NL1032911C2 - Geschakelde energie-omzetinrichting, generator voorzien daarvan en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

5

Korte aanduiding: Geschakelde energie-omzetinrichting, generator voorzien daarvan en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

De onderhavige uitvinding betreft een geschakelde energie-omzetinrichting, een generator die voorzien is van een dergelijke energie-omzetinrichting en een werkwijze voor het gebruik daarvan.

De energie-omzetinrichting is geschikt voor het omzetten 10 van thermische energie in elektriciteit. De inrichting is in het bijzonder geschikt voor het omzetten van warmte in elektrische energie door middel van een combinatie van geschakelde generatoren zonder bewegende delen.

Generatoren zonder bewegende delen omvatten bijvoorbeeld een 15 thermionische generator (TIG), een thermo-elektrische generator (TEG), een thermophotovoltaische generator (TPV) en/of een thermo-tunnelgenerator (TTG).

De combinatie van generatoren kan bijvoorbeeld dienen als bron van elektrische energie.

20 Een bekende TIG omvat een diode, voorzien van een emitter en een collector met daartussen een ruimte die vacuüm is of die gevuld is met een ioniseerbaar gas. Om los te laten van het oppervlak van de emitter dienen elektronen eerst een drempelspanning te overwinnen, de zogenoemde werkfunctie van het elektrodemateriaal.

25 Vanwege de hoogte van de werkfunctie laten elektronen pas los van de emitter bij relatief hoge temperaturen. De elektronen die hebben losgelaten worden naar de collector gevoerd, doordat warmte, in dit geval de kinetische energie van de elektronen of ionen, van de warme emitter naar de koudere collector stroomt. Door de elektrische lading 30 van de elektronen gaat er eveneens een elektrische stroom lopen.

Doordat het thermionisch effect echter pas effectief is bij temperaturen boven circa 1600 K wordt er ook veel straling van de emitter naar de collector gezonden en treedt er relatief veel warmteverlies op. Het maximale rendement dat wordt gehaald is 35 zodoende 10 tot 13%, hetgeen voor de meeste toepassingen onrendabel is. De toepassing van de bekende inrichting blijft daardoor beperkt tot de ruimtevaart en tot toepassingen waarbij een relatief laag gewicht en lange betrouwbare beschikbaarheid een doorslaggevende rol spelen.

1 0329 1 1 2

Door verschillende generatoren te schakelen kan het rendement worden vergroot, indien de generatoren werkzaam zijn in een voor iedere generator verschillend doch optimaal temperatuurgebied.

De achtergeschakelde generator zet dan de restenergie van de 5 voorgaand geschakelde generator ook nog om in elektrische energie.

Bij generatoren met bewegende delen wordt van deze methode al gebruik gemaakt. Een voorbeeld is een op hoge temperatuur werkende gasturbine, die is voorgeschakeld aan een op lagere temperatuur werkende stoomturbine. Het gezamenlijke rendement van deze z.g. STEG-10 eenheid is 60%, terwijl de individuele rendementen van de turbinegeneratoren tussen 30 en 40% liggen.

Een bekende omzetinrichting omvattende een geschakelde combinatie van generatoren zonder bewegende delen omvat een TEG met een TPV, waarbij de warmte wordt gegenereerd door verbranding. De 15 restwarmte uit de uitlaat wordt dan door de TEG omgezet in elektrische energie. Doordat het proces niet veel rendabeler is dan het terugwinnen van warmte met een goedkope recuperator wordt het rendement ten koste van veel hogere kosten slechts van 12% naar 14% verhoogd. Een probleem van de TPV is dat de stralingsemitter daarvan 20 op een hoge temperatuur werkt van ca. 1500 °C en dat de TPV bij een lage temperatuur van 25-50 °C werkt. Tussen de stralingsemitter en de TPV kan geen andere generator worden geschakeld en er zijn weinig mogelijkheden om het rendement door schakeling met andere generatoren te verhogen.

25 De onderhavige uitvinding beoogt een omzetinrichting van bovengenoemde soort te verschaffen met een beter rendement.

De onderhavige uitvinding verschaft daartoe een energie-omzetinrichting voor het omzetten van warmte in elektrische energie, omvattende: 30 - een combinatie van een thermionische generator (TIG), geschakeld met een of meer andere generatoren zonder bewegende delen, welke geschakeld een hoger rendement halen dan elke generator afzonderlijk.

De generatoren zijn direct aan elkaar gekoppeld, zonder 35 tussenkomst van een warmtewisselaar of heat pipe. De restwarmte die overblijft nadat de TIG elektriciteit heeft gegenereerd wordt direct gebruikt door de aan de TIG gekoppelde generator(en). De directe koppeling van de generatoren omvat bijvoorbeeld de buitenste collector van de thermionische generator (TIG) die tevens een deel 3 vormt van de warme zijde van een daaraan gekoppelde TEG, (M)TPV, TTG, of andere omzetinrichting zonder bewegende delen.

Een PowerTEG zoals ontwikkeld en gepatenteerd door aanvraagster is een TTG en bijvoorbeeld als onderdeel van een 5 geschakelde omzetinrichting geschikt. De PowerTEG is een hoogrenderende thermionische energieomvormer omvattende een meerlaags vacuümdiode, waarvan de lagen zeer dun zijn en de tussenruimtes tussen de lagen enkele nanometers dik zijn. De lagen worden op een afstand van elkaar gehouden, door in de lagen ingebedde 10 isolatorelementen aan te brengen. Aan de koude zijde dient de afstand tussen de lagen zo klein te zijn, dat de daarbij thermionisch opgewekte stroom versterkt wordt door het tunnelen van elektronen van laag naar laag.

In een uitvoeringsvorm verschaft de uitvinding een 15 verbeterde TIG omvattende: - een aantal elektrodes met oppervlakken die met een optimale tussenruimte ten opzichte van elkaar zijn aangebracht; - emitters voorzien van een bepaalde optimale oppervlaktestructuur; 20 - emitter en collector met een materiaal met een bepaalde optimale werkfunctie; - een aantal afstandelementen die tussen de elektrodes zijn aangebracht voor het vormen en instellen van de tussenruimte, waarbij de tussenruimte klein en nauwkeurig genoeg is om een optimaal 25 rendement te verkrijgen; - waarbij de afstandelementen de verschillende elektrodes mechanisch verbinden met een onderliggend substraat; en/of - meerdere in serie gestapelde elektrodes en tussenruimtes, welke per laag zo optimaal mogelijk naar deelrendement en 30 totaalrendement worden gedimensioneerd volgens de operationeel heersende lokale temperatuur, de gewenste energiedichtheid en gewenste of optredende elektrische potentiaal.

Bij de onderhavige uitvinding zijn de te controleren deeloppervlakken drastisch kleiner vanwege de vrijheid van licht aan 35 elkaar gekoppelde elektrodes. De elektrodes worden op een controleerbare tussenafstand worden gehouden door de afstandelementen. Eventueel kan de afstand nog nauwkeuriger worden ingesteld door de afstand interactief met piezo-elementen, welke onder de afstandelementen of kolommen zijn geplaatst, te regelen. Ook 40 is het mogelijk om de afstand nauwkeuriger in te stellen, door de 4 temperatuur van de kolommen (afstandelementen) te regelen met een elektrische stroom, welke door een op de kolommen aangebrachte elektrische weerstandlaag stroomt, zodanig dat de kolom uitzet tot de gewenste lengte.

5 Het stralingsverlies wordt geminimaliseerd door meerdere lagen elektrodes toe te passen, waardoor de temperatuurverschillen tussen de onderlinge lagen kleiner worden en de straling drastisch wordt verminderd. Tevens zijn de elektrodes eventueel van een spectraalselectieve laag voorzien, die de emissiecoëfficiënt 10 vermindert.

Voor het verlagen van de werkfunctie van het emittermateriaal tot de optimale waarde, wordt in een uitvoeringsvorm cesiumdamp in de tussenruimte gebracht, waardoor de emittertemperatuur kan worden verlaagd. Dit is dan ook gunstiger voor 15 de toegepaste materialen en de levensduur. Ook kunnen halfgeleiders worden toegepast om de werkfunctie te verlagen.

Bij voorkeur omvatten de elektrodes elementen of platen, die hoofdzakelijk evenwijdig met de tussenruimte of spleet, eventueel elastisch gekoppeld zijn of geheel vrij ten opzichte van elkaar 20 kunnen bewegen om temperatuurspanningen te minimaliseren. De beweging van de platen van de elektrodes is bijvoorbeeld mogelijk door groeven die in de elektrodes zijn aangebracht en waaromheen de elektrodes kunnen buigen. De elektrodes van bijvoorbeeld een thermionische generator zijn zodoende in staat om oneffenheden en thermische 25 vervormingen van het oppervlak van een daaraan gekoppelde generator en ook van vervormingen van de platen onderling te volgen. Het optreden van hoge spanningen is daarbij voorkomen terwijl de hoogtes van de spleten of tussenruimtes overal op de ingestelde en gewenste waardes blijven. Door de meer constante hoogte van de tussenruimte op 30 de ingestelde en gewenste waarde is het rendement beter.

Door deze bewegingsvrijheid kunnen de elektrodeplaten eveneens loodrecht op de spleetrichting vrij bewegen en zijn ze ook daar eenvoudiger in staat om de spleet in stand te houden. Daarbij zijn de elektrodes aan een zijde verbonden met de afstandelementen.

35 Hierdoor kan de hoogte van de tussenruimte kleiner zijn dan 100 nm.

Voor optimale koeling wordt het substraat inwendig van holle ruimtes voorzien, die vacuümdicht van ongeveer 10'5 tot 10*7 torrl/s zijn verbonden met aan- en afvoerpijpen. In deze holle ruimtes wordt het substraat in direct contact met een koelmiddel of 40 een op het oppervlak verdampend koelmiddel (heat pipe) gebracht.

5

In een uitvoeringsvorm heerst er in de tussenruimtes van de diodes thermisch vacuüm om tevens het warmte-convectieverlies in de tussenruimtes te beperken. De energie-omzetinrichting is daarom in een vacuümdichte behuizing aangebracht. Wanden van de behuizing 5 blijven op omgevingstemperatuur. Tevens reflecteren de wanden de warmtestraling, die eventueel nog van de omzetinrichting afkomt met een reflecterende laag. De behuizing wordt eveneens vacuümdicht met het koude substraat verbonden.

In een uitvoeringsvorm wordt geconcentreerd zonlicht direct 10 op de omzetinrichting gestraald door een deel van de wand van de behuizing transparant (koud venster) te maken. Het koude venster omvat bij voorkeur ontwaterd kwarts. Om terugstraling te beperken wordt het koude venster zo klein mogelijk gehouden, door het venster in het brandpunt van de zonneconcentrator aan te brengen en/of door 15 een zo hoog mogelijke concentratie te gebruiken (6000 tot 8000 zonnen).

In een uitvoeringsvorm wordt de energie-omzetter verwarmd door een brander, die eveneens in de vacuümruimte is aangebracht. De brander verwarmt hierbij een warmtestralingsemitter, die contactloos 20 warmte op de energie-omzetter straalt. Hierdoor kan de brander geen mechanische belasting op de omzetter overbrengen en de nauwkeurig ingestelde omzetter mechanisch niet verstoren. De wanden van de brander zijn eveneens vacuümdicht en vacuümdicht verbonden met de omhuizing van de energie-omzetter. De wanden zijn daarbij relatief 25 dun en van een thermisch slecht geleidend materiaal gemaakt (geleidingscoëfficiënt < 15 W/Km). Optioneel zijn de wanden voorzien van een voor warmtestraling reflecterende laag. De brander is voorzien van een recuperator, waarin door het ontwerp de temperatuursgradiënt van de te recupereren gassen zodanig is gekozen 30 dat deze zo min mogelijk parasitaire warmteverliezen van de brander naar buiten doorlaat.

In een uitvoeringsvorm is er in de recuperator een koud venster ingebouwd. Zo kan geconcentreerd zonlicht op de warmtestralingsemitter schijnen, zodat deze tegelijkertijd wordt 35 opgewarmd door de brander en door geconcentreerd zonlicht. Het koude venster kan ook een opening zijn, waarbij het niet gewenst gaslekken naar buiten wordt verhinderd door een klein deel van de inlaatlucht drukvereffenend in de opening te spuiten, als een zogenaamd luchtgordijn. Ook kan de recuperator gedeeltelijk transparant worden 6 gemaakt, voor het deel waar de geconcentreerde lichtbundel de recuperator doorsnijdt.

In een uitvoeringsvorm wordt de warmtestralingsemitter van de MTPV eveneens gebruikt als emitter van thermionisch geëmitteerde 5 elektronen en wordt de bovenste elektrode van de MTPV als collector van deze elektronen gebruikt.

In tegenstelling tot een TEG, waarbij de stroomcontacten beide aan de koude kant zijn aangebracht, dient de stroom van een TIG zowel aan de warme als aan de koude zijde van een diode of elektrode, 10 die onderdeel van de TIG vormt, te worden afgenomen.

De elektrische geleider naar de warme zijde geeft daardoor extra verliezen en is bij voorkeur hittebestendig met een thermische isolatie en goede elektrische geleiding. Als stroomgeleider heeft kobalt de voorkeur met een gecombineerd thermisch-elektrisch verlies 15 in de orde van 8,5%. Tevens is de toepassing van chroom of molybdeen mogelijk, dat een hogere temperatuur kan weerstaan. Bij zeer hoge temperaturen kan wolfraam worden gebruikt met een verlies van 12,5%. Om verliezen te minimaliseren worden de afstandelementen van de bovenste emitter van de meerlaags TIG tevens gebruikt om deze stroom 20 te transporteren.

Bij hoge temperaturen (> 1500 K) omvat elektrodemateriaal bij voorkeur molybdeen, tantaal, wolfraam of halfgeleiders. Geschikte halfgeleiders omvatten bijvoorbeeld zirconiumoxide en/of metaalsilicides zoals molybdeendisulfide of andere hogetemperatuur 25 keramische halfgeleiders. Eventueel zijn de halfgeleiders gedoteerd met andere elementen om de geleiding en de werkfunctie te beïnvloeden en te brengen op de per laag optimale waarde.

Als isolatie-elementen worden bij voorkeur aluminiumoxide, magnesiumoxide, kwarts of andere niet-geleidende hogetemperatuur 30 keramische materialen als carbides en nitrides gebruikt.

Bij lage temperaturen is een groot spectrum van geleiders en halfgeleiders mogelijk en is ook een groot spectrum aan isolerende materialen mogelijk. De keus wordt bepaald door stabiliteit, kosten, uitzettingscoëfficiënt en lasbaarheid en het tegengaan van 35 koudlassen, als dit vanwege het loskomen bij de fabricage gewenst is.

Volgens een verder aspect verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een energie-omzetinrichting, omvattende de stappen van: 7 - het verschaffen van een aantal elektrodes met oppervlakken; - een aanbrengen van een aantal afstandelementen tussen de oppervlakken van de elektrodes voor het vormen van een tussenruimte, 5 waarbij de hoogte van de tussenruimte klein en constant genoeg is om een optimaal rendement van de TIG mogelijk te maken; waarbij de isolatorelementen en stroomvoerende elementen de mechanische verbinding verzorgen met een substraat.

Voor het vervaardigen van de uitvinding zijn verschillende 10 uitvoeringen mogelijk, waarvan een combinatie van een TIG met een TEG, een TTG en/of MTPV de voorkeur genieten. De TEG, TTG en/of MTPV worden als substraat gebruikt of eveneens op een substraat bevestigd en dan voorzien van gaten, waardoor de afstandelementen door de geschakelde generatoren heen op het substraat kunnen worden 15 bevestigd.

In een voorkeursuitvoeringsvorm wordt de TIG geschakeld met een TTG (PowerTEG). Beiden hebben ongeveer dezelfde opbouw en ongeveer de zelfde werking, terwijl juist de TIG bij temperaturen hoger dan 900 K optimaal werkt en de TTG bij temperaturen lager dan 20 900 K. Ook de schakeling van de TIG met TEG en/of (M)TPV is voordelig vanwege de onderlinge optimale werking bij verschillende temperatuurgebieden. Alhoewel de manier van omzetting van de laatst genoemde generatoren verschillend is, is de platte vorm van deze generatoren geschikt om deze direct met de TIG te koppelen.

25 Om parasitaire verliezen te verkleinen wordt op het gekoelde substraat rondom de generatoren een vacuümdichte behuizing aangebracht. De binnenoppervlakken van de behuizing zijn voorzien van een spiegelende laag, die de warmtestraling van de ingesloten componenten zoveel mogelijk terugstraalt.

30 Vervolgens wordt in de behuizing van de energie- omzetinrichting een brander met een stralingsemitter aangebracht. Eventueel worden in het substraat elektrische contacten en bedrading van de piëzo-elementen of de temperatuurregelaars van de afstandelementen aangebracht. Met de piezo-elementen, die tussen de 35 afstandelementen en het substraat zijn aangebracht of met de temperatuurgeregelde afstandelementen, kan de hoogte van de verschillende tussenruimtes worden gecontroleerd met een regeling, door terugkoppeling van de elektrische stroom en/of spanning over de generatoren. Eventueel kan ook lokaal de stroomdichtheid over het 40 oppervlak van de elektrodes met een regeling gelijkmatig worden 8 verdeeld. De afstandinstelling is ook eenmalig uit te voeren door de afstand en daarmee de stroom mechanisch met wiggen of ander mechanismen vooraf op de juiste waarde te kalibreren. Deze mechanismen worden daarbij blijvend tussen de afstandelementen en het 5 substraat geplaatst. Na de fabricage wordt dan tijdens kalibratie- en testbedrijf handmatig of automatisch per afstandelement elk instelmechanisme ingesteld, zodanig dat de juiste van te voren bepaalde optimale elektrische stroom bij een van te voren bepaalde spanning door een op de energie-omzetinrichting geschakelde 10 gekalibreerde belasting wordt ingesteld.

Verdere voordelen en kenmerken van de onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de bijgevoegde figuren, waarin: fig. 1 een schematische dwarsdoorsnede toont van een eerste 15 uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding met een detail; fig. 2 een schematische dwarsdoorsnede toont van een tweede uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding met een detail; 20 fig.3 een schematische dwarsdoorsnede toont van een derde uitvoeringsvorm van een geschakelde energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding met een detail; fig.4 een schematische dwarsdoorsnede toont van een vierde uitvoeringsvorm van een geschakelde energie-omzetinrichting volgens 25 de onderhavige uitvinding met een detail; fig. 5 een schematische dwarsdoorsnede toont van een vijfde uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 6 een schematische dwarsdoorsnede toont van een zesde uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de 30 onderhavige uitvinding; fig. 7 een schema toont van een toepassing van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 8 een schema toont van een tweede toepassing van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding; en 35 fig. 9 een schema toont van een derde toepassing van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding.

Een TEG omvat thermokoppels van "n" en "p" gedoteerd halfgeleidermateriaal, waarbij in de "p" poot een elektrische stroom met de warmte mee stroomt en in de "n" poot tegen de warmtestroom in 9 volgens het Seebeckeffeet en werkt bij temperaturen tussen 0 tot 600 graden Celsius en heeft rendementen tot 15%.

Een TPV omvat een één- of meerlaags diode, welke infrarood straling, uitgezonden door een op hoge temperatuur gebrachte 5 warmtestralingsemitter, omzet in een elektrische stroom. TPV's hebben, inclusief het omzetrendement van de stralingsemitter, rendementen tot 21% bij omzetting van bijvoorbeeld zonne-energie. Bij de omzetting van warmte uit een brander worden rendementen gehaald tot 12%, mits de restwarmte in de uitlaatgassen wordt teruggewonnen 10 door een recuperator, welke daarmee de inlaatgassen van de brander voorverwarmt.

Een TTG werkt als een TIG maar kan door het tunneleffect ook bij lage temperaturen tussen 0 en 800 °C volgens het thermionisch effect een elektrische stroom genereren. Een TTG kan rendementen 15 halen tot 40%.

Een uitvoeringsvorm van een TPV, de micron gap-TPV (MTPV), levert mogelijkheden om te schakelen. De MTPV wordt op een zeer kleine afstand van ca. 100 nm door de warmtestralingsemitter beschenen, terwijl de ruimte tussen beide is geëvacueerd. Tengevolge 20 van de smalle ruimte treedt er stralingsresonantie op en wordt er een hoger totaalrendement van 30% gehaald, terwijl ook bij lagere stralingsemittertemperaturen van 1000 tot 1200 K kan worden gewerkt. Deze lagere temperatuur biedt mogelijkheden om een TIG voor te schakelen en het rendement te verhogen. Om de vaste verliezen 25 relatief klein te houden werkt de TIG bij voorkeur met energiedichtheden > 40 W/cm2. De energiedichtheid van de MTPV is ca.

6 W/cm2 en dus aan de lage kant voor een optimale schakeling. Dit kan verbeterd worden door de warmtestralingsemitter van de MTPV eveneens, net als bij de TIG, thermionisch elektronen te laten emitteren en 30 door daarbij de bovenste elektrode van de MTPV als collector te gebruiken. Het materiaal van de warmtestralingsemitter moet daarbij een halfgeleider zijn en voorzien zijn van een nanostructuur.

De TEG en de TTG werken op lagere temperaturen en kunnen aldus nog beter door een TIG worden voorgeschakeld, waardoor het 35 gezamenlijke rendement hoger kan worden dan de rendementen van de individuele generatoren.

Er wordt onderzoek gedaan om het rendement van een TEG te verhogen en er wordt verwacht dat de huidige rendementen van 15% verhoogd kunnen worden naar 30%. De TIG heeft nu echter rendementen 40 van 13% en zou als geschakelde component veel beter moeten werken.

10

Theoretisch wordt verwacht dat het rendement van een TIG naar 40% moet kunnen gaan. De TIG heeft op het ogenblik echter veel verliesposten.

Een grote verliespost van de TIG is de warmtestraling 5 tussen de elektrodes, die niet in elektrische energie kan worden omgezet. Oplossingen van bovengenoemd probleem omvatten bijvoorbeeld het toepassen van andere emitters, die een hogere energiedichtheid aankunnen. De warmtestralingsverliezen worden daardoor kleiner.

Andere mogelijkheden zijn het toepassen van meerdere diodes, waardoor 10 het temperatuurverschil per laag kleiner wordt en daardoor de stralingsverliezen eveneens. Ook kan de emitter voorzien worden van een selectieve laag, welke minder warmtestraling uitzendt.

Voorbeelden van een selectieve laag zijn erbium en ytterbium en het gebruik van fotonische kristallen. In een andere oplossing wordt de 15 collector voorzien van een spiegelende laag, die de verliesstraling weer terugzendt naar de emitter. Voorbeelden van een spiegelende laag zijn goud, geleidende oxides (TCO) en eveneens fotonische kristallen als dielectrische spiegels van bijvoorbeeld TCO.

Een andere grote verliespost van de TIG treedt op doordat 20 cesiumgas wordt gebruikt om de werkfunctie te verlagen. Het cesiumgas is nodig om een voldoende hoge vermogensdichtheid te verkrijgen. Door het toepassen van cesiumgas ontstaan er inwendige warmteverliezen en stroomverliezen. Het cesium is niet nodig als op andere manierenen de werkfunctie wordt verlaagd, bijvoorbeeld door het toepassen van een 25 kleinere vacuümruimte van 100 tot 2000 nm, het gebruik van een nanostructuur met kegeltjes en/of groeven met een hoogte van 5 tot 200 nm en het gebruik van halfgeleiders.

Het ontwerpen van een lagere werkfunctie maakt het ook mogelijk om bij lagere temperaturen (1000 - 1400 K) elektronen te 30 emitteren. Dit geeft de mogelijkheid om meerdere diodes bij lagere tussentemperaturen te schakelen en de bovengenoemde stralingsverliezen nog meer te verlagen.

Een andere grote verliespost zijn de warmteverliezen van elektronen, die een hogere energie hebben dan de elektrische 35 potentiaal en het meerdere omzetten in warmte. Ook elektronen die terugkaatsen en wel hun warmte maar niet hun lading overbrengen geven aanleiding tot verliezen. Deze verliezen kunnen worden beperkt door eveneens meerdere diodes op elkaar te stapelen en per laag de juiste geometrie als grootte van de tussenruimte, hoogte van de 40 nanostructuur en de werkfunctie van de (gedoteerde 11 half)geleidermaterialen nauwkeurig af te stemmen op de heersende temperatuur, gewenste of optredende elektrische potentiaal en energiedichtheid. Gezamenlijk leveren deze het gewenste optimale rendement op.

5 De bekende TIG's zijn cylinder- en/of koepelvormig. Vanwege thermische uitzetting is het moeilijk deze te voorzien van meerdere lagen. Ook de tussenruimte tussen elke laag moet nauwkeurig worden ingesteld, ook om de TIG efficiënt te schakelen met andere generatoren zonder bewegende onderdelen. De TIG volgens de 10 onderhavige uitvinding met elastische elektrodeplaten en instelbare afstandelementen, die daardoor kan worden voorzien van meerdere lagen en nauwkeurig in te stellen kleinere tussenruimtes, levert zodoende een hoger rendement.

Een omzetinrichting met een TPV zet eerst geconcentreerd 15 zonlicht om in warmte door het licht op een gecombineerde absorber-emitter te laten stralen. Vervolgens wordt de stralingswarmte door een TPV in elektrische energie omgezet. De absorber-emitter wordt hierbij aan de zonnekant opgewarmd door het licht te absorberen en straalt aan de TPV-zijde warmtestraling naar de TPV. Het probleem van 20 de absorber-emitter is dat de emittertemperatuur lager wordt als het zonlicht verzwakt. Bij een lagere temperatuur neemt de straling sterk af, maar verschuift ook de golflengte naar een gebied waar de TPV ongevoeliger is, zodat het rendement afneemt.

Door volgens de onderhavige uitvinding de absorber-emitter 25 simultaan te verwarmen met een brander en met geconcentreerd zonlicht kan de absorber-emitter op die temperatuur gehouden worden, waarbij het rendement van de bestraalde TPV optimaal is. Hierdoor is bij de onderhavige uitvinding het rendement bij elke zonnesterkte optimaal en wordt de zon altijd optimaal benut. Dit geldt ook voor andere en 30 geschakelde energie-omzetters volgens de onderhavige uitvinding.

In het hiernavolgende zijn gelijke delen aangeduid door gelijke verwijzingscijfers.

In figuur 1 is een uitvoeringsvorm van een energie-35 omzetinrichting van een meerlaags TIG 1 geschakeld met een TEG 2 in een geëvacueerde ruimte 3 met een koud venster 4 getoond.

Door het koude venster 4 wordt geconcentreerd zonlicht 5 gestraald, dat een absorber 6 op de bovenste emitter 7 verwarmt tot een temperatuur van 1400 tot 2000 K. van de meerlaags TIG zijn twee 40 van de eventueel meerdere lagen getekend. De emitters 7 van de lagen 12 zijn eventueel gedoteerd met bijvoorbeeld erbium om de warmtestralingverliezen te verkleinen en eventueel voorzien van een microstructuur 8 met een hoogte van tien tot vijfhonderd nm om de thermionische emissie te versterken.

5 De collectors 9 zijn eventueel voorzien van een spiegelende laag om warmtestraling terug te kaatsen. Bij temperaturen hoger dan 800 K omvat de spiegelende laag bij voorkeur een elektrisch geleidend oxide (TCO) en bij temperaturen lager dan 800 K een dunne laag goud. De dikte van de lagen, waarop de elektrodes 7 en/of 9 zijn 10 aangebracht, is één tot tien micrometer en de hoogte van de tussenruimtes 10 is ongeveer 50 tot 2000 nm.

In de platen met elektrodes 7 en/of 9 zijn eventueel groeven 19 aangebracht om de platen elastischer te maken, waardoor de krachten op de afstandelementen 12 kleiner worden bij thermische 15 vervormingen. De hoogte van de tussenruimtes is eventueel instelbaar met piëzo-elementen 11 door afstandelementen 12, die de lagen op afstand houden, te verstellen.

Om warmteverlies te vermijden zijn de kolomvormige afstandelementen 12 dun met een diameter van twee tot 100 micrometer 20 dik. De afstandelementen 12 van de bovenste emitter 7 zijn voorzien van een elektrisch goedgeleidende en een bij voorkeur warmte slechtgeleidende laag 43, welke bestand is tegen hoge temperaturen.

De laag is bijvoorbeeld van molybdeen. De lagen 43 geleiden de opgewekte stroom van de TIG naar de stroomtoevoerdraden 13 en zijn 25 geïsoleerd ingebed in het substraat 14. De overige afstandelementen 12 zijn bij voorkeur alleen van een slechtgeleidend materiaal, zoals oxides.

De stroomvoerende lagen 43 worden bij voorkeur met puntlassen of met diffusielassen aan de emitter 7 verbonden. Aan de 30 andere zijde worden de stroomvoerende lagen 43 elastisch aan de toevoerdraden 13 gesoldeerd of gelast en de afstandelementen 12 vast aan de piëzo-elementen 11 gelijmd of gesinterd.

De isolerende afstandelementen worden bij voorkeur in een pen-gatverbinding door middel van sinteren of klemmen met de overige 35 emitters 7 verbonden. Aan de andere zijde worden de isolerende afstandelementen aan de piëzo-elementen 11 gelijmd of gesinterd.

De afstandelementen 12 staan onderling op een afstand van 0,5 tot 2 mm. Van elke laag met elektrodes 7 en/of 9 wordt de hoogte van de tussenruimte 10, het materiaal van de elektrodes 7 en/of 9 en 40 de hoogte van de microstructuur 8 zodanig ingesteld, dat bij de 13 heersende operationele temperatuur het rendement van de TIG 1 optimaal is. Hierbij is van belang dat de elektrische stroom door de elektrodes in elke laag gelijk is.

De stroom van de TIG 1 wordt afgevoerd bij de onderste 5 collector 9, eventueel gecombineerd met de stroomafvoer of -toevoer 15 van de TEG 2. De onderste collector 9 van de TIG is met een elektrisch isolerende laag 16 elektrisch gescheiden van de bovenkant van de TEG 2. Het materiaal is echter zodanig gekozen dat het thermisch contact en doorvoer goed is.

10 In de elektrodes 7 en/of 9 en de TEG 2 zijn gaten aangebracht waardoor de afstandelementen 12 van de bovenliggende lagen 7 en/of 9 steken. Indien de afstandelementen stroomvoerend zijn dan zijn de gaten voorzien van een isolatielaag 17. De isolatielaag 17 is bijvoorbeeld verkregen door oxidatie of door een aangebracht 15 oxide. De gaten zijn voldoende groot om ruimte te laten voor uitzetting van de lagen onderling. De relatief kleine gaten in de elektrodes 7 en/of 9 worden aangebracht door etsen of met een laser. De grotere gaten in de TEG 2 worden aangebracht door boren of met een laser. Indien de TEG te dik is om gaten te kunnen boren, dan wordt de 20 TEG 2 nog steeds in goed thermisch contact onder het substraat 14 aangebracht en dienen de piezo-elementen 11 een temperatuur van 400 tot 800 K te kunnen weerstaan.

In de getoonde uitvoering wordt het substraat 14 met een compacte warmtewisselelaar 18, zoals een heat pipe, gekoeld. Indien 25 de TEG 2 onder het substraat 14 wordt geplaatst wordt de onderkant van de TEG 2 met een compacte warmtewisselaar 18 gekoeld in plaats van het substraat 14.

De opbouw van fig 1. kan ook worden gebruikt voor een schakeling van een TIG met een TTG of andere generator, door de TEG 30 te vervangen door een TTG of de andere generator.

In figuur 2 is een andere uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting getoond. De inrichting omvat een meerlaags TIG 1 die gekoppeld is aan een MTPV 20. De inrichting is aangebracht in een geëvacueerde ruimte 3 met een koud venster 4.

35 Door het koude venster 4 wordt tijdens gebruik geconcentreerd zonlicht 5 gestraald, dat een op de bovenste emitter 7 aangebrachte absorber 6 verwarmt tot een temperatuur van bijvoorbeeld 1400 tot 2000 K.

Van de meerlaags TIG is een van de eventueel meerdere lagen 40 getoond. De emitters 7 van de lagen zijn eventueel gedoteerd met 14 bijvoorbeeld erbium om de warmtestraling te verkleinen. Eventueel zijn de emitters 7 voorzien van een microstructuur 8 (zie fig. 1) met een hoogte van 10 tot 500 nm om de thermionische emissie te versterken.

5 De collectors 9 zijn eventueel voorzien van een spiegelende laag om warmtestraling terug te kaatsen. Bij temperaturen hoger dan 800 K is deze spiegelende laag bij voorkeur een geleidend oxide (TCO) en bij temperaturen lager dan 800 K een dunne laag goud. De dikte van de lagen met elektrodes 7 en/of 9 is één tot tien micrometer en de 10 hoogte van de tussenruimtes 10 is bijvoorbeeld 50 tot 1000 nm.

In de platen met elektrodes 7 en/of 9 zijn eventueel groeven 19 aangebracht om de platen elastischer te maken, waardoor de krachten op de afstandelementen 12 kleiner worden bij thermische vervormingen.

15 De hoogte van de tussenruimtes 10 zijn instelbaar met piezo-elementen 11 die gekoppeld zijn aan afstandelementen 12. De afstandelementen 12 houden de lagen op afstand. Om warmteverlies te vermijden is de dikte van de draadvormige afstandelementen 12 net tot voorbij de onderste laag 9 één tot vijf micrometer en daarna dikker, 20 bijvoorbeeld vijf tot 100 micrometer.

Om warmteverlies te vermijden zijn de kolomvormige afstandelementen 12 dun met een diameter van twee tot 100 micrometer dik. De afstandelementen 12 van de bovenste emitter 7 zijn voorzien van een elektrisch goedgeleidende en een bij voorkeur warmte 25 slechtgeleidende laag 43, welke bestand is tegen hoge temperaturen.

De laag omvat bijvoorbeeld molybdeen. De lagen 43 geleiden de opgewekte stroom van de TIG naar de stroomtoevoerdraden 13 en zijn geïsoleerd ingebed in het substraat 14. De overige afstandelementen 12 zijn bij voorkeur alleen van een slechtgeleidend materiaal, zoals 30 oxides.

De stroomvoerende lagen 43 worden bij voorkeur met puntlassen of met diffusielassen aan de emitter 7 verbonden. Aan de andere zijde worden de stroomvoerende lagen 43 elastisch aan de toevoerdraden 13 gesoldeerd of gelast en de afstandelementen 12 vast 35 aan de piëzo-elementen 11 gelijmd of gesinterd.

De isolerende afstandelementen worden bij voorkeur in een pen-gatverbinding door middel van sinteren of klemmen met de overige emitters 7 verbonden. Aan de andere zijde worden de isolerende afstandelementen aan de piëzo-elementen 11 gelijmd of gesinterd.

15

De afstandelementen 12 staan onderling op een afstand van 0,5 tot 2 mm. Van elke laag met elektrodes 7 en/of 9 wordt de hoogte van de tussenruimte 10, het materiaal van de elektrodes 7 en/of 9 en de hoogte van de microstructuur 8 zodanig ingesteld, dat bij de 5 heersende operationele temperatuur het rendement van de TIG 1 optimaal is. Hierbij is van belang dat de elektrische stroom door de elektrodes in elke laag gelijk is.

De stroom van de TIG 1 wordt afgevoerd bij de onderste collector 9, eventueel gecombineerd met de stroomafvoer of toevoer 15 10 van de MTPV 20. De onderste laag 9 van de TIG is naar de MTPV 20 toe gericht voorzien van een laag 22 met een hoge emissiecoefficient, zodanig dat de MTPV 20 van voldoende warmtestraling wordt voorzien uit de restwarmte van de TIG 1. De tussenruimte 21 tussen de TIG 1 en de MTPV 20 heeft een hoogte van vijftig tot tweehonderd nm en dient 15 de warmtestraling versterkt door resonantie naar de MTPV 20 te geleiden.

In de elektrodes 7 en/of 9 en de MTPV 20 zijn gaten aangebracht waardoor de afstandelementen 12 van de bovenliggende lagen 7 en/of 9 steken. Zijn de afstandelementen stroomvoerend dan 20 zijn de gaten voorzien van een isolatielaag 17. De isolatielaag 17 is bijvoorbeeld door oxidatie of een aangebracht oxide verkregen. De kleine gaten in de elektrodes 7 en/of 9 en in de elektrodes van de MTPV 20 worden aangebracht door etsen of met een laser. In de getekende uitvoering wordt het substraat met een compacte 25 warmtewisselelaar 18, zoals een heat pipe gekoeld.

Bij een andere uitvoering is de stralingsemitter 21 simultaan een thermionische emitter waardoor de MTPV 20 simultaan eveneens als TIG gaat functioneren door de stralingsemitter 22 van een materiaal te maken met de juiste samenstelling en te voorzien van 30 de juiste oppervlaktestructuur om bij de heersende operationele temperatuur met een optimaal rendement als TIG en MTPV te functioneren. Het stroomafvoerende rooster 23 en de bovenste elektrode van de MTPV 20 is dan tevens collector van deze simultane MTPV en TIG en vervalt bij deze uitvoering het elektrisch contact van 35 de collector 9 met de doorvoer 15. Met deze optie wordt niet alleen het rendement hoger, maar wordt ook de vermogensdichtheid groter, hetgeen voordelig is in het materiaalgebruik en voor een beter rendement van de meerlaags TIG 2.

In fig. 3 is een alternatief van de instelling van de 40 tussenruimtes 10 getoond. De lengte van de kolommen 12 wordt 16 ingesteld met de temperatuur van de kolommen 12, vanwege de daaruitvolgende thermische uitzetting. Hiertoe zijn op de kolommen 12 lagen 44 aangebracht, waardoor een stroom wordt gevoerd, welke de kolommen 12 tot de gewenste temperatuur opwarmen. De stroom wordt 5 geregeld door een schematisch getekende regelaar 45, welke in werkelijkheid in de buurt van de kolommen 12 in combinatie met de regelaars 45 van de andere kolommen 12 op een niet getekend geïntegreerd circuit is aangebracht. Elke weerstandlaag 44 is daarbij via aparte niet getekende elektrische geïsoleerde stroomdraadjes met 10 het circuit verbonden. De regelaar 45 werkt bijvoorbeeld volgens het z.g. "Fuzzy logic" principe, waarbij periodiek en sequentieel, op elke kolom 12 afzonderlijk een zeer kleine lengteverandering wordt geactiveerd, waaruit vervolgens uit de respons in de totale opgewekte energie een nieuwe en betere instelling voor alle kolommen wordt 15 berekend en geactiveerd door een op het geïntegreerd circuit aanwezige en geprogrammeerde processor. Deze regeling kan eventueel ook worden toegepast bij de optie met Piezo-elementen in fig. 2 en fig. 3.

In fig. 4 is een alternatief van de afstandregeling 20 getoond, waarbij deze is geregeld vanaf de bovenkant van de met de TIG 1 geschakelde elektrische omzetter, in dit voorbeeld de TEG 2. In dit geval zijn er in de TEG 2 geen gaten geboord. Omdat de onderkant van de kolommen 12 tijdens gebruik nu ca. 900 K zijn, wordt bij voorkeur de lengte van de kolommen 12 geregeld met zijn temperatuur 25 door de regeling uit figuur 3 te gebruiken. Ook hier wordt gebruik gemaakt van een niet getekend elektronisch circuit, dat de stroom door de weerstandlagen 44 regelt en dat op een koele plaats in de buurt van de omzetter zit, waarbij de weerstandlagen 44 ieder apart met niet getekende dunne stroomgeleidende draadjes verbonden zijn.

30 In figuur 5 is een uitvoeringsvorm van één van de bovenstaande energie-omzetinrichtingen getoond, waarbij de TIG 1 in kleinere vierkantjes 42 of andere platte vormen (kleinere delen), thermisch parallel is opgedeeld. De kleinere delen zijn elektrisch in serie geschakeld. Elk deel 42 is daarbij ongeveer 0,1 tot 4 mm groot 35 en bestaat uit een één- of meerlaags TIG 1. De kleinere delen 42 zijn thermisch in serie geschakeld met een op een lagere temperatuur werkende generator, in dit geval een TEG 2.

Elk deel 42 heeft per elektrodeplaat 7 en/of 9 drie of meer afstandelementen 12, welke weer bij voorkeur voorzien zijn van een 40 piezo-element 14. De stroom wordt met een elektrische geleider 13 17 langs het buitenste afstandelement 12 van een van de buitenste kleine delen 42 naar de bovenste emitter 7 van de TIG 1 gevoerd. Elk deel 42 wordt met één naburig deel elektrisch in serie geschakeld door de onderste collector 9 van dat deel 42 met een elektrische geleider 43 5 langs de naastliggende afstandelementen 12 van het naburige deel 42 aan de bovenste emitter 7 te koppelen. Zo zijn alle delen 42 geschakeld en staan elektrisch in serie. De stroom wordt van het laatste in serie geschakelde kleine deel 42 naar buiten gevoerd met een geleider 15 vanaf zijn collector 9. De overige functies zijn 10 zoals beschreven aan de hand van de figuren 1, 2, 3 en 4.

In een andere uitvoeringsvorm staat afhankelijk van de gewenste spanning een rij van kleinere delen 42 elektrisch in serie. Afzonderlijke rijen staan parallel. Afhankelijk van de gewenste spanning zijn ook andere parallelle of serie-schakelingen mogelijk.

15 In fig. 6 is een uitvoeringsvorm van de energie- omzetinrichting 29 getoond, waarbij de warmte van een brander 24 contactloos op de absorber 6 van de bovenste emitter 7 van de TIG 1 uit fig. 1, 2, 3, 4 en 5 wordt gestraald door een stralingsemitter 27.

20 De brander 24 met recuperator 25, waarmee de restwarmte in de uitlaatgassen 31 van de brander 24 wordt gebruikt om de inlaatgassen 32 voor te verwarmen, verwarmt een stralingsemitter 27. Het geheel is vacuümdicht in de vacuümruimte 28 geplaatst. De wanden 30 van de vacuümruimte 28 zijn voorzien van een laag met zeer kleine 25 emissiecoëfficiënt, zoals spiegelend aluminium, zilver of goud.

Fig. 7 toont een uitvoeringsvorm van een uitbreiding van de energie-omzetter volgens fig. 1, 2, 3 of 4, waarbij zowel de warmte van een brander 24 en de warmte van geconcentreerd zonlicht contactloos op de absorber 6 van de bovenste emitter 7 van de TIG 1 30 uit figuur 1 en 2 wordt gestraald door een stralingsemitter 27.

Afhankelijk van de beschikbaarheid van zonlicht en de vraag naar energie wordt de warmte uit geconcentreerd zonlicht 5 en/of de warmte van de brander 24 gebruikt om een stralingsemitter 27 op te warmen. Met een recuperator 25 wordt de restwarmte in de 35 uitlaatgassen 31 van de brander 24 gebruikt om de inlaatgassen 32 voor te verwarmen. De brander 24 en recuperator 25 zijn vacuümdicht in de vacuümruimte 28 aangebracht, samen met de omzetinrichting 29. Alle wanden 30 van de vacuümruimte 28 zijn voorzien van een laag met zeer kleine emissiecoëfficiënt, zoals spiegelend aluminium, zilver of 40 goud.

18

Om warmte en stralingsverliezen naar buiten te beperken straalt het zonlicht door een transparante trechtervormige holle geëvacueerde ruimte 34 van ontwaterd kwarts, aluminiumgranaat of ander hittebestendig transparant materiaal. Het brandpunt 33 van het 5 geconcentreerde zonlicht bevindt zich in de top van de trechter 34.

De top van de trechter 34 heeft een diameter die iets groter is dan de diameter van het brandpunt 33.

Afhankelijk van de vraag naar elektriciteit en het aanbod van de zon wordt de brander 24 bijgeschakeld om te allen tijde de 10 energievoorziening te waarborgen en om bij afnemend zonlicht te zorgen dat het zonlicht op een hoge temperatuur zijn warmte kan afgeven. Het laatste is gunstig voor het rendement van de energie-omzetter.

In een andere uitvoeringsvorm is de trechter 34 een open 15 ruimte waarin een klein gedeelte van de inlaatlucht 41 wordt geïnjecteerd. De geïnjecteerde lucht genereert zodoende een isolerend warmtegordijn.

Fig. 8 toont een uitvoeringsvorm van een uitbreiding van een in fig. 1, 2, 3, 4 en/of 5 getoonde energie-omzetinrichting, 20 waarbij elektrische energie wordt omgezet in een brandbaar gas wanneer het aanbod van de zon hoger is dan de vraag naar elektrische energie.

De resterende elektrische energie uit de energie-omzetinrichting 29 wordt omgezet in een brandbaar gas, bij voorkeur 25 waterstof, met een elektrolyse-apparaat 35. Vervolgens wordt het brandbare gas opgeslagen in een tank 36 of teruggeleverd aan een gasnet 37 met een opslagvoorziening, of aan een oud gasveld 38.

Indien er vervolgens weer te weinig zonlicht is, dan zal de brander van de uitvoeringsvorm van fig. 6 en/of 7 dit gas weer gebruiken om 30 elektriciteit te leveren.

Fig. 9 toont een uitvoeringsvorm van een uitbreiding van een in fig. 1, 3, 4, 5, 6 en/of 7 getoonde energie-omzetinrichting, waarbij restwarmte uit de koeling 18 wordt opgeslagen in een boiler 39 of direct wordt gebruikt in een radiator 40 voor ruimteverwarming. 35 In een praktische uitvoering van een of meer van de bovenbeschreven uitvoeringsvormen zijn de in figuren 1-4 aangegeven afstanden dl, d2 en/of d3 in de orde van 0,1 tot 15 mm. Bij voorkeur is dl ongeveer 0,01 tot 0,1 mm, bijvoorbeeld 0,03 tot 0,06 mm. D2 is ongeveer 1 tot 15 mm, bijvoorbeeld ongeveer 2 tot 10 mm. D3 is bij 40 voorkeur ongeveer 0,1 tot 8 mm, bijvoorbeeld ongeveer 0,2 tot 4 mm.

19

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de bovenbeschreven uitvoeringsvormen daarvan, waarin velerlei wijzigingen en modificaties denkbaar zijn binnen de strekking van de bijgevoegde conclusies. Alle bovenbeschreven uitvoeringsvormen kunnen 5 eveneens in combinatie of aan elkaar gekoppeld worden toegepast.

1 03291 1

Claims (41)

1. Energie-omzetinrichting, omvattende: 5. een thermionische generator (TIG) voor het omzetten van warmte van een warmtebron in elektrische energie, omvattende: - een aantal elektrodes met oppervlakken die met een tussenruimte ten opzichte van elkaar zijn aangebracht; - een aantal kolomvormige afstandelementen die tussen de elektrodes zijn aangebracht voor 10 het vormen en instellen van de tussenruimte; en - ten minste een direct aan de thermionische generator gekoppelde generator zonder bewegende delen voor het omzetten van restwarmte van de thermionische generator in elektrische energie.

2. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1, waarbij de afstandelementen dunne en/of draadvormige afstandelementen zijn.

3. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de afstandelementen de verschillende elektrodes mechanisch verbinden met een onderliggend substraat.

4. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 3, waarbij op het substraat piëzo-elementen zijn aangebracht die zijn gekoppeld aan met één of meer elektrodes verbonden afstandelementen voor het verstellen van de tussenruimte tussen de elektrodes.

5. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij op de afstandelementen een elektrische weerstandslaag is aangebracht, waarmee de temperatuur en daarmee de lengte van de afstandelementen kan worden ingesteld voor het instellen van de tussenruimte tussen de elektrodes.

6. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de afstandelementen stroomvoerende afstandelementen en isolerende afstandelementen omvatten.

7. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 6, waarbij de stroomvoerende 35 afstandelementen aan een uiteinde zijn verbonden met een bovenste emitter van de thermionische generator en aan een tegenovergelegen uiteinde met stroomdraden in het substraat. 1 032 9 1 1

8. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 6 of 7, waarbij de stroomvoerende afstandelementen aan een uiteinde zijn verbonden met een bovenste emitter van de thenmionische generator en aan een tegenovergelegen uiteinde met stroomdraden in de 5 warme zijde van de met de thermionische generator geschakelde energie-omzetter.

9. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 6, 7 of 8, waarbij de isolerende afstandelementen aan een uiteinde zijn verbonden met een collector van de thermionische generator en aan een tegenovergelegen uiteinde met een van de piëzo-elementen. 10

10. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 6-9, waarbij de isolerende afstandelementen aan een uiteinde zijn verbonden met een collector van de thermionische generator en aan een tegenovergelegen uiteinde met het substraat.

11. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 6-10, waarbij de isolerende afstandelementen aan een uiteinde zijn verbonden met een collector van de thermionische generator en aan de andere zijde aan de warme zijde van de met de thermionische generator geschakelde energie-omzetter.

12. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1, waarbij de generator zonder bewegende delen een thermo-elektrische generator (TEG), een thermophotovoltaische generator (TPV), een thermo-tunnelgenerator (TTG) en/of een microngap-thermophotovoltaische generator (MTPV) omvat.

13. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1 of 2, tevens omvattende een substraat waarop de generator zonder bewegende delen en de thermionische generator zijn aangebracht.

14. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende een 30 behuizing die om de thermionische en de generator zonder bewegende delen is aangebracht.

15. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 14, waarbij de behuizing vacuumdicht is.

16. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 14 of 15, waarbij een binnenoppervlak van de behuizing ten minste gedeeltelijk voorzien is van een spiegelende laag.

17. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 14-16, waarbij de behuizing is voorzien van een koud venster voor het met geconcentreerd licht verwannen van een meest nabij het koude venster gelegen emitter van de thermionische generator, waarbij een brandpunt van het geconcentreerde licht zich in het koud venster bevindt. 5

18. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 17, waarbij de meest nabij het koude venster gelegen emitter is voorzien van een absorberlaag.

19. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 14-18, waarbij de behuizing 10 evacueerbaar is via daaraan gekoppelde gasleidingen.

20. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 14-19, waarbij wanden van de behuizing zijn voorzien van een laag omvattende een materiaal met een lage emissiecoefficient. 15

21. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 20, waarbij het materiaal aluminium, zilver of goud is.

22. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de TIG 20 meerdere in serie geschakelde elektrodelagen omvat, waarbij elke laag twee met een tussenruimte tegenover elkaar aangebrachte elektrodes omvat, waarvan de ene elektrode een collector en de andere elektrode een emitter is.

23. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 22, waarbij de emitter gedoteerd is om de 25 warmtestraling te verkleinen.

24. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 22 of 23, waarbij de emitter is voorzien van een microstructuur voor het versterken van de thermionische emissie. 30

25. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 24, waarbij de microstructuur uitstulpingen met een hoogte van ongeveer 10 tot 500 nm omvat.

26. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 22-25, waarbij de collector is 35 voorzien van een ten minste gedeeltelijk spiegelende laag.

27. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 16 of 26, waarbij de spiegelende laag een geleidend oxide en/of goud omvat.

26. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 22-27, waarbij de elektrodes 5 van de TIG voorzien zijn van flexibele groeven.

29. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de thermionische generator in onderdelen is gesplitst en waarbij de onderdelen elektrisch in serie zijn geschakeld en waarbij per onderdeel ten minste drie stroomvoerende 10 afstandelementen aanwezig zijn en per tussenlaag drie isolerende afstandelementen.

30. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het substraat gekoppeld is aan een warmtewisselaar, zoals een heat pipe.

31. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het substraat inwendig van een of meer holle ruimtes is voorzien.

32. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 31, waarbij de holle ruimtes vacuümdicht van ongeveer 10'5 tot 10*7 torii/s zijn verbonden met aan- en afvoerpijpen. 20

33. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 14, waarbij in de behuizing een brander is aangebracht, die nabij de thermionische generator voorzien is van een stralingsemitter.

34. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 33, waarbij de brander gekoppeld is aan 25 een recuperator voor het met warmte van uitlaatgassen van de brander voorverwarmen van inlaatgassen.

35. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 34, waarbij de recuperator een transparante lichtopening omvat voor het doorlaten van geconcentreerd (zon)licht op de 30 stralingsemitter van de brander, waarbij een brandpunt van het geconcentreerde (zon)licht zich in de transparante lichtopening bevindt.

36. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 35, omvattende middelen voor het in de lichtopening spuiten van een deel van de inlaatlucht van de brander om te fungeren als 35 warmtegordijn.

37. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 35 of 36, omvattende een elektrolyse-apparaat voor het omzetten van ongebruikte elektrische energie uit (zonne)warmte in waterstof en het opslaan daarvan in een opslagvat, voor het door de brander van de energie-omzetinrichting op een later tijdstip weer omzetten daarvan in elektrische energie. 5

38. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 35 of 36, omvattende een elektrolyse-apparaat voor het omzetten van ongebruikte elektrische energie uit (zonne)warmte in waterstof, voor het terugleveren van het waterstof aan een gasnet waaruit de brander zijn brandstof haalt. 10

39. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende een boiler of een ruimte voor het met restwarmte van het substraat van de omzetinrichting opwarmen daarvan.

40. Generator, voorzien van ten minste een energie-omzetinrichting volgens een of meer van de conclusies 1-39.

41. Werkwijze voor het gebruik van een energie-omzetinrichting volgens een of meer van de conclusies 1-39. 1032911