專利名稱：太陽熱集熱體以及太陽光熱發(fā)電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸收太陽光中的紅外線波長區(qū)域的光并將其作為熱能進(jìn)行集熱，并將 熱能供應(yīng)到以熱能為熱源的熱電發(fā)電系統(tǒng)的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中的太陽熱集熱體以 及利用了該太陽熱集熱體的太陽光熱發(fā)電模塊集熱體構(gòu)造。
背景技術(shù)：
以往作為將太陽光能高效率地轉(zhuǎn)換為電能的裝置，人們提出了太陽光熱復(fù)合發(fā)電 系統(tǒng)(參照專利文獻(xiàn)1、2)，它擁有將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的太陽電池和熱電發(fā)電元件，利 用紅外線選擇透射膜(波長選擇反射透射膜)將太陽光分離為紅外線和可視光線，使可視 光線照射到太陽電池以轉(zhuǎn)換為電能，紅外線照射到熱電發(fā)電元件以轉(zhuǎn)換為電能。在這種太 陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中，將太陽熱作為熱源的熱電發(fā)電系統(tǒng)需要使用太陽熱集熱體，上述 太陽熱集熱體高效率地吸收利用太陽光聚光分離系統(tǒng)聚光并分離的紅外線波長區(qū)域的光， 并以熱能形式高效率地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。另外，太陽熱集熱體暴露在600°C或者600°C 以上的高溫大氣環(huán)境下或者真空環(huán)境下，或者從常溫到1000°C的溫度落差大的循環(huán)環(huán)境下。作為以往的太陽熱的集熱體，人們已知有高熱傳導(dǎo)率且均質(zhì)的金屬材料(例如 金、銀、銅、鋁等)、紅外線的吸收率高的均質(zhì)材料(例如石墨等)或者在高熱傳導(dǎo)率的均質(zhì) 材料的表面生成了石墨層的集熱體。但是，高熱傳導(dǎo)率金屬材料的集熱體雖能夠把熱能高 效率地傳導(dǎo)至熱電發(fā)電元件，但是存在紅外線吸收率低的問題。一般的高熱傳導(dǎo)率金屬材 料的紅外線吸收率為百分之幾 幾十。另外，石墨的集熱體雖然其紅外線吸收率高，但是在 高溫大氣環(huán)境下由于碳元素和氧元素反應(yīng)而發(fā)生侵蝕，存在裝置壽命短的問題。并且，因為 熱傳導(dǎo)率比較抵，所以在熱能向熱電發(fā)電元件供應(yīng)方面存在問題。另外，在高熱傳導(dǎo)率金屬 材料上生成了石墨層的集熱體，雖然能夠利用石墨層吸收紅外線，并利用高熱傳導(dǎo)率材料 把熱能高效地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件，但是在高溫大氣環(huán)境下石墨層的侵蝕成為問題。并且， 在將太陽熱作為熱源的熱電發(fā)電系統(tǒng)中，太陽熱集熱體由于暴露在溫度落差大的循環(huán)環(huán)境 下，因此在金屬材料和石墨層的界面發(fā)生熱應(yīng)力，存在石墨層剝離的問題。另外，以往的太 陽熱集熱體的照射太陽熱(紅外線波長區(qū)域)的面為平面。因此，存在被照射、吸收的太陽 熱無法高效率地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件的問題。專利文獻(xiàn)1 日本特開平10-110670號公報專利文獻(xiàn)2 日本特開平11-31835號公報在太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中，太陽熱集熱體需要高效率地吸收紅外線波長區(qū)域的 光，并以熱能形式高效率地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。另外，太陽熱集熱體由于暴露在1000°c的 高溫大氣環(huán)境下和從室溫到1000°c的溫度落差大的循環(huán)環(huán)境下，因此存在氧化、侵蝕、涂層 剝離的問題。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明所要解決的問題是(1)解決高熱傳導(dǎo)率金屬材料的太陽熱集熱體存在的紅外線吸收率低的問題；(2)解決石墨集熱體、石墨涂層高熱傳導(dǎo)率金屬材料的集 熱體存在的在高溫大氣環(huán)境下的侵蝕、裝置壽命低的問題；(3)解決石墨涂層高熱傳導(dǎo)率 金屬材料的集熱體存在的在溫度落差大的循環(huán)環(huán)境下的金屬材料和石墨層的界面的熱應(yīng) 力所致的石墨層剝離的問題；(4)能夠把被照射、吸收的太陽熱(紅外線波長區(qū)域)高效率 地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。解決上述問題的技術(shù)方案1涉及的本發(fā)明的太陽光熱發(fā)電系統(tǒng)中的太陽熱集熱 體的特征在于，包括母材，其由高熱傳導(dǎo)率的金屬材料形成；紅外線吸收膜層，其在該母 材表面上由紅外線波長區(qū)域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成。技術(shù)方案2的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1記載的太陽熱集熱體中，在上述母材 和紅外線吸收膜層之間連續(xù)或階段性地形成梯度層，上述梯度層是改變了作為母材的金屬 材料和紅外線吸收膜形成材料的混合比率的層。技術(shù)方案3的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1或2記載的太陽熱集熱體中，由上述 高熱傳導(dǎo)率的金屬材料形成的母材，由從銅、銀、鎳、鋁中選擇的單體或者合金形成。技術(shù)方案4的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1 3中任意一項所述的太陽熱集熱 體中，形成上述紅外線吸收膜層的非氧化物陶瓷材料是從二硼化鈦、碳化鈦、氮化鈦、碳化 鋯中選擇的單體或者復(fù)合的非氧化物陶瓷。技術(shù)方案5的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1 3中任意一項所述的太陽熱集熱 體中，形成上述紅外線吸收膜層的非氧化物陶瓷材料是在高溫大氣環(huán)境下氧化開始溫度高 的非氧化物陶瓷材料。技術(shù)方案6的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案1 5中任意一項所述的太陽熱集熱 體中，在上述太陽熱集熱體的太陽熱照射面上設(shè)置深度達(dá)到該太陽熱集熱體的中心部附近 的空洞。另外，技術(shù)方案7的發(fā)明的特征在于，在技術(shù)方案6所述的太陽熱集熱體中，上述 太陽熱集熱體兩端面呈平坦的柱狀，并在外周面上形成一個或多個上述空洞。柱形能夠采 用四棱柱形、其他的多棱柱形、圓柱形、橢圓柱形等適當(dāng)形狀。解決上述問題的技術(shù)方案8記載的本發(fā)明的太陽光熱發(fā)電模塊，在技術(shù)方案1至 7中任意一項所述的太陽熱集熱體的兩端面上，按熱電發(fā)電元件的高溫端與上述的太陽熱 集熱體的兩端面接觸的方式配置該熱電發(fā)電元件，并在該熱電發(fā)電元件的低溫端配置冷卻 塊。根據(jù)技術(shù)方案1的發(fā)明，通過由高熱傳導(dǎo)率的金屬材料形成的母材和紅外線波長 區(qū)域的吸收率高的非氧化物陶瓷材料的組合，從而高效率地吸收被照射的太陽熱，并且能 夠把被照射、吸收的太陽熱(紅外線波長區(qū)域)高效率地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件，還能夠抑制 紅外線吸收膜在高溫大氣環(huán)境下的氧化、侵蝕、裝置壽命低，從而能夠解決上述(1)、(2)和 (4)記載的所要解決的問題。通過使用紅外線波長區(qū)域的吸收率高的非氧化物陶瓷材料，從 而能夠大幅改善以往的太陽熱集熱體存在的使用高熱傳導(dǎo)率的金屬材料所致的紅外線吸 收率低的問題。另外，關(guān)于高溫大氣環(huán)境下的氧化、侵蝕、裝置壽命低，雖因使用的非氧化物 陶瓷材料的不同而不同，但與如石墨這樣的氧化開始溫度低的材料相比能夠大幅改善。根據(jù)技術(shù)方案2的發(fā)明，由于在金屬材料母材和非氧化物陶瓷層之間設(shè)置用于緩 和熱應(yīng)力的梯度層，因此能夠防止由溫度落差大的循環(huán)環(huán)境下的熱應(yīng)力所致的紅外線吸收膜的剝離，與在金屬材料上形成了石墨膜的太陽熱集熱體相比，能夠大幅改善太陽熱集熱 體的裝置壽命。因而，能夠解決上述(3)記載的所要解決的問題。根據(jù)技術(shù)方案3的發(fā)明，作為母材采用了從銅、銀、鎳、鋁中選擇的單體或者合金， 因此能夠使母材的熱傳導(dǎo)率更高，把被照射的熱能更有效地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。技術(shù)方案4的發(fā)明所采用的非氧化物陶瓷材料具有紅外線吸收率高達(dá)90%以上 且氧化開始溫度高達(dá)500°C以上，而且熱傳導(dǎo)率高的特征。因而，根據(jù)技術(shù)方案4的發(fā)明，能 夠大幅改善以往的太陽熱集熱體存在的使用高熱傳導(dǎo)率的金屬材料所致的紅外線吸收率 低的問題。根據(jù)技術(shù)方案5的發(fā)明，通過采用這些材料，從而能夠有效地抑制紅外線吸收膜層在高溫大氣環(huán)境下的氧化、侵蝕、裝置壽命低。根據(jù)技術(shù)方案6的發(fā)明，通過在太陽熱集熱體的太陽熱照射面上設(shè)置深度到達(dá)太 陽熱集熱體的中心部附近的空洞，從而能夠把太陽熱(紅外線波長區(qū)域)照射到集熱體內(nèi) 部，能夠把熱能高效地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。根據(jù)技術(shù)方案7的發(fā)明，通過把太陽熱集熱體形成為兩端面平坦的柱狀，從而能 夠在平坦的兩面配置熱電發(fā)電元件，能夠從多方向向其側(cè)面照射太陽熱，緊湊且能夠把太 陽熱更高效地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。根據(jù)技術(shù)方案8的發(fā)明，能夠得到即使在高溫環(huán)境下、宇宙真空環(huán)境下、溫度落差 大的循環(huán)環(huán)境下也具有耐久性，并且能夠有效地發(fā)電，而且非常小型且能夠獲得高發(fā)電量 的太陽光熱發(fā)電模塊。


圖1是表示利用了本發(fā)明實施方式涉及的太陽熱集熱體的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系 統(tǒng)的動作原理的圖。圖2是表示利用了本發(fā)明實施方式的太陽熱集熱體的熱電發(fā)電模塊的剖面構(gòu)造 的圖。圖3 (a)是本發(fā)明實施方式涉及的太陽熱集熱體的俯視剖視圖，(b)是其A-A剖面 圖。附圖符號說明1太陽光；2菲涅耳透鏡；3反射鏡；4波長選擇濾光器；5太陽電池發(fā)電部；6可視 光線區(qū)域的太陽光；7熱電發(fā)電模塊；8紅外線區(qū)域的太陽光；9太陽熱集熱體；10熱電發(fā)電 元件；11冷卻塊；12隔熱件；13金屬材料母材；14紅外線吸收膜；15梯度層；16空洞
具體實施例方式下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。首先，通過圖1說明本發(fā)明實施方式的太陽熱集熱體的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的 概況。如圖1所示，本實施方式的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造包括菲涅耳透鏡2 ；把利 用該菲涅耳透鏡2聚光的太陽光線向波長選擇濾光器4反射的反射鏡3 ；把被該反射鏡3反 射的太陽光線分離為可視光線和紅外線并將可視光線反射而將紅外線透射的波長選擇濾 光器4 ；在被該波長選擇濾光器4分離并反射的可視光線的照射位置配置的太陽電池發(fā)電部5 ；以及由同樣配置在紅外線照射位置的太陽熱集熱體9、配置成高溫側(cè)與該太陽熱集熱 體接觸的熱電發(fā)電元件10以及在該熱電發(fā)電元件的低溫端配置的冷卻塊11形成的熱電發(fā) 電模塊7。本實施方式的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成為菲涅耳透鏡2跟蹤太陽，并利用菲涅 耳透鏡2、反射鏡3把太陽光1聚光并集熱，利用分離為可視光線區(qū)域和紅外線區(qū)域的波長 選擇濾光器4進(jìn)行分離。另外，本實施方式的構(gòu)造是在太陽電池發(fā)電部5中使用可視光線 區(qū)域的太陽光6發(fā)電，在熱電發(fā)電模塊7中使用紅外線區(qū)域的太陽光8發(fā)電。由此利用一 般的太陽光系統(tǒng)中無法使用的紅外線，從而使太陽能利用效率得以大幅提高，能夠獲得比 以往更多的發(fā)電量。圖2、圖3中表示使用本發(fā)明的太陽熱集熱體9的熱電發(fā)電模塊7的細(xì)節(jié)圖。熱電 發(fā)電模塊7的構(gòu)造包括把紅外線區(qū)域的太陽光8集熱并對熱電發(fā)電元件10的高溫側(cè)進(jìn)行 加熱的太陽熱集熱體9、熱電發(fā)電元件10、冷卻熱電發(fā)電元件的低溫側(cè)的冷卻塊11、以及降 低太陽熱集熱體9的熱損失的隔熱件12。另外，如下述圖3所示那樣，在本實施方式中，太 陽熱集熱體9被形成為四棱柱形，在其兩端面(上下端面)上分別配置熱電發(fā)電元件，從太 陽熱集熱體的周壁的四方照射被波長選擇濾光器4分離的紅外線。由此緊湊地構(gòu)成熱電發(fā) 電模塊7并能夠獲得高發(fā)電量。
優(yōu)選本發(fā)明的太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)通過構(gòu)成為上述實施方式那樣，從而通過太 陽熱集熱體9高效率地吸收被波長選擇濾光器4分離的紅外線區(qū)域的太陽光8，通過把其高 效率地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件10，從而能夠有效地加熱高溫部，并且緊湊地形成系統(tǒng)整體且 能夠獲得高發(fā)電量，但是本發(fā)明不限于上述實施方式。其次，參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明的太陽熱集熱體的構(gòu)造。圖3(a)和圖3(b) 是表示本發(fā)明的太陽熱集熱體9的構(gòu)造圖，圖3(a)是俯視圖，圖3(b)是其中央的A-A剖面 圖。太陽熱集熱體9的構(gòu)造包括高熱傳導(dǎo)率的金屬材料母材13、紅外線吸收膜14、金屬材 料母材和紅外線吸收膜材料的混合比率不同的梯度層15、用于把聚光并照射的太陽熱(紅 外線波長區(qū)域)高效地傳導(dǎo)至熱電發(fā)電元件的空洞16。在本實施方式中，太陽熱集熱體9 如圖所示上下兩端面被形成為四棱柱，在其四周壁的各自中心部把截面圓形的空洞16形 成為大致伸到中心部附近的深度。空洞的大小形成為下述大小，即透射過波長選擇濾光器 的紅外線聚光不碰到該圓形的空洞的周壁面，而伸到空洞的最深部即太陽熱集熱體9的中 心附近的大小。太陽熱集熱體9的上述金屬材料母材13優(yōu)選比鐵熱傳導(dǎo)率高的金屬材料，一般 更優(yōu)選使用從金、銀、銅、鎳、鋁中選擇的單體或者合金等高熱傳導(dǎo)率的金屬材料，但是優(yōu)選 基于熱電發(fā)電元件的使用溫度區(qū)域使集熱體的熱傳導(dǎo)率、比熱最佳化。另外，作為形成紅 外線吸收膜層14的非氧化物陶瓷材料，其優(yōu)選從紅外線波長區(qū)域的吸收率高的二硼化鈦 (TiB2)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、碳化鋯(&C)的非氧化物陶瓷材料中選擇的單體或者 復(fù)合的非氧化物陶瓷。這些非氧化物陶瓷材料具有紅外線吸收率高達(dá)90%以上且氧化開 始溫度高達(dá)500°C以上，而且熱傳導(dǎo)率高的特征。優(yōu)選梯度層15由母材側(cè)表面為母材成分而紅外線吸收膜側(cè)表面由形成紅外線吸 收膜的非氧化物陶瓷成分形成的，兩者的成分比例在層的厚度方向相互混合并以逐漸減少 的方式連續(xù)變化的梯度材料構(gòu)成。但是，也可層疊按照成分比例階段性地變化的方式改變兩者的成分比例的多個層而形成梯度層。在這種情況下，梯度層15的層數(shù)受到金屬材料 母材和紅外線吸收膜材料的熱膨脹率差的影響，因此優(yōu)選根據(jù)材料的種類對層數(shù)進(jìn)行最優(yōu) 化。在上述實施方式中，把太陽熱集熱體形成為四棱柱，并從其周壁四面照射紅外線， 但是不一定非照射四面也可以僅照射一面，沒有特別限定柱或者圓柱等的形態(tài)。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的太陽熱集熱體構(gòu)造能用于利用了太陽光熱的產(chǎn)業(yè)、家庭用太陽光熱復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)。另外，也能用于以太陽熱能為能源的熱電子發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種太陽熱集熱體，是太陽光熱發(fā)電系統(tǒng)中的太陽熱集熱體，其特征在于，所述太陽熱集熱體包括母材，其由高熱傳導(dǎo)率的金屬材料形成；紅外線吸收膜層，其在該母材表面由紅外線波長區(qū)域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽熱集熱體，其中，在所述母材和紅外線吸收膜層之間連續(xù)或階梯性地形成梯度層，所述梯度層是改變了 作為母材的金屬材料和紅外線吸收膜形成材料的混合比率的層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽熱集熱體，其中，由所述高熱傳導(dǎo)率的金屬材料形成的母材，由從銅、銀、鎳、鋁中選擇的單體或者合金 形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的太陽熱集熱體，其中，形成所述紅外線吸收膜層的非氧化物陶瓷材料是從二硼化鈦、碳化鈦、氮化鈦、碳化鋯 中選擇的單體或者復(fù)合的非氧化物陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的太陽熱集熱體，其中，形成所述紅外線吸收膜層的非氧化物陶瓷材料是在高溫大氣環(huán)境下氧化開始溫度高 的非氧化物陶瓷材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的太陽熱集熱體，其中，在所述太陽熱集熱體的太陽熱照射面上設(shè)置深度達(dá)到該太陽熱集熱體的中心部附近 的空洞。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽熱集熱體，其中，所述太陽熱集熱體兩端面呈平坦的柱狀，并在外周面上形成一個或多個所述空洞。
8.一種太陽光熱發(fā)電模塊，其特征在于，在權(quán)利要求1至7中任意一項所述的太陽熱集熱體的兩端面上，按熱電發(fā)電元件的高 溫端與所述的太陽熱集熱體的兩端面接觸的方式配置該熱電發(fā)電元件，并在該熱電發(fā)電元 件的低溫端配置冷卻塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽熱集熱體和太陽光熱發(fā)電模塊。太陽熱集熱體能夠防止太陽熱集熱構(gòu)造中紅外線吸收率低、高溫大氣環(huán)境下侵蝕、裝置壽命低、溫度落差大的循環(huán)環(huán)境下的界面的熱應(yīng)力所致的層間剝離，把被照射吸收的紅外線波長區(qū)域高效地供應(yīng)到熱電發(fā)電元件。太陽熱集熱體形成由高熱傳導(dǎo)率的金屬材料母材(13)、在該母材表面由紅外線波長區(qū)域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成的紅外線吸收膜層(14)，在它們之間形成改變了作為母材的金屬材料和紅外線吸收膜形成材料的混合比率的梯度層(15)，在上述太陽熱集熱體的太陽熱照射面上設(shè)置深度達(dá)到該集熱體的中心部附近的空洞(16)。
文檔編號F24J2/48GK101886849SQ20101010811
公開日2010年11月17日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者唐新峰, 張清杰, 新野正之, 木皿且人, 李敬鋒, 鈴木一行, 鈴木拓明 申請人:獨(dú)立行政法人宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu);武漢理工大學(xué);清華大學(xué)