用于熱光伏器件的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置以及包括其的熱光伏器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于熱光伏器件的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置以及包括這種能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置的熱光伏器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對電力的高需求以及甚至對清潔的0)2中性能源的更高需求，收集能量的效率扮演越來越重要的角色。隨著許多工業(yè)化國家逐漸力求從核電力生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，對替代能源的需求超過以往。然而，迄今為止已知的真正切實可行的替代能源即使有也是極少數(shù)。諸如風力發(fā)電機或太陽能電站的許多“經(jīng)典”可再生能源具有顯著的缺點，從而妨礙了其推廣。
[0003]甚至，即使諸如風力發(fā)電機或太陽能電站的“經(jīng)典”可再生能源的這些缺點被解決，仍存在這些可再生能源可用的地點常與需要電能的地點迥然不同的大問題。發(fā)電地點與能量消耗者之間的遙遠距離需要非常復雜、昂貴且環(huán)境不友好的基礎(chǔ)設施來輸送生成的電能。另外，不管最近這些基礎(chǔ)設施的改進，在電能的長距離輸送中仍存在顯著的損耗。因此，迫切需要分散式能量生產(chǎn)。換言之，能量生產(chǎn)的未來在于盡可能靠近消耗者來生成能量。這不僅降低/消除了傳輸損耗，而且在確保更高水平的靈活性的同時減輕了電網(wǎng)的負擔。
[0004]對于分散式能量生產(chǎn)而言極為引人關(guān)注的領(lǐng)域之一是熱光伏器件的領(lǐng)域，被設計為將儲存在燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為電磁輻射，然后轉(zhuǎn)化為電力的器件。然而，現(xiàn)有熱光伏器件的相對降低的效率限制了它們的使用和大規(guī)模部署。
[0005]另外，從便攜式電子裝置到電動重型機械，對移動能量載體/發(fā)電機的需求越來越大。還需要多用途能量生成器，以用于選擇性地或同時生成熱；和/或光和/或電。
[0006]至于效率，這些化學能至電能轉(zhuǎn)換器的效率的最成問題的方面是一方面化學能轉(zhuǎn)換成電磁輻射的效率低，另一方面電磁輻射轉(zhuǎn)換成電力的效率低。
[0007]要解決的技術(shù)問題
[0008]因此，本發(fā)明的目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置，其使得能夠利用熱光伏元件將化學能高效地轉(zhuǎn)化成電力。
[0009]本發(fā)明的另一目的是提供一種包括這種能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置的熱光伏器件。
[0010]本發(fā)明的又一目的是提供一種選擇性地和/或同時生成熱、光和電力的熱光伏系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的上述目的通過一種能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置來解決，該能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置包括:光譜整形器，其具有限定流通熱傳遞區(qū)域的輸入表面3.X ;和電磁輻射發(fā)射器，其布置在所述流通熱傳遞區(qū)域內(nèi)從而能夠暴露于熱輻射，所述電磁輻射發(fā)射器被配置為在暴露于高溫時發(fā)射主要近紅外輻射。
[0012]所述光譜整形器在暴露于高溫時被配置成針對所述電磁輻射發(fā)射器所發(fā)射的第一最佳譜帶的輻射的帶通濾波器。所述光譜整形器還被配置成針對所述電磁輻射發(fā)射器所發(fā)射的另外的非最佳譜帶的輻射的反射器，使得隨著輻射被朝著所述電磁輻射發(fā)射器重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用。
[0013]本發(fā)明的所述另一目的通過一種熱光伏器件來解決，該熱光伏器件包括這種能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置以及在其電磁輻射發(fā)射器的輻射方向上與所述能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置相鄰地布置的光伏電池。
[0014]本發(fā)明的所述又一目的通過一種熱光伏系統(tǒng)來解決，該熱光伏系統(tǒng)包括這種熱光伏器件以及被布置為將可燃燃料混合物從所述燃料源朝著所述流通熱傳遞區(qū)域的輸入側(cè)引導的燃料源，其中，所述燃料源和/或所述流通熱傳遞區(qū)域被配置為使得燃燒被基本上限制到所述熱傳遞-發(fā)射器單元的表面，從而使得氣相的燃料混合物的燃燒最小化。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明的最重要的優(yōu)點在于通過優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換的所有階段以使各個階段的損耗最小化而實現(xiàn)了非常聞的效率:
[0017]I)化學能轉(zhuǎn)換為熱輻射:
[0018]通過將化學能載體(燃料)的燃燒過程集中到面向流通熱傳遞區(qū)域的表面(表面3.X和2)和/或抑制氣相的燃燒反應，燃料與熱傳遞-發(fā)射器單元之間的熱進而能量傳遞被最大化，同時作為排放氣體的熱損耗被最小化；
[0019]II)熱能轉(zhuǎn)換為電磁輻射:
[0020]利用被配置為發(fā)射主要近紅外輻射的適當電磁輻射發(fā)射器，轉(zhuǎn)化成電磁輻射的熱能的量被最大化；
[0021]III)將電磁輻射的光譜整形并且重復利用最終損耗:
[0022]-利用光譜整形器，該光譜整形器被配置成針對第一最佳譜帶的輻射的帶通濾波器；和/或
[0023]-通過向光譜整形器提供自發(fā)射材料，例如氧化鐿Yb2O3或鉬
[0024]為了通過光伏電池將電磁輻射有效轉(zhuǎn)化成電能，對發(fā)射的電磁輻射的光譜進行整形。
[0025]另外，通過將光譜整形器配置成針對電磁輻射發(fā)射器所發(fā)射的另外的非最佳譜帶的輻射的反射器，隨著輻射被朝著電磁輻射發(fā)射器重新引導，非最佳譜帶輻射被重復利用，從而進一步使損耗最小化。
【附圖說明】
[0026]將在下面通過說明書并且通過參照附圖來詳細描述本發(fā)明的另外的特性和優(yōu)點。附圖不出:
[0027]圖1根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置的示意性截面圖；
[0028]圖2A根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置的示意性立體圖；
[0029]圖2B具有第二實施方式的電磁輻射發(fā)射器的熱傳遞-發(fā)射器單元的示意性立體圖；
[0030]圖3根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的示意性截面圖；
[0031]圖4根據(jù)本發(fā)明的熱光伏器件的示意性截面圖；
[0032]圖5根據(jù)本發(fā)明的熱光伏器件的示意性立體圖；
[0033]圖6根據(jù)本發(fā)明的熱光伏系統(tǒng)的示意性立體圖。
[0034]注釋:附圖未按比例繪制，僅提供作為例示，并且僅用于更好的理解，而不是用于限定本發(fā)明的范圍。不應從這些附圖暗示對本發(fā)明的任何特征的限制。
【具體實施方式】
[0035]在本專利申請中將使用特定術(shù)語，其構(gòu)成不應被解釋為所選擇的特定術(shù)語的限制，而是涉及特定術(shù)語背后的一般概念。
[0036]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置10的示意性截面圖。能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置10的主要功能元件是光譜整形器3和電磁輻射發(fā)射器2。
[0037]同樣如圖1所示，能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置的另一主要功能元件，光譜整形器3被布置為使得輸入表面3.X與所述電磁輻射發(fā)射器2相鄰。2與3.X之間的能量傳遞主要通過熱致電磁輻射來進行。
[0038]光譜整形器3包括限定流通熱傳遞區(qū)域X的輸入表面3.X。光譜整形器3具有以下功能:
[0039]-在暴露于高溫時充當針對電磁輻射發(fā)射器2所發(fā)射的第一最佳譜帶的輻射的帶通濾波器。這在圖中利用實線波浪箭頭來示出；
[0040]-充當針對電磁輻射發(fā)射器2所發(fā)射的另外的非最佳譜帶的輻射的反射器，使得隨著輻射被朝著電磁輻射發(fā)射器2重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用；和/或
[0041]-根據(jù)尤其有利的實施方式，充當發(fā)射器本身，光譜整形器3包括選擇性發(fā)射器材料層，例如含稀土的層，優(yōu)選地為氧化鐿(Yb2O3)或鉬發(fā)射器層和/或納米結(jié)構(gòu)過濾層。
[0042]電磁輻射發(fā)射器2實現(xiàn)表面特定燃料燃燒過程，例如將發(fā)射器加熱至高溫的催化轉(zhuǎn)化。它包括提供足夠穩(wěn)定性的材料和/或它包括由耐高溫材料(優(yōu)選地陶瓷材料)制成的基板，并且被支持表面特定燃料燃燒過程的材料涂覆。另外，此電磁輻射發(fā)射器2還可本身充當光譜整形器(同樣為3)，其可支持光譜整形器3的功能或者將其全部代替。還存在可能2和3 —起充當光腔型結(jié)構(gòu)以增強能量轉(zhuǎn)換處理和光譜整形功能。
[0043]可選地，對主要近紅外輻射透明的阻隔層3.1 (優(yōu)選地石英阻隔層3.1)被設置在熱傳遞-發(fā)射器單元2與光譜整形器3之間，以便抑制熱傳導以及應對可能的熱膨脹所引起的力并且甚至更好地濾除/反射電磁輻射發(fā)射器2所發(fā)射的所有非最佳譜帶的輻射，使得隨著輻射被朝著電磁輻射發(fā)射器2重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用。
[0044]圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置10的示意性立體圖。
[0045]附圖描繪了在電磁輻射發(fā)射器2的相對側(cè)上設置有對稱光譜整形器3的能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置10的功能和結(jié)構(gòu)上對稱的實施方式，其中，電磁輻射發(fā)射器2被布置為在兩個相反方向上發(fā)射主要近紅外輻射。圖2B所示的實施方式是兩側(cè)對稱的實施方式。能量轉(zhuǎn)換和傳遞布置10可具有其它對稱(例如，六邊形、八邊形、橢球形)或不對稱體的形狀。
[0046]該