JP2015535420A - 熱光起電力装置用多層構造体、及び、その多層構造体を含む熱光起電力装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱光起電力装置用多層構造体（１０）は、熱伝達エミッタユニット（２）とスペクトル成形器（３）を有する。【解決手段】上記熱伝達エミッタユニット（２）は、高温耐熱性材料から成るチャンバ筐体（２．１）を有し、流体熱伝達チャンバ（２．２）を画定し、高温に晒された時に主に近赤外線を出射するように構成された電磁放射線エミッタ（２．３）を有する。スペクトル成形器（３）は、上記電磁放射線エミッタ（２．３）に隣接し、熱的に接続されている。スペクトル成形器（３）は、放射線の最適スペクトル帯域用の帯域通過フィルタのように構成され、また更に、放射線の非最適スペクトル帯域用の反射体のように構成され、これにより、上記第二の非最適スペクトル帯域放射線は、上記電磁放射線エミッタ（２．３）の方向に再誘導された放射線として、再利用される。【選択図】図２
Description
本発明は、熱光起電力装置用多層構造体、及び、このような多層構造体を含む熱光起電力装置に関する。
電力や、よりクリーンなＣＯ２中性エネルギー源の高い需要と共に、エネルギーを取りこむ効率が、ますます重要な役割を果たしている。多くの工業国が原子力発電からの転換を徐々に目指すにつれて、代替エネルギー源に対する需要がこれまで以上に大きくなっている。しかしながら、今のところ、実際に実行可能な代替物は、あるとしても、いくつかしか知られていない。風力タービン又は太陽光発電所などの「旧知な」再生可能エネルギー源の多くには、その普及を妨げる重大な欠点がある。
たとえ風力タービン又は太陽光発電所などの「旧知な」再生可能エネルギー源のこれらの欠点が解決されたとしても、大きな問題が依然として存在し、その問題とは、これらの再生可能エネルギー源が利用可能なのは、電気エネルギーが必要とされるのとは大きく異なる場所であることが極めて多いという点である。生成場所とエネルギー消費者間が長距離であると、生成された電気エネルギーを移送するためには、非常に複雑、高価、かつ、環境にやさしくないインフラストラクチャが必要となる。更に、最近のこのようなインフラストラクチャの改良にもかかわらず、長距離にわたる電気エネルギーの移送において重大な損失が依然として存在する。したがって、エネルギー生成を分散化することが、緊急で必要となる。換言すると、将来のエネルギー生成は、消費者にできるだけ近い場所でエネルギー生成をする点にある。これによって、送電損失が減少・排除されるだけではなく、より高い自由度を確保しながら配電網の負担を緩和する。
エネルギー生成の分散化にとって非常に興味深い分野の１つが、熱光起電力装置、つまり、燃料中に蓄えられた化学エネルギーを電磁放射線に変換し、その後、電気に変換するように設計された装置の分野である。しかしながら、既存の熱光起電力装置は相対的に効率が低く、その用途及び大規模配置に限界がある。
更に、携帯型電子装置から電動重機に渡って、移動式エネルギーキャリア／発生装置に対する需要が増大している。また、熱及び／又は光及び／又は電気を選択的又は同時に生成する多目的エネルギー発生装置が求められる。
効率に関して、これらの化学エネルギー／電気エネルギー変換器の効率の最も問題であるのは、一方では、化学エネルギーから電磁放射線への変換の非効率性、他方では、電磁放射線から電気への変換の非効率性である。
本発明の目的は、したがって、熱光起電力素子手段によって、化学エネルギーから電気への非常に高効率な変換を可能にする熱光起電力装置用多層構造体を提供することである。
本発明の更なる目的は、このような多層構造体を含む熱光起電力装置を提供することである。
本発明の尚も更なる目的は、熱、光及び電気の選択的及び／又は同時生成用の熱光起電力システムを提供することである。
上記で特定された本発明の目的は、好ましくはセラミック材料のような高温耐熱性材料から成るチャンバ筐体を有する熱伝達エミッタユニットを含む、熱光起電力装置用多層構造体によって解決され、上記チャンバ筐体は、流体熱伝達チャンバを画定し、少なくとも内面と外面とを１つずつ有するものである。多層構造体は、更に、上記のチャンバ筐体の外面に隣接し、かつ、該外面と熱的に接続された電磁放射線エミッタを有し、上記電磁放射線エミッタは、上記チャンバ筐体との上記熱的接続を介して高温に晒されたときに、主に近赤外線を出射するように構成され、更に、入力面が上記の電磁放射線エミッタと隣接し、かつ、該エミッタと熱的に接続された状態で配置されたスペクトル成形器とを含む。スペクトル成形器は、高温に晒されたときに電磁放射線エミッタによって出射された放射線の第１の最適なスペクトル帯域用の帯域通過フィルタとして構成され、及び／又は、更に、電磁放射線エミッタによって出射された放射線の非最適なスペクトル帯域用の反射体として構成されることにより、上記の第２の非最適なスペクトル帯域放射線が、電磁放射線エミッタの方へ再誘導されるような放射線として再利用される。多層構造体は、化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを流体熱伝達チャンバの表面に集中させる手段が設けられることが好ましい。
本発明の上記の更なる目的は、このような多層構造体と、電磁放射線エミッタの放射方向にこの多層構造体と隣接した光起電力セルとを含む熱光起電力装置によって解決される。
本発明の尚も更なる目的は、このような熱光起電力装置と、燃料源を含む熱光起電力システムによって解決され、この燃料源は、燃料源から可燃性燃料混合物を流体熱伝達チャンバの入力側の方へ導くように配置され、燃料源及び／又は流体熱伝達チャンバは、燃焼が熱伝達エミッタユニットの表面に本質的に限定されるように、かつ、気相での燃料混合物の燃焼が最小限に抑えられるように構成されている。
本発明で最も重要な利点は、各段階において損失を最小限に抑えるためにエネルギー変換の全ての段階を最適化することによって、非常に高い効率を達成するという点である。
Ｉ）化学エネルギーから熱放射への変換：
化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを流体熱伝達チャンバの表面に集中させることにより及び／又は気相での燃焼反応を抑止することにより、排ガスとしての熱損失が最小限に抑えられつつ、燃料と熱伝達エミッタユニットとの間の熱、すなわちエネルギー伝達が最大化される。
ＩＩ）熱エネルギーから電磁放射線への変換：
主に近赤外線を出射するように構成された電磁放射線エミッタを含む熱伝達エミッタユニット用の適切な構造体を使用することにより、電磁放射線に変換される熱エネルギーの量が最大化される。
ＩＩＩ）電磁放射線のスペクトルの成形及び最終的な損失の再利用：
放射線の第１の最適スペクトル帯域の帯域通過フィルタとして構成されたスペクトル成形器を使用することにより、及び／又は、
イッテルビウム酸化物Ｙｂ２Ｏ３又は白金など自発光材料から成るスペクトル成形器により、
出射される電磁放射線のスペクトルは、電磁放射線から電気エネルギーへの効率的な変換のために光起電力セルによって成形される。
更に、電磁放射線エミッタによって出射される放射線の更なる非最適なスペクトル帯域用の反射体としてスペクトル成形器を構成することによって、非最適なスペクトル帯域の放射線は、電磁放射線エミッタの方へ再誘導される放射線として再利用され、損失が更に最小限に抑えられる。
Ｉ）化学エネルギーから熱放射への変換：
化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを流体熱伝達チャンバの表面に集中させることにより及び／又は気相での燃焼反応を抑止することにより、排ガスとしての熱損失が最小限に抑えられつつ、燃料と熱伝達エミッタユニットとの間の熱、すなわちエネルギー伝達が最大化される。
ＩＩ）熱エネルギーから電磁放射線への変換：
主に近赤外線を出射するように構成された電磁放射線エミッタを含む熱伝達エミッタユニット用の適切な構造体を使用することにより、電磁放射線に変換される熱エネルギーの量が最大化される。
ＩＩＩ）電磁放射線のスペクトルの成形及び最終的な損失の再利用：
放射線の第１の最適スペクトル帯域の帯域通過フィルタとして構成されたスペクトル成形器を使用することにより、及び／又は、
イッテルビウム酸化物Ｙｂ２Ｏ３又は白金など自発光材料から成るスペクトル成形器により、
出射される電磁放射線のスペクトルは、電磁放射線から電気エネルギーへの効率的な変換のために光起電力セルによって成形される。
更に、電磁放射線エミッタによって出射される放射線の更なる非最適なスペクトル帯域用の反射体としてスペクトル成形器を構成することによって、非最適なスペクトル帯域の放射線は、電磁放射線エミッタの方へ再誘導される放射線として再利用され、損失が更に最小限に抑えられる。
本発明の更なる特性及び利点を、説明によって、及び、図面を参照することによって以下で詳細に説明する。
本発明に係る多層構造体の概略断面図である。
スペクトル成形器が装着された熱伝達エミッタユニットを含む多層構造体の概略上面図である。
電磁放射線エミッタの第１の実施形態を有する熱伝達エミッタユニットの概略斜視図である。
電磁放射線エミッタの第２の実施形態を有する熱伝達エミッタユニットの概略斜視図である。
スペクトル成形器が装着された多層構造体の更なる実施形態の概略上面図である。
スペクトル成形器が装着された多層構造体の尚も更なる実施形態の概略上面図である。
複数の流体熱伝達チャンバを有する熱伝達エミッタユニットの更なる実施形態の概略上面図である。
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複数の流体熱伝達チャンバを有する熱伝達エミッタユニットの更なる実施形態の概略斜視図である。
本発明に係る光起電力セルの概略断面図である。
本発明に係る熱光起電力装置の概略断面図である。
本発明に係る熱光起電力装置の好適な実施形態の概略斜視図である。
熱光起電力装置の更なる実施形態の概略上面図である。
熱光起電力装置の尚も更なる実施形態の概略上面図である。
本発明に係る熱光起電力システムの概略斜視図である。 注：図は、縮尺通りに描かれてはおらず、より良く理解するために例示・提示されただけであり、本発明の範囲を定義するものではない。これらの図からは、本発明の特徴のいかなる制限も暗示されるべきではない。
本特許出願において特定の用語が使用されているが、該用語の明確な記述は、選ばれた特定の用語によって限定されると解釈されるべきではなく、特定の用語の背後にある一般的な概念に関するものと解釈すべきである。
図１は、本発明に係る多層構造体１０の概略断面図を示す。多層構造体１０の主な機能素子は、熱伝達エミッタユニット２及びスペクトル成形器３である。
熱伝達エミッタユニット２は、好ましくはセラミック材料のような高温耐熱性材料から成るチャンバ筐体２．１を含む。図２〜３Ｂに例示されるように、少なくとも１つの内面及び１つの外面を有するチャンバ筐体２．１は、流体熱伝達チャンバ２．２を画定する。
図１にも示すように、多層構造体の他の主な機能素子として、スペクトル成形器３は、入力面が上記の電磁放射線エミッタ２．３に隣接し、かつ、該エミッタに熱的に接続された状態で配置される。
スペクトル成形器３は、以下の機能を有する：
−高温に晒されたときに、電磁放射線エミッタ２．３によって出射された放射線の第１の最適なスペクトル帯域用の帯域通過フィルタとして機能する。これを実線による波状の矢印で図に示す。
−電磁放射線エミッタ２．３によって出射された放射線の更なる非最適なスペクトル帯域用の反射体として機能し、それにより、上記の第２の非最適なスペクトル帯域の放射線が電磁放射線エミッタ２．３の方へ再誘導される放射線として再利用される。これは、点線による矢印で図に示され、及び／又は、
−特に有利な実施形態によれば、エミッタ自身として機能し、スペクトル成形器３は、例えば、希土類元素含有層、好ましくは、イッテルビウム酸化物Ｙｂ２Ｏ３又は白金エミッタ層及び／又はナノ構造フィルタ層などの選択的なエミッタ材料から成る層を含む。
−高温に晒されたときに、電磁放射線エミッタ２．３によって出射された放射線の第１の最適なスペクトル帯域用の帯域通過フィルタとして機能する。これを実線による波状の矢印で図に示す。
−電磁放射線エミッタ２．３によって出射された放射線の更なる非最適なスペクトル帯域用の反射体として機能し、それにより、上記の第２の非最適なスペクトル帯域の放射線が電磁放射線エミッタ２．３の方へ再誘導される放射線として再利用される。これは、点線による矢印で図に示され、及び／又は、
−特に有利な実施形態によれば、エミッタ自身として機能し、スペクトル成形器３は、例えば、希土類元素含有層、好ましくは、イッテルビウム酸化物Ｙｂ２Ｏ３又は白金エミッタ層及び／又はナノ構造フィルタ層などの選択的なエミッタ材料から成る層を含む。
図２は、１０を含む多層構造体の概略上面図を示し、どのようにスペクトル成形器３が熱伝達エミッタユニット２に装着されるかを示している。熱伝達エミッタユニット２の更なる本質的な素子は、上記のチャンバ筐体２．１の外面に隣接し、かつ、該外面と熱的に接続された電磁放射線エミッタ２．３である。電磁放射線エミッタ２．３は、上記のチャンバ筐体２．１との上記の熱的接続を介して高温に晒されたときに、主に近赤外線を出射するように構成される。図２は、電磁放射線エミッタ２．３からの電磁放射線の放射方向を象徴的に（波状の矢印で）示す。
熱伝導バリアをもたらし、起こり得る熱膨張誘発力を構成し、かつ、電磁放射線エミッタ２．３によって出射される放射線の全ての非最適なスペクトル帯域を更に良好に除去／反射するために、任意選択的に、特に近赤外線を透過するバリア層３．１、好ましくは石英バリア層３．１が熱伝達エミッタユニット２とスペクトル成形器３との間に設けられ、これにより、上記第２の非最適なスペクトル帯域放射線が、電磁放射線エミッタ２．３の方へ再誘導される放射線として再利用される。
図３Ａは、電磁放射線エミッタ２．３の第１の実施形態を有する熱伝達エミッタユニット２の概略斜視図を示す。
流体熱伝達チャンバ２．２の上記の入力側２．４における可燃性燃料混合物の流入を図では波状の破線で示し、一方、流体熱伝達チャンバ２．２の上記の排出側２．５における排ガスの流出は、波状の点線で示す。
チャンバ筐体２．１は、電磁放射線エミッタ２．３に十分な安定性をもたらすように構成された、好ましくはセラミックのような高温耐熱性材料から成る。また、チャンバ筐体２．１は、電磁放射線エミッタに電磁放射線を出射させるように、流体熱伝達チャンバ２．２から電磁放射線エミッタ２.３に均一に熱を分散する。
本発明の好適な実施形態では、熱伝達チャンバ２．２の内面には、熱伝達チャンバ２．２内の化学エネルギーキャリア（燃料）と電磁放射線エミッタ２．３のチャンバ筐体２．１との間の熱伝達を最大化するために、化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを流体熱伝達チャンバ２．２の表面に集中させる手段が設けられる。化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを表面に集中させる上記の手段は、流体熱伝達チャンバ２.２の内面上の触媒コーティングの手段によって達成されることが好ましい。
図３Ｂは、電磁放射線エミッタ２.３の第２の実施形態を有する熱伝達エミッタユニット２の概略斜視図を示す。この実施形態によれば、電磁放射線エミッタ２.３は、熱伝達エミッタユニット２から外方に延在するフィン状の構造体を含み、このフィン状の構造体は、電磁放射線エミッタ２．３の放射面を最大化するように設けられる。これらのフィン状の構造体は、様々な２次元又は３次元構造体とすることができ、ナノスケールから巨視的スケールまで拡張し得る。
図４は、対称構造の熱伝達エミッタユニット２の反対側に対称構造のスペクトル成形器３が装着された、多層構造体１０の機能的かつ構造的な対称性の実施形態の概略上面図を示しており、電磁放射線エミッタ２．３は、２つの反対方向に主に近赤外線を出射するように配置される。図４に示す実施形態は、左右対称性の実施形態であり、図５は、十字状に配置された多層構造体１０の尚も更なる実施形態の概略上面図を示す一方、スペクトル成形器３は、十字の各方向に配置される。多層構造体１０は、他の対称体（例えば、六角体、八角体、楕円球体）又は、非対称体の形状を有してもよい。
図６Ａ及び６Ｂは、複数の流体熱伝達チャンバ２．２を有する熱伝達エミッタユニット２の様々な実施形態の概略上面図を示す。
図６Ｃは、図６Ｂの複数の流体熱伝達チャンバ２．１を有する熱伝達エミッタユニット２の更なる実施形態の概略斜視図を示す。
図７は、本発明に係る例示的な光起電力セル７の概略断面図を示し、（以下の図に示すように）電磁放射線エミッタ２．３の放射方向に上記の多層構造体１０に隣接して配置されるものとする。電磁放射線エミッタ２．３の放射方向を波状の矢印で示す。光起電力セル７は、多層構造体１０のスペクトル成形器３及び／又は電磁放射線エミッタ２．３の放射方向に配置された変換領域７．５を含む。光起電力セル７は、多層構造体１０からの「スペクトル成形された」放射線を電気エネルギーへ変換する効率を向上させるために、主に近赤外線用に最適化される。
（図７に示すように）最も好適な実施形態では、光起電力セル７は、多層構造体１０のスペクトル成形器３及び／又は電磁放射線エミッタ２．３の上記の放射方向に向けられた変換領域７．５の第１の表面上に位置する反射防止層７．１を含む。特に好適な実施形態では、反射防止層７．１は、予め定義された波長の放射線用の反射防止層として機能するように構成されつつ、上記の予め定義された波長の外側に放射線を反射するように構成されたプラズモニックフィルタを含む。例えば、反射防止層７．１は、サブ波長穴のアレイが穿孔された金属薄膜−好ましくは金−を含む。穴は、周期的に離間され、その結果、膜が照射されたときに回折によって表面プラズモンを励起することができる。表面プラズモンは、その後、穴を介してエネルギーを伝達して、膜の反対側で再放射される。穴の離間は、反射防止層７．１を介して伝達される発光の波長に基づいて決定される。更に、光起電力セル７は、上記の第１の表面と反対方向に位置する変換領域７．５の第２の表面上の反射層７．９を含む。更に、裏面電気コンタクト７．７が、例えば、上記の変換領域７．５と上記の反射層７．９との間に位置し、また、表面電気コンタクト７．３が、例えば、上記の反射防止層７．１と変換領域７．５との間に位置している。あるいは（図示されないが）、表面及び裏面電気コンタクト両方は、上記の変換領域７．５と上記の反射層７．９との間か、又は、上記の反射防止層７．１と変換領域７．５との間か、又は、その両方に配置し得る。
図８Ａ及び８Ｂは、（本明細書で先に説明したような）多層構造体１０と、電磁放射線エミッタ２．３の放射方向に上記の多層構造体１０に隣接して配置された（本明細書で先に説明したような）光起電力セル７とを含む、本発明に係る熱光起電力装置１００の概略断面図及び斜視図を示す。
図８Ａ及び８Ｂに示すように、好適な実施形態では、例えば、真空又はエアロゲル層又は石英板の形態の熱伝導バリア４が、上記のスペクトル成形器３と光起電力セル７との間に設けられている。尚も更なる実施形態では、スペクトルフィルタ５が、多層構造体１０のスペクトル成形器３と光起電力セル７との間に設置されている。
熱光起電力装置１００の冷却のために、及び／又は、加熱機能をもたらすために、アクティブ冷却層６が、多層構造体１０のスペクトル成形器３と光起電力セル７との間に及び／又はスペクトル成形器３と反対方向の光起電力セル７の裏面側に設けられ、上記のアクティブ冷却層６は、冷却剤入力部６．１と冷却剤出力部６．２との間に、水又はその他の冷媒などの冷却剤を含む。冷却層６は、多層構造体１０のスペクトル成形器３及び／又は電磁放射線エミッタ２．３によって出射されたより低い波長の放射線を吸収するように構成され、熱的接続によって光起電力セル７を冷却する。
接触冷却用に最適化された冷却層は、他の冷却対策に加えて又は単独で、それぞれ全反射体１．１、１．２の背後に位置し得る。
冷却層６の放射線吸収を向上させるために、マイクロチャネルが、冷却層６内に設置され、上記の冷却剤入力部６．１及び上記の冷却剤出力部６．２を接続する。
しかしながら、このアクティブ冷却層６は、同様に加熱機能をもたらすために、冷却剤入力部６．１における冷却剤又は単に水の加温によるものを採用してもよく、その結果、冷却剤出力部６．２にて熱が供給される。このオプションは、（図１１を参照して以下の段落で説明される）熱光起電力システム２００において利用される。
（図示されないが）更なる実施形態では、スペクトル成形器３及び／又は光起電力セル７及び／又はバリア層３．１及び／又は熱伝導バリア４は、開口楕円柱、好ましくは、電磁放射線エミッタ２の周りに同軸に配置される開口円柱体として構成される。多角体の構成も可能である。熱光起電力装置１００は、他の対称体（例えば、六角体、八角体、楕円球体）、又は、非対称体の形状を有してもよい。
図９は、熱光起電力装置１００の更なる実施形態の概略上面図を示しており、熱伝達エミッタユニット２の対称方向それぞれに対して１つの光起電力セル７が構造的及び機能的に対称に配置されている。多層構造体１０、スペクトル成形器３、並びに、他の任意選択的な層は、反対の２方向に主に近赤外線を出射するように配置された電磁放射線エミッタ２．３を有する対称性の熱伝達エミッタユニット２に対して各対向側に装着される。
図９に示す実施形態は、左右対称性の実施形態である一方、図１０は、十字形状に配置され、十字の各方向にスペクトル成形器３及び光起電力セル７を配置した熱光起電力装置１００の尚も更なる実施形態の概略上面図を示す。
熱光起電力装置１００は、完全に対称であってはならず、特定の層（バリア層３．１、熱伝導バリア４、スペクトルフィルタ５又はアクティブ冷却層６など）は、１つの方向には設けられるが他の方向には設けられないことに注意されたい。携帯型エネルギー源として、熱源、電気エネルギー源、及び、光源として同時に又は選択的に機能するように構成された（図１１を参照して以下の段落で説明される）熱光起電力システム２００では、熱光起電力装置１００の配置を実現することができ、十字の各「アーム部」は、多機能熱光起電力システム２００の１つ以上の機能性のために最適化される。したがって、熱光起電力システム２００は、以下を選択的に又は同時に供給することができる。
−熱エネルギー源５０及び／又は流体熱伝達チャンバ２．２からの熱放射、及び／又は冷却層（６）の冷却剤出力部（６．２）を介した熱放射
−光起電力セル７の出力端子での電気エネルギー
−光、即ち、可視スペクトルでの電磁放射。
したがって、このような熱光起電力システム２００は、各動作モード（熱源／電気源／光源）において非常に効率的であると同時に、供給されるエネルギーの形態に対して非常に柔軟性がある。
−熱エネルギー源５０及び／又は流体熱伝達チャンバ２．２からの熱放射、及び／又は冷却層（６）の冷却剤出力部（６．２）を介した熱放射
−光起電力セル７の出力端子での電気エネルギー
−光、即ち、可視スペクトルでの電磁放射。
したがって、このような熱光起電力システム２００は、各動作モード（熱源／電気源／光源）において非常に効率的であると同時に、供給されるエネルギーの形態に対して非常に柔軟性がある。
図１１は、（本明細書で先に説明したような）熱光起電力装置１００と、燃料源５０から成る本発明に係る熱光起電力システム２００の概略斜視図を示し、燃料源５０から流体熱伝達チャンバ２．２の入力側２．４へ可燃性燃料混合物を導くように配置されている。流体熱伝達チャンバ２．２は、燃焼が電磁放射線エミッタ２の表面に本質的に限定されるように、かつ、気相での燃料混合物の燃焼が最小限に抑えられるように構成されている。
燃料源５０は、化学エネルギー源であり、化学エネルギーキャリアは、メタノールなどの化石燃料である。
図１１に示すように、熱光起電力システム２００は、更に、流体熱伝達チャンバ２．２の排出側２．５において排ガスから熱を回収して、上記の回収した熱を上記の入力側２．４にフィードバックするように構成された廃熱回収ユニット５５を含む。
熱光起電力システム２００の更なる有利な実施形態において、流体熱伝達チャンバ２．２の上記の排出側２．５は、排ガス内の蒸気を濃縮することによって得られる液体を回収するように構成された濃縮ユニット６０を更に含む。燃料が例えばメタノールである場合、メタノールの燃焼から生じる水蒸気を濃縮する濃縮ユニット６０が配置される。このようにして、熱光起電力システム２００は、（同時に又は選択的に）純水源としても機能することが出来る。
定量的な実施例：
燃料としてのメタノールを使用する特定の実施例において、１Ｌのメタノールを燃焼させる本発明に係る熱光起電力システム２００は、約２０％の効率で以下を生成することになる。
−光起電力セル７の出力端子における約１ｋＷｈの電気エネルギー、
−熱エネルギー源５０及び／又は流体熱伝達チャンバ２．２からの、及び／又は冷却層６の冷却剤出力部６．２を介した、約４ｋＷｈの熱、及び、
−濃縮ユニット６０の出力側における約１Ｌの純水。
燃料としてのメタノールを使用する特定の実施例において、１Ｌのメタノールを燃焼させる本発明に係る熱光起電力システム２００は、約２０％の効率で以下を生成することになる。
−光起電力セル７の出力端子における約１ｋＷｈの電気エネルギー、
−熱エネルギー源５０及び／又は流体熱伝達チャンバ２．２からの、及び／又は冷却層６の冷却剤出力部６．２を介した、約４ｋＷｈの熱、及び、
−濃縮ユニット６０の出力側における約１Ｌの純水。
多くの変形例を、以下の特許請求の範囲に定めるように、本発明の範囲から逸脱することなく、先に説明した特定の構造に基づいて採用することができることが理解されるであろう。
１０ 多層構造体
１．１、１．２ 全反射体
２ 熱伝達エミッタユニット
２．１ チャンバ筐体
２．２ 流体熱伝達チャンバ
２．３ 電磁放射線エミッタ
２．４ 入力側
２．５ 排出側
３ スペクトル成形器
３．１ バリア層
４ 熱伝導バリア
５ スペクトルフィルタ
６ アクティブ冷却層
６．１ 冷却材入力部
６．２ 冷却材出力部
７ 光起電セル
７．１ 反射防止層
７．３ 表面コンタクト
７．５ 変換領域
７．７ 裏面電気コンタクト
７．９ 反射層
１００ 熱光起電力装置
２００ 熱光起電力システム
５０ 燃料源
５５ 廃熱回収ユニット
６０ 濃縮ユニット
１．１、１．２ 全反射体
２ 熱伝達エミッタユニット
２．１ チャンバ筐体
２．２ 流体熱伝達チャンバ
２．３ 電磁放射線エミッタ
２．４ 入力側
２．５ 排出側
３ スペクトル成形器
３．１ バリア層
４ 熱伝導バリア
５ スペクトルフィルタ
６ アクティブ冷却層
６．１ 冷却材入力部
６．２ 冷却材出力部
７ 光起電セル
７．１ 反射防止層
７．３ 表面コンタクト
７．５ 変換領域
７．７ 裏面電気コンタクト
７．９ 反射層
１００ 熱光起電力装置
２００ 熱光起電力システム
５０ 燃料源
５５ 廃熱回収ユニット
６０ 濃縮ユニット
Claims (20)
- 熱伝達エミッタユニット（２）と、
スペクトル成形器（３）と、
を備え、
熱伝達エミッタユニット（２）は、
好ましくはセラミック材料のような高温耐熱性材料から成り、流体熱伝達チャンバ（２．２）を画定し、少なくとも１つの内面と外面とを有するチャンバ筐体（２．１）と、
前記チャンバ筐体（２．１）の前記外面に隣接し、かつ、該外面と熱的に接続され、前記チャンバ筐体（２．１）との前記熱的接続を介して高温に晒されたときに主に近赤外線を出射するように構成される電磁放射線エミッタ（２．３）とを含み、
スペクトル成形器（３）は、
入力面が電磁放射線エミッタ（２．３）と隣接し、かつ、該エミッタと熱的に接続された状態で配置され、
前記スペクトル成形器（３）は、
高温に晒されたときに前記電磁放射線エミッタ（２．３）によって出射された前記放射線の第１の最適なスペクトル帯域用の帯域通過フィルタとして構成され、及び／又は、
前記電磁放射線エミッタ（２．３）によって出射された前記放射線の更なる非最適なスペクトル帯域用の反射体として構成され、これにより、前記第２の非最適なスペクトル帯域の放射線は、電磁放射線エミッタ（２．３）の方へ再誘導される放射線として再利用される
ことを特徴とする、熱光起電力装置用多層構造体（１０）。 - 前記熱伝達チャンバ（２．２）の前記内面には、前記熱伝達チャンバ（２．２）内の化学エネルギーキャリア（燃料）と前記電磁放射線エミッタ（２．３）の前記チャンバ筐体（２．１）との間の熱伝達を最大化するために、化学エネルギーキャリア（燃料）の燃焼プロセスを前記流体熱伝達チャンバ（２．２）の表面に集中させる手段、好ましくは触媒コーティングの手段が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の多層構造体（１０）。
- 前記電磁放射線エミッタ（２．３）は、放射面を最大化するように、及び／又は、例えば、フォトニック結晶タイプのナノ構造化によって放射線スペクトルを最適化するように、前記電磁放射線エミッタ（２．３）の放射方向に前記熱伝達エミッタユニット（２）から外方に延在する構造体を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の多層構造体（１０）。
- 近赤外線を透過するバリア層（３．１）−好ましくは石英バリア層（３．１）−が、前記熱伝達エミッタユニット（２）と前記スペクトル成形器（３）との間に設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の多層構造体（１０）。
- 前記スペクトル成形器（３）は、希土類元素含有層、好ましくは、イッテルビウム酸化物Ｙｂ２Ｏ３又は白金エミッタ層及び／又はナノ構造フィルタ層などの選択的エミッタ材料の層を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の多層構造体（１０）。
- 請求項１〜６のうちの１つによる多層構造体（１０）と、
電磁放射線エミッタ（２．３）の放射方向に前記多層構造体（１０）に隣接された光起電力セル（７）と、
を備えることを特徴とする、熱光起電力装置（１００）。 - 例えば、真空又はエアロゲル層の形態の熱伝導バリア（４）は、前記スペクトル成形器（３）と前記光起電力セル（７）との間に設けられることを特徴とする、請求項６に記載の熱光起電力装置（１００）。
- スペクトルフィルタ（５）は、前記多層構造体（１０）の前記スペクトル成形器（３）と前記光起電力セル（７）との間に設けられることを特徴とする、請求項６又は７に記載の熱光起電力装置（１００）。
- アクティブ冷却層（６）は、前記多層構造体（１０）の前記スペクトル成形器（３）と前記光起電力セル（７）との間に、及び／又は、前記スペクトル成形器（３）と反対方向に向けられた前記光起電力セル（７）の裏面側に設けられ、
前記アクティブ冷却層（６）は、冷却剤入力部（６．１）と冷却剤出力部（６．２）との間の水又は他の冷媒などの冷却剤を含み、
前記冷却層（６）は、前記多層構造体（１０）の前記スペクトル成形器（３）及び／又は前記電磁放射線エミッタ（２．３）によって出射されたより低い波長の放射線を吸収するように構成されて、熱的接続によって前記光起電力セル（７）が冷却されることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１つに記載の熱光起電力装置（１００）。 - マイクロチャネルは、前記冷却層（６）に設けられ、前記冷却層（６）の放射線吸収を向上させるために前記冷却剤入力部（６．１）及び前記冷却剤出力部（６．２）を接続することを特徴とする、請求項９に記載の熱光起電力装置（１００）。
- 前記光起電力セル（７）は、前記多層構造体（１０）の前記スペクトル成形器（３）及び／又は前記電磁放射線エミッタ（２．３）の放射方向に配置されて、主に近赤外線用に最適化された変換領域（７．５）を含むことを特徴とする、請求項６〜１００のいずれか１つに記載の熱光起電力装置（１００）。
- 前記光起電力セル（７）は、前記多層構造体（１０）の前記スペクトル成形器（３）及び／又は前記電磁放射線エミッタ（２．３）の前記放射方向に向けられた、前記変換領域（７．５）の第１の表面上に位置する反射防止層（７．１）と、前記第１の表面とは反対方向に位置する変換領域（７．５）の第２の表面上の反射層（７．９）とを含み、
電気裏面コンタクト（７．７）は、前記変換領域（７．５）と前記反射層（７．９）との間に位置し、
電気表面コンタクト（７．３）は、前記反射防止層（７．１）と前記変換領域（７．５）との間に位置することを特徴とする、請求項１１に記載の熱光起電力装置（１００）。 - 対称方向のそれぞれに少なくとも１つの光起電力セル（７）を有する前記熱伝達エミッタユニット（２）に対して構造的及び／又は機能的に対称に配置されることを特徴とする、請求項６〜１２のいずれか１つに記載の熱光起電力装置（１００）。
- 十字形状に配置され、その十字の各方向に少なくとも１つの光起電力セル（７）を有することを特徴とする、請求項１３に記載の（１００）。
- 前記スペクトル成形器（３）、及び／又は
前記光起電力セル（７）、及び／又は
前記バリア層（３．１）、及び／又は
前記熱伝導バリア（４）は、
開口楕円柱として、好ましくは前記電磁放射線エミッタ（２）の周りに同軸で配置された好ましくは開口円柱体として構成されることを特徴とする、請求項６〜１２のいずれか１つに記載の熱光起電力装置（１００）。 - 請求項６〜１５のいずれか１つによる熱光起電力装置（１００）と、
燃料源（５０）であって、燃焼が熱伝達エミッタユニット（２）の表面に本質的に限定されるように、かつ、気相での燃料混合物の燃焼が最小限に抑えられるように構成され、燃料源（５０）から流体熱伝達チャンバ（２．２）の入力側（２．４）へ可燃性燃料混合物を導くように配置された、燃料源（５０）と、
を備えることを特徴とする、熱光起電力システム（２００）。 - 前記燃料源（５０）は、化学エネルギー源であり、
化学エネルギーキャリアは、メタノールなどの化石燃料であることを特徴とする、請求項１４に記載の熱光起電力システム（２００）。 - 前記システムは、更に、前記流体熱伝達チャンバ（２．２）の排出側（２．５）において熱を排ガスから回収して、前記回収した熱を前記入力側（２．４）にフィードバックするように構成された廃熱回収ユニット（５５）を備えることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の熱光起電力システム（２００）。
- 前記システムは、同時に又は選択的に、
前記熱エネルギー源（５０）及び／又は前記流体熱伝達チャンバ（２．２）から、及び／又は、冷却層（６）の冷却剤出力部（６．２）を介して、熱放射を供給する熱源として機能するように、
光起電力セル（７）の出力端子において電気エネルギーを供給する電気エネルギー源として機能するように、
光源として機能するように、
携帯型エネルギー源として構成されており、
前記電磁放射線エミッタ（２．３）は、高温に晒されたときに可視スペクトルの電磁放射線を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１つに記載の熱光起電力システム（２００）。 - 前記システムは、更に、前記流体熱伝達チャンバ（２．２）の前記排出側（２．５）において前記排ガス内の蒸気を濃縮することによって、好ましくは、燃料としてのメタノールの燃焼から生じる水蒸気を濃縮することによって液体を回収するように構成された濃縮ユニット（６０）を備え、
その結果、更に純水源として構成されることを特徴とする、請求項１９に記載の熱光起電力システム（２００）。
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| EP12180327.4 | 2012-08-13 | ||
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