JP5424889B2 - 太陽光熱電変換 - Google Patents
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Description
.0001メートルから約1メートルまでの範囲内の、長さに対する断面積の比によって特徴づけ可能である。支持構造は、変換器の低温端に結合してよい。変換器は、輻射光捕捉構造と支持構造との間の総熱伝導の約20%より小さい集合的な熱伝導を示し得る。いくつかの例では、輻射光捕捉構造が捕捉面積によって特徴づけ可能であり、複数の熱電変換器が変換器面積によって特徴づけ可能である。いくつかの実施形態では、変換器面積に対する捕捉面積の比は、約100、400または600より大きくてよい。複数の熱電変換器が大気圧に比べて排気された環境中にカプセル化可能であり、かつ/または平坦板構成中で実施可能である。
を含んでもよい。球状の形状を有し得るバリヤ構造は、太陽輻射光の1つまたは複数の波長に対して少なくとも部分的に透過性でよい。1つまたは複数の熱電変換器は、独立した環境中に配置してよい。捕捉構造はバリヤ構造内に含まれて、変換器(単数または複数)に熱的に結合してよい。捕捉構造は輻射光濃縮器からの濃縮された太陽輻射光を吸収するように適合可能であり、熱を発生可能である。輻射光濃縮器は、独立した環境に光学的に結合し、変換器の少なくとも一部を加熱するように太陽輻射光を配光し、変換器に渡り(例えば、変換器の高温端と低温端に渡り)温度差の発生を促進可能である。輻射光濃縮器は、入射太陽輻射光の少なくとも約10倍のレベルに太陽輻射光を濃縮するように適合可能である。輻射光濃縮器は1つまたは複数のレンズ要素、1つまたは複数の反射要素、または、1つまたは複数の屈折要素または回折要素を含んでよく、それぞれが、太陽輻射光を配光し熱電変換器を加熱するように適合可能である。太陽輻射光追跡機を含んでもよい。追跡機は、1つまたは複数の変換器に対して輻射光濃縮器を移動させ、太陽輻射光への暴露を維持し、変換器(単数または複数)を加熱するように適合可能である。変換器(単数または複数)に熱的に結合するように適合された熱拡散器を含んでもよく、熱拡散器は変換器の少なくとも一部から熱を除去し得る可能性がある。いくつかの例では、1つまたは複数のバリヤ構造が、熱拡散器に、熱的、電気的、および/または、取り外し可能に結合可能である。
ように適合された第2の部分とを含んでよい。いくつかの実施形態では、太陽光濃縮器を含み構造全体が、独立した環境中にカプセル化可能である。他の実施形態では、太陽光濃縮器はカプセル化から除外してよい。
使用の文脈上、他の定義が示されない場合には、本出願を通して使用される用語および句に以下の定義を適用する。
れる。1つの例では、太陽光エネルギの選択的な吸収および低赤外放射率を有する太陽光捕捉面を使用する平坦板構成が説明される。他の例では、カプセル化された構成が太陽光濃縮器と共に使用される。しかし、これらの特定の構成は、本開示の全ての範囲を表すものではないと、理解すべきである。任意の実施形態から任意の数の特徴が、実施形態の他の任意の組み合わせから任意の数の特徴と組み合わせ可能である。例えば、第1の例で説明した平坦板構成は、太陽光濃縮器と組み合わせ可能、または電球状構成に再配列可能、またはその両方であり、これらは本発明のいくつかの実施形態と合致する。従って、全てのそのような可能性のある組み合わせが考えられ、これらは本発明の範囲内である。同様に、また、当業者は、本開示により利用可能な数多くの他の改造または変更を容易に確知するだろう。従って、全てのそのような改造も、さらに本発明の範囲内である。
図1に例示された装置は、本発明のいくつかの実施形態を例証するものである。図1に太陽光発電器13の例が説明されており、1つまたは複数の(例えば、一対の)熱電変換器14に結合した輻射光捕捉構造12を含む。捕捉構造12は輻射光吸収層1aを含み、これは、さらに前面1bを含み、前面1bは直接的または濃縮器を介して、いずれかで太陽輻射光に曝されるように適合される。この例では、前面1bは実質的に平坦であるが、他の例では、層1aは湾曲してよい。さらに、この例では輻射光吸収層1aが連続的に示されるが、他の場合では、これは分離した複数のセグメントとして形成可能である。前面1b上に当たった太陽輻射光は、捕捉構造12中に熱を発生可能であり、この熱は熱電変換器14のそれぞれの一端15に伝達可能であり、下で一層詳細に説明する。さらに具体的には、この例では、輻射光吸収層1aは太陽輻射光(例えば、約1.5、2、3、または4ミクロンより短い波長)に対し高い吸収を示し、一方で、放射率が低く、そのために、低い吸収(例えば、約1.5、2、3、または4ミクロンより長い波長に対して)を示す材料で形成可能である。
。例えば、フィンは、図10A、10B、10C、および11(例えば、支持構造1030、1035上にあるフィン)を参照して説明したような、封入された独立した環境のモジュール上で使用してよい。
または約50℃から約300℃までの、または約100℃から約300℃までの温度範囲に渡り、低い放射率特性を示してよい。いくつかの実施形態では、電磁スペクトルの1つまたは複数の波長に渡り、任意の層(単数または複数)で低い放射率特性を示してよい。例えば、低い放射率は赤外範囲を含む範囲(例えば、約750nmより長い波長)に渡ってよい。他の例では、任意の層(単数または複数)の低放射は約1.5、2、3、または4ミクロンより長い波長に渡ってよい。他の実施形態では、任意の層(単数または複数)の低放射率は、層の動作温度において、約0.1よりも小さい、約0.05よりも小さい、約0.02よりも小さい、または約0.01よりも小さい総放射率値を有する表面によって特性づけ可能である。
み、熱の伝達を制限してよい。例えば、捕捉面の背面および裏当て構造の内部面は、自身に付着させた材料を含み、放射率の低い層の使用に加え、一層の絶縁を行ってよい。このように、「排気された環境」を利用する本明細書で説明する実施形態は、これらの別の環境を使用して、また、実施可能である。
下に開示するいくつかの実施形態は、1つまたは複数の光学濃縮器を備える使用に適合された、太陽光熱電発電器構成を利用する。光学濃縮器は、入射太陽輻射光を収集し、そのような太陽輻射光を濃縮する機能がある1つまたは複数の装置を指す。光学濃縮器は、典型的に、濃縮された太陽輻射光を、太陽光捕捉面等の標的に配光可能である。光学濃縮器が利用される実施形態の多くでは、濃縮器は、それらの高温端の一層効率的な加熱を介して、熱電変換器に渡りより高い温度差の発生を促進可能であり、変換器によってより高い電気出力をもたらし得る可能性がある。光学濃縮器は、また、太陽光発電器の性能を維持する可能性があると共に、より低い熱濃縮機能を有する太陽光捕捉構造(例えば、より大きな熱損失を示し得る、より小さな太陽光捕捉面および/または捕捉構造)と伴に、利用し得る可能性もある。図1、図3および図4に対して説明した実施形態は、入射太陽輻射光(すなわち、非濃縮の)を利用する際の使用に適合可能であるが、そのような実施形態は、また、本明細書に開示された任意の数の特徴を使用して、光学濃縮器と伴に利用可能である。同様に、太陽光濃縮器を参照して明示的に説明した太陽光熱電発電器の設計のいくつかは、必ずしも、そのような濃縮器を必要としない。
素521、522は、太陽光濃縮器として作用する。反射要素は、輻射光が実質的に要素を通過せずに、輻射光を再配光するように作用可能である。他の型の反射被覆を備える鏡および構造は、反射要素として作用可能である。図5Bに示す特定の実施形態では、入射太陽輻射光517は、構造524によって、この例では熱電変換器525の低温側に近接して配置される鏡面521に配光される。任意選択的に透明および/またはフレーム状の構造524は、鏡を支持し、下方の基板によって熱拡散が達成可能なように太陽輻射光を下方に配光可能である。輻射光反射要素521は、そこに入射する輻射光を反射要素522に反射し、次に、これが、この太陽輻射光を輻射光捕捉面523上に反射し、熱電変換器525の高温端を加熱する。いくつかの場合では、反射要素521は、反射光を反射要素522(例えば、反射要素521の曲率の中心に近接して配置してよい)上に濃縮させる、湾曲した形状の、例えば、放物線状の反射面を有してよい。そのような濃縮された太陽輻射光は、次に、反射要素522を介して、輻射光捕捉構造523上に配光されるが、いくつかの場合では、反射要素522自身も太陽輻射光を濃縮する。
るように、太陽光追跡装置660を含んでよい。典型的に、太陽光追跡装置は機構665を含み、太陽光濃縮器611の1つまたは複数の要素を移動させて太陽の動きを追跡して太陽光捕捉を向上させることに役立ち得る。別法として、太陽光追跡装置は、また、太陽光濃縮器を伴わないシステム中に使用してもよい。そのような例では、熱電モジュールは太陽光捕捉面を含み、追跡装置は捕捉面を移動させ入射太陽輻射光がこの表面に当たるように維持する。本明細書で説明するいくつかの実施形態は追跡装置を伴わずに使用されるように構成可能であるが、その一方で、太陽光追跡装置は、明示的に禁止する以外は、一般に、本明細書で開示する任意の実施形態と共に使用可能であると理解される。
40に結合してよく、裏当て構造は、任意選択的に、変換器の端831を高温端832に比べ低温に保つヒートシンクとして構成してよい。図7によって例証する実施形態のように、複数のレンズ構造825の使用は、太陽輻射光を特定の位置に配光し、太陽光追跡装置の必要性を軽減する可能性がある。
Claims (16)
- 少なくとも太陽輻射光に対し透明である上面を有する排気されたエンクロージャであって、該エンクロージャ内の圧力を大気圧よりかなり低い圧力にした該エンクロージャと
前面と背面とを有し、前面が太陽輻射光に曝されて熱を発生させるように適合された輻射光捕捉構造と、
少なくとも1つの熱電変換器に亘り温度差が実現するように、自身の高温端部で前記輻射光捕捉構造に熱的に結合して前記発生した熱の少なくとも一部を受ける熱電変換器と、
該排気されたエンクロージャ内に位置する裏当て構造であって、該裏当て構造全体が該排気されたエンクロージャ内に完全に位置し、該裏当て構造は前記少なくとも一つの熱電変換器の低温端と接触する、該裏当て構造と、を備え、
前記輻射光捕捉構造が捕捉面積によって特徴づけられ、前記複数の熱電変換器が変換器面積によって特徴づけられ、変換器面積に対する捕捉面積の比が約100より大きい、太陽光発電器。 - 変換器面積に対する捕捉面積の比が約300より大きい、請求項1記載の太陽光発電器。
- 変換器面積に対する捕捉面積の比が約500より大きい、請求項1記載の太陽光発電器。
- 排気されたエンクロージャを有し、輻射光捕捉構造が該エンクロージャ内に少なくとも部分的に配置されている、請求項1記載の太陽光発電器。
- 前面及び背面の各々の少なくとも一部が、約0℃から約1000℃の温度範囲に亘って約0.1以下の放射率を示し、前記前面が約80%以上の太陽光輻射に対する吸収力を示している請求項4記載の太陽光発電器。
- 前記太陽光発電器が、少なくとも4%の太陽光エネルギ変換を示す、請求項5記載の太陽光発電器。
- 前記熱電変換器の前記高温端部と前記低温端部との間の温度差が少なくとも約50℃である、請求項6記載の太陽光発電器。
- 前記熱電変換器の低温端部に結合された支持構造を更に備え、該支持構造が、輻射光捕捉構造の背面に対面するよう適合された内面を有し、該支持構造の内面が約0.1以下の放射率を示す、請求項5記載の太陽光発電器。
- 前記輻射光捕捉構造の前面及び背面間に配設された少なくとも1つの熱拡散要素を更に備え、該少なくとも1つの熱拡散要素が、前記輻射光捕捉構造中で約20W/mKより大きい値を有する横方向の熱伝導率を与える、請求項5記載の太陽光発電器。
- 少なくとも1つの熱電変換器が、熱的に結合して接点を形成する、少なくとも1つのn型熱電脚と少なくとも1つのp型熱電脚とを備え、該少なくとも1つのn型熱電脚と少なくとも1つのp型熱電脚のそれぞれが軸方向によって特徴づけられ、前記軸方向間の角度が約0°から約180°までの範囲内に存在するように、前記少なくとも1つのn型脚と少なくとも1つのp型脚とが互いに相対して配置され、前記軸方向は、伸張した方向である軸方向からなる、
請求項1記載の太陽光発電器。 - 高温端部と低温端部の間に温度差を発生するように発生された熱の少なくとも一部を各々が受けるべく輻射光捕捉構造に熱的に結合された複数の熱電変換器を備え、
前記輻射光捕捉構造上の入射太陽輻射光に応じて、それぞれの変換器の前記高温端部と前記低温端部との間に少なくとも約50℃の温度差を発生させ、前記変換器の前記低温端部が約90℃より低い温度に維持されるように、離間的な前記変換器の配列が適合される、請求項1記載の太陽光発電器。 - 前記前面が約20W/mKより大きな横方向の熱伝導率を示す、請求項5記載の太陽光発電器。
- 少なくとも1つの熱電変換器が配設された独立した環境を囲み、該独立した環境への輻射光波長の伝達を許すように1つ以上の太陽光輻射波長に少なくとも部分的に伝達するバリヤ構造であって、該独立した環境は該バリヤ構造内の圧力を大気圧よりかなり低い圧力にした、バリヤ構造と、
前記熱電変換器を横切る温度差の発生を容易にするため熱電変換器の一部を加熱するように太陽光輻射を向けるべく独立した環境に光学的に結合された光学濃縮器と、及び
前記少なくとも1つの熱電変換器に熱的に結合するように適合されて前記少なくとも1つの熱電変換器の一部から熱を除去するように適合された熱拡散器と、を更に備える、請求項1記載の太陽光発電器。 - 輻射光捕捉構造に太陽光輻射を指向するように輻射光捕捉構造に光学的に結合された光学濃縮器を備えており、前記輻射光捕捉構造は、前記光学濃縮器によって前記輻射光捕捉構造上に配光された輻射光の少なくとも一部を受けるように適合された少なくとも1つの突出要素を有しており、該少なくとも1つの突出要素が太陽輻射光への暴露に応じて熱を発生させる、請求項1記載の太陽光発電器
- 輻射光捕捉構造が、太陽輻射光を捕捉して前記輻射光捕捉構造中に熱を発生させるように適合された太陽光捕捉面を備えており、輻射光捕捉構造の太陽光補捉面と密接に結合されて輻射光捕捉構造の太陽光捕捉面に入射太陽輻射光を収集して濃縮するように適合された太陽光収集伝導体を更に備える、請求項1記載の太陽光発電器。
- 前記輻射光捕捉構造は、太陽光収集伝導体によって向けられる多方向からの輻射光の少なくとも一部を受けるように適合された少なくとも1つの突出要素を有する、請求項15記載の太陽光発電器。
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