RU2351039C1 - Термофотоэлектрический преобразователь - Google Patents

Abstract

Предлагаемый термофотоэлектрический преобразователь состоит из последовательно и концентрически расположенных протяженного внутреннего кругового цилиндрического эмиттера, набора отражательных элементов, набора фотоэлементов, светочувствительная сторона которых обращена в сторону эмиттера, и сопряженных с фотоэлементами радиаторов. Отражательные элементы выполнены в виде азимутально повернутых относительно друг друга криволинейных линейчатых поверхностей, направляющие которых соответствуют секторам эллипсов, первый фокус которых размещен на оси эмиттера, а вторые фокусы помещены в центры площадок соответствующих фотоэлементов. Изобретение обеспечивает экономию дорогостоящего и дефицитного материала теплового экрана (кварцевого стекла), а также повышение коэффициента полезного действия преобразователя за счет исключения потерь в тепловом экране, существенного снижения потерь при оптической передаче энергии излучения эмиттера на фотоприемные элементы и фильтрации длинноволнового (инфракрасного) излучения эмиттера, при одновременном (частичном) возврате этого излучения на догрев эмиттера. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

Description

Изобретение относится к термофотоэлектрическим генераторам для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Источником первичной тепловой энергии может быть химическое горючее топливо в виде газа (метан, бутан, пропан, ацетилен и др.) либо аэрозоли (например, пары бензина). Кроме того, возможно использование энергии излучения солнца и источников ядерного излучения. Настоящее изобретение может быть использовано в промышленных процессах преобразования избыточного тепла в электроэнергию, а также в разнообразных автономных генераторах электроэнергии, вырабатываемой путем преобразования первичной тепловой энергии.

Известно устройство для рециркуляции тепла промышленных процессов, мощный термофотоэлектрический преобразователь (ТФЭП) которого состоит из следующих концентрически расположенных протяженных цилиндрических (трубчатых) компонентов: внутреннего эмиттера, двух кварцевых стекол, ИК-фильтров, набора фотоэлементов и радиатора в виде рубашки с жидкостной системой охлаждения фотоэлементов (Патент США №6,620,998 В2 от 16 сент.2003 г.). За исключением радиаторов, все компоненты ТФЭП разделены воздушными промежутками, служащими дополнительными тепловыми экранами. Недостатками такого ТФЭП являются высокая стоимость кварцевых трубок, потери на поглощение в материале кварцевых трубок и френелевское отражение на границах их поверхностей, потери при прохождении излучения через ИК-фильтр, сложность организации системы водяного охлаждения и удорожание конструкции ТФЭП, а также большая площадь фотоэлементов (по отношению к площади эмиттера).

Известна также конструкция маломощного ТФЭП, основные компоненты которой имеют протяженную цилиндрическую форму и представляют собой концентрически расположенные эмиттер, набор фотоэлементов и радиатор с жидкостной либо воздушной системой охлаждения фотоэлементов (Патент США №6,489,553 В1 от 3 дек. 2002 г.). Эмиттер такого ТФЭП может быть выполнен из тугоплавкого металла типа вольфрама и иметь антиотражающее покрытие. Промежуток между эмиттером и фотоэлементами может быть заполнен инертным газом для повышения теплового сопротивления и обеспечения долговременной высокотемпературной (без окисления) работы материала эмиттера и антиотражающего покрытия. Спектр излучения указанного эмиттера в инертном газе будет близок к спектральной чувствительности фотоэлементов типа GaSb (антимонид галлия) с низкой шириной запрещенной зоны. В этой связи в конструкции ТФЭП можно обойтись без ИК-фильтра и получить более высокий коэффициент полезного действия. Недостатком такого ТФЭП является либо высокий расход фотоэлементов (при диаметре окружности, на которой располагаются фотоэлементы, существенно большей диаметра эмиттера), либо плохие условия охлаждения фотоэлементов (при диаметре окружности, на которой располагаются фотоэлементы, сравнимой с диаметром эмиттера).

Наиболее близким к заявляемому устройством является ТФЭП, состоящий из следующих концентрически расположенных протяженных компонентов: внутреннего кругового цилиндрического эмиттера, цилиндрического теплового экрана из кварцевого стекла, ИК-фильтров, набора фокусирующих оптических элементов, набора фотоэлементов и радиаторов фотоэлементов (Патент США №5,383,976 от 24 янв. 1995 г.). В качестве фокусирующих оптических элементов могут использоваться вытянутые вдоль оси ТФЭП оптические клинья (фоклины, работающие на полном внутреннем отражении) либо клинообразные рефлекторы, концентрирующие свет на площадках фотоэлементов. Применение фокусирующих оптических элементов позволяет сконцентрировать излучение эмиттера на полупроводниковых фотоприемных элементах небольшой площади и сэкономить, таким образом, дефицитные материалы фотоприемных элементов. Недостатком данного ТФЭП являются существенные потери в клинообразных оптических элементах за счет того, что большая часть световых лучей претерпевает многократные отражения и постепенно теряет свою энергию, а также за счет возрастания угла падения таких лучей на фотоэлементы (на выходе из оптических элементов) по отношению к исходному углу падения на оптические элементы. Последнее обстоятельство ведет к дополнительным френелевским потерям на отражение на защитных покрытиях или стеклах фотоэлементов.

Целью настоящего изобретения является экономия дорогостоящего и дефицитного кварцевого стекла за счет исключения теплового экрана, а также повышение коэффициента полезного действия ТФЭП за счет исключения потерь в тепловом экране, снижения оптических потерь при передаче энергии светового излучения от эмиттера к фотоприемным элементам и фильтрации длинноволнового (инфракрасного) излучения эмиттера, при одновременном (частичном) возврате этого излучения на догрев эмиттера.

Эти технические результаты достигаются за счет того, что в ТФЭП, состоящем из последовательно и концентрически расположенных протяженного внутреннего кругового цилиндрического эмиттера, набора отражательных элементов, а также набора фотоэлементов, светочувствительная сторона которых обращена в сторону эмиттера, и сопряженных с фотоэлементами радиаторов, упомянутые отражательные элементы выполнены в виде азимутально повернутых относительно друг друга криволинейных линейчатых поверхностей, направляющие которых соответствуют секторам эллипсов, с первым фокусом которых совмещают ось эмиттера, а в месте расположения вторых фокусов помещают центры площадок соответствующих фотоэлементов, с которыми стыкуются торцы криволинейных линейчатых поверхностей, при этом эксцентриситет эллипсов, образующих эти поверхности, выбирают в диапазоне 0,3-0,4.

Для пояснения достигаемого результата на фиг.2 в декартовой системе координат (x, y) изображен эллипс, где F₁ - первый фокус с координатами (-с, 0), F₂ - второй фокус с координатами (с, 0). График эллипса определяется формулой

где а и b - полуоси эллипса по осям x и y;

с - смещение фокусов относительно оси эллипса.

Математически эллипс является геометрическим местом точек М(x, y), для которых сумма расстояний r₁ и r₂ от фокусов F₁ и F₂ есть постоянная величина, то есть r₁+r₂=2а. Эллипс представляет собой кривую, образующуюся в нормальном сечении линейчатой поверхности, для которой произвольный луч, исходящий из одного из фокусов, после зеркального отражения от поверхности в точках данной кривой строго сходится во втором фокусе.

Если изготовить протяженную зеркальную отражательную поверхность, поперечное сечение которой будет эллипсом, то при расположении источника излучения (эмиттера) в одном из фокусов эллипса все отраженные от зеркальной поверхности лучи сойдутся в другом фокусе. Это свойство и используется в предлагаемом изобретении, причем фотоэлементы, на которые падают отраженные лучи, помещают в месте расположения другого фокуса эллипса. Теоретически весь световой поток от эмиттера после однократного высокоэффективного отражения от зеркальных поверхностей будет фокусироваться на фотоэлементах и этим достигается увеличение коэффициента полезного действия предлагаемого ТФЭП по сравнению с известными устройствами.

Однако с отражательной поверхностью в форме одного эллипса нельзя обеспечить эффективную работу фотоэлементов, поскольку значительная часть отраженных лучей будет падать на поверхность фотоэлементов под углами, значительно отличающимися от нормалей к поверхностям фотоэлементов. Для повышения эффективности работы фотоэлементов авторами предлагается изготовление отражательной поверхности в виде набора протяженных секторов, образующие которых выполнены в соответствии с формулой эллипса, а площадки фотоэлементов расположены в промежутках между секторами линейчатых отражательных элементов.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим графическим материалом:

на фиг.1 показана конструкция предлагаемого ТФЭП (в двух сечениях);

на фиг.2 - график эллипса;

на фиг.3 - чертеж сечения ТФЭП, поясняющий формообразование профилей секторов;

на фиг.4 - профиль дифракционной решетки;

на фиг.5 - конструкция фотонного кристалла;

на фиг.6 - график коэффициента спектрального излучения;

на фиг.7 - ход световых лучей в ТФЭП.

На фиг.1 представлена конструкция ТФЭП, предлагаемого в настоящем изобретении. Показаны продольный разрез и поперечное сечение. ТФЭП состоит из следующих концентрически расположенных протяженных компонентов: внутреннего кругового цилиндрического эмиттера 1, набора криволинейных рефлекторов (отражательных элементов) 2 в виде секторов эллиптических цилиндров с охлаждающими радиаторами 4, набора фотоэлементов 3.

Структура внутренних поверхностей рефлекторов, обращенных к эмиттеру, выполнена в виде отражательных одномерных и регулярных фазовых дифракционных решеток, имеющих ориентацию штрихов, совпадающую с ориентацией образующих линейчатых поверхностей отражательных элементов. Дифракционные решетки (штрихи которых на фиг.1(б) изображены в виде небольших выступов на внутренней поверхности рефлекторов) играют роль спектральных светоделителей и одновременно фильтров длинноволнового излучения. Штрихи решеток ориентируются вдоль образующих поверхностей рефлекторов, то есть имеют направление дисперсии, нормальное по отношению к образующим поверхностей рефлекторов. Период штрихов решеток выбирается таким, что для полезного коротковолнового излучения решетки практически не вносят дифракционного рассеяния света и их можно не учитывать. Для низких порядков дифракции решеток (включая нулевой порядок), соответствующих длинам волн полезного коротковолнового излучения, форма рефлекторов в каждом секторе обеспечивает не более чем однократное отражение лучей от их поверхности и фокусирование излучения эмиттера на площадке с минимально возможными размерами за счет применения линейчатых эллипсных отражательных поверхностей.

Для лучшего согласования спектра излучения эмиттера со спектральной чувствительностью фотоэлементов, а также для повышения долговременной стабильности работы эмиттера, наружная поверхность последнего выполнена в виде металлического фотонного кристалла из тугоплавкого металла, например вольфрама, для формирования спектра излучения в виде пика, согласованного с максимальной чувствительностью фотоэлементов типа GaSb. Для поддержания же условий эффективного и долговременного излучения эмиттера (для предотвращения распыления и окисления вольфрама, нагреваемого до высокой температуры) пространство между эмиттером, фотоэлементами и отражательными элементами заполнено инертным газом, например аргоном. Зеркальные боковые элементы ТФЭП 5 служат для замыкания пространства, заполняемого инертным газом, а также для возвращения части излучения эмиттера на его догрев.

Новые и отличительные признаки предлагаемого ТФЭП заключаются в создании отражательных элементов, выполненных в виде эллипсных секторных поверхностей и оптически согласованных с местами расположения эмиттера и фотоэлементов, когда эмиттер расположен в одном фокусе эллипса, а фотоэлементы расположены между гранями соседних отражательных поверхностей во втором фокусе эллипса. Новым признаком является также выполнение слоя отражающей поверхности, обращенной к эмиттеру, в виде фазовой дифракционной решетки и выполнение наружного слоя эмиттера в виде фотонного кристалла.

На фиг.2 представлен график эллипса, поясняющий зависимость формы сегментов рефлекторов ТФЭП (в его поперечном сечении) от конструктивных геометрических размеров. В полярной системе координат (r₁, φ) с центром в фокусе F₁ график эллипса описывается в следующей эквивалентной формуле (1) в виде:

где е=с/а - эксцентриситет эллипса;

φ - угловая координата луча r₁.

Секторное разбиение отражателей в конструкции ТФЭП предусматривается для обеспечения одностороннего падения световых лучей на площадки фотоэлементов, уменьшения угла наклона падения лучей на эти площадки и обеспечения возможности эффективного отвода тепла от фотоэлементов. Число секторов должно быть не менее двух при оптимальном эксцентриситете эллипсов, образующих линейчатые поверхности отражателей. На фиг.3 представлен чертеж поперечного сечения ТФЭП, поясняющий формообразование профилей различных секторов из участков трех эллипсов с равномерным разворотом по азимутальному углу (в плоскости чертежа). В показанном на чертеже примере число секторов равно трем, а эксцентриситет эллипсов, являющихся направляющими линейчатых поверхностей отражателей, равен 0,3659.

Центральная точка эмиттера ТФЭП совмещается с первым фокусом криволинейных зеркальных сегментов F₁, а в точках вторых фокусов F₂, размещаемых в промежутках между секторами отражателей, помещаются линейки фотоэлементов. При вышеуказанном оптимальном эксцентриситете эллипсов, описывающих направляющие зеркальных сегментов, площадки фотоэлементов практически совмещаются с прилегающими к ним боковыми поверхностями зеркальных сегментов. Для ясности, на фиг.3 профили зеркальных сегментов показаны толстыми линиями с модулированной шириной, а тонкими линиями показаны полные профили образующих их эллипсов. Пунктирная кривая соответствует окружности, на которой располагаются стигматические фокусы F₂, оптически сопряженные с центральной точкой эмиттера, совмещаемой с фокусом F₁. Толстыми отрезками с тыльных сторон отражателей и фотодетекторов показаны ребра радиаторов охлаждения. Внешний диаметр такой конструкции, взятый без учета длины ребер радиаторов и соответствующий диаметру окружности, на которой располагаются площадки фотодетекторов, составляет в данном случае 4 с=4еа, а полный апертурный угол θ сведения лучей на фотоэлементах определяется нелинейной функцией от параметров эллипса. Приблизительно этот угол равен πN, где N - число секторов. В данной конструкции изображение эмиттера (при его проекционном переносе на площадки фотоэлементов с помощью зеркальных рефлекторов) увеличивается в поперечном сечении приближенно в 2 раза, что требует соответствующего выбора размера фотоприемников. Полный поперечный размер одной ячейки фотоэлементов приближенно определяется как D≈2πd_эм/(N θ), где d_эм<<с - диаметр эмиттера. В схеме, показанной на фиг.3, при числе секторов N=3 и эксцентриситете е=0,3659 полный апертурный угол сведения лучей на фотоэлементах составляет θ≈60°, а полный поперечный размер одной ячейки фотоэлементов составляет D=2 d_эм. Суммарный поперечный размер ячеек фотоэлементов составляет C_Σ=6 d_эм. При эквивалентном представлении без использования оптического концентратора ячейки фотоэлементов можно было бы уложить на окружности диаметром 1,9 d_эм. Оптимальные по геометрии сведения лучей величины эксцентриситетов эллипсов, рассчитанные для числа секторов от 2 до 5, представлены в табл.1.

Таблица 1
Число секторов, N	Эксцентриситет эллипсов, е
2	0,3333
3	0,3659
4	0,3333
5	0,3445

Фиг.4 поясняет структуру фазовой отражательной дифракционной решетки, наносимой на поверхность эллиптических рефлекторов и имеющей направление дисперсии, нормальное по отношению к образующим поверхностей рефлекторов. Данная решетка осуществляет функцию диспергирующего элемента и одновременно является фильтром длинноволнового инфракрасного излучения эмиттера. Период штрихов решетки d, а также форма и глубина h ее фазового профиля выбираются исходя из необходимой пространственной селекции по длинам волн и выбора граничной длины волны дифракционного фильтра

Период штрихов рассчитывается по формуле

где m - принятый максимальный порядок дифракции, собираемый на площадках фотоприемников для длин волн, меньших

а Δ - поперечный размер фотоприемников. Глубина фазового профиля рассчитывается с учетом вида профиля. Для отражательной бинарно-фазовой решетки с симметричным фазовым профилем и с равенством ширины выступов и впадин профиля (см. фиг.4, где через t обозначена координата, тангенциальная направляющей эллиптических цилиндров отражательных элементов) глубина профиля определится как

Нулевой порядок дифракции такой решетки для длины волны

подавляется (теоретически полностью). Световая (дифракционная) эффективность данной решетки в первых пяти порядках дифракции приведена в табл.2.

Таблица2
Номер дифракционного порядка	Световая эффективность
0	0
±1	40,53%
±2	0
±3	4,503%
±4	0
±5	1,621%

Согласно табл.2 в полезных порядках от -3 до+3 сосредоточено 90,1% световой энергии, а в порядках от -5 до+5 - 93,3%.

Эскиз структуры фотонного кристалла, представляющего собой поверхностный слой эмиттера ТФЭП, показан на фиг.5. Техника расчета и выполнения внутренней структуры металлических фотонных кристаллов для ТФЭП описана в патентах США №6,583,350 В1 и №6,768,256 В1 (соответственно от 24 июня 2003 г. и 27 июля 2004 г.). При выбранной системе кристаллографических осей свет распространяется в направлении <001>. Данный кристалл выполнен из ряда слоев, каждый из которых представляет собой регулярную решетку из полосок вольфрама, которые расположены на полосках другой регулярной решетки, ориентированной ортогонально по отношению к смежной решетке. Между полосками каждой решетки находятся воздушные промежутки. Решетки, рассматриваемые со смещением по глубине через один слой, смещены относительно друг друга на половину периода их штрихов. Объемное периодическое изменение диэлектрической проницаемости фотонного кристалла (с периодом порядка резонансной длины волны) обусловливает изменение разрешенных оптических мод в кристалле.

Для эффективного преобразования световой энергии в электрическую с помощью фотоэлементов типа GaSb с максимальной граничной длиной волны спектральной чувствительности

спектр излучения эмиттера должен иметь максимальную граничную длину волны

Для выполнения этого условия в соответствии с теорией фотонных кристаллов постоянная d_Э решеток фотонного кристалла из вольфрама с воздушными промежутками должна быть равной порядка 1,2 мкм, ширина полосок w_Э=0,35 мкм, а период чередования структуры фотонного кристалла из 4-х слоев по глубине c_Э=1,88 мкм (см. фиг.5). Для эффективной работы эмиттера в виде фотонного кристалла достаточным числом слоев является величина порядка 4-6.

Предлагаемый ТФЭП работает следующим образом. Во внутреннем объеме пустотелого цилиндрического эмиттера, представляющем собой камеру сгорания, прокачивается горючий газ (метан, бутан, пропан, ацетилен, пары бензина, керосина и др.) в смеси с окислителем. Сгорание газа сопровождается нагревом внутреннего объема эмиттера и самого эмиттера с наружным слоем в виде фотонного кристалла. Нагретый до высокой температуры (порядка 1200-2000°С) фотонный кристалл (наружный слой эмиттера) испускает интенсивное видимое и инфракрасное излучение и, таким образом, тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в энергию светового излучения. Спектр излучения фотонного кристалла имеет вид пика, который хорошо согласуется с максимальной чувствительностью фотоэлементов типа GaSb. На фиг.6 показан график изменения коэффициента излучения эмиттера в виде указанного фотонного кристалла из вольфрама с четырьмя слоями и указанными выше параметрами решеток. Небольшая часть излучения эмиттера (прямое излучение) попадает на фотоэлементы непосредственно и преобразуется последними в электричество. Другая, большая часть (боковое и обратное излучение), попадает сначала на рефлекторы и испытывает в рабочем диапазоне длин волн однократное и практически идеальное отражение с одновременным незначительным дифракционным рассеянием на структуре дифракционных решеток. Для рефлекторов с отражающим покрытием в виде, например, серебряной пленки коэффициент отражения теоретически достигает величины порядка (97-99)%. Отразившись от рефлектора, излучение попадает на фотоэлементы и также преобразуется ими в электричество. Таким образом, на второй стадии энергия светового излучения, сконцентрированного на фотоэлементах, преобразуется в электроэнергию.

Радиаторы с ребрами, укрепленными с наружной стороны фотоэлементов и рефлекторов, поддерживают необходимую рабочую температуру фотоэлементов (не выше 40-80°С) за счет естественной наружной конвекции воздуха. Для того чтобы радиаторы рефлекторов улучшали охлаждение фотоэлементов между радиаторами фотоэлементов и ближайшими к ним отражательными элементами устанавливается тепловой контакт.

Для одного из секторов на фиг.7(а) тонкими прямыми линиями со стрелками показан ход световых лучей между эмиттером, отражателями и фотодетекторами для нулевого порядка дифракции решеток. Ход лучей между отражателем и фотоэлементами показан в приближении малости диаметра эмиттера и поперечных размеров площадок фотоэлементов по отношению к внешнему диаметру, на котором располагаются площадки фотоэлементов. В этом случае аберрации, вносимые оптической системой из отражательного элемента и дифракционной решетки, будут пренебрежимо малы.

В плоскости каждого фотоприемника и относительно его центра дифракционная решетка и фокусирующий рефлектор, согласованные с данным фотоприемником, формируют симметрично смещенные относительно друг друга и наложенные друг на друга картины пространственного спектра излучения эмиттера ТФЭП. Данные спектры дополнительно будут промодулированы по интенсивности за счет того, что подавление нулевого порядка будет строго наблюдаться только для длины волны

При этом в области ближе к центру фотоприемника группируются полезные коротковолновые спектральные компоненты излучения эмиттера, а по мере смещения относительно центра группируются длинноволновые компоненты излучения. Для длины волны

излучение фокусируется на краях площадок фотоэлементов. На фиг.7(б) для одного из секторов показан ход отраженных и дифрагированных световых лучей в поперечном сечении ТФЭП для первого положительного и первого отрицательного порядков дифракции на длине волны

и в приближении малости диаметра эмиттера и поперечных размеров площадок фотоэлементов по отношению к внешнему диаметру, на котором располагаются площадки фотоэлементов. Длинноволновое излучение фокусируется за пределами площадки фотоприемника и, таким образом, виньетируется. В периферийных областях (по бокам центральной площадки) могут располагаться площадки других фотоприемников, чувствительных к длинноволновому спектру. В противном случае длинноволновое излучение попадает на зеркальные поверхности рефлекторов, а затем, испытав повторное дифракционное отражение, рассеивается при циркуляции между поверхностями отражательных элементов и эмиттера. При этом часть излучения возвращается на полезный дополнительный разогрев эмиттера. Другая часть испытывает многократные отражения от поверхности рефлекторов и теряет свою энергию с нагревом зеркальных поверхностей с радиаторами, и лишь некоторая небольшая и ослабленная по интенсивности (за счет потерь на многократные отражения) часть паразитного излучения попадает на центральную площадку фотоприемника. За счет виньетирования световых пучков, а также возвращения их на догрев эмиттера и частичных потерь на многократные отражения, решетка действует как нелинейный режекторный фильтр светового излучения. При этом будет ослабляться и частично возвращаться на догрев эмиттера излучение в следующем диапазоне длин волн λ (при максимальном угле дифракции 90°):

Например, при

m=1, Δ=20 мм (для диаметра эмиттера 10 мм), а также при а=205 мм и е=0,3659 (при внешнем диаметре ТФЭП, составляющем 4еа=300 мм) бинарно-фазовая решетка будет иметь период d=47,6 мкм при глубине профиля h=0,425 мкм, а диапазон длин волн подавляемого фильтрацией излучения будет лежать в следующем достаточно широком диапазоне:

1,7 мкм<λ<47,6 мкм.

За пределами данного диапазона, в длинноволновой области, излучение не ослабляется, так как дифракционная решетка перестает выполнять свою роль и действует как регулярная решетка нулевого порядка. Коэффициент ослабления излучения будет максимальным (до 100%) для расчетной длины волны, при которой глубина фазового профиля решетки определяется выражением (4).

Таким образом, в данной конструкции ТФЭП осуществляется двойная селекция по длинам световых волн излучения, попадающего на площадки фотоэлементов: первая селекция - при формировании среза спектрального излучения эмиттера в виде фотонного кристалла и вторая селекция - при подавлении остаточного паразитного длинноволнового излучения эмиттера с помощью фильтрующих дифракционных решеток на поверхности отражательных элементов. В соответствии с графиком спектрального коэффициента излучения, отображенном на фиг.6, период и глубину фазового профиля фильтрующей дифракционной решетки следует выбирать для длины волны

В этом случае решетка будет играть роль режекторного фильтра, формирующего резкий спад кривой спектрального излучения, попадающего на фотодетекторы, при переходе к длинам волн, большим 1,7 мкм.

Технология изготовления таких элементов ТФЭП, как эмиттер и фотоэлементы с системой охлаждения, общеизвестна. Изготовить криволинейную эллипсную поверхность можно, например, методом штамповки, а структуру дифракционной решетки можно изготовить методами тиснения или фотолитографии.

Claims (5)

1. Термофотоэлектрический преобразователь, состоящий из последовательно и концентрически расположенных протяженного внутреннего кругового цилиндрического эмиттера, набора отражательных элементов, а также набора фотоэлементов, светочувствительная сторона которых обращена в сторону эмиттера, и сопряженных с фотоэлементами радиаторов, отличающийся тем, что отражательные элементы выполнены в виде азимутально повернутых друг относительно друга криволинейных линейчатых зеркальных поверхностей, направляющие которых соответствуют сегментам эллипсов, первый фокус которых расположен на оси эмиттера, а вторые фокусы - в центре площадок фотоэлементов.

2. Термофотоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эллипс, соответствующий направляющим сегментов отражательных элементов, имеет эксцентриситет порядка 0,3-0,4, а площадки фотоэлементов расположены в промежутках между сегментами отражательных элементов.

3. Термофотоэлектрический преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность отражательных элементов, обращенная к эмиттеру, имеет профилированную структуру в виде отражательной одномерной дифракционной решетки, имеющей ориентацию штрихов, совпадающую с ориентацией образующих линейчатой поверхности отражательных элементов.

4. Термофотоэлектрический преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что наружная излучающая поверхность эмиттера выполнена в виде металлического фотонного кристалла из тугоплавкого металла, например, вольфрама, а пространство между эмиттером, фотоэлементами и отражательными элементами заполнено инертным газом, например, аргоном.

5. Термофотоэлектрический преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что между радиаторами фотоэлементов и ближайшими к ним отражательными элементами устанавливается тепловой контакт, а наружные стороны отражательных элементов имеют ребра, играющие роль дополнительных радиаторов.

Images