JP2014512160A - 熱光起電力システムのためのエミッタ、及びそのようなエミッタを少なくとも一つ含む熱光起電力システム - Google Patents

Abstract

本発明は、赤外線エミッタ（２）を含む熱光起電力システムであって、前記エミッタは第一外部表面（８）及び第二外部表面（１０）を提供する本体を含み、前記第一（８）及び第二（１０）外部表面は離隔され、前記第一外部表面（８）は濃縮された太陽放射を受けるために集光器（１７）の反対側にあり、前記第二表面（１０）は熱光起電力セル（４）の反対側にあり、前記本体は少なくとも一つのガス及び／又は液体燃焼室をその中に含み、点火装置（２４）は前記燃焼室（１２）での燃焼を引き起こすために提供される、熱光起電力システムに関する。

Description

本発明は、熱光起電力システムのためのエミッタ、及びこのようなエミッタを少なくとも一つ含む熱光起電力システムに関するものであり、上記システムは例えば熱変換による発電のためのもの、又は構成要素を加熱するためのものである。

太陽放射を電力へと変換する太陽電池を含むシステムがある。しかしながら、システムは日照時間中、すなわち太陽放射の存在下でのみ動作する。

このようなシステムは、太陽スペクトルの最適化された使用を可能にする複雑な構造を有する太陽電池を含み、使用される太陽放射は、あらかじめ集光器によって濃縮される。しかしながら、例えば汚染又は雲によって放射条件がもはや鏡面反射性のもでなくなると（すなわち、放射が拡散すると）、及び気候条件が、システムが設計された理想的な条件から逸脱すると、このようなシステムの効率は減少する。結果として、年間生産量は非常に不確実なものとなり得、このようなシステムの実装は一般的に、年間を通して十分な且つ比較的均一な日光を有する地理的地域に制限される。

可視太陽放射を変換するための太陽電池を、赤外太陽放射によって生成される熱を変換するための他の手段と関連させる、混合されたシステムがある。しかしながら、これらのシステムは複雑であり、システムを単に並置したものであり、費用がかさむ。

さらに、太陽電池を備えるシステムは、動作が日光に制限されていることにより制限された効率を有するので、このようなシステムの価値の下落は長くなる。

また、赤外発光する電磁放射を電力へ変換する熱光起電力システムを使用するシステムがある。言い換えると、それらは、熱を電力へ変換する。

特許文献１は、空気及び燃料が供給される燃焼室を含み、エミッタによって囲まれ、エミッタは熱光起電力セルによって囲まれる、熱光起電力システムについて開示している。燃焼によって解放された熱はその後、この熱を電力へ変換するセルへと赤外線を放出するエミッタへと送られる。このシステムは太陽放射を用いない。

特許文献２は、赤外線感知熱光起電力システムを含む電流生成システムについて開示している。提案された解決法の内の一つでは、加熱は、濃縮された光放射、又はガス燃焼のいずれかによって実施され得る。システムは、濃縮が起こる円筒キャビティを含み、燃焼室は円筒キャビティによって形成され、且つ熱光起電力セルが円筒キャビティの周囲に設けられている。太陽放射によって加熱される表面、及び燃焼によって加熱される表面は同一である。赤外線放射は、円筒キャビティを囲むタングステンキャビティ内に含まれたセシウム蒸気を励起することによって作製され、赤外線発光を引き起こし、タングステンは、非常に高温になったときに、セシウムを励起する電子を放出することによって役割をなす。この温度は、１８００℃のオーダーであるので非常に高い。従って、このシステムに印加される熱機械応力は強力であり、このシステムの信頼性は問題となり得る。システムはこのような温度に耐えるために必然的にタングステン製であるべきである。さらに、空気中でタングステンを劣化させないために、真空操作が必要である。そのためシステムは複雑である。さらに、システムは比較的大きい。最後に、真空に関連する複雑性と、セシウムキャビティと、構成要素のサイズとは、同一の太陽追跡システム上に複数のモジュールを並置することを困難にする。

米国特許第７５５７２９３号明細書 加国特許第２０８５７５２号明細書

従って、本願発明の目的は、長い時間範囲にわたって、又は恒久的に、照明条件にかかわらず、電力を生産可能であるシステムを提供することであり、一方で既存のシステムと比較して比較的単純であり且つ信頼性の高い構造を提供することである。

上述の目的は、赤外線を電力へ変換するための熱光起電力セルを実装するシステムによって達成され、赤外線は太陽放射を受ける外部表面を含むエミッタから来て、少なくとも一つの燃焼室及び外部表面が赤外線を発光する。そのため、本システムは、光放射、又は燃焼室において動作される燃焼、又は光放射と燃焼との組み合わせのいずれかのために、恒久的に動作し得る。

燃焼室及び太陽放射を受光する面の両方の役割を組み合わせるエミッタを用いることで、本システムは単純に作製される。さらに、エミッタを加熱することは、太陽放射のみ、又は燃焼のみ、又はそれら両方の組み合わせによって達成され得る。

言い換えると、本発明は、光放射から、及び／又は燃焼の間放射される化学的起源の熱から、赤外線を放射するハイブリッドエミッタを実装する。このエミッタは、３タイプの表面を含む。
−濃縮された太陽光の流れを受けること専用の外部表面、
−燃焼加熱専用の内部表面、
−赤外線を電力へ変換するための熱光起電力セルがその後赤外線放射表面の前に配される、赤外線発光外部表面。

好ましくは、濃縮された太陽放射を受ける表面は、赤外線を発光する表面の反対側であり、これにより熱光起電力セルは濃縮された太陽放射から保護されることになる。

燃焼室は、固体の本体において作製されたチャネルによって、又は多孔質耐火材料の細孔によって形成され得る。

有利には、燃焼室への供給は、上記表面と異なる表面を介して行われ、表面は受け入れ及び発光専用である。

燃焼室への供給及び燃焼室からの排出は有利には、太陽放射の方向に対して側端部で起こり、光放射を受け、赤外線を発光することが可能な領域を有する、より大きな表面を外部表面に残す。

そして、本発明の目的は、第一外部表面及び第二外部表面を備える本体を含む、熱光起電力システムのための赤外線エミッタであって、前記第一外部表面及び第二外部表面は異なり、前記第一外部表面は濃縮された太陽放射を受けるために設計され、前記第二外部表面は少なくとも一つの熱光起電力セルに対して赤外線を発光するために設計され、前記本体は少なくとも一つのガス及び／又は液体燃焼室をその中に含む。

好ましくは、前記第二外部表面は、前記少なくとも一つの燃焼室に対して、前記第一外部表面の反対側にある。

一実施形態では、本体は、燃焼室を形成する少なくとも一つのチャネルを含む。前記少なくとも一つのチャネルは好ましくは、第一外部表面及び第二外部表面と実質的に平行に伸びる。

他の一実施形態では、エミッタの本体は、燃焼室を形成する多孔質材料のコアと、非多孔質材料のシェルとを含む。

有利には、エミッタ本体の材料は、高い熱伝導率を有し、好ましくは、１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１より大きい。

第一外部表面領域に対する第二外部表面領域の比率は、例えば、１から１０の間であり、有利には、１．５から４の間である。

一例示的な実施形態では、本体は直方体形状を有し、主要面は第一外部表面を担い、且つ第二主要面は第二外部表面を担い、燃焼室は第一外部表面及び第二外部表面に対して並行に伸びる。

他の一つの例示的な実施形態では、本体は半円形断面を有し、且つ半円筒形形状を有し、凸面は第二外部表面を形成し、且つ平面は第一外部表面を形成し、燃焼室は第一外部表面及び第二外部表面に対して並行に伸びる。

好ましくは、燃焼室は、第一外部表面及び第二外部表面に対して、少なくともその長手方向の一端で、燃料及び酸素源に接続することが可能である。

燃焼室は有利には、燃焼ガスとエミッタ本体との間の熱交換を改善するために、チャネルの配列を含み得る。

追加の特徴によると、第一外部表面は、材料の堆積を含み得、及び／又は太陽放射の吸収を改善し、その赤外線放射率を減少可能な微細構造を有し得る。

他の一つの追加の特徴によると、第二外部表面は、材料の堆積を、及び／又は、その強度を増加させることによって、及び例えば１．７μｍ超の長波長で、その放射率を減少させることによって赤外線放射を制御することが可能な微細構造を含み得る。

燃焼室は、少なくとも一つの燃焼触媒を含み得る。

例えば、エミッタ本体は、一以上の、炭化ケイ素、タングステン等の耐火材料、及び／又はＥｒ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等の希土類酸化物によって形成される。

本発明の他の一つの目的は、本発明によるエミッタを含む熱光起電力システムであって、集光器が（エミッタの）第一外部表面の前に提供され（、エミッタ内で燃焼を引き起こすための発光する手段及び少なくとも一つの熱光起電力セルは外部表面の前に提供され）る、熱光起電力である。

本システムは、太陽放射のレベルに応じた燃焼制御手段を含み得る。好ましくは、制御手段は、エミッタを実質的に一定の温度に保つために燃焼を制御する。

本システムは、炭化水素化合物、二水素（ｄｉｈｙｄｒｏｇｅｎ）、又はバイオガス等の燃料源を含み得る。

また、本システムは、熱光起電力セルから熱を除去するための手段を含み得る。

一例示的な実施形態では、集光器、エミッタ、及び光起電力セルはそれぞれプレートに取り付けられ、プレートは棒にそれぞれ互いに並行に取り付けられる。

好ましくはエミッタは、例えば３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満の低い熱伝導率を示す手段によってプレートに取り付けられる。

熱光起電力システムの一例示的な実施形態の概略図である。 図１のシステムの代替形態の、上面図及び側面図における概略図である。 平面エミッタ及び熱起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 平面エミッタ及び熱起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 平面エミッタ及び熱起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 平面エミッタ及び熱起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 半円筒形状のエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の概略図である。 半円筒形状のエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の概略図である。 ファセット化されたエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の概略図である。 ファセット化されたエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の概略図である。 円筒形状のエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 円筒形状のエミッタ及び熱光起電力システムの他の例示的な実施形態の、上面図及び側面図における概略図である。 熱光起電力システムの実用的な実施形態の側面図である。 第一表面側から見たエミッタを示している図７のシステムの平面Ａ−Ａに沿った横断面図である。 太陽光の流れの集光器が反射コレクタによって形成される、熱光起電力システムの代替形態の概略図である。

本発明は、以下の説明と添付図とを用いてより理解されるであろう。

図１において、エミッタ２及び複数の熱光起電力セル４を含む熱光起電力システムの概略図が見られる。熱光起電力セル４は、二つのｎ及びｐ半導体の接合から成る。セルは、例えばＧｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＩｎＳｂから作製され得る。それらの光起電力変換波長範囲は、エミッタによって発光された赤外線波長に適合する。例えば、ＧａＳｂセルは、１．７μｍ未満の波長で発光した、光起電力効果赤外線によって変換するであろう。

濃縮された太陽放射方向が、長手方向とされる。太陽放射は、ＲＳと呼ばれる。

エミッタ２は、第一外部表面８と、第二外部表面１０と、側面（図示しない）とよって縦方向に囲まれた本体６を含む。さらに、エミッタは、本体６内に作製された少なくとも一つの燃焼室１２を含む。

第一外部表面８は好ましくは、例えばフレネルレンズ又は反射鏡によって濃縮された太陽放射ＲＳを受けるためのものである。太陽放射は、例えば２０００倍に濃縮される。

第二表面１０は、熱光起電力セル４に面する。示された実施例では、本体は軸Ｘを備える半円筒形状を有する。平面は第一表面８を形成し、曲面は第二表面を形成する。さらに、示された実施例では、第二表面は、ファセット化されたような複数の平面の表面１０．１によって形成される。本システムは、赤外線の収集を最適化するために、可能な限り多くの熱光起電力セルを含み得る。

好ましくは、第二外部表面１０領域は、第一外部表面８領域より大きい。

実際、発光が電力へ変換され得ない、この表面による赤外線照射を制限するために第一外部表面を減少させること、及びより大きい表面領域の太陽電池を有するために第二外部表面の領域を増加させることが好ましい。

そして、第一外部表面８領域に対する第二外部表面１０領域の比率は、好ましくは１から１０の間、さらに好ましくは１．５から４の間である。

示された実施例では、燃焼室１２は縦方向に伸びる複数のチャネル１４によって形成される。チャネル１４はガス又は液体燃料及び酸素が供給され、出口へと接続される。例えば、燃料はＨ_２、Ｃ_ｘＨ_ｙタイプの炭化水素化合物、特にメタン、プロパン、ブタン、及びバイオガスから選択され得る。

チャネル１４は、燃料ガスを閉じ込めるため、及びエミッタとの熱交換時間を増加するために、複雑な形状を有し得る。例えば、チャネル１４は、本体の中に後部及び前部を含み得、エミッタ内でガスが進む距離を増加し、エミッタとの熱交換を促進させる。

有利には、エミッタは、燃焼が起こるチャネルと、燃焼チャネルへ向かう高温ガスの再循環専用のチャネルとを含むチャネルのシステムを含み得、燃焼を保ちエミッタとの熱伝導を最大化する。

燃焼の開始は、ガスを加熱することによって、例えば電気アークによって、又は例えばＨ_２／Ｏ_２混合物の自動点火触媒反応によって開始され得る。ガスの供給及びそれらの排出は、好ましくは太陽放射方向に対してエミッタの側面によって行われる。燃焼供給手段及びガス排出手段は、チャネルによって形成され得る。チャネルは、小さな寸法、例えばミクロ燃焼については数μｍから数ｍｍの直径を有し、或いは従来の燃焼については１ｃｍ以上のオーダーの大きな寸法さえ有する。

燃焼を維持するために、燃焼触媒は燃焼室内に、例えばチャネルの内壁に堆積物の形状で存在し得る。触媒は例えばランタン型プラチノイド（Ｐｄ−Ｐｔ−Ｒｈ）又はペロブスカイトであり得る。

太陽放射方向に対して側面で燃焼室に供給及び／又は排出することは、濃縮された流れを受けること及び赤外線を発光することを意図された第一及び第二表面をそれぞれ減少させないことを可能にする。

それぞれの熱光起電力セル４は、エミッタによって発光された放射を変換することによって製造された電力を集めるための手段（図示しない）に電気的に接続される。

濃縮された太陽光の流れは、濃縮比率に応じて、エミッタを５００℃と２５００℃との間の温度に、典型的には１０００℃と１５００℃との間の温度に加熱することが可能である。セルによって効率的に変換された十分に短い波長（ｓｈｏｒｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有するために、高いエミッタ温度を有するように努められる。

エミッタ本体の材料は、これらの動作温度に耐えるように選択される。例えば上述の温度範囲に耐える一以上の耐火材料から作製され、例えば炭化ケイ素、タングステン、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等の希土類酸化物、又はこれらの材料の組み合わせであり得る。

第一表面８は、有利には太陽放射の吸収を改善するための材料、例えばＰｙｒｏｍａｒｋ塗料などのシリコーン型コーティングによって被覆され得、第二表面１０は、有利には赤外線発光を制御するための材料、例えば希土類酸化物の層で被覆され得る。

第一及び第二表面は、吸収又は発光パラメータをそれぞれ変更するために、テクスチャ加工され得る。また、光学的挙動が可視領域及び赤外領域において分離されることを可能にする特殊な表面構造を作製することによって光学性能を調整することが熟考（ｃｏｎｔｅｍｐｌａｔａｂｌｅ）される。赤外線における第一外部表面の放射率を減少するために、第一外部表面については、これらの構造は可視放射が好ましくは吸収されることを、赤外線が反射されることを可能にする。

さらに、好ましくは、本システムは熱損失を制限し、且つエミッタ温度を最大化するように作製される。このために、エミッタ本体に接触している部品、同様に例えば支持体を提供する部品は、低い熱伝導率、好ましくは１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満を有することが熟考され得る。例えば、ジルコニア、アルミナ、エアロゲル、又は低い熱伝導率を示す他の材料であり得る。このことは、発光された放射の特徴的な波長を減少させることによって、本システムの効率を最大化する。

スペクトル制御フィルタは、第二外部表面１０と太陽電池との間に挟まれ得る。スペクトル制御フィルターは、ガラス基板上に、又はセル上に堆積された多層膜から成り得る。

真空シェルは、空気対流を介した熱損失を制限するために、エミッタを囲い得る。このことは、入射する濃縮された太陽放射側上に、及び熱光起電力セルに向かう赤外線発光側上に、可視光及び赤外線に対して透明な少なくとも二つの窓を有するであろう。また、それは、燃焼ガスの吸入及び排出のための少なくとも二つのガス接続通路を含むであろう。

また、本システムは、光放射強度に応じた、エミッタ内での燃焼を制御するために制御手段を含む。エミッタ温度は、好ましくは赤外線高温測定などの非接触方法によって管理されるであろう。また、高温熱電対を用いることが熟考され得る。温度が減少する場合、内部燃焼が引き起こされ得、ガス流量は所望のエミッタ温度を保つように調整されるであろう。そして、制御手段は、日照条件にかかわらずエミッタ温度を実質的に一定に保ち、実質的に一定の発電を達成することが可能である。

電力を生成するためのこの熱光起電力システムの操作は、これから説明されるであろう。

第一に、最適な日照条件の場合を考察してみる。この場合、本システムは太陽放射のみによって動作し得る。

第一表面８は、あらかじめ例えばフレネルレンズによって濃縮された太陽放射を受け、この光放射は、エミッタ本体によって吸収され、温まる。この温かくなることは、第二表面１０による赤外線電磁放射の発光をもたらし、この放射の光子は、セル４によって吸収され、電気的な電荷キャリアを生成し、電力を発生する。

例えば雲の存在のために日照が不十分ならば、制御手段は、例えば燃焼室１２におけるＨ_２とＯ_２とのガス燃焼を引き起こし、熱解放を引き起こし、エミッタ２の本体６によって吸収され、それゆえ低い光放射を補償する。太陽放射は、第一外部表面８によってエミッタ２の本体６を加熱し、燃焼ガスは、内側からエミッタ２の本体６を加熱する。

光放射の欠如においては、例えば真夜中において、本体は燃焼室１２における燃焼反応によってのみ加熱される。

従って、日照条件にかかわらず、一日中及び一年中、一定の電流を発生させることが可能である。

本発明によるエミッタは、太陽モード動作のみ、及び燃焼モードのみの両方に適合する。エミッタは、第一表面から第二表面へ、及び燃焼室から第二表面へ熱を伝導するための固体領域を含む。このため、太陽放射に照らされる第一表面と赤外線放射領域との間の距離及び熱伝導率は、非常に優れた熱伝導を提供するために選択される。エミッタを形成する材料の熱伝導率は、好ましくは、１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１と３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１との間であるか、又は３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１より大きい。

さらに、有利には、濃縮された太陽放射は、燃焼室に対して第二表面の反対側に配された第一表面を照らし、そのため熱光起電力セルは濃縮された太陽放射から保護される。材料及びエミッタの厚さは、入射する太陽放射が、一部さえも伝わらないようにされる。

外部表面８、１０が燃焼室の両方の側面に設計される好ましい設計は、第一表面８と第二表面１０との間、及び燃焼室１２と第二表面１０との間の両方で短い熱的経路を提供することを可能にする。そのため、本システムは、いずれか一方の又は両方のエネルギー源と良好な協力関係を提供する。

図２において、図１のシステムの代替案が見られ得、エミッタの本体６は複合体であり、同様に非多孔質材料のシェル６．１及び多孔質材料のコア６．２を含み、コアの細孔は燃焼室の多重度を形成する。

多孔質材料は、例えば炭化ケイ素又は他の一つの高温セラミックであり、その製造プロセスは見掛けの気孔率が達成されることを可能にする。多孔率は、所望される燃焼の関数である。好ましくは５０％から９５％の間である。

図３Ａから図３Ｄにおいて、熱光起電力システムの他の例示的な実施形態が示される。これらの実施例では、エミッタは直方体形状を有し、その主表面の内の一つは第一表面８を形成し、他の主表面は第二表面１０を形成する。一以上の熱光起電力セルが、第二表面を向いて提供される。

ガスの吸入及び排出に占められない側面は好ましくは、例えば空気で満たされた密閉容積を含む層、真空に設定された密閉容積を含む層、及び／又はアルミナ若しくはジルコニア等の絶縁材料の層によって、熱的に絶縁されるであろう。

好ましくはエミッタの平面に対して垂直な、異方性の熱伝導率を有する材料に基づいて、構造体を作製することが熟考され得る。この材料は、例えば炭化ケイ素のキャビティ内のカーボンナノチューブの配列であり得る。そのため、気孔率はカーボンナノチューブ間の空間から成る。

図３Ａの実施例では、燃焼室１２は、長方形断面を有する単一のチャネルによって形成され、その最も長い長さは、側面図で見られるように、エミッタの長さ全体で、太陽放射ＲＳの方向に対して垂直に伸びる。

図３及び図３Ｃの実施例では、燃焼室は、太陽放射ＲＳの方向に対して垂直な、エミッタ長さ全体に伸びる複数のチャネルを含み、隣同士に提供される。図３Ｂではチャネルは長方形断面を有し、図３Ｃでは、チャネルは円形断面を有する。チャネルの複数の配列が熟考され得る。

図３Ｄでは、エミッタの本体６は複合体であり、それは非多孔質材料のシェル６．１及び多孔質材料のコア６．２を含み、燃焼室を形成する。

図４Ａ及び図４Ｂでは、図１のシステムの代替案が見られ、第二表面がファセット化されていない。示された実施例では、光起電力セルの数が図１のシステムに対して減少しているが、これらはより大きい表面積を有することが可能である。セルの数及びサイズは、決して限定されるものではない。また、凹型の受ける表面を有するセルが熟考される。

図４Ａでは、燃焼室１２は、太陽放射ＲＳの方向に対して垂直な、長さ全体に伸びる複数のチャネル１４によって形成され、図４Ｂでは、エミッタは多孔質材料のコア６．２を含む。

図５Ａ及び図５Ｂでは、熱光起電力システムの他の一つの例示的な実施形態が見られ得、エミッタ１０２は三角形断面を備えるプリズム形状を有する本体を含む。

エミッタの第一表面１０８は、プリズムの面の内の一つによって形成される。第二表面１１０は、プリズムの他の二つの面によって形成される。熱光起電力セル４は第二表面１１０の面それぞれに面して提供される。

図５Ａでは、燃焼室は、両方の長手方向の面の間で伸びるチャネル１１４を含む。チャネルは本体に分布している。示された実施例では、それらは均等に分布している。

図５Ｂでは、エミッタは、非多孔質材料のシェル１０６．１及び対応するプリズムの形状を有する多孔質材料のコア１０６．２を含む。

図６Ａ及び図６Ｂでは、熱光起電力システムの他の一つの例示的な実施形態が見られ得、エミッタ２０２は、縦軸Ｘを備える回転円筒形状を有する本体含む。

図６Ａでは、燃焼室は単一のチャネル２１４によって形成される。複数の平行なチャネルから構成される燃焼室は、本願発明の範疇から逸脱するものではない。図６Ｂでは、エミッタは多孔質材料のコアを含む。

図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄで示される例示的な実施形態は、特に興味深い。なぜならそれらは、燃焼セル間の伝導材料の存在のおかげで向上された、赤外線発光面への、太陽放射受光面の熱伝導率を有するからである。従って、受光面の温度は、太陽濃縮における動作、それゆえ生産された電気エネルギーの量において最大化される。さらに、これらのシステムの構成は、熱光起電力セルの数を制限することが可能であり、或いは、発光面の前面に配された単一のセルを用いることが可能である。

図７Ａでは、横向きで見たときの、ハイブリッド又は混合された熱光起電力システムの実用的で例示的な実施形態が見られ得る。

本システムは、長手方向の軸Ｙを有する。本システムは、図７の表記において左から右へ、フレネルレンズ集光器１７、エミッタ２、赤外線フィルター１５、ラジエーター１６と関連付けられた熱光起電力セル４を含む。

設計されたそれぞれの構成要素は、プレートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に取り付けられ、プレートはその四つの角で、プレートそれぞれを通る四つの棒１８に取り付けられる。

図７Ｂでは、プレートＰ２の中央開口部１９に取り付けられた、エミッタの第一面の側面図が見られ得る。

エミッタは、支持体が保持される間に二つの側部支持体２０によって、プレートＰ２に取り付けられる。両方の支持体２０は、プレートＰ２に取り付けられた部位２２に順に取り付けられる。支持体２０は有利には二つの部位であり、エミッタが支持体の内の一つに固く取り付けられることを防ぐことができ、且つ非常に高温での、エミッタとその支持体との間でのいくらかの熱膨張を可能にする。実際、示された実施例では、エミッタは、支持体部２０に作製された二つの溝に挿入される。代わりに、支持体を用いないことが熟考され得、そのときエミッタは、燃焼セルの供給及び排出構成要素によって保持され得る。

上述したように、支持体２０は好ましくは側面のリークを防ぐために低い熱伝導率を示す。

図７Ｂでは、システム、燃焼室のチャネル１４、及びエミッタ２４が、概略的に示され得る。

フレネルレンズ１７は、実施例に示される締め付け手段によってプレートＰ１に取り付けられ、プレートＰ１は濃縮された太陽光の流れが通り抜けるための中央開口部を含む。

赤外線フィルター１５は、中央開口部２６も含むプレートＰ３に取り付けられる。

熱光起電力セル４は支持体２８に、有利にはプレートＰ４に取り付けられ、優れた熱伝導率を示す、例えば銅の支持体に取り付けられる。ラジエーターは、セルを担う面に対して反対側の面上の支持体２８に取り付けられる。ラジエーター２８は、セルから熱を除去するために用いられ、銅の支持体２８を介してセルからラジエーターへと伝わる。また、プレートＰ４は、セル、支持体及びラジエーターアセンブリを取り付けるための中央開口部３０を含む。

プレート及びそれらが担う構成要素は、システム効率を最適化するために異なる構成要素の特徴に応じて決定された、互いに対する所与の距離で提供される。例えば、フレネルレンズと第一表面との間の距離は、フレネルレンズの焦点距離と等しい。

温度測定は、システムを監視するために、エミッタ上、赤外線フィルター上、及び太陽電池の支持体上で実施され得る。測定は、熱電対又はエミッタに関する光高温計によって実施される。他の測定手段が用いられ得る。

図８では、熱光起電力システムの一般的な概念が見られ得、集光器１７は棒の上端に取り付けられた放物線形状の反射鏡によって形成される。

太陽放射は、それらをエミッタの第一表面上に反射する反射鏡によって集められる。

上述された熱光起電力システムを作製するための例示的なプロセスは、これから説明されるであろう。

例示的な製造プロセスでは、エミッタは一以上のチャネルを含む固体部分で作製される。その部分は焼結したセラミック粉末によって作製され得る。したがって、チャネルはその部位の加工又は成形のいずれかによって得られる。加工は通常の器具によって、又は有利にはレーザーを介して実施され、亀裂をもたらすリスクを低減し得る。機械加工は葉の部分（ｇｒｅｅｎ ｐａｒｔ）又は焼結後に起こり得る。外部表面は、光学特性を改善するために、例えば、ポリマーのような樹脂の、又はＳｉＯ_２等の固い材料のカウンターマスクで、パターンをドライ又はウェットエッチングすることによって、テクスチャ加工され得、エッチングは好ましくは焼結された部分上で実施され、非常に優れた寸法正確性を達成することが可能である。

他の一つの例示的な製造プロセスでは、半分の部分が作製され、半分のチャネルが加工され、その後、同一のものが、両者をシーリング、標準の若しくは反応性のタイプのはんだ付け若しくはろう付け、又は拡散接合することを介して組み立てられる。加工は、例えば機械型の、又はプラズマエッチング型若しくはレーザーアブレーション型である。このプロセスは有利には、上述したように、システム又は複雑なチャネルの達成を可能にし、燃焼専用の部分と、対流又は伝導損失を制限するための、及び優れた燃焼条件を提供するための高温ガスの逆流と、を含み得る。例えば、半分の部分は両方ともＳｉＣである。

エミッタの外部表面は、光学特性を向上するために、例えばポリマーのような樹脂の、又はＳｉＯ_２等の固い材料のカウンターマスクで数マイクロメートルのパターンをドライ又はウェットエッチングすることによって、テクスチャ加工され得る。

エミッタが多孔質材料のコアを有する実施例では、これは、例えば焼結を介して得られる多孔質のセラミックから作製され、その後非多孔質材料の外部シェルに導入される。非多孔質材料のシェルの外部表面は、光学特性を向上するために、例えばポリマーのような樹脂の、又はＳｉＯ_２等の固い材料のカウンターマスクでパターンをドライ又はウェットエッチングすることによって、テクスチャ加工され得る。

本願発明によるシステムは、比較的簡単な製造を有し、９００℃から１５００℃の間の温度で動作し、熱機械応力を低減し、信頼性を向上する。さらに、これら動作温度では、炭化ケイ素等の空気下で劣化しない材料が用いられ得、これにより、真空及び耐久性の進歩を必要としないので、システムの単純化が可能となる。

さらに、そのシステムは、サイズを例えば１０×１０×２ｍｍ^３に減少させることが可能である。その容積において触媒のミクロの燃焼が実施され、ガス消費を制限し得る。この減少したサイズはまた、図７ａのものと類似するモジュールを、例えばフレネルレンズを介した濃縮を用いることによって、同一の太陽追跡システム上に並置させることが可能である。

本発明のおかげで、二つの相補的な組み合わされたエネルギー源である、濃縮した太陽放射による太陽エネルギー及び例えばバイオガス又は水素からの燃焼エネルギーから電力を発生させることが可能である。

さらに、夜も昼も熱光起電力の電力を製造することが可能である。そのため、このようなシステムの年間生産量は、生産が恒久的であるため、既存のシステムと比較して大きく改善され得る。太陽エネルギーの生産に特有の断続的な発電の問題もまた低減される。従って、本発明は、一般的に重い手段である、バッテリー、溶解塩（高温）、岩石のベッド（低温）等の太陽光の変動を補償するための、電気又は熱エネルギーを貯蔵するための手段を排除することが可能である。

さらに、本発明は、燃焼のおかげで、例えば雲に覆われる等の好ましくない気候条件下で、太陽の濃縮された部分の低い生産を補償することが可能である。また、燃焼は、エミッタ温度、故に生産されるエネルギー量を維持することが可能であるという優位点も提供する。従って、本発明は、拡散光の条件下で生産を維持することが可能であろう。

さらに、本発明は、所望される時での燃焼によってエミッタ温度を一時的に上昇させて、発電がピーク需要に適合することが可能であるといういくらかの柔軟性を提供する。実際、本システムの効率はエミッタ温度及び燃焼ガス流れに直接依存する。

燃焼制御は有利には、一定温度で定常状態で動作するようにエミッタ温度を操作することが可能である。一方で濃縮部の供給は変化しやすいであろう。このことは、エミッタに課せられる熱変動を低減し、それによりその寿命を延ばすことになる。

工業的及び商業的観点から、連続的な発電は、昼間の好ましい気候条件下でｚのみ動作する光起電システムに関して、設備の減価償却時間を減少させることを可能にする。

さらに、本発明によるエミッタは、エミッタ、フィルター、熱光起電力セル、電気のプロセス、供給、土地の部分といった大部分の構成要素を共有することによって、太陽発電機及び熱発電機の構成要素を組み合わせる。

本発明のおかげで、生産は気候条件にほとんど依存しなくなるため、混合された又はハイブリッドの熱光起電力システムは、非最適な日照条件を有する国々に導入され得る。

本発明による混合された又はハイブリッドの熱光起電力システムは、特に発電に適合する。

Claims (22)

1. 熱光起電力システムのための赤外線エミッタ（２、１０２、２０２）であって、
   第一外部表面（８、１０８）及び第二外部表面（１０、１１０）を備える本体（６）を含み、
   前記第一外部表面（８、１０８）と前記第二外部表面（１０、１１０）とは異なっており、
   前記第一外部表面は、濃縮された太陽放射を受けるために設計され、
   前記第二外部表面（１０、１１０）は、少なくとも一つの熱光起電力セル（４）に対して赤外線を発光するために設計され、
   前記本体（６）は、その中に少なくとも一つのガス及び／又は液体燃焼室（１２）を含み、
   前記燃焼室は、前記エミッタの外部表面を介して供給され、その表面は、前記第一外部表面及び第二外部表面と異なる、赤外線エミッタ。
2. 前記第二外部表面（１０、１１０）は、前記少なくとも一つの燃焼室（１２）に対して、前記第一外部表面（８、１０８）の反対側にある、請求項１に記載の赤外線エミッタ。
3. 前記本体（６）は、前記燃焼室（１２）を形成する少なくとも一つのチャネル（１４、１１４、２１４）を含む、請求項１又は２に記載の赤外線エミッタ。
4. 前記少なくとも一つのチャネル（１４、１１４、２１４）は、前記第一（８、１０８）及び第二（１０、１１０）外部表面に対して実質的に平行に伸びる、請求項３に記載の赤外線エミッタ。
5. 前記本体（２）は、前記燃焼室を形成する多孔質材料のコア（６．２、１０６．２、２０６．２）、及び非多孔質材料のシェル（６．１、１０６．１、２０６．１）を含む、請求項１又は２に記載の赤外線エミッタ。
6. 前記エミッタ本体の前記材料は、高い熱伝導率を有し、好ましくは１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１超である、請求項１から５の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
7. 前記第一外部表面の領域に対する前記第二の外部表面の領域の比率は、１から１０の間であり、有利には、１．５から４の間である、請求項１から６の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
8. 前記本体（６）は、直方体形状を有し、主要面は前記第一外部表面（８）を担い、前記第二主要面は前記第二外部表面（１０）を担い、前記燃焼室（１２）は前記第一（８）及び第二（１０）外部表面に対して平行に伸びる、請求項１から７の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
9. 前記本体（６）は半円形断面を有し、且つ半円筒形状を有し、前記凸面は前記第二外部表面（１０）を形成し、前記平面は前記第一外部表面（８）を形成し、前記燃焼室（１２）は前記第一（８）及び第二（１０）外部表面に対して平行に伸びる、請求項１から７の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
10. 前記燃焼室は、少なくともその長手方向の一端で、燃焼及び酸素源に接続することが可能である、請求項８又は９に記載の赤外線エミッタ。
11. 前記燃焼室は、燃焼ガスと前記エミッタ本体との間での熱交換を改善するために、チャネル（１４、１１４、２１４）の配列を含む、請求項１から１０の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
12. 前記第一外部表面（８、１０８）は、材料の堆積を含み、及び／又は、太陽放射の吸収を改善し、その赤外線放射率を減少することが可能な微細構造を有する、請求項１から１１の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
13. 前記第二外部表面（１０、１１０）は、材料の堆積を含み、及び／又は、その強度を増加することによって、及び、例えば１．７μｍ超の長波長で、その放射率を減少することによって、前記赤外線放射を制御することが可能な微細構造を含む、請求項１から１２の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
14. 前記燃焼室（１２）は少なくとも一つの燃焼触媒を含む、請求項１から１３の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
15. 前記本体（６）は、一以上の、炭化ケイ素、タングステン等の耐火材料、及び／又は、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等の希土類酸化物によって形成される、請求項１から１４の何れか一項に記載の赤外線エミッタ。
16. 請求項１から１５の何れか一項に記載のエミッタ（２、１０２、２０２）を含む熱光起電力システムであって、集光器（１７）は前記エミッタの前記第一外部表面（８、１０８）の前に提供され、前記エミッタ（２）内で前記燃焼を引き起こすための添加手段（２４）及び少なくとも一つの熱光起電力セル（４）は前記第二外部表面（１０、１１０）の前に提供される、熱光起電力システム。
17. 前記太陽放射のレベルに応じた燃焼制御手段を含む、請求項１６に記載の熱光起電力システム。
18. 前記制御手段は、前記エミッタを実質的に一定温度で維持するために、燃焼を制御する、請求項１７に記載の熱光起電力システム。
19. 炭化水素化合物、二水素（ｄｉｈｙｄｒｏｇｅｎ）又はバイオガス等の燃料源を含む、請求項１６から１８の何れか一項に記載の熱光起電力システム。
20. 前記熱光起電力セルから熱を除去するための手段（１６）を含む、請求項１６から１９の何れか一項に記載の熱光起電力システム。
21. 前記集光器（１７）、前記エミッタ（２、１０２、２０２）、及び前記熱光起電力セル（４）はそれぞれプレート（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４）に取り付けられ、前記プレートは棒（１８）に互いに平行に取り付けられる、請求項１６から２０の何れか一項に記載の熱光起電力システム。
22. 前記エミッタ（２）は、低い熱伝導率、例えば３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満を示す手段によって前記プレート（Ｐ２）に取り付けられる、請求項２１に記載の熱光起電力システム。

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