KR20180111927A - 투명한 에미터를 갖는 방사형 마이크론 갭 열 광전지 시스템 - Google Patents
투명한 에미터를 갖는 방사형 마이크론 갭 열 광전지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
열 싱크 및 상기 열 싱크 상에 장착된 복수의 열 광전지 모듈을 포함하는 열 광전지 패널 조립체. 각각의 열 광전지 모듈은 갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 소자를 포함한다. 에미터 조립체는 에미터를 포함하고, 갭을 유지하기 위해 광전지 소자 쪽으로 힘을 가한다. 열 광전지 패널 조립체는 또한 에미터 상의 힘 적용 층을 이용하고, 제 위치에 볼트로 고정될 수 있다. 하우징은 보호 및 에미터에 에너지를 전달하는 데 사용될 수 있다. 열 싱크는 하우징 내로 캔틸레버되어 열 광전지 모듈과 하우징의 내부 표면 사이에 공간을 한정한다. 바람직하게는, 하우징은 진공을 유지하고, 결과적으로 갭은 비워지게 된다. 열 싱크는 모놀리식이고 열 싱크를 통해 펌핑된 유체로 냉각될 수 있다. 에미터는 투명하거나 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다.
Description
본 기술은 에너지 변환, 및 특히 마이크론 갭(micron-gap)을 유지하기 위한 통합된 압력 적용을 갖는 방사형 마이크론 갭 열 광전지 모듈에 관한 것이다.
기술은 모든 측면에서 에너지 사용 및 발전을 개선하도록 유도되었다. 모든 사람은 전력 생산을 위한 초 효율적인 기술과 설계의 이점을 누릴 것이다. 이를 위해, 열을 전력으로 변환하는 획기적인 기술이 개발되었다. 예를 들어, 마이크론 갭 열 광전지 대형 서브 마이크론 갭 방법 및 장치가 2014년 7월 29일에 발행된 Brown 등의 미국 특허 제8,791,357호에 개시되어 있다. 미국 특허 제8,791,357호의 기술은 열 계면 재료에 의한 에미터와 하우징 사이의 직접적인 물리적 접촉을 통해 고온 하우징으로부터 에미터로 에너지의 전도성 전달을 갖는 근거리장 열 광(photovoltaic, PV) 전지를 활용하는 에너지 변환 시스템이다. 근거리장 열 PV 전지의 추가 예가 2001년 5월 15일에 발행된 DiMatteo 등의 미국 특허 제6,232,546호, 및 2009년 11월 12일에 발행된 Greiff 등의 미국 특허 출원 공개 제2009/0277488호(현재 미국 특허 제8,076,569호로 발행됨)에 개시되어 있다.
본 기술은 열 전기 또는 양자점 에너지 수확 시스템, 열 이온 방출, 원거리장 갭 에너지 변환, 광전지, 및 다른 현재 공지되었거나 추후에 개발되는 다른 유형의 에너지 변환과 같은 다양한 에너지 변환 시스템에 광범위하게 적용 가능하다. 예시를 위해 열 광전지 에너지 변환에 대해 아래에서 설명하지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 기술의 광범위한 적용을 이해할 것이다. 솔리드 스테이트 시스템을 사용하여 에너지를 수확하고 생산할 수 있는 것이 본 기술의 이점이다. 솔리드 스테이트 시스템은 광전지 소자로부터 이격된 에미터를 포함한다. 하우징으로부터 에미터로 전달된 방사 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
일 실시예에서, 본 기술은 열 싱크를 포함하는 열 광전지 패널 조립체에 관한 것이다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈이 열 싱크 상에 장착된다. 각각의 열 광전지 모듈은 에미터 조립체, 갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 조립체, 및 갭을 유지하기 위한 힘을 가하는 패스너를 포함한다. 바람직하게는, 갭은 서브 마이크론 갭이다. 에미터는 열 싱크에 고정되거나 에미터 상에 장착된 힘 적용 층이 열 싱크에 결합될 수 있다. 광전지 조립체와 열 싱크 사이의 베이스 기판이 또한 힘을 가하기 위해 패스너에 결합될 수 있다. 베이스 기판은 우수한 열 전도 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 또한, 베이스 기판은 열 계면 특성을 개선하기 위해 처리되거나 층이 추가될 수 있다. 열 광전지 패널 조립체는 또한 내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징을 가질 수 있으며, 여기서 열 싱크는 적어도 하나의 열 광전지 모듈과 내부 표면 사이에 공간을 한정하도록 내부로 캔틸레버된다(cantilever). 하우징은 통상적으로 진공을 유지하며, 그 결과 갭은 비워지게 된다. 통상적인 진공 레벨은 약 0.1 내지 10밀리토르(millitorr)이다. 열 싱크는 모놀리식(monolithic)일 수 있거나, 그를 통해 펌핑된 냉각 유체를 수신하기 위한 통로를 한정하기 위해 여러 개의 부분으로 구성될 수 있다. 광전지 소자 및/또는 에미터 상의 적어도 하나의 스페이서, 보통은 복수 개의 스페이서가 갭을 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 그 안에 열 싱크를 갖는 내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징을 포함하는 열 광전지 패널 조립체에 관한 것이다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈은 열 싱크에 결합되고, 갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 소자 조립체를 갖는다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈 및 내부 표면은 그 사이에 공간을 한정하여 하우징이 에너지를 흡수하고, 그에 따라 에미터 조립체에 에너지를 방사하고, 에미터 조립체는 에너지를 흡수하고, 결과적으로 광전지 소자 조립체에 의한 전기로의 변환을 위해 갭에 걸쳐 에너지를 방출한다. 일 실시예에서, 열 싱크는 하우징 내로 캔틸레버된다. 대안적으로, 하나 이상의 열 절연 소자가 열 싱크를 둘러싸거나 열 싱크로부터 돌출하여 열 광전지 모듈과 열 싱크 사이의 접촉을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 그 안에 열 싱크를 갖는 내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징을 포함하는 열 광전지 패널 조립체를 포함한다. 하나 이상의 열 광전지 모듈은 열 싱크에 결합한다. 내부는 열 광전지 모듈(들)과 내부 표면 사이의 공간을 포함하여 하우징에 의해 방사되고/되거나 하우징으로 들어오는 에너지가 열 광전지 모듈(들)로 방사되고, 결과적으로 열 광전지 모듈(들)이 에너지를 흡수하여 전기를 생성하다. 열 광전지 모듈(들)은 에미터 조립체, 갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 조립체, 및 갭을 유지하기 위한 힘을 가하는 패스너를 포함할 수 있다. 개선된 열 전도 용량 및/또는 구조적 지지를 위해, 베이스 기판이 광전지 조립체와 열 싱크 사이에 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 열 싱크 및 열 싱크 상에 장착된 적어도 하나의 열 광전지 모듈을 포함하는 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체에 관한 것이다. 열 광전지 모듈은 마이크론 갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 소자를 포함한다. 에미터 조립체는 에미터를 포함하고, 마이크론 갭을 유지하기 위해 광전지 소자 쪽으로 힘을 가한다. 바람직하게는, 에미터는 열 싱크에 볼트, 스크류, 및/또는 클램프로 고정된다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체는 또한 에미터 상에 장착되고 열 싱크에 볼트로 고정된 힘 적용 층을 이용할 수 있다. 힘 적용 층은 에미터와 통합될 수 있거나, 에미터 그 자체이다.
하우징은 보호 및 에미터에 에너지를 전달하는 데 사용될 수 있다. 열 싱크는 적어도 하나의 열 광전지 모듈과 내부 표면 사이에 공간을 한정하도록 하우징 내로 캔틸레버될 수 있다. 바람직하게는, 하우징은 진공을 유지하고, 결과적으로 마이크론 갭은 비워지게 된다. 열 싱크는 모놀리식일 수 있고, 그를 통해 펌핑된 유체로 냉각될 수 있다. 적어도 하나의 스페이서가 마이크론 갭을 유지하기 위해 광전지 소자와 에미터 소자 사이에 있을 수 있다. 열 광전지 모듈은 광전지 소자와 열 싱크 사이에 열 계면 층을 포함할 수 있다.
본 기술의 또 다른 실시예는 내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징을 포함하는 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체에 관한 것이다. 열 싱크는 내부로 캔틸레버된다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈이 열 싱크 상에 장착된다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈은 마이크론 갭에 의해 에미터로부터 분리된 광전지 소자를 포함한다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈과 내부 표면은 하우징이 에너지를 흡수하고, 그에 따라 에미터에 에너지를 방사하도록 그들 사이에 공간을 한정한다. 에미터는 에너지를 흡수하고, 결과적으로 광전지 소자에 의한 전기로의 변환을 위해 마이크론 갭을 걸쳐 에너지를 방출한다. 에미터는 또한 마이크론 갭을 유지하기 위해 광전지 소자 쪽으로 힘을 가할 수 있다. 예를 들어, 에미터는 열 싱크에 볼트로 고정된다. 대안으로, 힘 적용 층이 에미터 상에 장착되고 열 싱크에 볼트로 고정된다.
본 기술의 또 다른 실시예는 내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징을 포함하는 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체에 관한 것이다. 열 싱크는 내부로 캔틸레버된다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈이 열 싱크 상에 장착된다. 적어도 하나의 열 광전지 모듈은 마이크론 갭에 의해 에미터로부터 분리된 광전지 소자를 포함한다. 내부는 적어도 하나의 열광전지 모듈과 내부 표면 사이에 공간을 포함하여, 하우징으로 들어오는 에너지가 에미터에 방사되도록 한다. 그 결과, 에미터는 에너지를 흡수하고, 그에 따라 광전지 소자에 의한 전기로의 변환을 위해 마이크론 갭에 걸쳐 에너지를 방출한다.
대안적인 에너지 변환 조립체는 본 기술의 전부 또는 일부로부터 이득을 얻을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 제한 없이 예를 들어, 열 전기 또는 양자점 에너지 수확 시스템은 본 기술을 이용할 수 있다. 또한, 본 기술은 제한 없이, 현재 공지되어 있고 추후에 개발되는 응용에 대한 공정, 장치, 시스템, 디바이스, 및 방법으로서 다양한 방식으로 구현되고 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에 개시된 시스템의 이들 및 다른 고유한 특징은 다음의 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 명백해질 것이다.
따라서, 개시된 시스템이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 그 제조 및 사용 방법을 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이며, 다음 도면이 참조될 수 있다.
도 1은 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 2a는 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 분해도이다.
도 2b는 본 개시 내용에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 분해도이다.
도 3은 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 모듈의 분해도이다.
도 4는 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 동작을 예시하는 부분 절단도이다.
도 5는 본 개시 내용에 따른 구성 요소를 예시하는 부분적으로 조립된 상태에서의 또 다른 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 6은 종래 기술의 열 싱크의 분해도이다.
도 7은 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 냉각 베이를 도시하는 종단면도이다.
도 8은 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 입구 매니폴드를 예시하는 대안적인 종단면도이다.
도 9는 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 냉각 베이를 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 개시 내용에 따른 또 다른 열 싱크를 도시하는 단면도이다.
도 11은 본 개시 내용에 따른 에미터의 단면도이다.
도 12a는 본 기술에 따른 불균일한 갭의 시각적 모습(visual)을 예시하는 이미지이다.
도 12b는 본 기술에 따른 불균일한 갭의 시각적 모습을 예시하는 이미지이다.
도 13a-e는 본 기술에 따른 박막 에미터를 제조하기 위한 다양한 가능한 제조 단계의 일련의 다소 개략적인 단면도이다.
도 13F는 본 기술에 따른 박막 에미터의 또 다른 실시예의 다소 개략적인 단면도이다.
도 14는 본 기술에 따른 광전지 소자의 밴드 갭에 위치되는 높은 투과와 높은 흡수 사이의 전이를 갖는 최적화된 에미터의 그래픽적 묘사이다.
도 15는 본 기술에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체를 갖는 산업용 유리 용광로 적용이다.
도 16a는 본 개시 내용에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 16b는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 원위 단부의 부분 분해도이다.
도 16c는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 코너 전기 점퍼의 단면도이다.
도 16d는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 전기 모선의 단면도이다.
도 16e는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 열 싱크의 사시도이다.
도 16f는 도 16e의 열 싱크의 부분 분해도이다.
도 16g는 도 16e의 열 싱크의 핀 플레이트(fin plate)의 평면도이다.
도 16h는 도 1e의 열 싱크의 핀 플레이트의 단부의 상세도이다.
도 16i는 도 16e의 열 싱크의 단면도이다.
도 17a는 본 개시 내용에 따른 또 다른 열 광전지(thermophotovoltaic, TPV) 모듈의 상부 사시도이다.
도 17b는 도 17a의 TPV 모듈의 하부 사시도이다.
도 17c는 도 17a 및 도 17b의 TPV 모듈에서의 장착 조립체의 단면도이다.
도 18은 본 기술에 따라 투명한 또는 다른 기판 상에 나노 갭 스페이서를 제작하기 위한 다양한 제조 단계의 일련의 단면도이다.
도 1은 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 2a는 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 분해도이다.
도 2b는 본 개시 내용에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 분해도이다.
도 3은 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 모듈의 분해도이다.
도 4는 본 개시 내용에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 동작을 예시하는 부분 절단도이다.
도 5는 본 개시 내용에 따른 구성 요소를 예시하는 부분적으로 조립된 상태에서의 또 다른 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 6은 종래 기술의 열 싱크의 분해도이다.
도 7은 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 냉각 베이를 도시하는 종단면도이다.
도 8은 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 입구 매니폴드를 예시하는 대안적인 종단면도이다.
도 9는 본 개시 내용에 따른 열 싱크의 냉각 베이를 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 개시 내용에 따른 또 다른 열 싱크를 도시하는 단면도이다.
도 11은 본 개시 내용에 따른 에미터의 단면도이다.
도 12a는 본 기술에 따른 불균일한 갭의 시각적 모습(visual)을 예시하는 이미지이다.
도 12b는 본 기술에 따른 불균일한 갭의 시각적 모습을 예시하는 이미지이다.
도 13a-e는 본 기술에 따른 박막 에미터를 제조하기 위한 다양한 가능한 제조 단계의 일련의 다소 개략적인 단면도이다.
도 13F는 본 기술에 따른 박막 에미터의 또 다른 실시예의 다소 개략적인 단면도이다.
도 14는 본 기술에 따른 광전지 소자의 밴드 갭에 위치되는 높은 투과와 높은 흡수 사이의 전이를 갖는 최적화된 에미터의 그래픽적 묘사이다.
도 15는 본 기술에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체를 갖는 산업용 유리 용광로 적용이다.
도 16a는 본 개시 내용에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 사시도이다.
도 16b는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 원위 단부의 부분 분해도이다.
도 16c는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 코너 전기 점퍼의 단면도이다.
도 16d는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 전기 모선의 단면도이다.
도 16e는 도 16a의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체의 열 싱크의 사시도이다.
도 16f는 도 16e의 열 싱크의 부분 분해도이다.
도 16g는 도 16e의 열 싱크의 핀 플레이트(fin plate)의 평면도이다.
도 16h는 도 1e의 열 싱크의 핀 플레이트의 단부의 상세도이다.
도 16i는 도 16e의 열 싱크의 단면도이다.
도 17a는 본 개시 내용에 따른 또 다른 열 광전지(thermophotovoltaic, TPV) 모듈의 상부 사시도이다.
도 17b는 도 17a의 TPV 모듈의 하부 사시도이다.
도 17c는 도 17a 및 도 17b의 TPV 모듈에서의 장착 조립체의 단면도이다.
도 18은 본 기술에 따라 투명한 또는 다른 기판 상에 나노 갭 스페이서를 제작하기 위한 다양한 제조 단계의 일련의 단면도이다.
본 기술은 에너지 변환 조립체와 연관된 많은 종래 기술의 문제점을 극복한다. 다음의 설명은 예시를 위해 마이크론 갭 열 광전지 조립체에 관한 것이지만, 본 기술은 양자점 에너지 수확 시스템, 열 이온 방출 조립체, 원거리장 광전지와 같은 원거리장 조립체, 태양 전지 등과 같은 다른 접근에도 동등하게 적용 가능하다.
본 명세서에 개시된 기술의 이점 및 다른 특징은 본 기술의 대표적인 실시예를 제시하는 도면과 관련하여 취해진 특정 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 보다 쉽게 명백해질 것이다. 다음의 설명은 단지 도면에 관한 것이며, 본 기술의 배향이 가변적이므로, 위쪽, 아래쪽, 왼쪽, 및 오른쪽과 같은 용어는 제한적인 방식으로 해석되어서는 안 된다.
이제 도 1을 참조하면, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체가 전체적으로 참조 번호 100으로 도시되고 참조된다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 열 에너지를 전력으로 변환하기 위한 복수의 열 광전지 모듈(150)(도 2a, 간단히 하기 위해 그 중 일부만이 라벨링됨)을 포함한다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 산업 공정으로부터의 열의 경로와 같은 고온 환경에 부분적으로 배치된다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 벽(10)에 형성된 개구를 단순히 통과하여 열에 접근할 수 있다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 장착 브래킷 조립체(120) 상에 지지된 긴 하우징(102)을 포함한다. 장착 브래킷 조립체(120)는 열에 노출되기 위해 하우징(102)의 일부가 벽(10)을 통과하도록 지지 표면(12)에 결합된다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)에는 입구 및 출구 냉각 튜브(104)를 통해 냉각제가 공급된다. 냉각 튜브(104)는 냉각제를 펌핑하는 냉각 시스템(미도시)에 연결된다. 냉각 라인은 발생할 수 있는 과압을 해결하기 위해 압력 릴리프 밸브(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 하우징(102)은 하우징(102) 내에 진공을 유지하기 위한 진공 연결부(106)를 갖는다. 진공 연결부(106)는 또한 압력 릴리프 밸브(108)를 포함한다. 압력 릴리프 밸브(108)는 진공에 의해 제자리에 고정된 구속된 뚜껑(110) 및/또는 힌지된 플레이트 또는 클립(미도시)과 같은 추가적인 장치를 갖는다. 냉각제가 누출되거나 하우징(102) 내에 증기가 빠르게 생성되는 경우, 빠져 나가는 증기는 뚜껑(110)을 변위시켜 증기를 방출한다.
추가로 도 2a를 참조하면, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)의 분해도가 도시되어 있다. 열 광전지 모듈(150)은 열 싱크(170)에 부착된다. 열 광전지 모듈(150)은 반대되는 상부 및 하부 표면(174) 상에 열 싱크(170)의 원위 단부(172)를 향해 장착된다. 측벽(173)은 상부 표면과 하부 표면(174) 사이에서 연장된다. 열 싱크(170)는 냉각 튜브(104)와 유체 연통하는 복수의 냉각 통로를 형성하기 위해 모놀리식일 수 있거나 복수의 구성 요소로 제작될 수 있다. 냉각 시스템이 튜브(104) 및 열 싱크(170)의 통로를 통해 냉각제를 펌핑함에 따라, 열 광전지 모듈(150)은 냉각된다.
바람직하게는, 열 싱크(170)는 열 광전지 모듈(150)을 냉각시키기 위한 목적으로 매우 열 전도성인 금속(예를 들어, 알루미늄, 구리, 또는 강철) 또는 열 전도성 세라믹과 같은 재료로 구성된다. 일 실시예에서, 마이크론 갭 열 광전지 조립체(100)는 약 6cm x 6cm이고 거의 정사각형인 24개의 열 광전지 모듈(150)을 갖는다. 열 싱크(170)는 길이가 약 55인치, 너비가 4 인치, 그리고 두께가 1인치이다.
고온 하우징(102)이 열 싱크(170)를 둘러싼다. 하우징(102)은 금속, 석영, 실리콘 탄화물과 같은 세라믹, 또는 다른 재료일 수 있다. 하우징(102)은 실리콘 탄화물과 같은 재료의 압출 또는 등방압 가압 및 그 다음에 소결에 의해 형성될 수 있다. 하우징(102)은 불투명하고 주위의 열을 완전히 흡수할 수 있다. 가열 시에, 하우징(102)은 적외선 에너지를 열 광전지 모듈(150)에 방사한다. 하우징(102)은 대안적으로 반투명 또는 반-투명할 수 있으며, 여기서 일부 에너지는 하우징을 가열하기 위해 흡수되고 일부 에너지는 하우징을 통해 전달된다. 그에 따라, 열 광전지 모듈(150)은 하우징 조사 및 주변 환경으로부터 에너지를 수신한다. 하우징(102)은 또한 투명할 수 있으며, 여기서 주변 에너지는 하우징을 통해 열 광전지 모듈(150)로 전달된다. 다른 실시예에서, 하우징(102)은 하우징(102)의 상이한 영역에서 투명도, 반투명, 또는 불투명도의 레벨을 변화시키는 하나 이상의 창 또는 피처를 갖는다.
열 싱크(170)는 열 광전지 모듈(150)과 하우징(102) 사이의 열 전도를 최소화하기 위해 하우징 내부(112)(도 4) 내로 캔틸레버된다. 하우징(102) 및/또는 열 싱크(170)는 조립 중과 같이 하우징과의 부주의한 접촉으로 인한 손상을 방지하기 위해 하나 이상의 범퍼, 링, 또는 돌출부를 포함할 수 있다. 대안적으로, 열 싱크(170)는 캔틸레버되지 않고, 하나 이상의 소자가 하우징(102) 내의 열 싱크(170)를 지지하고/하거나 하우징(102) 내에서 열 싱크(170)의 위치를 설정한다. 바람직하게는, 지지 소자는 열 광전지 모듈(150) 및/또는 열 싱크(170)와 하우징(102) 사이의 열 전도를 최소화하기 위해 비전도성이다.
예를 들어, 다른 열 싱크(270)가 도 5에 부분적으로 조립된 상태로 도시되어 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 열 싱크(270) 및 열 광전지 모듈(250)은 전술한 열 광전지 패널 조립체(100)와 유사한 원리를 이용한다. 따라서, 숫자 "1" 대신에 숫자 "2"가 앞에 붙은 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내기 위해 사용된다. 주된 차이점은 하나 이상의 위치에서 열 싱크(270) 둘레에 맞게 달린 비전도성 소자(273)이다. 일 실시예에서, 비전도성 소자(273)는 석영 디스크이다. 범퍼, 돌출부, 발, 스탠드오프(standoff), 강체 프레임, 링 등과 같은 많은 대안이 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 열 광전지 패널 조립체(100)는 조사될 구역에 대한 방사 광을 제한하기 위한 파티션(275)을 또한 포함할 수 있다. 파티션(275)은 반사성이고/이거나, 열 싱크(270)를 추가로 지지할 수 있다.
여전히 도 2a를 참조하면, 열 싱크(170)는 지지 바(122)에 의해 장착 브래킷 조립체(120)에 결합된 근위 단부(114)를 갖는다. 지지 바(122)는 장착 브래킷 조립체(120)로부터 연장된다. 열 싱크(170)는 지지 바(122) 사이에서 슬라이딩하고, 열 싱크(170)에 있는 나사형 구멍(176) 내로 바(122)에 있는 구멍(126)을 통과하는 볼트(124)(간단히 하기 위해 하나만 도시됨)에 의해 제자리에 고정된다. 바람직하게는, 각각의 지지 바(122)는 장착 브래킷 조립체(120)에 용접되고, 2개의 지지 바(122)가 함께 캔틸레버된 열 싱크(170)의 무게를 지지한다.
하우징(102)은 플랜지 브래킷(118)에 있는 간극 구멍을 통과하는 볼트(127)에 의해 브래킷(118)에 결합되는 근위부 칼라 또는 플랜지(116)를 갖는다. 바람직하게는, 하우징(102)의 근위 단부(114)와 브래킷(118) 사이에 고온 밀봉재(미도시)가 사용된다. 하우징(102)은 진공 연결부(106)에 연결되어 하우징 내부(112)가 비워지고, 결과적으로 열 광전지 모듈(150)은 진공 상태가 된다. 장착 브래킷 조립체(120)는 또한 전기적 도관 또는 연결부(128)를 포함한다. 전기적 연결부(128)는 필요에 따라 열 광전지 모듈(150)로부터 원격에 위치될 수 있는 인버터와 같은 전력 컨디셔닝 메커니즘(mechanism)으로 전기를 가져다 준다.
이제 도 2b를 참조하면, 본 개시에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(200)의 분해도가 도시되어 있다. 전술한 실시예와 관련하여 설명된 소자와 유사한 소자는 동일한 참조 번호로 나타내어진다. 많은 소자는 본질적으로 전술한 실시예의 소자와 동일하며, 따라서 여기에서 더 설명되지 않는다. 주된 차이점은 하우징(202) 내에서 열 싱크(270)를 캔틸레버하는 방법이다.
열 싱크(270)는 하부 프레임(223)에 의해 지지된다. 하부 프레임(223)과 열 싱크(270)는 바람직하게는 함께 볼트로 고정된다. 열 싱크(270)의 상부 표면(274)은 열 싱크(270)의 적절한 위치를 더 안정적으로 유지하도록 장착 브래킷 조립체(220)에 볼트로 고정되는 직립형 L자형 브래킷(225)을 갖는다. 열 싱크(270)가 열 싱크(270)의 근위 단부와 브래킷(218) 사이에 갭이 형성되어 설비의 연결을 용이하게 하도록 하부 프레임(223) 및 L자형 브래킷(225)에만 접촉할 수 있는 것이 구상된다.
이제 도 3을 참조하면, 열 광전지 모듈(150)의 분해도가 도시된다. 각각의 열 광전지 모듈(150)은 바람직하게는 동일하지만, 각각은 또한 열 싱크(170)의 길이에 따른 열 광전지 모듈(150)의 적용 및 배치 위치에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서의 렌더링은 설명의 목적을 위한 것이며, 다양한 구성 요소의 스케일 및 두께는 제조될 때 상당히 상이할 수 있음에 유의한다.
열 광전지 모듈(150)은 광전지 소자(152)를 갖는 광전지 소자 조립체(151) 및 에미터(158)를 갖는 에미터 조립체(156)를 포함한다. 명료성을 위해, 에미터 조립체(156)는 힘 적용 층(190) 아래에 있고 힘 적용 층(190)은 반투명한 것으로 도시되어 있음에 유의한다. 광전지 소자(152) 및 에미터(158)는 조립될 때 마이크론 갭에 의해 분리된다. 마이크론 갭은 1마이크론 미만의 크기의 스페이서(명시적으로 도시되지 않음)에 의해 유지된다. 예를 들어, 2014년 9월 9일에 발행된 Grieff의 미국 특허 제8,829,335호 및 2014년 1월 21일에 발행된 Grieff 등의 미국 특허 제8,633,373호는 광전지에서 마이크론 갭을 유지하기 위한 스페이서를 예시하고 있다. 이러한 현재 공지되어 있고 추후 개발되는 스페이서가 본 기술에 이용될 수 있다. 하우징(102)이 진공 하에 유지될 때, 마이크론 갭은 비워진다.
열 싱크(170)에 의한 열 광전지 모듈(150)의 냉각을 용이하게 하기 위해 베이스 기판(160)이 열 광전지 모듈(150)과 열 싱크(170) 사이에 끼워 넣어진다. 베이스 기판(160)은 볼트(166)가 제 위치에 베이스 기판(160)을 고정할 수 있도록 열 싱크(170)에 형성된 나사형 구멍(164)과 정렬된 4개의 코너 장착 구멍(162)을 한정한다. 베이스 기판(160)은 열 계면 특성을 갖는 층이 도포될 수 있다. 바람직하게는, 베이스 기판은 표면에서 개선된 열 확산을 위해서 뿐만 아니라, (예컨대 표면 거칠기 또는 텍스처링, 또는 베이스 기판 위와 아래에 위치된 열 계면 재료의 수용을 통해) 표면에서 계면 열 저항을 감소시키는 것을 용이하게 하기 위해, 높은 관통 두께 열 전도성 및 높은 측 방향 열 전도성을 갖는다.
볼트는 패스너의 한 유형인 것으로 인식된다. 임의의 유형의 패스너가 본 명세서에서 언급된 패스너와 상호 교환될 수 있는 것이 구상된다. 예를 들어, 제한 없이, 패스너는 볼트, 리벳, 스테이플, 클램프, 본드 재료, 등, 뿐만 아니라 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 패스너는 적용될 때 기계적으로 딱딱하거나 기계적으로 순응하는 특성을 나타낼 수 있다. 기계적으로 순응하는 특성은 유리하게는 구성 요소를 손상시키는 힘의 집중을 방지한다. 베이스 기판(160)은 또한 제 위치에서 열 싱크(170)에 본딩될 수 있다.
바람직하게는, 베이스 기판(160)은 높은 열 전도성을 가지며, 베이스 기판과 광전지 소자 조립체(151) 사이에, 그리고 베이스 기판과 열 싱크(170) 사이에 낮은 열 접촉 저항을 갖는 계면을 형성하는 간질 재료를 포함한다. 대안적으로, 열 광전지 모듈(150) 및 심지어 광전지 소자(152)도 본딩으로 또는 본딩 없이 열 싱크(170)와 직접 접촉할 수 있다. 광전지 소자 조립체(151) 및 광전지 소자(152)는 정사각형, 삼각형, 원형, 또는 임의의 원하는 형상일 수 있다. 유사하게, 에미터 조립체(156), 에미터(158), 및 베이스 기판(160)은 다양한 형상일 수 있다.
베이스 기판(160)은 또한 핀 보드(140)를 위한 리세스(168)를 한정함으로써 광전지 소자 조립체(151)에 대한 전기적 결합을 용이하게 한다. 핀 보드(140)는 일련의 핀(142)을 가지며, 일련의 핀은 일련의 애퍼처(146)를 통과하여 광전지 소자 조립체(151)와 접촉하며, 대응하는 전기 패드(미도시)로 형성된다. 핀(142)은 스프링이 장착된 것과 같이 기계적으로 순응할 수 있다. 핀 보드(140)는 또한 핀(142)과 전기 연통하는 전도성 패드(144)를 포함한다. 그에 따라, 전도성 패드(144)는 광전지 소자 조립체(151)와 전기 연통한다.
열 싱크(170)의 측벽(176)은 긴 리세스(177)를 형성하며, 긴 리세스를 통해 와이어(184)가 이어진다. 리세스(177)는 바람직하게는 커버(미도시)에 의해 둘러싸인다. 와이어(184)는(도 2a에 도시된) 전기 커넥터(128)로부터 열 싱크(170)의 측벽(176) 아래로 이어진다. 단일 와이어(184)가 각각의 열 광전지 모듈(150)쪽으로 향한다. 일 실시예에서, 24개의 와이어가 전기 커넥터(128)로부터 통과하며, 최외곽 와이어는 각각의 열 광전지모듈(150)에서 각각 위아래로 향한다.
따라서, 예를 들어, 제 3 및 제 4 열 광전지 모듈(150)에서, 원위 단부(172)로부터 4개의 와이어(184)가 있을 것이다. 와이어(184) 중 2개는 원위 단부(172) 상에서 제 1 및 제 2 열 광전지 모듈(150)에 전달되고, 하나는 위로 향하여 제 3 열 광전지 모듈(150)에 연결되고, 하나는 아래로 향하여 제 4 열 광전지 모듈(150)에 연결된다. 와이어(184)는 별개이거나, 와이어(184)가 플렉시블 플랫 케이블로 리소그래피로 한정되는 플렉스 프린트 조립체와 같은 조립체로서 제작될 수 있다.
열 싱크(170)는 또한 각각 전기적 랜드(188)가 통과하는 복수의 슬롯(186)을 형성한다. 각각의 랜드(188)는 금, 구리, 또는 임의의 전기 전도성 재료일 수 있다. 와이어(184)가 열 광전지 모듈(150)쪽으로 향할 때, 와이어(184)는 랜드(188)에 연결된다. 결과적으로, 랜드(188)는 전도성 패드(144)에 전기적으로 연결된다. 그에 따라, 전기 커넥터(128)로부터 광전지 소자(152)로 전기 연속성이 확립된다.
에미터 조립체(156)는 광전지 소자 조립체(151)를 실질적으로 커버한다. 에미터 조립체(156)는 바람직하게 광전지 소자(152)와 에미터(158) 사이에 마이크론 갭을 유지하기 위해 힘을 가한다. 에미터 조립체(156)는 힘을 가하기 위해 에미터(158)의 상부 상에 힘 적용 층(190)을 포함한다. 힘 적용 층(190)은 베이스 기판(160)에 있는 나사형 구멍(196)에 결합하는 스크류(194)를 위한 4개의 구멍(192)을 한정한다. 그에 따라, 볼트(166)와 비교하여 비교적 가벼운 토크가 스크류(194)에 가해질 수 있다.
대안적인 실시예에서, 베이스 기판(160)에는 나사형 구멍(196)이 없다. 대신에, 베이스 기판(160)은 간극 구멍을 형성하고, 스크류(194)는 너트에 결합된다. 너트는 스프링이 베이스 기판(160)의 하부로 가압되도록 스프링에 의해 백킹된다(backed). 스프링은 스크류 내의 힘이 열 광전지 모듈(150)의 하나 이상의 층을 파괴시킬 지나치게 큰 힘을 생성하지 않도록 순응을 제공한다. 힘 적용 층(190)은 에미터(158)의 동작을 방해하지 않는 재료로부터 선택된다. 통상적으로, 힘 적용 층(190)은 에미터(158)를 커버할 것이다.
대안적으로는, 힘 적용 층이 없다. 대신에, 에미터(158)가 스크류 구멍을 형성하기에 충분히 견고하여 스크류 구멍을 통과하는 스크류가 구성 요소를 적절한 위치에 유지시킨다. 또 다른 실시예에서, 열 광전지 모듈은 기밀 밀봉되어 열 광전지 모듈의 내부 만이 진공 하에 있게 된다. 예를 들어, 열 광전지 모듈은 기밀 밀봉될 수 있으며, 여기서 기밀 밀봉부의 벽은 마이크론 갭을 유지하기 위한 힘을 유지한다. 기밀 밀봉 장치는 또한 열 광전지 모듈(150)을 유지하기 위한 힘을 가함으로써 별개의 패스너에 대한 필요성을 경감시킬 수 있다. 예를 들어, 기밀 밀봉 장치의 벽은 마이크론 갭을 유지하기 위한 유지력을 가할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 동작 시에, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 전기 에너지로의 바람직한 변환을 위한 에너지를 포함하는 고온 및/또는 고 방사 환경에 고정되거나 삽입된다. 하우징(102)은 환경으로부터 에너지를 흡수 및/또는 전달하도록 제작될 수 있고, 그에 따라 하우징(102)(화살표 "a"로 표시됨) 및/또는 환경(화살표 "b"로 표시됨)으로부터 열 광전지 모듈(150) 상으로 에너지가 방사되도록 가열 및/또는 조사된다. 하우징(102)이 진공 하에 있고, 열 광전지 모듈(150)을 터치하지 않을 때, 만약 있다면, 최소한의 에너지가 전도 또는 대류에 의해 환경으로부터 열 광전지 모듈(150)로 전달된다.
하우징(102)과 열 광전지 모듈(150) 사이에 공간(132)을 가짐으로써, 정밀 플랫 내부 하우징 표면의 존재도 내부 하우징 표면에 대해 유지되는 칩 스택 상의 균일하고 높은 힘을 유지하기 위해 필요한 물리적 견고성도 요구되지 않는다. 하우징(102)과 힘 적용 층(190) 또는 에미터(158) 사이의 공간(132)은 경우에 따라 또한 그 사이의 열 계면 재료에 대한 필요성을 없앤다. 공간(132)은 하우징(102)과 열 광전지 모듈(150) 사이의 접촉으로부터의 응력을 경감시킨다.
힘 적용 층(190)은 에미터(158)가 하우징(102) 및/또는 환경으로부터 들어오는 에너지로 조사될 때 광전지 소자(152)가 적절하게 기능할 수 있도록 마이크론 갭을 유지하는 신뢰할 수 있는 힘 적용 메커니즘이다. 들어오는 에너지에 노출될 때, 에미터(158)는 들어오는 에너지를 흡수함으로써 가열된다(즉, 에미터 조립체(156)는 고온 측이다). 가열된 에미터(158)는 에너지를 마이크론 갭에 걸쳐 광전지 소자(152)에 재방출한다.
비워진 마이크론 갭은 에미터(158)와 광전지 소자(152) 사이의 매우 효과적인 에너지 전달을 위해 에너지의 소산 결합이 발생하는 동안 에미터(158)로부터 광전지 소자(152) 로의 대류 및 분자 열 전달을 최소화한다. 각각의 열 광전지 모듈(150)은 액체 냉각된 열 싱크(170)에 의해 냉각된다(즉, 광전지 소자 조립체(151)는 저온 측이다). 광전지 소자(152)는 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
열 광전지 모듈(150)에 의해 생성된 전력은 필요에 따라 전기 컨디셔닝 메커니즘에 전기 핀(142), 패드(144), 랜드(188), 와이어(184), 전기 커넥터(128), 및 다양한 연결부에 의해 운반된다. 컴퓨터 제어기(미도시)는 에너지 변환 시스템을 모니터링하고, 동작을 변화시키고, 변경할 수 있다. 컴퓨터 제어기는 또한 조작자에게 경고를 제공하고/하거나, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100), 조작자, 및/또는 환경에 손상을 야기할 조건에 대한 자동 분해능을 제공하는 기능을 포함한다. 예를 들어, 컴퓨터 제어는 삽입 깊이를 다르게 하거나 고온 환경으로부터 하우징을 완전히 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 고온 및/또는 고 방사 환경으로의 삽입 깊이의 정밀한 제어를 위해 선형 액추에이터(미도시) 상에 위치된 하우징을 갖는다. 예를 들어, 지지 표면(12)은 단순히 휠을 구비한 카트의 일부일 수 있다. 대안적으로, 지지 표면은 고정부(미도시)에 장착되며, 고정부, 따라서 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)를 위치시키기 위해 레일 및/또는 랙-피니언 메커니즘에 의해 가이드된다. 이동은 동력화되거나 심지어 수동일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 하우징은 고온 환경에 고정된다. 열 싱크(170), 그리고 따라서 열 광전지 모듈(150)은 하우징(102) 내로의 삽입 깊이의 정밀한 제어를 위해 유사하거나 상이한 선형 액추에애터 상에 있을 수 있다. 또한, 외부 하우징(미도시)은 고온 환경 또는 장착 브래킷과 함께 이동하도록 고온 환경 또는 장착 브래킷(120)에 장착될 수 있다. 외부 하우징은 하우징을 둘러싸서 고온 환경에서 하우징(102)을 보호하도록 약간 큰 것을 제외하고는 하우징(102)과 매우 유사한 형상을 가질 것이다.
또 다른 실시예에서, 열 싱크(170)는 열 싱크(170)가 2개를 초과하는 측면을 가지도록 상이한 형상을 가질 수 있으며, 각각의 측면은 열 광전지 모듈(150)을 갖는다. 예를 들어, 열 싱크는 삼각형, 정사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등일 수 있다. 예로서, 하기에서 설명되는 도 16a 내지 도 16d를 참조한다.
이제 도 6을 참조하면, 종래 기술의 열 싱크(370)의 분해도가 도시되어 있다. 열 싱크(370)는 입구(373) 및 출구(375)를 갖는 유체 회로의 일부로서 복수의 냉각 베이(371)를 포함한다. 각각의 냉각 베이(371)는 냉각 유체와의 열 교환을 용이하게 하는 핀 플레이트(377)를 포함한다. 예를 들어, 핀 플레이트(377)는 표면적 접촉을 증가시키기 위해 유동 채널을 형성하는 핀(fin) 및/또는 핀(pin)을 가질 수 있다.
이제 도 7 및 도 9를 참조하면, 열 싱크(170)의 다양한 단면도가 도시되어 있다. 열 싱크(170)는 내부에 냉각 핀(fin) 또는 핀(pin)(175)을 갖는 복수의 냉각 베이(171)를 포함한다. 냉각 베이(171)는 각각의 모듈(150) 아래에 위치된다. 입구 및 출구 냉각 튜브(104)는 냉각 유체를 냉각 베이(171)에 제공한다.
냉각 유체는 입구 슬롯(180)을 통해 입구 매니폴드(179)로부터 냉각 베이(171)로 진입한다. 냉각 유체는 냉각 베이(171)로부터 출구 슬롯(183)을 통해 출구 매니폴드(181)로 통과한다. 도 7에 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 입구 슬롯(180)의 구역은 원위 방향을 따라 원위 단부(172)를 향해 베이(171)에서 베이(171)로 증가한다. 슬롯(180)은 증가된 구역/유동을 제공하도록 길이 및/또는 높이가 증가할 수 있다. 냉각 베이(171)가 근위 위치로부터 원위 위치로 진행함에 따라 입구 슬롯(180)의 이러한 증가된 단면적은 모든 냉각 베이(171), 그리고 따라서 모든 모듈(150)에 제공되는 냉각에 최적으로 균형을 이룬다. 그 결과, 모듈(150)은 효율적인 전기 생산을 최적화하도록 효율적으로 냉각된다. 대안적으로, 입구 슬롯(180)의 길이가 너비 대신에 또는 너비에 추가하여, 열 싱크(170)의 길이를 따라 냉각을 조정하는 것을 달성하기 위해 달라질 수 있다. 입구 슬롯(180)의 형상 및 크기는 또한 열 및/또는 방사선이 열 광전지 패널 조립체(100)에 불균일하게 적용될 수 있으므로 냉각 요건의 국부적 차이를 해결하도록 조정될 수 있다. 도 8은 대안적으로 달라진 슬롯(180') 구성을 도시한다.
이제 도 10을 참조하면, 본 개시에 따른 또 다른 열 싱크(470)를 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 열 싱크(470)는 입구 매니폴드(477)에 삽입된 튜브 또는 슬리브(485)를 포함한다. 슬리브(485)는 원위 방향을 따라 베이(471)마다 입구 슬롯(480)의 크기를 다르게 하기 위해 크기가 달라지는 슬롯(487)을 형성한다. 슬리브(485)의 원위 단부에 더 가까운 더 큰 입구 슬롯(487)은 더 원위에 위치된 냉각 베이(471)에서 증가된 유동을 생성한다. 다시, 열이 열 광전지 전지 패널 조립체(100)에 불균일하게 적용될 수 있기 때문에, 냉각 요구 사항의 국부적 차이를 해결하기 위해 입구 슬롯(487)의 형상 및 크기는 원하는 바에 따라 조정될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 개시에 따른 에미터(558)의 단면도가 도시되어 있다. 에미터(558)는 본 명세서 및 다른 출원에서 설명된 바와 같이 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체에 통합하기 위한 예시적인 박막 에미터이다. 에미터(558)는 용융 실리카, 석영, 또는 사파이어와 같은 광학적으로 투명한 매체로 제작된 기판(560)을 갖는다. 저온 실시예에서, 유리와 같은 추가적인 매체가 사용될 수 있다.
기판(530)은 제 1 표면(562) 및 제 1 표면(562)에 반대되는 제 2 표면(564)을 갖는다. 제 2 표면(564)은 광전지 조립체(미도시)를 향한다. 광전지 조립체와의 갭을 유지하기 위해, 제 2 표면(564)은 복수의 스페이서(566)를 형성할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 기판(560)은 상대적으로 두껍게 이루어질 수 있으며, 이는 더 큰 구조적 강도, 개선된 평탄도, 및 갭 상에서의 힘 균일성을 제공한다. 일 실시예에서, 기판(560)은 스페이서(566) 사이의 간격 "s"가 약 1mm인 두께 "t"가 약 4mm이며, 스페이서는 직경 "d"가 약 100um이고 높이 "h"가 약 0.15um이다.
일 실시예에서, 제 2 표면(564)은 그 위에 퇴적된 광학적으로 불투명한 재료의 얇은 층(568)을 갖는다. 일 실시예에서, 얇은 층(568)은 탄소이다. 또 다른 실시예에서, 얇은 층(568)은 실리콘과 같은 고 지수(index) 재료이다. 얇은 층(568)은 고온 방사 소스로부터 방출된 적외선을 흡수하여, 흡수를 위해 광전지 소자에 에너지를 방사하도록 설계된다. 요약하면, 얇은 층(568)을 갖는 광학적으로 투명한 기판(560)이 열원(미도시)과 광전지 조립체 사이에 위치되며, 이는 적외선을 전류로 변환할 수 있다. 바람직하게는, 갭의 적어도 하나의 치수는 적외선의 파장보다 작다.
얇은 층(568)의 두께는 열원으로부터 방출된 적외선의 대부분 또는 전부를 흡수하기에 충분하도록 두꺼운 것으로 선택되어야 하지만, 얇은 층(568)의 두께는 갭 형성 수단(566)으로의 그리고 갭 형성 수단(566)을 통한 열의 측면 전도를 제한하기에 충분하도록 얇아야 한다. 얇은 층(568)의 두께는 열 저항과 같이 작용하여, 얇은 층(568)의 측 방향을 통한 측 방향 열 유동을 제한한다. 바람직한 실시예에서, 광학적으로 투명한 기판(560)은 적외선에 대해 일반적으로 투명하고, 높은 열 저항을 가지며, 뿐만 아니라 석영, 실리카 및 사파이어와 같은 고온 동작에 적합한 재료로 구성된다. 얇은 층(568)의 기하학적으로 제약된 높은 측 방향 열 저항과 조합하여, 광학적으로 투명한 매체 기판(560)의 높은 관통 두께 열 저항은 함께 작용하여 갭 형성 수단(566)을 통한 열적으로 전도된 에너지의 전달을 제한한다. 일 실시예에서, 얇은 층(568)은 적외선을 충분히 흡수할 수 있도록 두께가 적어도 100나노미터이며, 바람직하게는 두께가 수 마이크론이다.
또 다른 실시예에서, 마이크론 갭 열 광전지 응용에 있어서, 얇은 층(568)은 제 2 층(570)을 포함한다. 제 2 층(570)은 비정질 실리콘 및 다결정 실리콘과 같이 높은 적외선 흡수 및 고 굴절률을 갖는 재료로 구성되어야 한다. 또 다른 실시예에서, 제 2 층(570)이 충분히 높은 흡수를 갖기 때문에, 얇은 층(568)은 생략될 수 있고 제 2 층(570)만이 사용될 수 있다. 본 기술의 검토에 의해 이해될 바와 같이, 다양한 코팅이 제 1 표면(562)에 도포될 수 있다. 예를 들어, 반사 방지 코팅, 필터 층, 대안적인 흡수 층 또는 반사 층 등이 성능을 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 또한, 2차 및 3차 층 또는 에미터가 표면(562, 564, 568, 570) 중 임의의 것에 추가로 적용될 수 있다. 기판(560) 자체는 다층 구조일 수 있다. 사실상, 2개 이상의 용융된 실리카 층이 제한 없이, 원하는 대로 코팅되고, 원하는 대로 추가 층과 매칭되며, 나노 구조와 같이 형성되고, 스페이서, 및 임의의 조합으로 함께 끼워 넣어질 수 있다.
스페이서 또는 갭 형성 수단(566)은 작은 측 방향 치수의 물리적 스페이서일 수 있다. 각각의 스페이서(566)는 얇은 층(568)으로부터 광전지 소자로의 열 전도를 최소화하기에 충분히 큰 거리에 의해 가장 가까운 스페이서로부터 분리된다. 그러나, 스페이서들(566) 사이의 거리는 얇은 층(568)이 스페이서(566) 사이의 영역에서 광전지 소자와 직접 물리적으로 접촉할 가능성을 최소화하기 위해 여전히 충분히 작아야 한다.
갭 형성 수단(566)은 마이크로미터 크기의 디스크, 기둥, 컬럼, 튜브, 피라미드 등일 수 있다. 스페이서(566)는 바람직하게는 실리콘 산화물과 같은 기계적으로 견고하고 내열성인 재료로 구성될 것이다. 스페이서(566)는 얇은 층(568)을 도포하기 전에 투명한 기판(560)의 제 2 표면(564) 상에 배치되거나 또는 내장되거나, 그리고 일부 경우에는 의도적으로 패터닝될 수 있다. 얇은 층이 평평하고 패터닝되지 않을 때, 스페이서(566)는 또한 얇은 층(568)의 외부 표면 및/또는 광전지 소자의 표면에 적용될 수 있다. 스페이서(566)는 또한 얇은 층(568)과 일체로 형성될 수 있다. 스페이서(566)는 또한 스페이서가 기판 표면(564) 위로 연장되도록 기판에 형성된 웰(well)에 열 절연 재료를 퇴적함으로써 형성될 수 있다.
이제 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 갭의 시각적 검사에 대한 2개의 이미지가 도시되어 있다. 도 12a는 불균일한 갭의 비주얼을 예시하는 이미지(600)이고, 도 12b는 균일한 갭의 비주얼을 예시하는 이미지(602)이다. 투명한 에미터를 가짐으로써, 갭의 시각적 검사 방법이 효과적이다. 에미터가 광전지 소자의 표면과 같은 제 2 표면에 근접하게 위치되도록 조립되면, 프린지 패턴(601)이 육안으로 보일 수 있다. 복수의 프린지는 갭의 불균일성이 최소이거나 전혀 없는 조립체(예를 들어, 이미지(602))와 비교하여 비교적 큰 및/또는 불균일한 갭(예를 들어, 이미지(600))을 나타낸다.
유리하게는, 프린지는 고품질의 근거리장 갭을 빠르고 쉽게 검사할 수 있을 뿐만 아니라 실시간 조절을 할 수 있게 한다. 기능공은 프린지 패턴을 조절에 대한 피드백으로 사용하면서 패스너 장력 및 다른 수단을 조절할 수 있다. 갭의 크기와 균일성은 또한 UV 박막 두께 측정 도구와 같은 광학 도구로 측정될 수 있다. 어느 경우에든, 프린지를 보면서, 갭 치수 및 균일성을 개선시키도록 조절이 수행될 수 있다.
도 13a 내지 도 13e는 본 기술에 따라 박막 에미터를 제작하기 위한 다양한 가능한 제조 단계의 일련의 단면도이다. 도 13a에서, 방법은 석영 또는 용융 실리카와 같은 절연 재료로 이루어진 비교적 두꺼운 기판(700)으로 시작한다. 바람직하게는, 일 측면 또는 양 측면이 폴리싱된다. 기판(700)은 특정 광전지 소자(예를 들어, InGaAs)에 대한 밴드 갭보다 높은 (예를 들어, 1 내지 2.2 마이크론) 방사선에 투명하고, 밴드 갭 아래(예를 들어, 2.2 내지 10 마이크론)의 방사선을 흡수할 수 있다. 그에 따라, 상당히 낮은 밴드 갭 방사선 노출은 에미터의 상당한 열을 초래할 것이다.
도 13b에서, 포토리소그래피 및 에칭에 의해 복수의 스페이서(702)가 형성된다. 통상적인 스페이서 기하학적 구조는 직경이 10 내지 100마이크론이며, 높이가 0.10 내지 0.20마이크론이다. 도 13c에서, 탄소의 층(704)이 기판(700) 상에 퇴적되었다. 동작 시에, 탄소 층(704)은 기판(700)에 의해 흡수되지 않은 입사 방사선을 흡수한다. 그 결과, 1000℃의 온도에 도달할 수 있다. 일 실시예에서, 탄소 층(704)은 0.1 내지 5 마이크론 두께일 수 있다.
이제 도 13d를 참조하면, 실리콘의 층(706)이 탄소 층 상에 퇴적된다. 실리콘 층(706)은 선택 사항이지만, 광전지 소자(예를 들어, InGaAs)에 대한 색인 매칭 능력을 제공하여 근거리장 성능을 강화시킬 수 있다. 색인 매칭은 한 재료의 굴절률이 다른 재료의 굴절률과 거의 비슷할 때이므로, 동일한 굴절률을 갖는 두 아이템(예를 들어, 층(706) 및 광전지 소자)이 서로 인접할 때, 방사 에너지는 최소 반사 또는 굴절로 하나에서 다른 하나로 전달된다. 실리콘 층(706)의 두께는 탄소 층(704)의 두께와 유사할 수 있다.
임의적으로, 탄소 층(704) 및/또는 실리콘 층(706)은 도 13e에 도시된 바와 같이 스페이서(702)의 구역에는 없을 수 있다. 그 결과, 스페이서(702)는 상부 층(704, 706) 중 하나 이상을 거쳐 효과적으로 연장된다. 또 다른 실시예에서, 스페이서(702) 주의의 추가 구역(708)은 도 13f의 실시예에 도시된 바와 같이 실리콘 층(706) 및/또는 탄소 층(704)을 갖지 않는다. 스페이서(702)는 또한 원하는 바에 따라 산화물 또는 상이한 도핑 구역과 같은 기판과 상이한 구조 및/또는 재료일 수 있다. 또 다른 변형예에서, 스페이서(702)는 추가 층(들)의 두께보다 단순히 더 크고 제조 공정 중에 층(들)으로 커버되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 기판(700)은 초기에 인터럽트 기술을 사용하는 표준 반도체 제조 장비에 의한 취급을 용이하게 하기 위해 불투명한 층으로 퇴적된다. 또 다른 방법으로는, 불투명한 후면 층이 도포되고, 그 다음에 나중에 불필요하게 될 때 제거된다. 도 13b-e의 구조 각각은 도 13f의 구조뿐만 아니라 완성된 조립체를 나타낼 수 있다.
도 13f에 도시된 바와 같은 기판(700)을 제조하는 또 다른 방법에서, 기판(700)은 한 표면에 도포되는 레지스트(미도시)를 갖는다. 레지스트는 포토리소그래피 공정을 통해 현상되어 구멍의 패턴이 형성된다. 구멍은 스페이서(702)의 원하는 측 방향 치수와 거의 매칭하는 치수를 갖는다. 레지스트 층에 구멍을 형성함으로써, 구멍의 하부에서 기판(700)의 부분이 노출된다.
실리콘 산화물과 같은 스페이서 재료가 레지스트 코팅된 기판의 전체 표면에 걸쳐 퇴적되고, 스페이서 재료는 레지스트 층에 있는 구멍을 부분적으로 또는 전체적으로 충전하여 레지스트 층에 있는 구멍의 하부에서 노출된 기판(700)과 물리적으로 접촉하게 된다. 단면에서, 레지스트 층에 있는 구멍은 스페이서가 좁은 평평한 상부로 점점 가늘어질 수 있거나, 점이거나, 그렇지 않으면 형상이 달라질 수 있지만, 원형 또는 임의의 다른 2차원 형상, 예컨대 타원형, 삼각형, 정사각형 등일 수 있다. 열 공정은 구멍의 하부에서 스페이서 재료와 기판(700) 사이의 양호한 기계적 본딩을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 리프트 오프 공정을 통해, 레지스트 층 및 대부분의 스페이서 재료 층이 제거되어, 기판(700)에 접착된 스페이서(702)를 남긴다. 그 다음에, 추가 층(704, 706) 중 하나 이상이 선호에 따라 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 기판(700)은 산화될 때 증가된 부피를 갖는 것으로 공지된 퇴적된 스페이서 재료로 코팅되거나, 후속하여 재료 부피를 증가시키는 추가의 처리 단계를 거친다. 열 산화의 결과로서 부피가 증가하는 이러한 특성을 갖는 그러한 재료는 실리콘일 수 있으며, 실리콘은 산화되어 실리콘 산화물이 된다. 대안적으로, 기판(700)은 그에 본딩되거나 그 위에서 성장하는, 실리콘과 같은 산화 가능한 재료의 얇은 층을 가질 수 있다. 다음 단계에서, 실리콘 질화물과 같은 마스킹 층이 산화되지 않은 스페이서 재료 상에 퇴적된다. 포토리소그래피 공정 단계를 통해, 구멍의 패턴이 스페이서(702)의 원하는 측 방향 치수와 거의 매칭하는 치수로 마스킹 층에 형성된다. 그 결과, 구멍의 하부에서 산화되지 않은 스페이서 재료의 부분이 노출된다.
그 다음에, 기판은 열 산화 단계를 거치며, 이는 구멍의 하부에서 산화되지 않은 스페이서 재료가 산화되도록 하여, 산화된 상태에서 스페이서 재료의 부피를 증가시킨다. 증가된 부피로, 구멍 부근의 산화된 스페이서 재료는 구멍의 가장자리에서 마스킹 재료를 밀어 올린다. 마스킹 재료 및 스페이서 재료는, 밴드 내 IR 방사선에 대해 충분히 얇고 및/또는 투명하다면, 제 위치에 남겨질 수 있고, 밀어 올려진 마스킹 재료가 스페이서의 지지 표면이 된다. 또 다른 실시예에서, 마스킹 재료는 산화된 스페이서 재료가 스페이서의 베어링 표면이 되도록 벗겨 낼 수 있다. 그리고 또 다른 대안적인 구성에서는, 마스킹 재료 및 산화되지 않은 스페이서 재료 양자 모두가 벗겨 내어져, 스페이서의 베어링 표면으로서 산화된 스페이서 재료만을 남긴다.
여전히 도 13f를 참조하면, 스페이서가 기판 상에 형성되는 전술한 실시예 중 임의의 것은 스페이서 주위에 분리 트렌치(708)를 형성하는 공정 단계에 의해 강화될 수 있다. 일 실시예에서, 분리 트렌치(708)는 형상이 환형이며, 10 내지 40마이크론의 깊이 및 5 내지 100마이크론의 환형 너비를 갖는다. 트렌치(708)는 스페이서(702)의 열 분리를 개선시키기 위해 스페이서(702) 주위에 형성되어, 상대적으로 적은 열에너지가 스페이서(702)의 높이를 통한 전도에 의해 에미터로부터 광전지 조립체로 전달된다. 전술한 바와 같이, 스페이서(702)의 형상은 또한 피라미드 형상과 같이, 열 에너지 전달을 더 감소시키기 위해 근위 단부에서 윈위 단부까지 달라질 수 있다. 트렌치(708)는 또한 기판(700) 내로 아래로 내려가는 하단부(710)를 가질 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 광전지 소자의 밴드 갭에 위치되는 높은 투과 및 높은 흡수 사이의 전이점(806)을 갖는 최적화된 에미터의 그래픽 묘사(800)가 도시되어 있다. 이러한 에미터는 광전지 소자의 효율을 최대화하도록 조정된 에미터를 제작하는 데 사용될 수 있다. 에미터는 광전지 소자의 밴드 갭("AB")보다 높은 에너지를 갖는 광자를 대체로 통과시키도록 제작되며, 여기서 전기로의 흡수 및 변환은 매우 효율적이다(예를 들어, 범위(802)). PV 소자에 입사되는 밴드 갭("BB") 아래의 광/에너지를 갖는 것은 바람직하지 못하다. 따라서, 필터를 갖는 에미터는 BB 광자를 흡수하여 가열된다(예를 들어, 범위(804)). 에미터는 AB 광자를 완전히 투과시키지 않기 때문에, 흡수된 AB 광자도 에미터를 가열하는 데 기여한다. 충분히 뜨거워지면, 에미터는 광전지 소자 또는 칩(PV)에 의해 효율적으로 전기로 변환되는 AB 광자를 방사한다. 요약하면, 밴드 갭보다 높은 에너지를 갖는 AB 광자는 고 효율을 갖는 광전지 소자에 의한 변환을 위해 에미터를 대체로 통과하며, 한편 밴드 갭 아래의 에너지를 갖는 BB 광자는 에미터에 흡수되며, 이는 밴드 갭보다 높은 에너지를 갖는 추가적인 AB 광자를 가열하여 방사한다.
흑체 또는 다른 방출원으로부터 방출된 모든 파장을 흡수하는 PV는 동작 시에 최적이 아니다. 통상적으로, 밴드 갭(AB)보다 높은 파장만이 쉽게 전력으로 변환되는데 반해, 밴드 갭(BB) 아래의 파장은 열로서 PV에 흡수되어 전력으로 변환되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 변환을 개선시키기 위해 선택 층이 방출원과 PV 사이에 삽입된다. 선택 층은 에미터이거나 별도의 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 용융 실리카가 에미터의 원하는 특성의 근사를 제공하는 데 사용된다. 흡수된 BB 에너지는 에미터를 가열하고, 에미터로부터 거의 흑체의 재방출이 발생한다. 바람직하게는, 필터 및 PV는 근거리장(즉, 서브 파장) 갭에 의해 분리되어, 에미터로부터의 재방출된 에너지는 감소된 저항으로 PV에 전달된다. 그 결과, PV의 후면 반사기(예를 들어, 금 층)에서 다시 반사된 BB 에너지가 또한 근거리장 갭에 걸쳐 낮은 저항으로 에미터로 전달되며, 이는 또한 개선된 재방출을 위해 에미터에 가열 에너지를 추가한다.
추가 최적예에서, 이상적인 에미터는 광전지 소자에 의해 변환될 수 있는 것보다 높은 에너지를 갖는 광자에 대해 완벽하게 투과하는 것 및 완벽하게 흡수하는 것 또는 완벽하게 반사하는 것 사이의 추가적인 제 2 전이를 용이하게 하는 막 및/또는 구조를 포함한다. 에너지 스펙트럼에서 이러한 제 2 밴드 갭보다 높은 전이의 최적의 배치는 이로 제한되지는 않으나, 광전지 소자의 반사율; 광전지 소자의 스펙트럼 응답; 에미터와 광전지 소자 사이의 에너지 균형; 및 PV의 본체 내의 광 흡수를 포함하는 여러 요인에 따라 다르다.
이 제 2 밴드 갭 전이의 존재는 매우 높은 에너지 광자가 갖는 밴드 갭의 에너지를 초과하는 초과 에너지를 에미터를 가열하는 열 에너지로 변환하는 것을 돕는다. 에미터의 가열은 PV에 의한 에너지 변환을 위해 AB 광자로서 방출되는 열 에너지를 초래한다.
본 기술은 임의의 특정 분야 또는 기술 영역으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서의 교시는 현재 공지되어 있고 추후 개발되는 열이온학, 양자점 에너지 수확 시스템, 태양 전지, 원거리 기술 등에 동일하게 적용 가능하다. 본 기술은 또한 다른 분야 및 광전지 응용과 같은 응용과 함께 폐기물 열 변환, 1차 에너지 생성, 태양력, 및 휴대용 전력에 동등하게 적용될 수 있음이 구상된다. 본 기술은 또한 토핑(topping) 사이클 또는 보터밍(bottoming) 사이클을 제공하거나, 결합된 열 및 전력(combined heat and power, CHP) 에너지 변환 시스템을 효과적으로 제공하기 위해 공지된 에너지 변환 메커니즘과 결합되거나 통합될 수 있다.
한 가지 특히 유용한 영역의 예는, 폐열이며, 이는 거대한 미개발 저 비용 에너지원이다. 세계에서 생산된 에너지의 절반 이상이 폐열의 형태로 대기로 빠져 나간다. 글로벌 에너지 사용량은 2040년까지 거의 50% 증가할 것으로 예상되고, 같은 기간 내에 전력 수요는 같은 기간 내에 거의 70% 커질 것으로 예상됨에 따라, 폐열 문제의 중요도가 더 심각해지고 있다. 본 기술은 이러한 과제를 해결한다. 통산적인 산업 규모의 폐열 환경은 600℃ 내지 1400℃ 범위의 온도를 가질 수 있다.
본 기술은 업스트림 프로세스를 손상시키지 않으면 서 기존 산업 인프라의 폐열 스트림으로 쉽게 개조할 수 있는 컴팩트한 모듈식 시스템 설계를 제공한다. 작은 풋프린트 덕분에, 본 개시에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체는 석유 및 가스 탐사, 석유 화학 제품, 및 화학 공정, 뿐만 아니라 유리, 강철, 및 시멘트 제조와 같은 세계 최대 산업 중 일부의 생산 설비에 설치하기 위한 이상적인 형태를 제공한다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체는 그리드 전력 소비 및 비용을 감소시키면서 현장 전기를 갖는 산업용 플랜트를 제공할 수 있다.
이제 도 15를 참조하면, 본 기술에 따른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)를 갖는 산업용 유리 용광로 응용(300)이 도시되어 있다. 응용(300)은 뜨거운 배기 가스를 나르기 위한 연도(flue) 조립체(302)를 갖는다. 연도(302)는 그 내부의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)를 예시하기 위해 부분 단면으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 연도 조립체(302)의 벽(304)에 있는 포트를 통해 장착된다. 높이 올린 통로(306)는 도관 지지 시스템의 이중 목적을 제공한다. 통로(306)는 조립체(100)를 위해 도관(308)을 통해 냉각 유체를 공급하는 냉각 유체 시스템과 같은 설비 라인을 지지할 수 있다. 통로(306)는 또한 진공 라인, 모니터링 라인, 진단 라인, 통신 라인, 전기 라인 등을 지지할 수 있다. 사용자는 하나 이상의 스테이션(310)에서 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)를 모니터링 및/또는 동작시킬 수 있다. 스테이션(310)은 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)와의 용이한 동작 검토 및 상호 작용을 허용하는 스크린(312)을 갖는다. 대안 적으로, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)는 원격으로 모니터링 및/또는 동작될 수 있다.
이러한 폐열 환경은 배기 연도 가스 온도, 구성, 및 질량 유량의 플랜트 특정 조합에 기초하여 열 - 전력 생산을 가능하게 한다. 유리를 제조하는 데 사용되는 용광로는 통상적으로 시간당 17mBTU의 열 레이트로 800℃ 내지 1400℃의 배기 가스를 생성한다. 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)의 20개 이상의 세트가 연도마다 배치될 수 있고, 용광로마다 2개의 연도를 가지며, 각각의 유리 용광로로부터의 전력 출력은 200kW 내지 1 MW 이상일 수 있다. 이 전력은 미국 평균 산업용 비용인 킬로와트-시간당 0.07달러의 연간 전력 비용에서 최대 60만 달러를 상쇄할 것이다. 캘리포니아(13.6c/kWh), 독일(15.5c/kWh), 및 이탈리아(26c/kWh)와 같은 고비용 지역에서는 절약 효과가 훨씬 크다.
이제 도 19를 참조하면, 본 기술에 따른 휴대용 진단 도구(1300)의 후방 사시도가 도시되어 있다. 휴대용 진단 도구(1300)는 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 쉽게 평가할 수 있다. 휴대용 진단 도구(1300)는 장착 시스템(1302) 상의 열 광전지 패널 조립체(100)를 포함한다. 장착 시스템(1302)은 종래의 방법에 의해, 바람직하게는 분해 또는 조립 없이 용이하게 선적될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 휴대용 진단 시스템은 선적을 위해 부분적으로 분해된다. 또 다른 실시예에서, 돌출 구성 요소는 선적을 위해 장착 힌지에 의해 직립 위치로 회전될 수 있다. 장착 시스템(1302)은 폐열 환경으로의 열 광전지 패널 조립체의 선택적 삽입을 위해 원하는 위치로 용이하게 이동된다. 제어 유닛(1304)이 또한 열 광전지 패널 조립체(100)의 동작을 제어하기 위해 장착 시스템 상에 있다.
장착 시스템(1302)은 구성 요소를 장착하기 위한 베이스 구조체(1306)를 포함한다. 베이스 구조체(1306) 상의 선회 캐스터(1308)를 잠그면, 휴대용 진단 도구(1300)가 롤링되어 제자리에 쉽게 고정된다. 베이스 구조체(1306)는 축을 따라 열 광전지 패널 조립체(100)를 선택적으로 이동시키기 위한 레일 시스템(1310)을 갖는다. 바람직하게는, 열 광전지 패널 조립체(100)의 높이가 또한 조절될 수 있다. 베이스 구조체(1306)는 또한 열 광전지 패널 조립체(100)에 진공을 제공하기 위한 진공 시스템을 포함한다. 진공 시스템이 상당한 무게를 가지기 때문에, 진공 시스템은 열 광전지 패널 조립체의 연장 동안 카운터 밸런스(counter balance)로서 작용하도록 배치되거나 이동 가능할 수 있다. 베이스 구조체(1306)는 유지 보수 용품, 서비스 도구, 보호 가운, 및 차폐체, 화상 키트 등을 보유하기 위한 저장 유닛(1320)을 포함한다.
베이스 구조체(1306)는 또한 열 광전지 패널 조립체(100)에 냉각 유체를 제공하기 위한 냉각 유닛을 갖는다. 대안적으로, 냉각은 인프라(예를 들어, 물, 배관, HVAC, 냉각탑 등) 또는 천연 소스(예를 들어, 지열 냉각, 강, 하천, 대양, 공기 등)에 의해 제공되는 것과 같은 외부 소스를 통해 이루어질 수 있다. 휴대용 진단 도구(1300)는 빠르고 쉬운 연결을 위해 현장 설비와 인터페이싱하도록 필요에 따라 전기 및 다른 설비 후크업, 케이블, 호스, 및 커넥터를 갖는다. 일 실시예에서, 온보드 냉각 시스템은 대형 냉각제 유체 저장조, 펌프, 및 열 교환기를 포함한다. 그에 따라, 진공 시스템은 상당한 무게를 가져, 열 광전지 패널 조립체의 연장 동안 카운터 밸런스로서 작용하도록 배치되거나 이동 가능하다. 휴대용 진단 유닛(1300)의 다른 구성 요소가 또한 카운터 밸런스로서 작용하는 것을 도울 수 있다.
휴대용 진단 유닛(1300)은 또한 인버터(1312)를 갖는다. 인버터(1312)는 전용 케이블 연결에 의해 휴대용 진단 유닛(1300)에 탈착 가능하고 결합될 수 있다. 유사하게, 제어 유닛(1304) 및 다른 구성 요소는 탈착 가능할 수 있다. 구성 요소를 감소시킬 수 있음으로써, 휴대용 진단 유닛(1300)은 보다 다양한 환경에 배치될 수 있다. 전체 크기, 높이, 및/또는 무게가 또한 감소될 수 있다.
제어 유닛(1304)은 모터식으로 구동되는 경우 열 광전지 패널 조립체(100) 및 레일 시스템(1310)과 같은 휴대용 진단 장치(1300)의 다른 구성 요소의 동작을 통제한다. 제어 유닛(1304)은 시각적 경고 "라이트 스택" 또는 "스택 표시자" 또는 "표시 등"(1314), 및 비디오 녹화/모니터링 장비(1316)를 갖는다. 필요에 따라, 제어 유닛(1304)은 또한 스마트 폰 애플리케이션 등을 통한 동작을 위한 UPS 백업 유닛, 데이터 취득 모듈 및 원격 액세스 모듈을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제어 유닛(1304)은 특수 애플리케이션 특정 하드웨어 설계이다. 제어 유닛(1304)은 통상적으로 하나 이상의 마이크로 프로세서, 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), I/O 동작(미도시)을 수행하는 메커니즘 및 구조, 자기 하드 디스크 드라이브(들)과 같은 저장 매체, 제거 가능한 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 판독 및/또는 그에 기입하기 위한 디바이스, 및 중앙 처리 유닛 상에서의 실행을 위한 운영 체제를 포함하는 중앙 처리 유닛을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 제어 유닛(1304)의 하드 디스크 드라이브는 운영 체제, 실행될 다른 애플리케이션 또는 시스템 부팅 저장, 하드 디스크와 RAM 간의 페이징 및 스와핑 등을 수행한다. 일 실시예에서, 애플리케이션 프로그램은 본 기술에 따라 기능을 수행하기 위해 하드 디스크 드라이브 상에 상주한다. 다른 실시예에서, 제어 유닛(1304)은 근거리 네트워크 또는 인터넷과 같은 분산 컴퓨팅 네트워크 내에서 호스팅되는 애플리케이션에 액세스하기 위한 브라우저를 갖는다. 제어 유닛(1304)은 또한 제거 가능한 컴퓨터 판독 가능 매체에 판독 및/또는 그에 기입하기 위해 그 안에 삽입되는 CD 또는 DVD 유형의 매체와 같은 제거 가능한 컴퓨터 판독 가능 매체를 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어는 SCADA(supervisory control and data acquisition, 감시 제어 및 데이터 취득)를 위해 통신 능력을 갖거나 갖지 않는 간단한 프로그램 가능 로직 제어기(programmable logic controller, PLC)에 의해 달성된다.
제어 유닛(1304)은 응용 프로그램 및 제어 유닛(1304) 상에서 실행되는 운영 체제와 같은 다른 프로그램의 제어를 위한 입력 신호를 제공하는 데 사용될 수 있는, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같은 입력 디바이스(들)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 입력 디바이스는 바람직하게는 스위치, 슬라이드, 마우스, 트랙 볼, 글라이드 포인트 또는 조이스틱, 마이크로폰, 또는 소비자와 같은 사용자가 제어 신호 및 다른 명령을 입력할 수 있는 다른 디바이스(예를 들어, 통합 탑재된 글라이드 포인트 또는 마우스를 갖는 키보드)를 포함한다. 키보드 및/또는 터치 스크린을 입력 디바이스로서 사용하는 것에 대해서는 본 명세서에서 더 설명하지 않지만, 입력 장치가 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다수의 키보드 및 터치 스크린 중 임의의 것을 포함하는 것이 본 개시의 범위 내에 있으며, 여기서 그러한 방법론을 구체화하는 사용자 및 응용 프로그램을 구현하고 상호 작용하기 위한 제어 신호 또는 명령은 키보드 또는 터치 스크린을 통해 개별 명령의 형태로 구현될 수 있다.
제어 유닛(1304)은 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 바와 같이 디스플레이(들)를 갖는다. 디스플레이는 컴퓨터(14, 16)로부터의 출력 신호에 응답하여 이미지를 디스플레이하기 위한, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 다수의 디바이스 중 임의의 것일 수 있다. 이러한 디바이스는 음극선관(cathode ray tube, CRT), 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 플라즈마 스크린 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 단순화된 도면이 도 19에 도시되어 있지만, 그러한 예시는 도시된 실시예로 본 개시를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 제어 유닛(1304)으로부터 출력되는 신호는 마이크로 프로세서 및 제어 유닛(1304)의 디스플레이에 동작 가능하게 결합되는, 제어 유닛(1304)의 하우징 내에 장착된 PCI 또는 AGP 비디오 보드 또는 카드를 포함하는 다수의 디바이스 중 임의의 것으로부터 비롯될 수 있음을 알 것이다.
동작 시에, 휴대용 진단 유닛(1300)은 열 광전지 패널 조립체를 구비하여, 열로부터 전기를 생성하는 열 광전지 패널 조립체의 보다 영구적인 설치의 적합성에 대한 다양한 위치가 테스트될 수 있다. 일 실시예에서, 4개의 연결부가 필요하다(예를 들어, 208 30 amp 파워 회로; 인버터를 그리드에 연결하기 위한 208 30 amp 파워 회로; 모니터링 시스템을 위한 110 전원 회로; 및 급수). 모든 연결부 및 장비는 nema 등급이고 UL을 준수한다. 예를 들어, 폐열 환경에서의 몇몇 위치가 전기를 생성하는 데 적합할 수 있다. (예를 들어, 열 광전지 패널 조립체의 삽입을 위한 다수의 구멍의 생성에 의해) 다양한 위치에서의 액세스가 생성될 수 있다. 하나 이상의 휴대용 진단 유닛(1300)은 현장에 선적되어 일정 시간 동안 각각의 가능한 위치에 설치될 수 있다. 휴대용 진단 유닛(1300)은 위치의 적합성 및 수익성을 분석하기 위해 모든 관련 데이터를 수집하여, 영구적으로 설치되는 열 전지 패널 조립체의 수 및 배치에 대해 정보에 근거한 결정을 할 수 있다. 제어 유닛은 또한 부분적으로 또는 전체적으로 영구 설치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 동작을 모니터링하는 동안, 제어 유닛(1304)은 냉각 시스템의 고장을 나타낼 수 있는 과온 상태와 같은 미리 결정된 조건이 충족될 때 모터식 레일 시스템을 사용하여 폐열 환경으로부터 열 광전지 패널 조립체를 자동으로 후퇴시킬 수 있다. 제어 유닛은 조립체의 열 충격 프로파일에 따라 열 충격을 관리하기 위해 삽입 속도 및 추출 속도를 제어한다.
모터식 레일 시스템은 또한 영구 열 광전지 패널 조립체의 가열된 구역으로의 삽입을 제어하는 데 사용될 수 있음이 구상된다. 모터식 액추에애터는 임의의 유형의 레일(예를 들어, 원형, 자기, 랙 및 피니언 등)이 사용될 수 있지만, 리드 스크류 또는 볼 스크류 또는 애크미 나사에 의해 구동되는 선형 액추에이터일 수 있다. 구동 메커니즘은 또한 유압 실린더, 공압 실린더, 공압 모터, 핸드 크랭크 기어 등과 같은 임의의 유형일 수 있다.
제어 유닛은 또한 인터넷, 전화, 셀룰러, 블루투스, 또는 유사한 통신 프로토콜에 의해 맞춤형 알람 파라미터에 기초하여 지정된 수신자에게 경고를 제공할 수 있다. 동적 시스템 제어에서 통상적인 바와 같이, 제어 유닛은 다양한 온도(예를 들어, 주변, 제어, 용광로, 냉각수, 진공 모터, 시스템 내부, 인버터 등), 압력(예를 들어, 시스템 진공, 주변 압력, 냉각 유체 압력 등), 유속(예를 들어, 공기 배출, 냉각수)을 모니터링하기 위해 무수한 센서, 및 시스템 제어 분야의 통상의 기술자에게 일반적인 임의의 다른 디지털 또는 아날로그 센서로부터 입력을 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 제어 유닛은 열결합, 저항 온도 검출기(resistance temperature detector, RTD), 전류 신호(0-20mA, 4-20mA 등), 전압 신호(단지 하나의 예로서 0-10VDC), 임의의 프로토콜(즉, RS-232, RS-485, USB, MODBUS)의 직렬 통신, 및/또는 시스템 액션을 트리거링하기 위한 입/출력 릴레이를 사용하는 프로그램 가능 로직 제어기(PLC)를 포함한다. 통상적인 시스템은 그리드에 직접 전력을 공급하는 인버터를 가질 수 있으며, 그 전력 생성은 (보통 인버터에 내장된 바와 같은) 제 3 자 하드웨어 및 소프트웨어 통해, 또는 DC 전류 모니터링을 위한 홀 효과 센서와 같은 기구를 통해 전술한 신호를 통해 직접적으로 모니터링될 수 있다.
다른 실시예에서, 오프 그리드 전력은 (최대 전력점 추적을 갖거나 갖지 않는) 충전 제어기 및 배터리 뱅크와 같은 통상적인 시스템 밸런스를 사용하여 생성되어 배터리에 저장된다. 이러한 시스템은 무정전 전력 공급 장치(uninterruptible power supply, UPS) 또는 그리드 전력 연결에 의존하기보다는 자체 생산 전력을 사용하여 동작할 수 있다. 저장 수단은 휴대용 진단 유닛의 일부 또는 별도의 조립체일 수 있다.
휴대용 진단 유닛은 또한 실제 상황에서 다양한 피처를 평가하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 다양한 구성은 다양한 환경에서 상이하게 수행할 수 있다. 휴대용 진단 유닛은 상이한 열 광전지 패널 조립체를 가질 수 있어, 실제 상황에서 피처들 사이의 비교가 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각 시스템은 다른 응용을 위해 유체의 가열기 또는 예열기로서 사용된다. 휴대용 진단 유닛이 복수의 열 광전지 패널 조립체를 가질 수 있다는 것이 또한 구상된다. 여러 구성 요소가 모듈화될 수 있어, 예를 들어 2개의 휴대용 진단 유닛이 단일 제어 유닛 등을 가질 수 있다.
이제 도 16a를 참조하면, 본 개시에 따른 또 다른 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 사시도가 도시되어 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 알 수 있을 바와 같이, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)는 전술한 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(100)와 유사한 원리를 이용한다. 따라서, 숫자 "1" 대신에 숫자 "9"가 앞에 붙은 동일한 참조 번호는 가능한 경우, 동일한 요소를 나타내기 위해 사용된다. 다음 설명은 차이점에 대한 것이다.
마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 차이는 열 싱크(970)가 4면체라는 것이다. 일 실시예에서, 열 싱크(970)는 48개의 TPV 모듈(950)을 가지며, 12개는 각각의 측면에 있다. 열 싱크(970)는 각각의 측면에 냉각 핀 플레이트(971)(도 16b, 도 16f, 및 도 16g)를 구비하며, 그 각각의 위에 12개의 TPV 모듈(950)이 있다. 열 싱크(970)가 약 45도 회전됨에 또한 유의한다. 45도 배향은 열 싱크의 모두 4개의 측면 상의 모듈이 다수의 조립체(900)의 밀집한 패킹(packing)에도 불구하고 환경으로부터 방사선을 수신하는 것을 보장한다. 하우징(902)은 설명을 위해 반투명하게 그려지지만 투명, 불투명, 반-불투명, 또는 반투명일 수 있다.
이제 도 16b를 참조하면, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 열 싱크(970)의 원위 단부(972)의 부분 분해도가 도시되어 있다. 특히, 하나의 TPV 모듈(950)이 열 싱크(970)로부터 분리되어 도시되어 있다. TPV 모듈(950)은 증가된 강성을 위한 비교적 두꺼운 베이스 기판(960)을 가지며, 스크류(966)를 위한 장착 구멍(962)이 재배치된다. 장착 구멍(962)의 수는 추가의 나사(966)를 수용하기 위해 두 배가된다는 것에 유의한다. 힘 적용 층(990)은 또한 장착 스크류(994)가 일반적으로 정사각형 형상의 2개의 코너에 더 가깝게 위치되도록 상이한 형상을 갖는다. TPV 모듈(950)에서 언급된 차이점은 TPV 모듈 설계가 열 싱크 설계와 독립적이기 때문에 두 측면 또는 임의의 측면 열 싱크 상에 배치된 TPV 모듈에 적용될 수 있음이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다.
4개의 측면의 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 한 가지 추가적인 차이점은 도 16b-d에 도시된 바와 같이 열 싱크(970)에 전기 연결부가 내장된다는 것이다. 열 싱크(970)는 열 싱크의 코너 가장자리(909)를 따라 긴 슬롯(907)을 형성한다. 도 16d의 단면도에 도시된 바와 같이, 모선(911)은 TPV 모듈(950)로부터 전압을 운반하기 위해 슬롯(907)에 끼워 맞춰진다.
이제 도 16c를 참조하면, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 코너 전기 점퍼(913)의 단면도가 도시되어 있다. 코너 전기 점퍼(913)는 TPV 모듈(950)을 전기적으로 연결한다. 일 실시예에서, 코너 전기 점퍼(913)는 열 싱크(970)의 길이를 따라 같은 지점에서 4개의 TPV 모듈(950)을 그룹으로 연결한다. 코너 전기 점퍼(913)는 12개의 그룹화를 형성하는 것과 같이 다양한 방식으로 TPV 모듈(950)의 다른 조합을 그룹화할 수 있다. 모선(911) 및 코너 전기 점퍼(913)는 바람직하게는 금속으로 이루어지고, 저전압(예를 들어, 10V) 및 고전압(예를 들어, 50V) 응용을 지원한다.
이제 도 16e를 참조하면, 마이크론 갭 열 광전지 패널 조립체(900)의 열 싱크(970)의 사시도가 도시되어 있다. 열 싱크(970)는 유체 진입 및 배출을 위한 2개의 비교적 큰 보어(985)를 갖는 일체형 후면 플레이트(983)을 갖는다. 더 큰 보어(985)는 냉각 유체의 더 높은 유동 및 더 낮은 압력 강하를 가능하게 한다. 바람직하게는, 열 싱크(970)는 고 전도성 알루미늄 합금, 구리, 강철 등으로 제작된다.
추가로 도 16f를 참조하면, 열 싱크(970)의 부분 분해도가 도시되어 있다. 열 싱크(970)는 각각의 측면 상에 핀 플레이트(987)를 갖는, 4개의 측면의 본체(981)를 포함한다. 각각의 핀 플레이트(987) 아래에서, 본체(981)는 보어(985)와 유체 연통하는 큰 유동 구역(989)을 형성한다. 핀(991)은 핀 플레이트(987)로부터 유동 구역(989) 내로 연장되어 도 16G 및 16I에 가장 잘 도시된 바와 같이 열 싱크(970)의 냉각을 용이하게 한다. 핀(991)은 일반적으로 그 사이에 평행 채널을 형성하는 복수의 긴 리지이다. 핀(991)의 단부(993)는 도 16h에 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 레이스 트랙 구성을 형성한다.
이제 도 17a를 참조하면, 본 개시에 따른 또 다른 열광 광전지(TPV) 모듈(1050)의 상부 사시도가 도시된다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, TPV 모듈(1050)은 전술한 TPV 모듈(150, 950)과 유사한 원리를 이용한다. 따라서, "1" 또는 "9" 대신에 숫자 "10"이 앞에 붙은 동일한 참조 번호는 가능한 경우, 동일한 요소를 나타내기 위해 사용된다.
TPV 모듈(1050)의 차이점은 힘 적용 층(1090)의 형상 및 장착 나사(1094)의 배열이 변경된다는 것이다. 힘 적용 층(1090)은 실질적으로 정사각형이지만 4개의 확장된 코너(1091)를 포함한다. 장착 스크류(1094)는 실질적으로 대칭적인 방사상 방식으로 배열되어 코너 갭 이탈(pull-away)을 감소시키고 개선된 냉각을 위해 열 계면에 압력을 고르게 분배한다. 도시된 실시예에서, 장착 나사(1094)는 각각의 코너(1091)에 대향 쌍으로 배열된다.
이제 도 17b를 참조하면, TPV 모듈(1050)의 하부 사시도가 도시되어 있다. TPV 모듈(1050)은 장착 스크류(1094)에 결합되는 장착 조립체(1021)를 갖는다. 베이스 기판(1060)은 리세스(1061)를 형성하여, 장착 조립체(1021)가 열 싱크와의 양호하게 접촉하는 것을 방해하지 않는다. 베이스 기판(1060)은 또한 열 싱크 상에 위치시키기 위한 장착 핀(1067), 뿐만 아니라 전기적 연결을 위한 리세스 구역(1068) 등을 포함할 수 있다.
장착 조립체(1021) 중 하나가 분해도로 도시되어 있다. 각각의 장착 조립체(1021)는 장착 스크류(1094), 너트(1023), 및 스프링(1025)을 포함한다. 너트(1023) 및 리세스(1061)는 장착 스크류가(1094)가 회전될 때 너트가 오목 부에 의해 포획되도록 형상화된다. 도 17c를 참조하면, 조립된 장착 조립체(1021)의 단면도가 도시되어 있다. 오목 부(1061)는 너트(1023)를 설정된 배향으로 유지하도록 크기가 정해지고 구성된 외부 부분(1063)을 갖는다. 리세스(1061)는 또한 비교적 반경 방향으로 더 좁은 내부 부분(1065)을 갖는다. 조립될 때, 스프링(1025)은 외부 부분(1063)에 있는 너트(1023)에 의해 내부 부분(1065)에 유지된다. 스크류(1094)는 스프링(1025)을 관통하여 너트(1023)에 나사 결합한다. 외부 부분(1063)은 스크류(1094)가 돌출하지 않도록 충분한 깊이를 갖는다. 또한, 충분한 깊이는 스크류(1094)를 조절할 수 있게 하고, 결과적으로 TPV가 열 싱크에 장착된 후에 TPV 모듈(1050) 내의 갭을 조절할 수 있게 한다. 적용 층(1090)에 의해 가해지는 힘은 스크류(1094) 및 너트(1023)에 의해 제공되는 장력에 대해 작용하는 스프링(1025)의 압축에 의해 제공된다.
이제 도 18을 참조하면, 본 기술에 따른 투명한 기판 또는 다른 기판 상에 나노 갭 스페이서를 제작하기 위한 다양한 가능한 제조 단계 "a-l"의 일련의 단면도가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 기판은 열 광전지 모듈에 대한 투명한 에미터이다. 단계 "a-l"은 반도체 산업에서 통상적인 공지된 마이크로 리소그래피 공정을 사용하여 수행될 수 있다. 단계 a에서, 아무것도 없는(bare) 기판(1100)이 제공된다. 아무것도 없는 기판(1110)은 단계 b에서 포토레지스트 층(1102)으로 코팅된다. 포토레지스트 층(1102)은 단계 c에서 복수의 구멍(1104)이 형성되도록 패터닝된다. 구멍(1104)은 임의의 크기 및 형상일 수 있다.
단계 d에서, 산화물 층(1106)이 퇴적된다. 구멍(1104)의 결과로서, 산화물 층(1106)의 부분 또는 스페이서(1108)가 직접적으로 기판(1100) 상에 있다. 그 위에 산화물 층(1106)을 갖는 포토레지스트 층(1102)을 들어올려 떼어 냄으로써, 산화물 스페이서(1108)만이 단계 e에 도시된 바와 같이 기판(1100) 상에 남을 것이다.
단계 f에서, 금속 마스크 층(1110)이 스페이서(1108) 및 기판(1100) 위에 퇴적된다. 금속 마스크 층(1110)을 패터닝하기 위해, 단계 g에 도시된 바와 같이 포토레지스트(1112)가 도포된다. 포토레지스트(1112)가 원하는 패턴으로 형성되어 구멍(1114)을 갖는 패터닝된 포토레지스트(1112 ')(단계 h)를 생성하면, 금속 마스크 층(1110)은 단계 i에 도시된 바와 같이 동일한 패턴으로 에칭되어 패터닝된 금속 마스크 층(1110')을 형성할 수 있다. 그 결과, 구멍(1114)은 포토레지스트(1112 ') 및 금속 마스크 층(1110')을 통해 기판(1100)까지 형성된다. 금속 마스크 층은 심지어 두꺼운 포토레지스트와 같은 임의의 충분히 견고한 마스킹 재료로 이루어질 수 있다. 금속 마스크 층은 꽤 강력할 수 있는, 기판(1100)을 패터닝하는 데 사용되는 에칭 및 다른 필요한 처리 단계에 대항하여 견고해야 한다. 일 실시예에서, 기판(1100)은 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE)을 사용하여 에칭되는 용융 실리카이다.
포토레지스트(1112')를 제거한 후(단계 j), 기판(1100)은 단계 k에서 도시된 바와 같이 구멍(1114)의 위치에서 에칭하여 기판(1100)에 트렌치(1116)를 형성할 수 있다. 단계 l에서 도시된 바와 같이 금속 마스크 층(1110')이 제거되면, 개선된 스페이서 열 저항을 위해 트렌치(1116)로 둘러싸인 스페이서(1108)를 갖는 기판(1100)이 된다.
몇몇 요소의 기능이 대안적인 실시예에서는 더 적은 요소 또는 단일 요소에 의해 이행될 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 유사하게, 일부 실시예에서, 임의의 기능 요소는 도시된 실시예와 관련하여 설명된 것보다 적은 또는 상이한 동작을 수행할 수 있다. 또한, 설명의 목적으로 구별되는 것으로 도시된 기능 소자(예를 들어, 열 싱크, 냉각 튜브, 플랜지, 전기 커넥터, 계면 층, 볼트 등)는 특정 구현에서 다른 기능 요소 내에 통합될 수 있다.
본 명세서에 개시된 모든 특허, 특허 출원, 및 다른 참고 문헌은 그 전체가 참조로서 분명히 포함된다. 본 기술이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 본 기술에 다양한 변경 및/또는 수정이 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 에미터에 전달된 에너지는 하우징으로부터 방사될 수 있거나 하우징은 단순히 주변 환경으로부터의 광자를 통과시킬 수 있음에 유의한다. 또한, 청구항은 청구항의 일부가 다른 청구항에서 인용될 뿐만 아니라, 원래 청구된 것이 아닐지라도, 각각의 청구항이 다중 인용 방식으로 임의의, 일부의, 또는 모든 청구항을 인용할 수 있도록 재작성될 수 있다.
Claims (62)
- 패널 조립체로서,
열 싱크; 및
상기 열 싱크 상에 장착된 적어도 하나의 모듈을 포함하고,
상기 적어도 하나의 모듈은
에미터 조립체;
갭에 의해 상기 에미터 조립체로부터 분리된 에너지 변환 조립체; 및
상기 갭을 유지하기 위해 힘을 가하는 패스너를 포함하는, 패널 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 패널 조립체는 열 광전지이고, 상기 에너지 변환 모듈은 광전지 소자를 갖는 광전지 모듈이고, 상기 에미터 조립체는 에미터를 포함하고, 상기 광전지 조립체는 포함하는, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
상기 에미터는 상기 열 싱크에 볼트로 고정되는, 패널 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 에미터에 인접하여 위치된 힘 적용 층을 더 포함하고, 상기 패스너는 상기 열 싱크에 결합하기 위해 상기 힘 적용 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 볼트인, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
상기 광전지 조립체와 상기 열 싱크 사이의 베이스 기판을 더 포함하는, 패널 조립체. - 제5항에 있어서,
상기 베이스 기판은 높은 열전도 특성을 갖는 재료로 제작되는, 패널 조립체. - 제5항에 있어서,
상기 에미터에 인접하여 위치된 힘 적용 층을 더 포함하고, 상기 패스너는 상기 베이스 기판에 결합하기 위해 상기 힘 적용 층을 통해 연장되는 적어도 하나의 볼트인, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
장착 브래킷; 및
상기 장착 브래킷으로부터 연장되고 상기 열 싱크에 결합되어, 상기 열 싱크가 상기 내부로 캔틸레버되어 적어도 하나의 열 광전지 모듈과 상기 내부 표면 사이에 공간을 한정하는 적어도 하나의 지지 바를 더 포함하는, 패널 조립체. - 제8항에 있어서,
상기 하우징은 폐쇄된 원위 단부 및 개방된 근위 단부를 갖는 튜브형인, 패널 조립체. - 제9항에 있어서,
상기 하우징을 장착하기 위해 상기 개방된 근위 단부를 둘러싸는 플랜지를 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 장착 브래킷에 장착되는, 패널 조립체. - 제8항에 있어서,
상기 하우징은 진공을 유지하고, 결과적으로 상기 갭은 비워지고;
상기 열 싱크는 상기 열 싱크를 통해 펌핑되는 냉각 유체를 수신하기 위한 통로를 한정하고;
상기 패스너는 적어도 하나의 볼트; 적어도 하나의 리벳; 적어도 하나의 스테이플; 적어도 하나의 클램프; 적어도 하나의 본드; 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고,
상기 하우징과 진공원 사이의 압력 릴리프 밸브를 더 포함하는, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징; 및
적어도 하나의 열 광전지 모듈과 상기 내부 표면 사이에서 상기 열 싱크 주위에 공간이 형성되도록 하는, 상기 열 싱크와 상기 내부 표면 사이의 적어도 하나의 지지 소자를 더 포함하는, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
적어도 하나의 열 광전지 모듈에 전기적 연결을 제공하기 위해 상기 열 싱크에 결합된 전기 와이어 조립체를 더 포함하는, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
제 1 내부 및 상기 열 싱크를 한정하는 제 1 내부 표면을 갖는 제 1 하우징으로서, 그에 따라 적어도 하나의 열 광전지 모듈은 상기 제 1 내부 내로 연장되는, 제 1 하우징;
제 2 내부를 한정하는 제 2 내부 표면을 갖는 제 2 하우징으로서, 상기 제 1 하우징은 상기 제 1 하우징을 보호하기 위해 상기 제 2 내부 내로 연장되는, 제 2 하우징을 더 포함하는, 패널 조립체. - 제14항에 있어서,
상기 제 2 하우징은 고온 환경에서 장착되고, 상기 제 1 하우징을 선택적으로 상기 제 2 하우징 내로 이동시킴에 따라 적어도 하나의 열 광전지 모듈이 원하는 위치로 이동되는 선형 액추에이터를 더 포함하는, 패널 조립체. - 제2항에 있어서,
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징으로서, 적어도 하나의 열 광전지 모듈은 상기 내부에 있고, 상기 하우징은 고온 환경에서 제 위치에 고정되는, 하우징; 및
상기 적어도 하나의 열 광전지 모듈을 상기 하우징 내의 원하는 위치로 이동시키기 위한 선형 액추에이터를 더 포함하는, 패널 조립체. - 패널 조립체로서,
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
상기 내부 내의 열 싱크; 및
갭에 의해 에미터 조립체로부터 분리된 소자 조립체를 포함하는 상기 열 싱크에 결합된 적어도 하나의 모듈을 포함하고,
상기 적어도 하나의 모듈 및 상기 내부 표면은 상기 적어도 하나의 모듈과 상기 내부 표면 사이에 공간을 한정하여 상기 하우징이 에너지를 흡수하고, 그에 따라 상기 에미터 조립체에 에너지를 방사하고, 상기 에미터 조립체가 에너지를 흡수하고, 결과적으로 상기 소자 조립체에 의한 전기로의 변환을 위해 상기 갭에 걸쳐 에너지를 방출하는, 패널 조립체. - 제17항에 있어서,
상기 열 싱크는 상기 하우징 내로 캔틸레버되고, 상기 소자 조립체는 열 광전지 소자 조립체인, 패널 조립체. - 제17항에 있어서,
상기 열 싱크는 상기 하우징과의 열 전도를 감소시키기 위해 적어도 하나의 열 절연 소자에 의해 둘러싸이는, 패널 조립체. - 제17항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 상기 갭을 유지하기 위한 힘을 가하는, 패널 조립체. - 제17항에 있어서,
상기 모듈은 광전지 소자; 에미터; 및 상기 광전지 소자와 상기 열 싱크 사이의 베이스 기판을 포함하고,
상기 에미터 조립체에 인접하여 위치되고 상기 베이스 기판에 결합된 힘 적용 층을 더 포함하는, 패널 조립체. - 패널 조립체로서,
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
상기 내부 내의 열 싱크; 및
상기 열 싱크에 결합된 적어도 하나의 모듈을 포함하고,
상기 내부는 상기 적어도 하나의 모듈과 상기 내부 표면 사이의 공간을 포함하여, 상기 하우징 내로 들어가는 에너지가 상기 적어도 하나의 모듈에 방사되고, 결과적으로 상기 적어도 하나의 모듈이 에너지를 흡수하여 전기를 생성하는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 하우징은 불투명하고 주변 열을 완전히 흡수하고, 가열 시에 상기 하우징은 적외선 에너지를 상기 적어도 하나의 모듈에 방사하는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 하우징은 반투명하여 일부 에너지는 흡수되어 상기 하우징을 가열하고 일부 에너지는 상기 하우징을 통해 전달되는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 하우징은 투명하여 주변 에너지가 상기 하우징을 통해 적어도 하나의 열 광전지 모듈에 전달되는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 하우징은 상기 하우징의 상이한 영역에서 투명도의 레벨이 다른 하나 이상의 창을 포함하는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모듈은 에미터 조립체; 갭에 의해 상기 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 조립체; 및 상기 갭을 유지하기 위한 힘을 가하는 패스너를 포함하고,
상기 광전지 조립체와 상기 열 싱크 사이의 베이스 기판을 더 포함하고,
상기 열 싱크는 상기 내부로 캔틸레버되어 상기 적어도 하나의 모듈과 상기 내부 표면 사이에 공간을 한정하고,
상기 하우징은 진공을 유지하는, 패널 조립체. - 제22항에 있어서,
상기 열 싱크는 상기 적어도 하나의 모듈에 인접한 적어도 하나의 냉각 베이를 한정하고, 상기 적어도 하나의 냉각 베이는 냉각 유체 소스에 결합되는, 패널 조립체. - 제28항에 있어서,
상기 적어도 하나의 냉각 베이는 열 교환을 용이하게 하는 핀을 포함하는, 패널 조립체. - 제28항에 있어서,
상기 적어도 하나의 냉각 베이는 복수의 냉각 베이이고, 각각의 냉각 베이는 입구를 가지고, 상기 입구는 냉각 요구 사항의 국부적 차이를 해결하기 위해 상기 열 싱크 상의 위치에 따라 다른, 패널 조립체. - 열 광전지 조립체로서,
유효 스펙트럼 내의 제 1 광자를 전기로 변환시키기 위한, 상기 유효 스펙트럼을 가진 광전지 소자; 및
갭에 의해 광전지 조립체로부터 분리된 에미터 조립체로서, 상기 에미터 조립체는 상기 유효 스펙트럼 내의 상기 제 1 광자가 상기 에미터를 통과할 수 있게 하는, 에미터 조립체를 포함하는, 열 광전지 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 상기 갭의 시각적 관찰을 위해 적어도 부분적으로 투명하고, 상기 에미터 조립체는 플루오르화 마그네슘, 석영, 실리카, 사파이어, 제 1 코팅부를 가진 석영, 제 2 코팅부를 가진 실리카, 및 제 3 코팅부를 가진 사파이어로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제작되는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 열 절연 재료로 제작되는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 가열될 때 상기 유효 스펙트럼 내의 광자를 방사하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 상기 갭을 유지하기 위해 상기 에미터 상에 형성된 복수의 스페이서를 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터 조립체는 각각의 스페이서 주위에 열 분리 트렌치를 한정하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 유효 스펙트럼 외부의 제 2 광자를 흡수를 위해 다시 상기 에미터로 반사시키기 위해 상기 광전지 소자 상에 코팅되는 후면 반사기를 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제31항에 있어서,
상기 에미터의 측면 상의 적어도 하나의 층을 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제38항에 있어서,
상기 적어도 하나의 층은 굴절률 매칭을 위한 것인, 열 광전지 패널 조립체. - 열 광전지 패널 조립체로서,
열 싱크; 및
상기 열 싱크 상에 장착된 적어도 하나의 열 광전지 모듈을 포함하고,
상기 적어도 하나의 열 광전지 모듈은
유효 스펙트럼 내의 제 1 광자를 전기로 변환하기 위한, 상기 유효 스펙트럼을 가진 광전지 소자를 구비한 광전지 조립체; 및
갭에 의해 상기 광전지 조립체로부터 분리된 에미터 조립체로서, 상기 에미터 조립체는 상기 유효 스펙트럼 내의 상기 제 1 광자가 상기 에미터를 통과할 수 있게 하는, 에미터 조립체를 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제40항에 있어서,
상기 열 싱크는 상기 적어도 하나의 열 광전지 모듈에 인접한 적어도 하나의 냉각 베이를 한정하고, 상기 적어도 하나의 냉각 베이는 입구 매니폴드에 의해 냉각 유체 소스에 결합되고, 각각의 냉각 베이는 입구를 한정하며,
냉각 요구 사항의 국부적 차이를 해결하기 위해 상기 입구 매니폴드에 삽입되어 상기 열 싱크 상의 위치에 따라 각각의 냉각 베이를 통한 유동을 다르게 하는 슬리브를 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제40항에 있어서,
상기 열 광전지 모듈 상의 기밀 밀봉부를 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제42항에 있어서,
상기 기밀 밀봉부는 상기 열 광전지 모듈의 내부만이 진공 하에 있도록 진공을 유지하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제42항에 있어서,
상기 기밀 밀봉부는 상기 에미터 조립체와 광전지 소자 사이의 갭을 유지하기 위한 힘을 유지하는 벽을 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 열 광전지 패널 조립체로서,
유효 스펙트럼 내의 제 1 광자를 전기로 변환시키기 위한, 상기 유효 스펙트럼을 가진 광전지 소자; 및
갭에 의해 광전지 조립체로부터 분리된 에미터 조립체를 포함하고,
상기 에미터 조립체는
제 1 평면 표면 및 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면을 갖는 기판으로서, 상기 제 2 표면은 갭에 의해 상기 광전지 소자로부터 분리되는, 기판; 및
고 방사 열원으로부터 방출된 제 2 광자를 흡수하여 상기 에미터 조립체를 가열해, 상기 에미터 조립체가 상기 제 1 광자를 상기 광전지 소자로 방사하여 상기 광전지 소자에 의해 흡수되도록 하는, 상기 제 2 표면 상에 퇴적된 광학적으로 불투명하거나 고 지수 재료의 얇은 층으로서, 상기 제 2 광자는 상기 유효 스펙트럼 밖에 있는, 얇은 층을 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제45항에 있어서,
상기 얇은 층은 탄소인, 열 광전지 패널 조립체. - 제45항에 있어서,
상기 기판은 상기 갭을 설정하기 위해 복수의 스페이서를 형성하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제45항에 있어서,
상기 제 2 광자는 상기 제 1 광자와 상이하고, 상기 에미터 조립체는 상기 유효 스펙트럼 내의 상기 제 1 광자가 상기 에미터 조립체를 통과할 수 있게 하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제45항에 있어서,
상기 기판은 실리카, 용융 실리카, 석영, 및 용융 석영으로 이루어진 그룹인, 열 광전지 패널 조립체. - 제45항에 있어서,
상기 광전지 소자 상의 후면 반사기 층을 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제50항에 있어서,
상기 후면 반사기 층은 금인, 열 광전지 패널 조립체. - 광전지 소자를 갖는 열 광전지 패널 조립체용 에미터를 제조하는 방법으로서,
제 1 표면 및 상기 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면을 갖는 광학적으로 투명한 기판을 제공하는 단계;
상기 에미터를 갭에 의해 상기 광전지 소자로부터 분리시키기 위해 상기 제 2 표면 상에 복수의 스페이서를 형성하는 단계; 및
고온 방사 열원으로부터 방출된 제 1 광자를 흡수하기 위해 상기 제 2 표면 상에 광학적으로 불투명한 재료의 얇은 층을 퇴적시켜 상기 에미터를 가열해, 상기 에미터가 상기 광전지 소자에 의해 흡수되도록 상기 광전지 소자에 제 2 광자를 방사할 수 있게 하는 단계를 포함하는, 광전지 소자를 갖는 열 광전지 패널 조립체용 에미터를 제조하는 방법. - 제4항에 있어서,
광전지 조립체와 상기 열 싱크 사이의 베이스 기판으로서, 상기 베이스 기판은 복수의 리세스를 한정하고, 각각의 리세스는 각각의 리세스 내부에 장착 조립체를 가지며, 각각의 장착 조립체는 너트 및 스프링을 포함하는, 베이스 기판; 및
상기 에미터에 인접하게 위치된 힘 적용 층으로서, 상기 패스너는 복수의 볼트이고, 각각의 볼트는 상기 리세스 내의 너트에 결합하기 위한 것인, 힘 적용 층을 더 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제53항에 있어서,
상기 리세스는 상기 너트를 설정된 배향으로 유지하도록 크기가 정해지고 구성된 외부 부분; 및 내부 부분으로서, 상기 내부 부분은 반경 방향으로 상대적으로 더 좁아져서, 조립될 때, 상기 스프링이 상기 너트에 의해 상기 내부 부분에 유지되고, 상기 복수의 볼트가 상기 스프링을 통과하여 상기 너트에 나사식으로 결합되어 상기 스프링이 압축력을 제공하는, 내부 부분을 포함하는, 열 광전지 패널 조립체. - 제53항에 있어서,
상기 힘 적용 층의 형상은 다소 정사각형이고,
상기 복수의 볼트는 상기 형상의 코너에 대향하는 쌍으로 배열된 8개의 볼트인, 열 광전지 패널 조립체. - 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구로서,
에너지 변환 조립체;
상기 열 광전지 패널 조립체를 상기 폐열 환경에 선택적으로 삽입하기 위해 상기 상기 에너지 변환 조립체에 결합된 장착 시스템; 및
상기 열 광전지 패널 조립체의 동작을 제어하기 위해 상기 장착 시스템 및 상기 열 광전지 패널 조립체에 결합된 제어 유닛을 포함하는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제56항에 있어서,
상기 장착 시스템은 베이스 구조체, 상기 휴대용 진단 도구를 이동시키기 위한 상기 베이스 구조체 상의 잠금 선회 캐스터, 알람 유닛, 냉각 시스템, 진공 시스템, 및 축을 따라 상기 열 광전지 패널 조립체를 선택적으로 이동시키기 위한 레일 시스템을 포함하는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제57항에 있어서,
냉각 유닛 및 진공 유닛 중 적어도 하나는 상기 열 광전지 패널 조립체의 배치 중에 카운터 밸런스로서 작용하도록 배치되는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제56항에 있어서,
상기 제어 유닛은 비디오 녹화 및 모니터링 장비, 설비에 결합하기 위한 커넥터, UPS 백업 유닛, 데이터 획득 모듈, 및 원격 액세스 제어 유닛을 포함하는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제59항에 있어서,
상기 제어 유닛은 미리 결정된 조건이 충족될 때 상기 폐열 환경으로부터 상기 열 광전지 패널 조립체를 자동으로 후퇴시키도록 동작 가능한, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제60항에 있어서,
상기 제어 유닛은 삽입 속도 및 추출 속도를 제어하는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구. - 제56항에 있어서,
상기 에너지 변환 조립체는 열 광전지 패널 조립체를 포함하고,
상기 열 광전지 패널 조립체는
열 싱크;
상기 열 싱크 상에 장착된 적어도 하나의 열 광전지 모듈로서, 상기 적어도 하나의 열 광전지 모듈은
에미터 조립체;
갭에 의해 상기 에미터 조립체로부터 분리된 광전지 조립체; 및
상기 갭을 유지하기 위한 힘을 가하는 패스너를 포함하는, 적어도 하나의 열 광전지 모듈; 및
내부를 한정하는 내부 표면을 갖는 하우징;
장착 브래킷; 및
상기 장착 브래킷으로부터 연장되고 상기 열 싱크에 결합되어, 상기 열 싱크가 상기 내부로 캔틸레버되어 상기 적어도 하나의 열 광전지 모듈과 상기 내부 표면 사이에 공간을 한정하는 적어도 하나의 지지 바를 포함하는, 폐열 환경으로부터의 전력 생산을 평가하기 위한 휴대용 진단 도구.
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