TWI604623B - 使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力的方法與裝置 - Google Patents

Description

使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力的方法與裝置

此申請案主張2010年2月28日提出的美國臨時申請案第61/308,972號之利益，且係以引用的方式併入本文中。

本發明有關用於熱至電之固態轉換的微米間隙熱光電(MTPV)之技術。更廣泛地，本發明當其被插入高溫環境、諸如工業熔化爐時產生電功率。

熱光電裝置(TPV)由被加熱的黑體所組成，該黑體將電磁能量越過一間隙輻射至光電裝置上，該光電裝置將輻射功率轉換成電功率。出自一已知TPV裝置區域的功率之數量被該裝置之熱的側面之溫度所限制，且大致上需要很高的溫度，對其實際使用造成障礙。相比之下，藉由減少該功率發射器及接收器間之間隙的尺寸，微米間隙熱光電(MTPV)系統允許該功率發射器及接收器間之更多功率的轉移。與傳統TPV作比較，藉由採用次微米間隙技術，用於微米間隙熱光電裝置之可達成的功率密度能增加達大約一個量級。同等效果地，用於一給定之有效區域及功率密度，微米間隙熱光電裝置之熱的側面上之溫度能被減少。這對於晶片上之功率、廢熱發電、及轉換器功率提供了新的應用。

由於近場之逐漸消失的耦合，其已被顯示熱的本體及 冷的本體間之電磁能量轉移為該等本體的接近間距之函數。如此，該等本體越接近、大約一微米及更低，則該功率轉移越大。用於0.1微米的間隙間距，可觀察到能量轉移因子的比率增加五甚至更高。

然而，該兩難困境正形成與接著將二本體間之接近間距維持在次微米間隙，以為了維持增強的性能。雖然其係可能獲得該次微米間隙間距，該等熱的及冷的表面上之熱效應誘發該等元件之凹壓、翹曲、或變形，導致間隙間距中之變化，藉此導致該功率輸出中之無法控制的變異。

典型地，為了增加功率輸出，給予先前技藝裝置之較低的功率密度，其已需要增加該溫度。然而，溫度增加係受限於該裝置及系統零組件之材料。

微米間隙熱光電(MTPV)系統係一使用光電池來將熱轉換成電之潛在地更有效率的方式。微米間隙熱光電裝置係熱光電裝置之改良方法，其係“太陽能電池”技術之熱版本。兩方法利用光子來激發電子越過半導體之能帶間隙的能力，且藉此產生有用之電流。該熱源之溫度越低，則該半導體之能帶間隙必需越狹窄，以提供與光子能量之輸入光譜最佳的匹配。僅只那些具有等於或大於該能帶間隙的能量之光子能產生電。較低的能量光子可僅只產生熱，且對於效率係一損失機制。較佳的微米間隙熱光電系統將包含熱輻射或傳導至一發射器層的來源，該來源係懸置在一紅外線感測光電池的表面上方之次微米間隙。

藉由在熱放射表面及光電集極之間使用次微米間隙， 吾人觀察到由固體至固體之光子的轉移比具有大間隙係可能有更增強的比率。除了僅卜朗克輻射定律之外，涉及額外之轉移機制，雖然該等光子之光譜分布係一黑體的光譜分配。然而，次微米間隙之使用暗示一真空環境被使用，以避免藉由不能激發電子進入該傳導帶的低能量光子造成越過該間隙的過度之熱傳導。為有效率地利用該熱之來源，高份額之高能量光子必需被產生。被使用於分開該放射表面與該光電池之結構在直徑中必需為小的，且用於該相同之效率考量亦必需為一非常好之熱絕緣體。該光電池大致上將必需稍微被冷卻，以致其將適當地起作用。在高溫，本質載子產生沈沒該PN接面，且其不再為電子之有效的集極。

微米間隙熱光電系統起作用，好像該發射器具有大於一的發射係數值。黑體之定義係其具有等於一的發射係數值，且此值不能被用於大間隙輻射能量轉移的值超過。5-10之同等發射係數因子已使用在0.30至0.10微米的區域中之間隙被實驗性地證明。

利用此現象有至少二方式。於一可比較之系統中，如果該等放射表面之溫度被保持相同，該微米間隙熱光電系統可成比例地較小及比較便宜地被製成，同時產生相同之電量。或，如果一可比較之尺寸的系統被使用，該微米間隙熱光電系統將在非常地低之溫度下運轉，藉此減少製造該系統中所使用之材料的成本。於一初步的評估中，藉由使用微米間隙技術，經計算一典型系統之操作溫度可為由 攝氏1,400度減少至攝氏1,000度，且仍然產生相同之電力輸出。由於可能的材料之更寬廣的可用性及較低的成本，溫度之此一降低能於該系統之實用性中造成差異。

美國專利第7,390,962、6,232,546及6,084,173號及美國專利申請案第12/154,120、11/500,062、10/895,762、12/011,677、12/152,196及12/152,195號被以引用的方式併入本文中。

額外之能量轉移機制已被假設，且使用狹窄的隔熱間隙來製成系統之能力可按照本發明發現很多型式的應用之使用。

因此，本發明之一目的係提供一新穎的微米間隙熱光電裝置結構，其係亦更容易製造的。

本發明之進一步目的係提供此一導致該發射器及該光電基板間之高度熱絕緣的微米間隙熱光電裝置。

本發明之進一步目的係提供此一能具有大面積及能夠有高產量的微米間隙熱光電裝置。

本發明之進一步目的係提供此一允許橫側之熱膨脹的微米間隙熱光電裝置。

本發明之進一步目的係提供此一有效率之微米間隙熱光電裝置。

本發明之進一步目的係提供此一具有均勻之次微米間隙的微米間隙熱光電裝置。

本發明之進一步目的係提供此一微米間隙熱光電裝置，該微米間隙熱光電裝置提供較大的能量轉移。

本發明之進一步目的係提供此一微米間隙熱光電裝置，該微米間隙熱光電裝置被製成，而沒有組裝多數獨立的元件。

本發明之進一步目的係提供一製成微米間隙光電裝置之方法。

本發明之進一步目的係提供一有用於當作熱光電系統及亦於其他應用中有用之微米間隙裝置。

該熱光電系統及設備當其被插入一高溫環境、諸如工業熔化爐時產生電功率。該熱光電系統由一耐熱及耐腐蝕的、真空密閉殼體，及一液體冷卻式機械總成所組成，而在該機械總成內側與該被加熱之殼體的內側壁面造成接觸。

該機械總成有利於及提供一機構，用於達成大的發射器及光電表面間之次微米間距。熱係由該殼體的內表面傳導至光譜地控制之輻射器表面(熱的側面)。該輻射器表面以電磁能量之形式發射該熱，越過次微米間隙至光電(PV)裝置(冷的側面)。該熱的一部份藉由該光電池被轉換成電力。該熱能的其餘部份係藉由液體冷卻式、設有栓銷的、或帶散熱片的散熱器從該光電池之相反側面移去。

該設計的一主要態樣係允許用於該等發射器晶片之密切接觸至該殼體內側表面，以致有良好的熱傳送。該等光電池被往外推抵靠著該發射器晶片，以為了將它們壓抵靠 著該內部壁面。一高溫熱介面材料改善該殼體內表面及該發射器晶片間之熱傳送。該等發射器晶片上之微小的間隔件總是維持該熱的輻射表面及該等光電池間之次微米間隙。

該機械總成被設計，以當該殼體加熱、膨脹、及翹曲時，將該等熱的及冷的晶片推抵靠著該殼體內側表面。為達成此目的，該等光電池被附接至一可變形的本體，該本體能夠配合該殼體的內側表面之形狀。該可變形的本體係一由薄金屬箔材所形成的膜片。壓力係藉著一氣動隔膜及一以液體金屬充填的孔腔被賦予至該膜片。

該液體金屬孔腔具有二目的之作用：1)賦予壓力至該膜片之背面，其依序將該等光電晶片推抵靠著該等發射器晶片，同時允許該膜片伸縮及配合該殼體內側表面之形狀：及2)將過量之熱載送遠離該光電晶片至一液體冷卻式散熱器。

在該殼體內側的排空之空間係幾乎完美的真空(<10^-3托耳)，以致熱未被越過該次微米間隙的空氣所傳導及未被傳導於暴露的殼體內側表面與該散熱器之間。

本發明係有用的，因為其由以別的方式將被浪費之熱產生電功率。該電力能被使用於對該工廠內之其他裝置供電，或其能被賣給該公用事業公司。

當然，本文所揭示之本發明係可能有很多不同形式之具體實施例。在該等圖面中所顯示及下文中所詳細敘述者係本發明之較佳具體實施例。然而，其將被了解，本揭示 內容係本發明之原理的範例，且不會將本發明限制於所說明之具體實施例。

翻至圖1，圖1說明按照本發明之熱光電裝置104及微米間隙熱光電裝置106技術。兩技術可使用來自氣體、油或煤炭110的燃燒之熱、核能120、來自工業製程130的廢熱、或太陽之熱140。熱光電裝置(TPV)104包括被加熱的黑體150，該黑體150將電磁能量輻射越過一大尺寸的間隙190至光電裝置160上，該光電裝置160將輻射功率轉換成電功率。出自於一給定之TPV裝置面積的功率之數量被該裝置之熱的側面之溫度所限制，且大致上需要很高的溫度，對其實際使用造成障礙。藉由對比，藉由減少該功率發射器150及接收器160間之間隙195的尺寸，微米尺寸間隙195熱光電(MTPV)裝置106允許該功率發射器150及接收器160間之更多功率的轉移。藉由採用次微米間隙技術，如與傳統TPV裝置104作比較，用於微米間隙熱光電裝置106之可達成的功率密度能被增加達大約一數量級。同等地，用於一給定之有效區域及功率密度，微米間隙熱光電裝置之熱的側面上之溫度能被減少。這允許用在晶片上之功率、廢熱發電及轉換器功率上之新的應用。

由於近場之逐漸消失的耦合，其已被顯示熱的及冷的本體間之電磁能量轉移為該等本體間之接近間距的一函數。如此，該等本體170越接近、大約一微米及更低，則 該功率轉移越大。用於0.1微米的間隙間距180，可觀察到能量轉移因子的比率增加五甚至更高。藉由在熱放射表面150及光電集極160之間使用次微米間隙195，吾人觀察到由固體至固體之光子的轉移比具有大間隙190係可能有更增強的比率。除了僅卜朗克輻射定律之外，額外之轉移機制被涉及，雖然該等光子之光譜分布係一黑體的光譜分布。然而，次微米間隙之使用暗示一真空環境被使用，以避免藉由不能激發電子進入該傳導帶的低能量光子造成越過該間隙的過度之熱傳導。為有效率地利用該熱之來源，高份額之高能量光子必需被產生。被使用於分開該放射表面與該光電池之結構在直徑中必需為小的，且用於該等相同之效率考量亦必需為一非常好之熱絕緣體。該光電池大致上將必需稍微被冷卻，以致其將適當地起作用。在高溫，本質載子產生沈沒該PN接面，且其不再為電子之有效的集極。

翻至圖2A，圖2A說明單側式微米間隙熱光電裝置的一具體實施例200。該具體實施例包含一熱介面210，用於在被暴露至高溫的外殼及輻射放射層215之間導熱。該輻射放射層215係與光電池225分開達一藉由間隔件220所維持之微米間隙。膜片230被定位於該光電池225及一含有液體金屬的液體金屬室235之間，該液體金屬被維持在受控制的壓力之下。此液體金屬室235係經加壓以確保該輻射放射層215及熱介面210遍及一寬廣的溫度範圍被維持與該外殼密切接觸。毗連該液體金屬室235者係一散熱 器240，該散熱器240係藉由冷卻劑室245中之連續流動的冷卻劑液體所冷卻。該冷卻劑室245係藉由冷卻劑室密封件250及氣動室撓性密封件255而與氣動室260分開。該氣動室260被維持在一受控制的壓力，以進一步確保在該散熱器240、該液體金屬室235、該光電池225、該輻射放射層215、該熱介面210、及該外殼之間維持密切接觸。氣動室固定的密封件265被定位於該氣動室260及冷卻水歧管270之間，該冷卻水歧管270被連接至連續供給之循環冷卻水以用於冷卻該散熱器240。

翻至圖2B，圖2B說明雙側式微米間隙熱光電裝置之具體實施例205。該雙側式微米間隙熱光電裝置包含上文關於圖2A所敘述之結構及一額外之結構，該額外之結構係圖2A所示結構之倒轉影像，且被附接至該共用之冷卻水歧管270。此結構能夠收集來自微米間隙熱光電裝置之兩側的熱。

翻至圖3，圖3說明一顯示該微米間隙熱光電裝置之操作的具體實施例300。該微米間隙熱光電裝置305被暴露至輻射及傳導的熱通量310，該熱通量310加熱該外部表面及該熱的側面/冷的側面對320、330之熱的側面。一真空被維持在該微米間隙熱光電裝置305的內部，且該光電池係藉由循環水340、350從該內側被冷卻。輸出功率360、370係由該裝置305獲得。

翻至圖4，圖4說明一四邊形微米間隙熱光電(Quad MTPV)裝置的前端之截面視圖的實用具體實施例400。該四 邊形微米間隙熱光電裝置係用於實施該MTPV技術之基本構建塊。該前端包含一於高溫外殼及輻射放射層420間之導熱的石墨介面410。微米間隙430被維持於該輻射放射層420及光電池440之間。一膜片450被定位於該光電池440及液體金屬室460之間。散熱器470之表面及該膜片450包圍該液體金屬室460。

該等發射器420之目的係吸收來自該四邊形微米間隙熱光電裝置的外殼內側之熱。發射器晶片420係典型、但不須由矽所製成，且具有在該間隙側面上之微機械加工的二氧化矽間隔件。該發射器420之平滑側面被壓抵靠著該熱的外殼的內側。石墨熱介面材料410被夾在該發射器420及該外殼之間，以改善熱傳送。該外殼係在一高爐內藉由該輻射及對流能量所加熱，且該熱被傳導經由該外殼、越過一熱介面材料410、及進入該矽發射器420，造成該矽發射器420變得非常熱。

該等光電池440被設計成將由一熱的本體所放射之部份光線轉換成電力。更明確地是，該等光電池440具有一非常平坦之表面，以致當它們被壓抵靠著該放射表面420上之間隔件時，非常小的真空間隙被形成。該等間隔件被設計，以致很小之熱流動係由該熱的發射器420傳導至該相當冷的光電池440。該光電池440及發射器420係亦由高指數材料所製成，以獲得最多數量之近場耦合能量增強。由該等發射器420傳送至該等光電池440的光之某一百分比被轉換成電力。

翻至圖5，圖5係四邊形微米間隙熱光電裝置之截面視圖500。此視圖係宏觀的立體圖，其包含圖4中所示元件。該四邊形微米間隙熱光電裝置包含一亦已知為冷卻水歧管510的水分配外殼、伸縮軟管570、散熱器次組件470、氣動次組件530、540、550、液體金屬隔間460(亦見圖4)、膜片與光電次組件440、450(亦見圖4)、發射器陣列410、420(亦見圖4)、及線性致動器壓力調整器(在該水分配外殼內側)。這些元件形成該基本之四邊形微米間隙熱光電裝置構建塊。一或多個四邊形微米間隙熱光電裝置通常被包圍在一抽空的附接件或熱的外殼中，該附接件或外殼被暴露至高溫以用於產生電功率。

該膜片450、液體金屬460、散熱器470、及伸縮軟管570具有很多耦接功能性。該等伸縮軟管570由金屬形成且在該水分配外殼510及該散熱器470、該入口側上之一組伸縮軟管570及該出口側上之另一組伸縮軟管之間轉移水。該等伸縮軟管570亦用作膨脹接頭，以致當該外殼加熱及膨脹時，該等伸縮軟管570伸長。該等伸縮軟管570總是被壓縮，以致它們提供一將該散熱器及膜片總成推向該熱的蓋件之力量，如此將該等光電池440推抵靠著該等發射器間隔件，並將該發射器420推抵靠著該熱的壁面。雖然該散熱器470具有用於讓水通過的內部空隙，該散熱器470亦用作該等光電池用之懸置平臺。經過該等伸縮軟管570之伸縮，該平臺可移進及移出與繞著二軸線傾斜。此接合方式允許該光電陣列420宏觀地順應該熱的外殼之定向。 該膜片450係具有可撓性且在此處理該熱的外殼之曲率。

該膜片450係用於該等晶片之第二懸置件。該第一懸置件應付由於熱膨脹之僵硬的本體動作，且由於機器加工公差及差溫加熱而傾斜偏置。該膜片450係一用於該等光電池440的撓性懸置件，允許該陣列之光電池推抵靠著該等發射器420及彎曲與伸縮，使得該等晶片配合該外殼之彎曲形狀。注意當熱正交於一平板流動時，其為重要的是橫越該平板有一溫度下降，這造成熱彎曲、或扭曲。該等光電池440被接合至膜片450。該膜片450由金屬形成且具有電導體之絕緣層及佈圖層。在這種意義上，該膜片450用作一印刷電路板，將該等光電池440串連及/或平行地綁在一起、及將該電力載送至該膜片450之邊緣。

該膜片450係環繞著該等邊緣被密封至該平臺，於該膜片450及該平臺之間留下一小的間隙。此空間係接著以液體金屬充填。該液體金屬具有二目的之作用。首先，其提供一於該等光電池440及該散熱器470間之熱路徑。其次，因為其為流體，其允許該膜片450伸縮。

該熱的外殼係由高溫金屬所製成，且於該四邊形微米間隙熱光電裝置被放置在內側之後被牢固地封閉。該外殼之尺寸視四邊形微米間隙熱光電裝置之數目及分配而定。該等內側表面被拋光，以致它們具有一低的發射係數。該等外側表面被故意地氧化至黑色面層，以致它們將由該高爐吸收更多輻射熱。該外殼具有穿透通口，用於冷卻流體、真空泵吸、及電線。

該氣動次組件530、540、550安置在該水分配外殼510及該散熱器470之間。與該等伸縮軟管570平行，該氣動隔膜530往外推該散熱器470朝向該熱的外殼，如此在該膜片450及該熱的外殼之間擠壓該等光電池440及發射器420。以該液體金屬孔腔中之適當數量的氣動力及壓力，該膜片450、晶片、及外殼將全部採用相同之形狀，且該發射器420及光電池440間之間隙將為均勻的(但不須平坦的)。

該熱流入該外殼、經過該熱介面材料410、及進入該發射器420。其係接著輻射越過次微米真空間隙至該光電池440，其中部份該能量被轉換成電力及藉由該膜片表面上之金屬化而取走。該熱之其餘部份通過該膜片450、液體金屬、銅、銅栓銷、及進入正不斷地被補充之冷卻水。

如果該等光電池440係全部串連地放入，則旁路二極體能被連接在每一列電池之端部，使得如果在一列內之光電池440故障，該列之所有光電池能被繞過，且該電流將被傳送至該下一列光電池。

翻至圖6，圖6說明被安裝在其總成的末端上之整個四邊形微米間隙熱光電裝置600。在圖6中所顯示者係發射器陣列410、420、膜片及光電總成440、450、液體金屬室460、散熱器470、水分配外殼510、氣動室540、電氣連接件610、及氣動連接件620、630。

該線性致動器包括馬達及導螺桿，且被安置在該水分配外殼510的內側。其目的係控制在該膜片450後方之液體的數量。該致動器驅動一被附接至滾動隔膜的活塞。該 隔膜的內部係以液體金屬充填，該液體金屬能被泵吸經過導通至該液體金屬室460/膜片450的通道。為增加或減少在該膜片450後方之液體金屬的數量，該致動器被分別往外或朝內驅動。該致動器亦被使用來控制該液體金屬中之壓力。一模具彈簧係在該線性致動器及該活塞之間。來自該致動器的力量通過該彈簧及進入該活塞，以致該彈簧總是被壓縮。這允許該致動器調整該液體金屬壓力，縱使該活塞保持固定不動。該模具彈簧之壓縮係直接與該液體金屬壓力有關。

翻至圖7，圖7說明該等各種零件，其被組裝以形成四邊形微米間隙熱光電裝置700。這些零件包含光電陣列710與散熱器頂部715、散熱器底部720、水外殼頂部蓋件735、伺服計量(servometer)伸縮軟管725、水外殼側面蓋件730、水外殼740、伸縮軟管連接器745、伺服計量伸縮軟管750、及伸縮軟管管件755。

翻至圖8，圖8說明一完全組裝的四邊形微米間隙熱光電裝置800。如在圖8中所顯示，四邊形微米間隙熱光電裝置包含光電陣列710與散熱器頂部715、伺服計量伸縮軟管725、水外殼側面蓋件730、水外殼740、及至外部控制模組的電氣與氣動連接件770。

翻至圖9，圖9說明在其外殼內之單一四邊形微米間隙熱光電裝置900，並已移除該外殼之頂部蓋件。所顯示者係圖8中所示之完全被組裝的四邊形微米間隙熱光電裝置800、熱的外殼910、水冷卻劑連接件930、940、及真空通 口920。未示出者係一至氣動控制模組的連接件。

翻至圖10，圖10說明經過爐壁滑入其熱的外殼之四邊形微米間隙熱光電裝置模組1000。所顯示者係四邊形微米間隙熱光電裝置800、熱的外殼1020、爐壁1030、四邊形微米間隙熱光電裝置模組附接件910、水冷卻劑連接件930、940、及至電力設備、真空控制模組、與氣動控制模組1010的連接件。

翻至圖11，圖11顯示一包含四個四邊形微米間隙熱光電裝置及冷卻劑連接件1100的模組。其可包含高達四個雙側式四邊形微米間隙熱光電裝置模組800及冷卻劑連接件1130、1140。

翻至圖12，圖12顯示被連接至共用之冷卻劑管線的四邊形微米間隙熱光電裝置模組1200之陣列。其顯示被連接至共用之冷卻劑管線1230、1240的24個四邊形微米間隙熱光電裝置模組800。雖然每一個四邊形微米間隙熱光電裝置含有光電池及發射器晶片之陣列，一面板可含有M x N陣列之四邊形微米間隙熱光電裝置，其中M及N係大於或等於一。四邊形微米間隙熱光電裝置陣列可藉由冷卻管被連接在一起，使得該等單元被串連或平行地冷卻。

翻至圖13，圖13顯示被連接至包括一或多個四邊形微米間隙熱光電裝置1300的微米間隙熱光電面板所需之控制模組。所顯示者係微米間隙熱光電面板1350、冷卻控制模組1310、真空控制模組1320、及氣動壓力控制模組1330。

104‧‧‧熱光電裝置

106‧‧‧微米間隙熱光電裝置

110‧‧‧煤炭

120‧‧‧核能

130‧‧‧工業製程

140‧‧‧太陽之熱

150‧‧‧黑體

160‧‧‧光電裝置

170‧‧‧本體

180‧‧‧間隙間距

190‧‧‧大尺寸的間隙

195‧‧‧微米尺寸間隙

200‧‧‧具體實施例

210‧‧‧熱介面

215‧‧‧輻射放射層

220‧‧‧間隔件

225‧‧‧光電池

230‧‧‧膜片

235‧‧‧液體金屬室

240‧‧‧散熱器

245‧‧‧冷卻劑室

250‧‧‧冷卻劑室密封件

255‧‧‧氣動室撓性密封件

260‧‧‧氣動室

265‧‧‧氣動室固定的密封件

270‧‧‧冷卻水歧管

300‧‧‧具體實施例

305‧‧‧微米間隙熱光電裝置

310‧‧‧熱通量

320‧‧‧熱的側面

330‧‧‧冷的側面

340‧‧‧循環水

350‧‧‧循環水

360‧‧‧輸出功率

370‧‧‧輸出功率

400‧‧‧具體實施例

410‧‧‧石墨介面

420‧‧‧輻射放射層

430‧‧‧微米間隙

440‧‧‧光電池

450‧‧‧膜片

460‧‧‧液體金屬室

470‧‧‧散熱器

500‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

510‧‧‧冷卻水歧管

530‧‧‧氣動次組件

540‧‧‧氣動次組件

550‧‧‧氣動次組件

560‧‧‧伸縮軟管連接器

570‧‧‧伸縮軟管

600‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

610‧‧‧電氣連接件

620‧‧‧氣動連接件

630‧‧‧氣動連接件

700‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

710‧‧‧光電陣列

715‧‧‧散熱器頂部

720‧‧‧散熱器底部

725‧‧‧伺服計量伸縮軟管

730‧‧‧水外殼側面蓋件

735‧‧‧水外殼頂部蓋件

740‧‧‧水外殼

745‧‧‧伸縮軟管連接器

750‧‧‧伺服計量伸縮軟管

755‧‧‧伸縮軟管管件

770‧‧‧電氣與氣動連接件

800‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

900‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

910‧‧‧熱的外殼

920‧‧‧真空通口

930‧‧‧水冷卻劑連接件

940‧‧‧水冷卻劑連接件

1000‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

1010‧‧‧氣動控制模組

1020‧‧‧熱的外殼

1030‧‧‧爐壁

1100‧‧‧冷卻劑連接件

1130‧‧‧冷卻劑連接件

1140‧‧‧冷卻劑連接件

1200‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置模組

1230‧‧‧冷卻劑管線

1240‧‧‧冷卻劑管線

1300‧‧‧四邊形微米間隙熱光電裝置

1310‧‧‧冷卻控制模組

1320‧‧‧真空控制模組

1330‧‧‧氣動壓力控制模組

1350‧‧‧微米間隙熱光電面板

用於本發明之本質及目的之進一步了解，應會同所附圖面參考以下之詳細敘述，在該等圖面中，類似元件被給與相同或類似之參考數字，且其中：圖1說明按照本發明之熱光電及微米間隙熱光電技術；圖2A說明單側式微米間隙熱光電裝置之具體實施例；圖2B說明雙側式微米間隙熱光電裝置之具體實施例；圖3說明該微米間隙熱光電裝置之操作的一具體實施例300；圖4說明“四個一組的(Quad)”微米間隙熱光電裝置的前端之截面視圖的實用具體實施例；圖5係四邊形微米間隙熱光電裝置的截面視圖500；圖6說明被安裝在其總成的端部上之整個四邊形微米間隙熱光電裝置：圖7說明被組裝以形成四邊形微米間隙熱光電裝置之各種零件；圖8說明一完全組裝之四邊形微米間隙熱光電裝置；圖9說明在其外殼內之單一四邊形微米間隙熱光電裝置，並使其頂部蓋件被移除；圖10說明經過爐壁滑入其熱的外殼之四邊形微米間隙熱光電裝置模組；圖11顯示一包含四個四邊形微米間隙熱光電裝置及冷卻劑連接件的模組；圖12顯示被連接至共用之冷卻劑管線的一陣列之四邊 形微米間隙熱光電裝置模組；及圖13顯示被連接至包括一或多個四邊形微米間隙熱光電裝置的微米間隙熱光電面板所需之控制模組。

110‧‧‧煤炭

120‧‧‧核能

130‧‧‧工業製程

140‧‧‧太陽之熱

150‧‧‧黑體

160‧‧‧光電裝置

170‧‧‧本體

180‧‧‧間隙間距

190‧‧‧大尺寸的間隙

Claims (23)

1. 一種使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，包括以下步驟：藉由輻射放射層之收集表面收集來自殼體的內表面之熱能，該殼體的外表面被暴露至熱能來源；將光電池之接收表面與該輻射放射層的放射表面之間維持一間隙；藉由該接收表面接收來自該放射表面的電磁輻射，用於藉由該光電池產生電力；藉由一線性致動器在該光電池上提供壓力，用於保持該輻射放射層之收集表面與該殼體的內表面密切接觸和用於使該光電池的冷卻最大化；及在與該光電池熱接觸之散熱器上提供壓力，用於使冷卻最大化。
2. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括在該放射表面及該接收表面之間建立一真空，用於使熱傳導減至最小。
3. 如申請專利範圍第2項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，其中該真空係少於10^-3托耳。
4. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括在該殼體的內側維持真空。
5. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，其中介於該光電池之該接收表 面與該輻射放射層之該放射表面之間的該間隙係在0.10至0.30微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括藉由使用間隔件來維持介於該光電池之該接收表面與該輻射放射層之該放射表面之間的該間隙。
7. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括在輻射放射層之收集表面及該殼體的內表面之間置入一熱介面。
8. 如申請專利範圍第7項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，其中該熱介面包括熱傳導之石墨。
9. 如申請專利範圍第1項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括藉由將冷卻劑液體循環經過散熱器孔腔來減少該光電池與該散熱器之溫度。
10. 如申請專利範圍第9項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之方法，另包括經由使用伸縮軟管及水分配外殼來分配冷卻劑液體。
11. 一種使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，包括：輻射放射層之收集表面，用於由殼體的內表面收集熱能，該殼體的外表面被暴露至熱能來源；一間隙，其係經維持以介於光電池之接收表面與該輻射放射層的放射表面之間； 來自該放射表面的電磁輻射，被該接收表面所接收，用於藉由該光電池產生電力；該光電池經加壓以用於保持該輻射放射層之該收集表面與該殼體的該內表面密切接觸和用於使該光電池的冷卻最大化；散熱器，其係經加壓以與該光電池熱接觸，進而使冷卻最大化；及冷卻劑液體，其係經由使用伸縮軟管及水分配外殼來分配。
12. 如申請專利範圍第11項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，另包括在輻射放射層之收集表面及該殼體的內表面之間置入一熱介面。
13. 如申請專利範圍第12項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中該熱介面係由熱傳導之石墨所組成。
14. 如申請專利範圍第11項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中在該放射表面及該接收表面之間維持真空。
15. 如申請專利範圍第11項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中在該殼體內維持真空。
16. 如申請專利範圍第11項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，另包括間隔件，用於維持介於該光電池之該接收表面與該輻射放射層的該放射表面之間的該間隙。
17. 如申請專利範圍第11項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中該光電池係藉由線性致動器及以液體金屬充填的孔腔來加壓。
18. 一種使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，包括一用於圍繞四邊形微米間隙熱光電裝置之零組件的殼體，該裝置包括：發射器晶片陣列，其係經維持以與該殼體密切的熱接觸；膜片及光電陣列，其係藉由間隔件以與該發射器晶片陣列隔開；液體金屬室，其與該膜片接觸，用於維持該發射器晶片陣列與該殼體密切的熱接觸；散熱器，用於接收冷卻該膜片、該液體金屬室及該光電陣列用之冷卻劑液體；水分配外殼，用於經由伸縮軟管分配冷卻劑液體至該散熱器；氣動次組件，用於維持該散熱器與該冷卻劑液體和光電陣列密切接觸；及線性致動器，用於維持該氣動次組件中之壓力。
19. 如申請專利範圍第18項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中在該殼體內維持真空。
20. 如申請專利範圍第18項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中該膜片係藉由該線性致動器及以液體金屬充填的孔腔來加壓。
21. 如申請專利範圍第18項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中該四邊形微米間隙熱光電裝置含有多數光電陣列及發射器晶片陣列。
22. 如申請專利範圍第18項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，其中該殼體為M x N陣列之四邊形微米間隙熱光電裝置，其中M及N係大於或等於一。
23. 如申請專利範圍第18項使用次微米間隙熱光電技術將熱能轉換成電力之裝置，另包括冷卻控制模組、真空控制模組、及氣動壓力控制模組。