小温度差は、約40℃、50℃、60℃,70℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃、280℃、又は300℃以上とすることができる。いくつかの場合において、熱電交換器の両側のそのような温度差は、光学集中器が使用されない場合、交換器の高温側端部を約350℃以下の温度に昇温しながら、変換器の低温側端部を約95℃、90℃、80℃、70℃、60℃未満、又は好ましくは、約50℃未満の温度に維持することによって達成可能である。低い太陽光集中度(例えば、入射太陽放射の約2〜4倍未満の集中度)の場合、前記温度は約500℃未満とすることができる。そのような温度差によって、太陽熱電発生装置が高効率で作動することを確保できる。特に、これらの温度仕様は、入射太陽放射(即ち、未集中放射)および／又は集中太陽放射のみを利用する熱電発生装置のために利用可能である。

或いは、又はそれに加えて、それらの各端部間で制限された熱伝導率を提供する熱電交換器の空間分布を利用する実施例も可能である。熱の大半は、熱電交換器を通るように構成される。つまり、熱電交換器熱伝導は総熱伝導の50%以上、更に95%以上にもなる。そうでなければ、多くの熱が他の伝導パスから漏れる。しかしながら、変換器は脚を小さな熱伝導率に設計すべきである。熱伝導は又、熱電交換器の脚の長さによっても制限されうるが、長い脚は少ない熱伝導を可能にうる。従って、いくつかの実施例では、脚による熱伝導の低下を促進するために、脚の長さに対する断面積の比率を制限する。例えば、脚の長さに対する脚の断面積の比率は、約0.0001メートル〜約1メートルの範囲とすることができる。約10:1と1000:1のオーダである太陽光吸収体からの熱電交換器のセットへの総断面積の減少も利用可能である。

いくつかの実施例において、前記熱電交換器および／又は、交換器の脚は、まばらに(例えば、前記太陽捕捉表面又は支持構造に対して)分布することができる。この熱電素子のまばらな分布によって、それらの高温側端部からそれらの低温側端部へのこれら素子を介した熱除去の低減を促進することができる。熱電交換素子の図1及び図3に図示した配置は、まばらに分布された素子のいくつかの実施例を提供するものである。

単数又は複数の熱電交換素子が太陽捕捉表面に対してまばらに分布されるいくつかの実施例において、その過疎性は、変換素子に関連する総断面積(ここでは「変換器面積」と呼ぶ)に対する太陽捕捉面積(ここでは、「捕捉面積」と呼ぶ)の相対比率によって測定することができる。前記捕捉面積は、太陽放射に晒されて熱を発生するために利用可能な選択された太陽捕捉表面の面積の総量によって定義することができる。前記変換器面積は、前記熱電交換素子(単数又は複数)の総有効断面積によって定義することができる。例えば、図1に関して、全ての４つのp型素子とn型素子とが均一の断面積で幾何学的に類似であるとすると、前記「変換器面積」は、p型又はn型素子の断面積の4倍として定義することができ、各素子の断面積は、この素子を横切る前記捕捉表面1bに対して平行な推定平面にある断面積によって定義される。一般に、変換器面積に対する捕捉面積の比率が増大するにつれて、変換素子の分布はよりまばらになる。即ち、太陽捕捉表面の総量に対する熱電交換器の数が少なくなる。

ここに開示の様々な実施例は、いろいろな捕捉面積対変換器面積比率を利用することが可能である。いくつかの実施例において、太陽電気発生装置は、約200、約400、約500又は約600に等しい又はそれ以上の捕捉面積の変換器面積に対する比率によって特長付けることができる。そのような実施例は、特に、太陽光集中器を使用することなく太陽放射を捕捉するフラットパネル構成を有する太陽熱発生装置と利用する場合に有利でありうる。いくつかの実施例において、太陽熱電発生装置は、約2、5, 10, 50, 100, 200又は300以上の捕捉面積の変換器面積に対する比率によって特長付けることができる。そのような実施例は、集中された太陽放射を捕捉する(即ち、太陽捕捉表面上に対する入射太陽放射を収集し集中するために太陽光集中器を使用する)太陽電気発生装置と利用される場合に特に有利でありうる。ここに開示の実施例は、記載した特定の構成用として有利なものではあるが、そのような実施例の範囲は、そのような特定の構成に限定されるものではない。

具体例として、図23は、太陽熱電交換器の効率の計算のいくつかの具体例を示している。図23Aは、異なる光集中率についての無次元数値の性能指数ZTの関数としての効率を図示している。各光集中率に対応するものとして、最適な熱集中率(熱電脚の総断面積に対する太陽吸収表面の比率)もある。尚、これらの脚は、異なる構成で配置することが可能であり、図1と図3にはそのいくつかが図示されている。それらの一部を、グループにすることが可能な場合もあるし、それらをまばらにかつ均一に離間させる場合もあり、更には、それらを不規則に離間させることが可能な場合もある。これらの可能な構成のそれぞれにおいて、前記吸収表面の温度非均一性は小さく、好ましくは、1℃又は5℃、10℃又は50℃、又は100℃以内に維持される。図23Cは、シュミレーションされた条件(所与の光集中、選択性表面特性、などを含む)の高温側温度を図示している。これら図面に基づき、各光集中率に対して、通常、最適な熱集中率(脚の間の間隔と脚断面積とを決定する)と、最適な高温側表面温度が存在することが明らかである。最適な高温側温度が存在する理由は以下の通りである。即ち、もしも高温表面温度が高すぎるならば、その表面からの放射損失が大きすぎる。もしも高温表面温度が低すぎれば、熱電装置の効率が低下する。尚、これらは、例示的状況に過ぎず、様々な設計上のフレキシビリティが存在する。例えば、光集中を利用しつつ、尚、熱電脚の断面積を変化させることによって高温側温度を所定の温度に維持することができる。

〔光集中器構成〕
以下のいくつかの実施例は、単数又は複数の光集中器と使用されるように構成された太陽熱電発生装置構成を利用するものである。光集中器とは、入射太陽放射を収集し、その太陽放射を集中することが出来る単数又は複数の装置をいう。前記光集中器は、典型的には、集中された太陽放射を、太陽捕捉表面などの標的に向けることもできる。光集中器が利用される多くの実施例において、前記集中器は、それらの高温側端部のより効率的な加熱を通じて、熱電変換器の両側により高い温度差を作り出すことを容易にし、それによって変換器によって可能な電気出力をより高いものにする。光集中器は、潜在的に、太陽発電器の性能を維持しながら、比較的低い熱収集能力を有する太陽捕捉構造体(例えば、より大きな熱損失を示す、小型の太陽捕捉表面および／又は捕捉構造体)とも利用可能である。図1, 3及び4に関連して記載される実施例は、入射太陽放射(即ち集中されない)が利用される用途用に構成可能であるが、そのような実施例は、又、ここに記載の特徴構成の任意の数の特徴構成を使用して、光集中器と関連させて利用することも可能である。同様に、太陽光集中器に明示的に言及して記載した太陽熱電発生装置のいくつかはそのような集中器を必ずしも必要としない。

光集中器の使用を含む太陽熱電発生装置のいくつかの実施例が図5A-5Cに図示の装置例によって例示される。図5Aに図示されているように、太陽電気発生装置510は、光集中器、放射捕捉構造体、熱電変換器、及び支持構造を備えることができる。図5Aに図示されている特定の装置の場合、その光集中器は、透過素子511、即ち、それを通して太陽放射を透過可能な素子、に埋め込まれている。透過素子は、結像レンズ又は非結像レンズ、或いは、太陽放射を集中し、それを案内することが可能なその他の透過構造とすることができる。図5Aに図示されているように、入射太陽放射517は、前記透過素子511によって、前記放射捕捉構造体の太陽放射構造512に向けられる集中太陽放射518へと集中される。この例において、前記光集中器511は、前記集中太陽放射を受け取るべくその焦点の近傍に配置された放射捕捉構造体512を備える、収束光学レンズから構成されている。太陽放射の集中によって、入射太陽放射を利用する構成と比較して、より小さな太陽捕捉表面を使用することも可能となる。そのような太陽放射の捕捉によって、前記放射捕捉構造体が加熱される可能性があり、それによって、前記熱電変換器516のn型及びp型素子514, 515の熱接続された端部が加熱される可能性がある。前記支持構造は、電極/熱拡散装置513の組み合わせ構造として構成することができ、これは、前記n型及びp型素子514, 515間の電気接続と、変換素子の反対側端部の温度を下げるためのヒートシンクに対する熱接続とを提供するこができる。

太陽電気発生装置の別の実施例が図5Bに図示されている。この太陽熱発生装置520の場合、反射素子521, 522のセットが太陽光集中器として機能する。反射素子は、実質的に放射線がその素子を通過することなく、放射線の向きを変えることができる。ミラーや他のタイプの反射コーティングを備える構造が反射素子として機能することができる。図5Bに図示の特定の実施例の場合、入射太陽放射線517は構造体524によってミラー表面521に向けられ、このミラー表面はこの例において、前記熱電変換器525の低温側の近傍に配置されている。オプションとして透明および／又はフレーム状に構成される前記構造524は、前記ミラーを支持するとともに、下方の基部によって熱拡散が達成されるように太陽放射線を下方に向けることができる。前記放射線反射素子521は、それに入射する放射線を前記反射素子522に向けて反射し、この反射素子が太陽放射線を放射捕捉表面523に向けて反射して熱電変換器525の高温側端部を加熱する。いくつかの例において、前記反射素子521は、湾曲形状、例えば、反射光を前記反射素子522(これは、例えば、前記反射素子521の湾曲の中心の近傍に配置することができる)へと集中させる放物線状反射表面を備えることができる。そのように集中された太陽放射線は、その後、反射素子522を介して案内されるが、この反射素子も、それ自身の太陽放射線の集中を放射捕捉構造体523上へ提供することができる。

図5Cに図示されている実施例では、光集中器の別の代替構成が利用されている。太陽電気発生装置530は、入射太陽放射線を収集しこれを集中する太陽収集伝達装置531を備えることができる。前記太陽収集伝達装置531は、放射線捕捉構造体532に近接接続されて(例えば、接触状態、または、非常に小さな空隙を有して、あるいは、それらの間に薄い材料を挟んで)集中された太陽放射線を直接、捕捉構造体に向け、これによってより効率的な熱伝達を提供することができる。捕捉構造体532と伝達装置531との間は直接接触していてもよい。或いは、両構造531、532の間に薄い断熱材(たとえば、多孔性ガラス又はポリマー材から成るもの)を挟むこともできる。図示した実施例は、又、熱電変換器533が近傍で熱接続されていることにより、装置を真空環境にカプセル化する必要なく、実施することもできる。同様に、太陽エネルギの集中が高い時は(例えば、入射太陽放射の10倍又は50倍以上)、対流損失の重要性も低くなる。但し、前記装置は真空環境で利用することも可能であると理解される。

いくつかの実施例は、図5A-5Cに図示したもの対する別の構成で熱電変換器がアラインメントされた太陽電気発生装置に関するものである。図6Aに図示されているように、n型素子とp型素子(脚)614a, 614bが、ふたつの端部601を備えるように１つの経路に沿ってアラインメントされるように熱電変換器614を構成することも可能である。特に6Aに例示されるように、前記二つの脚の端部601は、実質的に直線状の延出部を形成する。ここで、前記素子はp型脚614aとn型脚614bであって、各脚は、長手方向(ここでは軸心方向でもある)によって特長付けられているが、但し、湾曲した脚等のその他の脚構成も利用可能である。この例において、前記脚は、それらの軸心方向が実質的に互いそろえられた状態で、共通の平面に配設されている。より一般的には、軸心方向を有するこのような脚は、互いに対して角度を有して共通の平面に配設することができ、前記角度は0℃(即ち、共揃え)から約180度以下、又は、約45度から約180度、或いは約90度から約180度、の範囲とすることができる。別実施例において、三つ以上の脚を、異なる相対角度で接続することができる。図6Aにおいて、前記脚614a, 614bは、直線構成でアラインメントされている。特に、前記脚614a, 614bは、垂直に向けられた図5A-5Cに図示の脚に対して水平に配設されている。そのような構成は、多くの潜在的利点を提供することができる。例えば、前記水平向きの脚は、熱電変換器のための装置全体のハウジングをより低いプロファイル（形状）にすることができるため、垂直に向けられた脚と比較して、より頑丈な物理構造を提供することができる。前記低いプロファイル構成は、太陽電気発生装置のためのフラットパネル構成の構築と、そのような実施例が更にここに記載したように真空環境を利用する場合にカプセル化する容積を小さくするのに役立つ。

図6Aに図示されているように、前記素子615a, 614bは、前記熱電変換器614の両端部601間に位置するジャンクション617を共用している。ここで図示の実施例に関して、前記ジャンクション617は、捕捉構造体として作用する熱収集装置616を備えているが、前記ジャンクションは、前記素子614a, 614b間の熱および／又は電気接続を提供するためのその他のタイプの素子を備えるものであってもよい。或いは、前記p型及びn型素子614a, 614bが物理的に接触して前記ジャンクションを提供するようにすることも可能である。単数又は複数の放射線収集器を使用して入射放射線を収集、捕捉し、この集中された放射線を熱電変換器に向けて前記ジャンクションを加熱することができる。図6Aの具体例の場合、レンズ611が、集中太陽放射線を熱電収集器616に向け、それによっての収集器616中に熱を発生させることができる。前記熱収集器616は前記ジャンクション617と熱接続されているので、それはその中で発生した熱(又はそのような熱の一部)を前記ジャンクションに伝達し、それによってこのジャンクション617を高められた温度に晒す。熱収集器616は、又、ここでの他の実施例に関して記載されるような、低放射率を有しながら、太陽放射吸収装置とすることも可能である。そのような熱収集材料の一例は、単数又は複数のカーボングラファイト層である。更に、構造612, 613は、素子614a,614bの接続端部をより低い温度に維持する熱拡散装置として機能し、それによって熱電変換器614に電気を発生させることができる。

尚、図6A及び6Bに図示されているように、ジャンクションに対して熱エネルギを向けるための熱集中器として機能することが可能な、捕捉構造体として、種々多様なジオメトリを使用することが可能である。いくつかの実施例において、熱エネルギが向けられるジャンクションに対して比較的大きな捕捉面積を有する捕捉構造体を利用すると有利である。図6Cは、太陽放射に晒されることによってその内部に発生した熱を前記ジャンクション640に伝達するべく前記熱電変換器650のジャンクション640に熱接続可能な熱伝導性部材630としての捕捉構造体の一例を概略図示している。この熱伝導性部材630は、太陽放射に対する露出に応答して熱を発生可能な放射捕捉部632を備えたキノコ形状を有する。その他の形状も利用可能である。前記ジャンクション640に対する熱接続用に構成された熱伝導ステム634が、前記放射捕捉部632とジャンクション640との間の熱経路を提供する。ジャンクション面積に対して太陽放射捕捉のためのより大きな捕捉面積を有するその他の例の捕捉構造体も使用することができる。

図6Aに図示の装置610は１つの熱電変換器を利用しているが、他の実施例では複数の熱電変換器を利用することも可能である。そのような構成の一例が図6Bに図示され、これは、太陽発生装置620に設けられた二つの熱電変換器614, 615を示している。前記変換器614, 615のそれぞれは、p型脚614a, 615bとn型脚614b, 615aとを備えることができ、ここで、対応するp型及びn型脚が熱的及び電気的に接続される。前記変換器614, 615は、熱伝導部材616を備える共通のジャンクション618を共用している。この実施例において、前記二つの変換器のp型及びn型脚は、実質的に共通の平面に配設されている。前記ジャンクション618は、前記両変換器615, 614の端部602, 603間に位置している。光集中器611によって、太陽放射を熱伝導部材に向け、そこから前記ジャンクション618から変換器脚614a, 614b, 615a, 615b、即ち、変換器614, 615の高温端部、へと向ける。この例において、前記光収集器は、その主軸PAが、前記p型及びn型熱電脚が配設された前記共通平面に対して実質的に平行となるように、前記熱電変換器615, 614に対して位置決めされた収束光学レンズを含む。前記変換器614, 615の積層及び水平配置は、低プロファイルで、より機械的に頑丈な太陽発電吸収体を設計することに役立つ。

図5A, 5B, 5C, 6A, 6B及び6Cに図示の種々の素子について、これらの素子は、本発明の種々のその他の実施例に関して記載のような素子に関連する特徴構成及びバリエーションの任意のものを含むことができる。従って、例えば、単数又は複数の低放射率表面を使用すること、装置をフラットパネル構成にすること、装置又はその一部を隔離(例えば、真空)環境にカプセル化すること、複数の熱電変換器を空間的に分布すること、を任意の組み合わせで実施することができる。

同様に、図5A, 5B, 5C, 6A, 6B及び6Cに図示の実施例は、太陽発電性能を高めるべくその他追加の要素を利用することができる。例えば、図6Aに図示されているように、いくつかの実施例において、単数又は複数の太陽光集中器611上に入射太陽放射を維持するために太陽追跡装置660を設けることができる。通常、この太陽追跡装置は、太陽捕捉の向上を助けるべく、太陽の移動を追跡するために太陽光集中器611の単数又は複数の部材を動かすための機構665を備えることができる。或いは、太陽光集中器を持たないシステムにおいて、太陽追跡装置を利用することもできる。そのような場合、熱電モジュールは、前記追跡装置がその表面上に入射太陽放射線が当たるように維持するために前記捕捉表面を移動させることが可能な太陽捕捉表面を備えることができる。ここに記載の実施例のいくつかは追跡装置無しで使用されるように構成することが可能であるが、特に明示的に禁止されないかぎり、ここに開示の実施例のいずれにおいても太陽追跡装置は一般に使用可能であると理解される。

本発明のその他の実施例は、単数又は複数の太陽捕捉構造体に対する加熱を提供するために複数の領域に太陽放射線を集中することが可能な複数の太陽光集中器を利用する太陽電気発生装置に関する。いくつかの実施例は、図7に例示したような複数の反射太陽収集装置を利用する。記載したように、複数の太陽収集装置710, 720は、複数のトラフ（谷）711, 721を形成するように構成されたミラー表面713, 715, 723, 725のセットとして実施される。分離された熱電モジュール717, 727は、トラフ711, 721に位置することができる。前記ミラー表面713, 715, 723, 725は、太陽放射線を前記トラフ711, 721内へと反射することができ、これにより、太陽放射線は複数の熱電モジュール717, 727のそれぞれの捕捉表面に当たる。この熱電変換器と光集中器の配置構成は、図示したものよりも更に延長することが可能である。この場合、太陽光集中器710及び720の互いに面する二つの傾斜反射表面715, 723によって光エネルギが熱電変換器717の放射捕捉表面へと集められる。同様に、その他の熱電変換器の多くは、二つの光集中器の二つの対向する反射表面からの放射線の反射によって集中太陽放射線を受け取ることができる。そのような構成は、低レベルの太陽放射線集中(例えば、入射太陽放射線の最大約4倍までの太陽束を提供するために使用することが可能である。前記太陽光集中器は、太陽と地球とが互いに対して移動するにつれて、大量の太陽放射線が前記トラフに連続的に収集できるように構成することができる。従って、これらの実施例のいくつかの使用例においては太陽追跡装置の使用は回避可能である。一方、他の実施例においては、追跡装置は利用することは可能である。別の実施例において、図7のV形状収集装置は、第2の収集装置として利用可能であり、これに対して、太陽追跡装置を備える大型の太陽光集中器はV形状集中器に太陽放射線を投射するための使用される。同様に、V形状収集装置を、バリア構造に取り囲まれた隔離環境に組み込まれるように構成することができる。

図7に図示した複数の熱電モジュールは、それぞれ真空環境にカプセル化されたフラットパネル装置として実施される。尚、それに代えて、ここに開示の任意の装置又は装置の任意の特徴構成を含めて、その他のモジュール構成も利用可能である。但し、いくつかの実施例において、前記モジュールは、そのような太陽収集装置によって発生可能な太陽束に適合するように選択することができる(例えば、収集角度に依存する入射太陽放射線値の1〜約4倍の太陽放射束を使用して作動するモジュール)。又、図7は二次元配置を図示しているが、トラフは、三次元配置として実施することも可能であり、その場合、各トラフはよりピット（穴）状になって、太陽電気モジュールの三次元的分布を可能にする。

複数の太陽収集器を利用する太陽電気発生装置のその他の実施例は、異なるタイプの太陽収集器を異なる配置で使用して構成することができる。例えば、太陽電気発生装置810が図8Aでは斜視図で図示され、図8Bでは一部断面で図示されている。複数のレンズ構造825として実施される太陽収集器のアセンブリ820が、入射太陽放射線を捕捉するように機能する。前記レンズ構造825のそれぞれは、熱電モジュール830上に太陽放射線を集中し案内することができ、ここで、各レンズ構造825に対して、各モジュール830が設けられている。各モジュール830は、本出願に記載されているすべての構成を含めて、任意の数の構成で実施可能である。図8Bに示されているように、各モジュール830は、図6A及び6Bに図示されているような、水平向きの熱電変換器のセットとして構成することができる。従って、前記レンズ構造825を、太陽放射線を前記モジュール830の対応するジャンクションに向けるように構成することが可能である。前記モジュール830は、バッキング構造840に接続することができ、このバッキング構造は、オプションとして、前記変換器の端部831を、高温側端部832に対してより低い温度に維持するためのヒート・シンクとして構成することが可能である。図7に例示される実施例と同様に、複数のレンズ構造825の使用によって、太陽放射を特定の位置に向けて、それによって太陽追跡装置の必要性を軽減することが可能である。

図7及び8は、複数の集中器が複数の熱電モジュールと共に使用されるいくつかの実施例を図示しているが、集中器は、単一の熱電モジュールと共に使用されるように構成することも可能である。そのような構成の一例が図9に図示されている。複数のレンズ構造920によって例示される複数の太陽収集器のセットによって、入射太陽放射線を捕捉し、これを集中太陽放射線から電気を作り出すために使用可能な１つの熱電モジュール910上に集中することができる。そのようなモジュールは、図1に図示したモジュールに関して記載した特長構成(低放射率表面、フラットパネル構成、および／又は真空環境)のうちの任意の数の特徴構成を備えることができる。図9に図示の特定の構成の場合、前記モジュール910は、捕捉構造体913に対して離間したp型脚とn型脚915のグループ916を備えることができる。各レンズ構造920は、捕捉構造太陽収集表面の一部分911に、集中された太陽放射線を向けるように構成することができ、ここで前記部分は、脚915のグループ916の近傍位置に対応するものとすることができる。尚、図9(図7及び8の場合と同様)に図示のシステムの構成のバリエーションを、本発明の実施例と使用可能である。例えば、前記レンズ構造に代えて、別の構成の太陽収集器(例えば、適切に構成された反射面を使用する)を利用することができるであろう。図9に図示のモジュールに関して１つの光収集器を使用することができる。そのような場合、前記焦点/集中光スポットは、たとえ装置が太陽追跡を利用するものではなくとも、太陽に追従して移動することができる。前記セット中の１つの熱電ユニットは、そのサイズが小さいことから、より高い効率、従って、より低い放射損失、を作り出すことができる。

図7-9に図示の実施例は太陽光集中器を備える種々の熱電モジュール構成を示すものであったが、その他のモジュール構成も可能である。そのような１つの代替モジュール構成とその利用法が図10Aと10Bに図示されている。図10Aに図示されているように、フレネルレンズ又はその他のタイプの回折素子として実施可能な太陽光集中器1010を使用して、集中された太陽放射線を熱電モジュール1020にフォーカスする。このモジュールは、熱拡散装置1030(より一般的には支持構造に接続される)に熱接続可能である。その他のタイプの太陽光集中器は、単数又は複数のレンズ素子、反射素子および／又は回折素子、の使用を含む。いくつかの実施例において、前記熱電モジュール1020は、前記熱拡散装置1030に取り外し可能に接続する(例えば、物理的、熱的および／又は電気的に)ことができる。従って、前記モジュール1020は、前記熱拡散装置1030に容易に置換することができ、それによってそのようなシステムのメンテナンス性を高めることができる。

前記熱電モジュール1020のより詳細な図面が図10A中の分解ボックス1025に提供されている。前記モジュール1020は、このモジュール1020を隔離環境に取り囲むバリア構造1021(この場合、バルブ（電球）状構造)を備えることができる。前記隔離環境は大気圧に対する真空環境とすることができ、或いは、大気に対して低い熱伝導性を有する雰囲気として構成することができる。その具体例としては、不活性ガスなどの低熱容量を有するガスの利用が挙げられる。又、熱電モジュールの高熱端部からの熱損失を減らすために前記バリア構造1021に断熱材を組み込むことも可能である。前記バリアは、太陽放射に対して少なくとも部分的に透過性に構成することができ、前記バリアは、図1の関連でカプセル化について記載した種々の特徴構成のうちの任意の数の特徴構成を備えることができる。図10Aに示す特徴構成として、バリア構造1021は、バルブ状囲いの少なくとも一部を構成する。他の幾何学的構成も考えられる。前記バリア構造1021は、オプションとして、レンズ構造1026を備えることができ、これは更に、前記バリア構造1021にあたる太陽放射線を更に案内および／又は集中することができる。前記エンクロージャ内において、放射捕捉構造体1023を、熱電変換器の脚1022に接続することができる。前記バリア構造1021に当たる太陽放射を前記捕捉構造体に案内して熱を発生し、前記脚1022の１つの端部を比較的高い温度に維持することができる。前記変換器の脚1022によって発生された電気は、電極1024を介して電気負荷に接続することができる。

図10Aに例示のバリア構造を利用する熱電モジュールは多数の利点を提供することができる。このモジュールは、コンパクトに形成することができ、その小さな体積(例えば、大型のフラットパネル構成の体積に対して)によって真空環境を維持することが容易になる。太陽光集中器(例えば、入射太陽放射の約10倍の高い集中度を提供する太陽光集中器)を利用することによって、熱集中のためにより小型の捕捉構造体を使用することが可能となり、それによってより小さな容積の利用が可能となる。上記のように、このような小型構造は、このようなモジュールの交換の容易さを可能とし、本来はモジュール式にもできる。この側面は、複数のモジュールを含む構成において特に有利となりうる。例えば、図8Aと8Bに図示のシステムは、モジュール830の代わりに、図10Aのカプセル化モジュール1020を利用することができる。これによって、１つのモジュールが壊れた場合におけるメンテナンスを容易にすることができる。但し、図8A及び8Bのモジュール830は、カプセル化された交換可能なモジュール構成に含ませることも可能である。

図10Aに図示のもの以外の、当業者にとって明白な変更を含めて、種々のその他の構成も考えられる。例えば、前記フレネルレンズ集中器を、図10Aに図示のようなフラット構造1010として構成してもよいし、或いは、図10Bに図示のように湾曲1015を有する構造として構成することも可能である。同様に、他のタイプの回折素子等、フレネルレンズ以外のその他のタイプの光集中器も利用することが可能である。図10Cに図示されているように、太陽電気発生装置1060は、太陽放射を、図5Bに関して記載して図示したものに類似の、熱電モジュール1020へ向ける太陽光集中器として二つの反射体1040, 1050を利用することができる。前記熱拡散装置1070を環境に熱接続してヒートシンクを提供することができる。同様に、カプセル化構成は、ここに記載のように、このカプセル化構造の一部に太陽放射を維持するべく、太陽追跡装置を利用することができる。そのような構成は、カプセル化構造に特定レベルの集中太陽放射を維持することに役立つことができる(例えば、入射太陽放射の少なくとも10倍)。これら全てのバリエーション及びその他は、本開示の範囲内に含まれる。

ここに記載の種々の太陽電気実施例との使用用のもう一つのモジュール構成が図11に図示されている。太陽放射を案内し集中するための太陽光集中器は、反射素子1140(例えば、パラボラミラー)を備えることができる。入射太陽放射線を前記反射素子1140に向けるために別の光学素子1130(例えば、収束レンズ)を使用することも可能である。更に、この反射素子1140は、太陽放射を前記熱電モジュール1110に集中し案内することができる。オプションとしてエンクロージャ1120にカプセル化し大気圧に対して真空環境を提供することが可能である前記モジュール1110は、放射線捕捉構造体1130を備えることができ、この捕捉構造体は太陽放射のための単数又は複数の表面を備えることができる。前記捕捉構造体は、太陽放射に晒されて熱を発生することができる。前記捕捉構造体は、前記反射素子1140によって反射された太陽放射を受け取るように構成することができる単数又は複数の突出部1135を備えることも可能であるし、或いは更に、太陽放射スペクトルの少なくとも一部を吸収することによって熱を発生するように構成することも可能である。例えば、図11に図示されているように、前記突出部材1135は、前記捕捉構造体1130のフラット表面1133に対して実質的に鉛直である。従って、前記パラボラミラーは、光をフラット表面に対してのみ案内する必要はなく、光を前記突出面にも向けることができる。このような構成は、それによって太陽収集装置構成に対する要件に対するフレキシビリティを提供することができるので有利であり、捕捉構造体の発電能力を増大させることができる。突出部は、多数の角度及び方向（例えば、単一のフラット表面だけでは捕捉できない方向を含む）からの太陽放射を吸収するための捕捉構造体とすることが可能である。単数又は複数の熱電変換器1160は、捕捉構造体1130と接続することができる。変換器の一方端は、捕捉器に接続され、他方端は熱拡散器1150に接続される。前記突出部は、本出願に開示した捕捉構造体の任意のもの(例えば、高選択性太陽吸収率および／又は赤外光に対する低放射率を備えた金属又は他の材料)に対応させて構成、設計可能である。同様に、突出部材を備えるモジュールの構成を、図10A-10Cを参照して記載したように取り外し接続可能なモジュールとすることも可能である。

下記の例は、本発明のいくつかの実施例を例示するために提供されるものである。この例は、利用されるいかなる実施例の範囲をも限定することを意図するものでなく、又、本発明の教示によって熱電発生装置の最適な性能を必ずしも示すものではない。

図13Aは、熱電発生装置のプロトタイプとその性能を図示している。図13Aは前記プロトタイプの概略図である。この発生装置は、一対のp型及びn型の市販の熱電素子から構成されている。われわれの熱電素子では〜1mmの厚みが利用されている。前記脚の厚みは、20ミクロンから5mmまでとすることができる。銅から成る選択性吸収材が前記脚の上部に取り付けられ、これは電気相互接続部材としても作用する。前記実験用装置を真空チャンバ内でテストした。〜1000W/m²の照明下での出力が図13Bに図示され、その効率が図13Cに図示されている。このプロトタイプは、パラレルプレートを使用せず、前記吸収材の裏面の反射性を増加させることは試みなかった。本出願に開示のその他の中から、これらの方策を行うことにより、より高い効率が達成可能である。

図14Aは、本発明による太陽熱電エネルギと温水加熱のコジェネレーションに使用される太陽熱-熱電(STTE)変換器1400の実施例を図示している。太陽放射は、例えば、前記STTE変換器の、図1に図示している放射捕捉構造体12等の、太陽吸収材1402の選択性表面1401に入射する。前記選択性表面は太陽放射は吸収するが、熱放射はほとんど発せず、それによって太陽吸収材が所定の温度、例えば、150-300℃、又は300-500℃にまで加熱することを可能にする。熱電変換器1413は、前記STTE変換器の高温側1412で前記太陽吸収材1402を、前記STTE変換器の低温側1411における水その他の流体を運ぶパイプやプレートなどの導管セット1410から分離している。前記変換器1413は、真空空間1414内に位置している。

図14B, 14C及び14Dは、前記STTE変換器システム1400に使用することができる流体導管の例を図示している。具体的には、これらの図面は、前記熱電交換器を持たないが、熱電変換器と使用可能で、それら導管が単なる流体搬送導管ではなく、それらの上部に位置するべき熱電装置を含む。具体的には、その熱電装置の底基部が熱輸送流体導管に熱接続される場合は、従来技術の導管の吸収材料は、図1に図示の装置などの、熱電装置によって置き換えられるべきである。尚、前記導管及び外部ガラス管は、必ずしも円形である必要はなく、その他の形状であってもよいことを銘記しておかなければならない。例えば、図14Bは、真空チャンバ1422を取り囲むガラス管ハウジング1420と、前記チャンバ1422内に位置するオプションとしての熱吸収材(これはシステム1400においては省略してもよい)でコーティングされた流体輸送熱パイプ1424と、この熱パイプの端部のオプションとしての濃縮装置1428とを含む真空導管1410を図示している。図14Cは、外側ガラス管ハウジング1420内に流体輸送内側管又はパイプ1424を含むハウジング1430内の複数の導管1410の列の一例を図示している。前記管1420, 1420は、これらは太陽放射を受けることはないので必ずしもガラス製である必要はなく、金属などの熱伝導性材から形成してもよい。図14Dは、地面に対して角度を有して位置するとともに、前記導管の上部に位置する流体タンク1432に接続された複数の導管1410を図示している。

前記太陽吸収材によって吸収された熱は、熱電変換器1413のセットへと伝導され、前記太陽吸収材1402に蓄えられた熱はこれら熱電変換器1413のセットに集中し、そこで、熱から電気エネルギへの変換が行われる。前記STTE変換器の高温側1412から前記STTE変換器の低温側1411へ前記熱電交換器自身を通して伝導される熱は、温水加熱システムのための従来式太陽熱変換に関連する熱伝達レベルに近づく。標準式太陽熱変換器に対する前記本発明のSTTE変換器の利点は、追加の太陽熱電変換が得られることにあり、これによって現在のエネルギ価格で＄1-＄2/ワット未満で電力が発生される。

これと比較して、今日のPVセルの発電価格は、その設置コストにより、＄4/ワットから＄7/ワットである。本発明の好適実施例において、前記STTE変換器設置コストは、温水システムの設置コストと合わせられ、それによって設置コストが削減される。

熱エネルギ集中と太陽エネルギ集中との組み合わせを使用して、太陽熱電変換器を、最高効率をもたらすピーク運転温度で作動するように調節することができる。前記ピーク運転温度は、使用される光集中率と利用可能な材料に応じて異なる。図23A-Cは、いかにピーク運転温度が光集中率と共に変化しうるかを図示し、これに対して図15は、いくつかの周知の現在研究中の熱電変換材料の、温度の関数としてのZTのプロット列を示している。これらすべての材料と、現在入手可能及び開発中のその他の材料を、太陽コジェネレーションシステムに使用することができる。これらの材料の具体例は、SiGe(例えば、Si₈₀Ge₂₀), Bi₂Te₃; Bi₂Te_3-xSe_x(n型)/BixSe_2-xTe₃(p型)、及びPbTe、スクッテルド鉱、(CoSb₃), Zn₃Sb₄,及びAgPbmSbTe_2+m及びBi₂Te₃/Sb₂Te₃量子ドット超格子(QDSLs), PbTe/PbSeTe QDSLs, PbAgTe、である。一般に、セグメント化された脚(脚に沿って分布する異なる材料を含む熱電脚)、カスケード式装置(それぞれがある感度範囲で作動する複数の装置のスタック)の形状の、異なる材料の組み合わせを前記太陽熱コジェネレーションシステムに使用することができる。

近年、熱電材料のZTの改善において大きな進歩があった。大半の商用熱電装置は、Bi₂Te₃と、ピークZTが約1のその合金に基づいて構築されている。ZTにおけるいくつかの進歩を図15に要約している。これらの進歩の中で、スクッテルド鉱等の新しい材料の発見と、超格子等の既存の材料のナノ構造化がある。圧縮半導体ナノ粒子を含むナノ構造化バルク材が特に魅力的である。というのは、これらの材料は、太陽熱コジェネレーションスキームに適合する形態でありながら、高いZTを有し経済的であるからである。図16は、ナノ構造化バルクBi₂Te₃合金のZTを、市販のBi₂Te₃合金のそれと比較しており、改善されたZTを示している。そのようなナノ構造化バルク材は、図17Aに図示の同じ材料(Si, SiGe, Bi₂Te₃, Sb₂Te₃, 等)のナノ粒子から圧縮することができ、或いは、異なる材料の圧縮化ナノ粒子から構成することも可能であり、この場合、図17Bに図示されているように、１つの材料のナノ粒子がホスト母材を形成し、第2の材料のナノ粒子がそのホスト母材中の介在物を形成する。圧縮は、加熱加圧成形法又は直流誘導加熱加圧成形法を使用して行うことができる。図18Aは、湿式化学によって合成されたBi₂Te₃1810及びBi₂Se₃ 1820ナノ粒子のTEM画像を示し、図18Bは、Bi₂Te₃系合金圧縮ナノパウダーの高解像度SEM1830及びTEM1840画像を示している。前記TEM画像、1840は、Bi2Te3系合金ナノパウダーのナノドメイン構造の証拠を提供している。

図19(a)-(e)は、もう一つの例としてナノ構造化バルクSiGeの特性を示している。ナノ構造化バルクSiGe合金粒子は、ボールミル法を使用する機械合金化によって作られる。この方法において、ホウ素(B)パウダー(99.99%, Aldrich)がミリングジャー内の珪素(Si)(99.99%, Alfa Aesar)とゲルマニウム(Ge)(99.99%, Alfa Aesar)のチャンク（大きな塊）に添加される。次に、それらをある時間、製粉し、約20〜200nmの平均粒径を有する所望の合金化ナノパウダーを得る。その後、これらの機械的に作成されたナノパウダーを、直流加熱プレス法を使用して異なる温度でプレスして前記ナノパウダーをグラファイト・ダイス中で圧縮する。前記圧縮されたナノ構造化Si₈₀Ge₂₀材は、5〜20nm等の、ランダムな配向を有する、5-50nmの範囲の粒径の多結晶粒から成る。図19A-Eにおいて、点は、ナノ構造化SiGeを表し、実線は、放射性同位体電力発生装置(RTG)として過去のNASA飛行に使用されたp型SiGeを表している。図19A-Cは、ナノ構造化SiGeの電気輸送特性が、RTGサンプルのそれと同等の力率で維持可能であることを示している。但し、前記ナノ構造化バルクサンプルの熱伝導性は900℃までの全温度域に渡って、前記RTGサンプル(図19D)のそれよりも遥かに低く、それによって、ナノ構造化バルクサンプルSi₈₀Ge₂₀におけるピークZTが約1になっている(図19D)。そのようなピークZT値は、宇宙ミッションに現在使用されているp型RTG SiGe合金のそれに対して約100%、報告されている記録に対して60%、の改善である。前記ナノ構造化サンプルにおける熱伝導性のその大幅な低減は、主として、ランダムなナノ構造の多数の界面において分散しているフォノンの増大によるものである。

太陽放射は、前記STTE変換器の太陽光吸収体の選択性表面に入射する。前記選択性表面は、太陽放射線を吸収するが、熱放射線はほとんど放射せず、それによって前記太陽光吸収体が熱を蓄積することを可能にする。熱電変換素子によって前記STTE変換素子の高温側の太陽吸収材を、前記STTE変換素子の低温側の、水又はオイル又は溶融塩などの流体を搬送するパイプなどの、導管セットから分離する。

前記STTE変換器の効率は、太陽吸収材1402の選択性表面1401の特性に依存する。太陽放射線のピークは、約0.5μmの波長である。4μmよりも長い波長は、太陽放射線全体の1%未満である。300Kで表面から放射された放射線の0.2%未満は4μmよりも短い波長を有する。前記太陽吸収材の理想的な選択性表面は、太陽放射線の100%を吸収し、蓄えられた熱放射線の0%を放射するように構成される。即ち、太陽吸収材の理想的な選択性表面は、4μm未満の波長に対して1.0の放射率を有し、4μm以上の波長に対しては0.0の放射率を有する。

いくつかの市販の選択性吸収材が上述した要件に近い特性を有している。例えば、ALANOD Sunselect GmbH & Co. KGは、太陽入射放射線に対して0.95の吸収率を有し、選択性表面からの熱放射線に対しては0.05の放射率を有し、遷移波長が約2μmである、材料を提供している。前記熱電交換器1413によって分離される内表面のセット間の低放射率が、熱電変換器セット1413の高温側1412から前記熱電交換器の低温側1411へ漏れる熱放射線を低減するために重要である。

前記太陽光吸収体は、前記熱電交換器1413セットのための電気コンタクトのセットに接続されなければならない。銅箔基材上にパターニングされた太陽光吸収体によって高い側方熱伝導性と、熱電変換器セットに対する低抵抗の電気コンタクトの両方が提供される。前記太陽光吸収体の選択性表面と前記熱電交換器1413セットの低温側とをコーティングする、金の追加の薄層、又はその他の薄い金属層、によって、前記選択性表面の熱放射線エネルギに対する0.02の放射率を提供することができる。更に、図14Aに図示されているように、前記高温側1412と低温側1411との間の容量1414を、真空にして対流による高温側から低温側への熱損失を制限する。

図20A-20Cは、本発明の好適実施例による、現在又は将来のパワー・プラントに使用される太陽熱電エネルギのコジェネレーション用のエネルギ及び流体用の種々の二次元(2D)2010及び三次元(3D)2020太陽エネルギ集中器を示している。一実施例において、前記熱電装置は、流体を加熱してその加熱された流体を使用して発電する太陽熱プラントと物理的及び熱的に一体化される。前記熱電交換器は、2D及び3D太陽熱プラントと組み合わされてトッピング(topping: 補給)サイクルとして使用されて、ランキン式又はスターリング式ヒート・エンジンを駆動する。図20Aに図示のヘリオスタット2022や、図20Bに図示のデッシュ、図20Cに図示のトラフなどの2D及び3D太陽光集中器を使用することができる。太陽放射を、太陽光集中器のレベルに応じて、選択性又は非選択性表面に焦点させる。前記太陽吸収表面は、熱電装置に熱接続され、低温側で廃棄された熱を使用して熱パワープラントに使用される流体を加熱し、機械式発電エンジン(ランキン式又はスターリング式)を駆動する。

図14Aに図示の太陽光吸収体1402は、前記熱電交換器1413の高温側1412に熱接続されている。前記熱電変換器1413の低温側1411は、導管1410中の流体と熱を交換し、その流体は、ランキン又はスターリング式ヒート・エンジン、或いは、熱機械熱サイクルに基づくポンプ、を駆動する。一好適実施例において、ヒート・エンジンは前記流体によって直接に駆動される。スターリング式変換器では、前記流体は、ガス(又は、液体が存在する場合には、それが、その内部にガスを含む前記スターリング式エンジンに対して熱を接続するためにのみ使用される)とすることができる。前記スターリング式変換器では、太陽放射は、吸収体に焦点され、発生した熱は、スターリング式エンジン内でガスを加熱する。上述の熱電装置は、そのようなスターリング式エンジンのトッピングサイクルとして使用することができる。熱電装置の低温側で廃棄された熱を、別の流体を介して、前記ガスに供給する代わりに、そのガスに直接に供給することができる。別の好適実施例では、熱交換器(図示せず)によって、液体または気体などの、前記熱電交換器システムの外部の媒体と、熱交換して前記ヒートエンジンを駆動するのに使用する。尚、図14Aに図示の熱電発生装置は限定的なものではない。ここに記載のその他全ての熱電発生構成を使用することができる。

図21Aは、本発明の好適実施例による、太陽熱電エネルギのコジェネレーションに使用されるSTTE変換器が多数設けられたパワープラントに使用することが可能な一連のトラフ型集中器2026を示している。真空チューブ1420が太陽光をこのチューブに反射する反射性トラフを通過している。本発明による真空チューブの詳細は
http://www.schott.com/hungary/hungarian/download/ptr_70_broshure.pdf
に記載されており、それをここに参考文献として合体させる。前述した熱電発生装置は、これらのチューブに熱接続され、好ましくは、真空チューブ内に配置され、前記吸収体が図22に図示のように熱電発生装置の高温側に熱接続される。

前記チューブを通ってトラフから出る流体は約400℃の温度を有する。この高温流体は、例えば、ランキン式ヒート・エンジン又はスチームサイクルを使用する発生装置において電気を発生する。任意の適切な熱伝達流体が使用可能であり、例えば、水、オイル溶融塩などが使用可能であるがこれらに限定されるものではない。前記熱電交換器1413の高温側1412と低温側1411は、一定の温度又は可変温度で作動することが可能である。

図22は、本発明の実施例により、ランキン式サイクルに用いられるポンプを駆動するのに使用される太陽熱電エネルギ及び太陽熱エネルギのコジェネレーションに使用される図14Aに図示のものに類似の１つのSTTE変換器1400の側面図である。図22は、発電用の前記電気プラントに使用されている同じ流体を搬送するパイプ1410に沿って分布された複数の熱電変換器1413を図示している。これらの熱電変換器1413は、太陽の位置に対して、前記パイプ1410の上方に形成されている。前記熱電交換器1413は、前記パイプ1410を完全に、又は部分的に、カバーすることができる。前記パイプ1410の形状は、フラット、筒状、又はその他の合理的な幾何学形状とすることができる。前記パイプと変換器とは外側シェル又はハウジング1420内で真空中に配置することができる。パイプラインに沿って異なる流体温度を利用するために前記パイプ又はその他の導管の長さに沿って異なる熱電材料を使用することができる。例えば、前記流体導管の入口端部は、この導管の出口端部よりも、流体と熱電材料との間の温度差が大きい。従って、導管の入口端部と熱接触状態で使用される熱電変換材料は、導管の出口端部の熱電材料よりも、低温側においてより低い温度を提供する。前記熱電交換器1413は、真空レベルから大気圧までの圧力で20%から25-30%の太陽電気効率を高めながら効果的に作動することができる。

図24は、光集中を備えないシステムの、太陽熱電発生装置と温水システムとの組み合わせのモデリング結果の具体例を図示している。左側の縦軸は発電効率を示し、右側の縦軸は水加熱効率を示している。これらの効率値は、その他の特性に加えて、熱水温度、前記選択性吸収体の放射率、に依存する。低(熱)放射率表面によって、より高い効率を達成することができる。例えば、0.03と0.05の放射率値の場合、約4%から約6%の電気効率値と、約50%から約60%の加熱効率値とを、1〜1.5のZT値で、達成することができる。図25は、トラフ型太陽熱プラントのパイプに流れる流体によって経験するものと同様に、50℃〜400℃の範囲の低温側温度と組み合わせた太陽熱電発生装置のモデリング結果の例を図示している。例えば、上述の低温側温度に関して、1〜1.5のZT値の場合、約3から約10%の電気効率値と、約45から約55%の加熱効率値とを達成することができる。ZT値とその他のパラメータによっては、前記熱電発生装置は更に3-10%の追加の電気を発生することができ、残りの熱は、機械式発電変換サイクルを駆動するために使用することができる。尚、これらは具体例に過ぎず、各用途のために、システムを最適化して最高の効率の利得と発電コストを実現することができる。

以上、本発明をその具体的実施例に関して記載してきたが、その他の変更も可能であると理解される。更に、この出願は、本発明が関連する技術分野内において知られている、又は、慣習とされている範囲において、そのようなこの開示内容からの逸脱を含む本発明の全てのバリエーション、用途又は適用、を含むことが意図されている。

この明細書中に記載したすべての刊行物、特許及び特許出願を、あたかもそれらの個々の刊行物、特許及び特許出願がここに参考文献として合体させられた場合と同程度にここに参考文献として合体させる。

下記の参考物件のそれらの全体をここに参考文献として合体させる。
1. N. Lewis et al., "Basic research Needs for solar Energy Utilization," Department of Energy, Office of Science (2005).
2. M. Telkes, "Solar Thermoelectric Generators," Journal of Applied Physics, 25, 765 (1954).
3. G. Chen and X.Y. Chen, "Solar to Electric Energy Conversion via Thermoelectric Devices," Invited presentation, MRS Fall Meeting, Boston, 2006.
4. H.J. Goldsmid, Thermoelectric Refrigeration, Plenum Press, New York(1964).
5. A.F. loffe Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch, London, (1957).
6. D.M. Rowe (editor), "CRC Handbook of Thermoelectrics," CRC Press, Boca Raton, Florida, (1995).
7. T. Caillat, J. -P. Fleurial, G.J. Snyder, A. Zoltan, D. Zoltan, and A. Borshchevsky, "Development of a High Efficiency Thermoelectric Unicouple for Power Generation Applications," in 18th international Conference on Thermoelectrics, p473, IEEE, Piscataway, NJ (1999).
8. Takenobu Kajikawa, "Thermoelectric Power Generation Systems Recovering Heat from Combustible Solid Waste in Japan," in 15th International Conference on Thermoelectrics, p. 343, IEEE, Pasadena, California (1996).
9. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, and B. O'Quinn, "Thin-film Thermoelectric Devices with High Room-temperature Figures of Merit," Nature, 413, 597 (2001).
10. T.C. Harman, P.J. Taylor, M.P. Walsh, and B.E. LaForge, "Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices," Science, 297, 2229 (2002).
11. M.S. Dresselhaus, G. Chen, M.Y. Tang, R. Yang, H. Lee, D.Z. Wang, Z.F. Ren, J.P. Fleurial, and P. Gogna, "New Directions for Thermoelectric Materials," Advanced Materials, 19, 1 - 12 (2007).
12. G. Chen, M.S. Dresselhaus, J.-P. Fleurial, and T. Caillat, "Recent Developments in Thermoelectric Materials," International Materials Review, 48, 45 (2003).
13. K.F. Hsu, S. Loo, F. Guo, W. Chen, J.S. Dyck, C. Uher, T. Hogan, E.K. Polychroniadis and M.G. Kanatzidis, "Cubic AgPb,,,SbTe2+,n: Bulk Thermoelectric Materials with High Figure of Merit, "Science, 303, 818 (2004).
14. T. Harman, M.P. Walsh, B.E. LaForge, and G.W. Turner, "Nanostructured Thermoelectrics Materials," Journal of Electronic Materials, 34, L19 (2005).
15. R.C. Schubert and L.D. Ryan, "Fundamentals of Solar Heating," Prentice-Hall, EnglewoodCliffs, New Jersey, 1981.
16. J. Karni, A. Kribus, P. Doron, R. Rubin, A. Fiterman, and D.J. Sagie, "A High-pressure, High-temperature Solar Receiver," Solar Energy Engineering-Transactions of the ASME, 119, 74 (1997).
17. R. Winston, J.C. Minano and P.G. Benitez, "Nonimaging Optics," Academic Press (2004).
18. C.H. Henry, "Limiting Efficiencies of Ideal Single and Multiple Energy Gap Terrestrial Solar Cells," Journal of Applied Physics, 51, 4494 (1980).
19. http://www.hi-z.com/index.html
20. H.J. Goldsmid, "Applications of Thermoelectricity," London, New York, Methuen; Wiley, (1960).
21. T.M. Tritt and M.A. Subramanian (Guest editors), "Thermoelectric Materials and Applications, "MRS Bulletin, March (2006).
22. T.M. Tritt (Editor), "Recent Trend in Thermoelectric Materials Research: Semiconductor and Semimetals," p69, Academic Press, San Diego(2001).
23. L.D. Hicks and M. Dresselhaus, "Effect of Quantum-Well Structures on the Thermoelectric Figure of Merit, "Physical Review, B47, 12727, (1993).
24. http://www.randbenergy.com/presentation_english.htm#12
25. M.S. Dresselhaus, "Quantum Wells and Quantum Wires for Potential Thermoelectric Applications," in "Recent Trend in Thermoelectric Materials Research: Semiconductor and Semimetals," III 71, pl, Edited by T. Tritt, Academic Press, San Diego (2001).
26. G. Chen, "Phonon Heat Conduction in Low-Dimensional Structures", in "Semiconductors and Semimetals," 71, p203, Edited by T. Tritt, Academic press, San Diego(2001).
27. G. Chen, "Nanoscale Energy Transfer and Conversion," Oxford UniversityPress, (2005).
28.http://www.sunselect.de/opencms/sites/alanod-sunselect.de/en/Produkte/sunselect/index.html
29.http://www.espressoinilkcooler.com/solar_hot_water_system_with_self_contained_perpetual_power_supply.htm
30. http://www.globalte.com
31. M. Telkes, "Solar Thermoelectric Generators," Journal of Applied Physics, 25, 765 (1954).
32. E. Weston, USPatent No. 389,124 (1888), No. 389,125 (1888); H.F. Cottle, USPatent No. 608,755 (1898); J.S. Williams, British Patent No. 700 (1882) and 5109 (1883); A.R. Bennett, British Patent No. 18,672 (1911); M.L. Severy, USPatent No. 527,377 and 527,379 (1894); W.W. Colbentz, USPatent No. 1,077,219 (1913).
33. H. Naito, Y. Johsaka, D. Cooker, and H. Arashi, "Development of A Solar Receiver for a High-Efficiency Thermionic/Thermoelectric Conversion System," Solar Energy, v. 58, pp. 191-195 (1996).
34. Y.V. Borobiev, J. Gonzalez-Hernandez, and A. Kribus, "Analysis of Potential Conversion Efficiency of a Solar Hybrid System with High-Temperature Stage," ASME J. Sola Engineering, v. 128, pp. 258-260 (2006).
35. http://www.wbdg.org/design/swheating.php
36. M.-S. Jeng, R.G. Rang and G. Chen, "Monte Carlo Simulation of Thermoelectric Properties of Nanocomposites," ICT05, June 19, Clemson, (2005).
37. R.G. Yang and G. Chen, "Thermoelectric Transport in Nanocomposites," SAE Conference Paper, 2006-01-0289 (2006).
38. http://www.estif.org/fileadmin/downloads/press/Joint_PR_solar thermal_capacity.doc
39. Solar Heating Worldwide 2003, International Energy Association Solar Heating and Cooling Programme, May 2005.
40. Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit (US Application No. 10/977,363, filed 10/29/2004).
41. Dismukes, J.P., Ekstrom, L., Steigmeier, E.F., Kudman, I. & Beers, D. S. Thermal and electrical properties of heavily doped Ge-Si alloys up to 1300K. J. Appl. Phys. 35, 2899-2907 (1964).
42. Vining, C.B., Laskow, W., Hanson, J.O., Beck, V.D. & Gorsuch, P.D. Thermoelectric properties of pressure-sintered Si_0.8Ge_0.2 thermoelectric alloys. J. Appl. Phys. 69, 4333-4340 (1990).
43. Chen, G. Thermal conductivity and ballistic phonon transport in cross-plane direction of superlattices. Phys. Rev. B 57, 14958-15973 (1998).
44. Koga, T., Cronin, S.B., Dresselhaus, M.S., Liu, J.L. & Wang, K.L. Experimental proof-of-principle investigation of enhanced Z_3DT in (001) oriented Si/Ge superlattices. Appl. Phys. Lett. 77, 1490-1492 (2000).
45. Venkatasubramanian, R., Siivola, E., Colpitts, T. & O'Quinn, B. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature 413, 597-602 (2001).
46. Harman, T.C, Taylor, P.J., Walsh, M.P. & Forge, B.E. Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices. Science 297, 2229-2232 (2002).
47. Woochul, K. et al. Thermal conductivity reduction and thermoelectric figure of merit increase by embedding nanoparticles in crystalline semiconductors. Phys. Rev. Lett. 96, 045901-045904 (2006).
48. Yang, R.G. & Chen, G. Thermal conductivity modeling of periodic two- dimensional nanocomposites. Phys. Rev. B 69, 195316-195325 (2004).
49. Dresselhaus, M.S. et al. New directions for low-dimensional thermoelectric materials. Adv. Mater, 19, 1043-1053 (2007).
50. Hsu, K.F. et al. Cubic AgPb_mSbTe_2+m: bulk thermoelectric materials with high figure of merit. Science 303, 818-821 (2004).
51. Fleurial, J.P., Caillat, T. & Borshchevsky, A. In proceedings of the 13th International Conference on Thermoelectrics 40-44 (AIP, New York, 1995).
52. Poudel, B. et al. High thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys. Science 320, 634-638 (2008).
53. Rowe, D.M. (ed.) CRC Handbook of Thermoelectrics (CRC press, Boca Raton, 1995).
54. Ioffe, A.F. Physics of Semiconductors (Academic press Inc., New York, 1960).
55. Slack, G.A. & Hussain, M.A. The maximum possible conversion efficiency of silicon-germanium thermoelectric generators. J. Appl. Phys. 70, 2694-2718 (1991).
56. Vining, C.B. A model for high-temperature transport properties of heavily doped n-type silcon-germanium alloys. J. Appl. Phys. 69, 331-341 (1991).
57. Tritt, T.M. (ed.), Semiconductors and Semimetals (Academic Press, San Diego, 2001).
58. Abeles, B. Lattice thermal conductivity of disordered semiconductor alloys at high temperatures. Phys. Rev. 131, 1906-1911 (1963).
59. Abrikosov, N.K., Zemskov, V.S., Iordanishvili, E.K., Petrov, A.V. & Rozhdestvenskaya, V.V. Thermoelectric properties of silicon-germanium-boron alloys. Sov. Phys. Semicond. 2, 1762-1768 (1968).
60. Rowe, D.M., Shukla, V.S. & Savvides, N. Phonon scattering at grain boundaries in heavily doped fine-grained silicon-germanium alloys. Nature 290, 765-766 (1981).
61. Methods for High Figure of Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials (US Application No. 60/872,242, filed 12/1/2006).
62. Solar Thermoelectric Converters (US Application No. 60/858,515, filed 11/8/2006).

Claims

エネルギ発生方法であって、
太陽光吸収体に太陽放射を受ける工程と、
前記太陽光吸収体から、熱電変換器セットの高温側に、熱を提供する工程と、
前記熱電変換器セットから電気を発生する工程と、
前記熱電変換器セットの低温側から、太陽光流体加熱システム又は太陽熱-電気変換プラント内に供給される流体に、熱を提供する工程と、を有する方法。
請求項1に記載の方法であって、前記流体は、太陽温水加熱システム内に供給される水を含む。
請求項２に記載の方法であって、前記加熱された水は建物内に供給される。
請求項１に記載の方法であって、前記流体は、ランキン式又はスターリング式太陽熱-電気変換プラントの少なくとも１つに供給される。
請求項４に記載の方法であって、前記流体は導管を通って循環される。
請求項５に記載の方法であって、前記導管は、前記熱電変換器セットによって前記太陽光吸収体から物理的及び熱的に隔離されている。
請求項５に記載の方法であって、前記循環工程は、ポンプ駆動、サイフォン駆動、拡散駆動、及びこれらの組み合わせの１つを含み、前記流体は水、溶融塩、又は油を含む。
請求項４に記載の方法であって、前記流体はガスを含み、前記太陽熱-電気変換プラントはスターリング式プラントを含む。
請求項５に記載の方法であって、更に、前記太陽熱プラントを使用して電気を発生する工程を有する。
請求項１に記載の方法であって、更に、前記太陽放射を前記太陽吸収体に集中させる工程を有する。
以下を有するシステム、
少なくとも1つの熱電装置、及び
太陽光流体加熱システム又は太陽熱-電気変換プラント。
請求項１１に記載のシステムであって、前記システムは前記太陽光流体加熱システムを含み、前記少なくとも1つの熱電装置と前記太陽光流体加熱システムとは熱的及び物理的に統合される。
請求項１１に記載のシステムであって、前記システムは前記太陽熱-電気変換プラントを含み、前記太陽熱-電気変換プラントは流体を加熱し、この加熱された流体を電気を発生するために利用する。
請求項１３に記載のシステムであって、前記少なくとも1つの熱電装置と前記太陽熱-電気変換プラントとは熱的及び物理的に統合される。
請求項１４に記載のシステムであって、前記太陽熱-電気変換プラントは、ランキン式又はスターリング式太陽熱プラントを含む。
請求項１１に記載のシステムであって、更に、前記熱電変換器セットと熱的及び物理的に統合された太陽光吸収体を含む。
請求項１６に記載のシステムであって、前記太陽光流体加熱システム又は前記太陽熱-電気変換プラントは、前記熱電装置の熱電変換器セットによって前記太陽光吸収体から物理的及び熱的に隔離された流体導管を有する。
請求項１６に記載のシステムであつて、更に、太陽放射を前記太陽光吸収体に集中するように構成された光学太陽光集中装置を有する。
請求項１７に記載のシステムであって、前記熱電変換器セットは、圧縮ナノ粒子を有する熱電脚を有する。