用于热光伏器件的能量转换和传递布置以及包括其的热光伏器件

摘要

一种能量转换和传递布置(10)包括：光谱整形器(3)，其具有限定流通热传递区域(X)的输入表面(3.X)；以及电磁辐射发射器(2)，其被布置在所述流通热传递区域(X)内，从而实现表面特定燃料燃烧过程，例如将所述发射器加热至高温的催化转化，所述电磁辐射发射器(2)被配置为在暴露于高温时发射主要近红外辐射；其中，所述光谱整形器(3)在暴露于高温时被配置成针对所述电磁辐射发射器(2)所发射的第一最佳谱带的辐射的带通滤波器；和/或被配置成针对所述电磁辐射发射器(2)所发射的另外的非最佳谱带的辐射的反射器，使得随着辐射被朝着所述电磁辐射发射器(2)重新引导，所述第二非最佳谱带辐射被重复利用。

说明书

技术领域

本发明涉及用于热光伏器件的能量转换和传递布置以及包括这种能量转换和传 递布置的热光伏器件。

背景技术

随着对电力的高需求以及甚至对清洁的CO₂中性能源的更高需求，收集能量的 效率扮演越来越重要的角色。随着许多工业化国家逐渐力求从核电力生产转变，对替 代能源的需求超过以往。然而，迄今为止已知的真正切实可行的替代能源即使有也是 极少数。诸如风力发电机或太阳能电站的许多“经典”可再生能源具有显著的缺点，从 而妨碍了其推广。

甚至，即使诸如风力发电机或太阳能电站的“经典”可再生能源的这些缺点被解 决，仍存在这些可再生能源可用的地点常与需要电能的地点迥然不同的大问题。发电 地点与能量消耗者之间的遥远距离需要非常复杂、昂贵且环境不友好的基础设施来输 送生成的电能。另外，不管最近这些基础设施的改进，在电能的长距离输送中仍存在 显著的损耗。因此，迫切需要分散式能量生产。换言之，能量生产的未来在于尽可能 靠近消耗者来生成能量。这不仅降低/消除了传输损耗，而且在确保更高水平的灵活 性的同时减轻了电网的负担。

对于分散式能量生产而言极为引人关注的领域之一是热光伏器件的领域，被设计 为将储存在燃料中的化学能转化为电磁辐射，然后转化为电力的器件。然而，现有热 光伏器件的相对降低的效率限制了它们的使用和大规模部署。

另外，从便携式电子装置到电动重型机械，对移动能量载体/发电机的需求越来 越大。还需要多用途能量生成器，以用于选择性地或同时生成热；和/或光和/或电。

至于效率，这些化学能至电能转换器的效率的最成问题的方面是一方面化学能转 换成电磁辐射的效率低，另一方面电磁辐射转换成电力的效率低。

要解决的技术问题

因此，本发明的目的是提供一种能量转换和传递布置，其使得能够利用热光伏元 件将化学能高效地转化成电力。

本发明的另一目的是提供一种包括这种能量转换和传递布置的热光伏器件。

本发明的又一目的是提供一种选择性地和/或同时生成热、光和电力的热光伏系 统。

发明内容

本发明的上述目的通过一种能量转换和传递布置来解决，该能量转换和传递布置 包括：光谱整形器，其具有限定流通热传递区域的输入表面3.X；和电磁辐射发射器， 其布置在所述流通热传递区域内从而能够暴露于热辐射，所述电磁辐射发射器被配置 为在暴露于高温时发射主要近红外辐射。

所述光谱整形器在暴露于高温时被配置成针对所述电磁辐射发射器所发射的第 一最佳谱带的辐射的带通滤波器。所述光谱整形器还被配置成针对所述电磁辐射发射 器所发射的另外的非最佳谱带的辐射的反射器，使得随着辐射被朝着所述电磁辐射发 射器重新引导，所述第二非最佳谱带辐射被重复利用。

本发明的所述另一目的通过一种热光伏器件来解决，该热光伏器件包括这种能量 转换和传递布置以及在其电磁辐射发射器的辐射方向上与所述能量转换和传递布置 相邻地布置的光伏电池。

本发明的所述又一目的通过一种热光伏系统来解决，该热光伏系统包括这种热光 伏器件以及被布置为将可燃燃料混合物从所述燃料源朝着所述流通热传递区域的输 入侧引导的燃料源，其中，所述燃料源和/或所述流通热传递区域被配置为使得燃烧 被基本上限制到所述热传递-发射器单元的表面，从而使得气相的燃料混合物的燃烧 最小化。

有益效果

本发明的最重要的优点在于通过优化能量转换的所有阶段以使各个阶段的损耗 最小化而实现了非常高的效率：

I)化学能转换为热辐射：

通过将化学能载体(燃料)的燃烧过程集中到面向流通热传递区域的表面(表面 3.X和2)和/或抑制气相的燃烧反应，燃料与热传递-发射器单元之间的热进而能量传 递被最大化，同时作为排放气体的热损耗被最小化；

II)热能转换为电磁辐射：

利用被配置为发射主要近红外辐射的适当电磁辐射发射器，转化成电磁辐射的热 能的量被最大化；

III)将电磁辐射的光谱整形并且重复利用最终损耗：

-利用光谱整形器，该光谱整形器被配置成针对第一最佳谱带的辐射的带通滤 波器；和/或

-通过向光谱整形器提供自发射材料，例如氧化镱Yb₂O₃或铂

为了通过光伏电池将电磁辐射有效转化成电能，对发射的电磁辐射的光谱进行整 形。

另外，通过将光谱整形器配置成针对电磁辐射发射器所发射的另外的非最佳谱带 的辐射的反射器，随着辐射被朝着电磁辐射发射器重新引导，非最佳谱带辐射被重复 利用，从而进一步使损耗最小化。

附图说明

将在下面通过说明书并且通过参照附图来详细描述本发明的另外的特性和优点。 附图示出：

图1根据本发明的能量转换和传递布置的示意性截面图；

图2A根据本发明的能量转换和传递布置的示意性立体图；

图2B具有第二实施方式的电磁辐射发射器的热传递-发射器单元的示意性立体 图；

图3根据本发明的光伏电池的示意性截面图；

图4根据本发明的热光伏器件的示意性截面图；

图5根据本发明的热光伏器件的示意性立体图；

图6根据本发明的热光伏系统的示意性立体图。

注释：附图未按比例绘制，仅提供作为例示，并且仅用于更好的理解，而不是用 于限定本发明的范围。不应从这些附图暗示对本发明的任何特征的限制。

具体实施方式

在本专利申请中将使用特定术语，其构成不应被解释为所选择的特定术语的限 制，而是涉及特定术语背后的一般概念。

图1示出根据本发明的能量转换和传递布置10的示意性截面图。能量转换和传 递布置10的主要功能元件是光谱整形器3和电磁辐射发射器2。

同样如图1所示，能量转换和传递布置的另一主要功能元件，光谱整形器3被布 置为使得输入表面3.X与所述电磁辐射发射器2相邻。2与3.X之间的能量传递主要 通过热致电磁辐射来进行。

光谱整形器3包括限定流通热传递区域X的输入表面3.X。光谱整形器3具有以 下功能：

-在暴露于高温时充当针对电磁辐射发射器2所发射的第一最佳谱带的辐射的 带通滤波器。这在图中利用实线波浪箭头来示出；

-充当针对电磁辐射发射器2所发射的另外的非最佳谱带的辐射的反射器，使 得随着辐射被朝着电磁辐射发射器2重新引导，所述第二非最佳谱带辐射被重复利 用；和/或

-根据尤其有利的实施方式，充当发射器本身，光谱整形器3包括选择性发射 器材料层，例如含稀土的层，优选地为氧化镱(Yb₂O₃)或铂发射器层和/或纳米结构 过滤层。

电磁辐射发射器2实现表面特定燃料燃烧过程，例如将发射器加热至高温的催化 转化。它包括提供足够稳定性的材料和/或它包括由耐高温材料(优选地陶瓷材料) 制成的基板，并且被支持表面特定燃料燃烧过程的材料涂覆。另外，此电磁辐射发射 器2还可本身充当光谱整形器(同样为3)，其可支持光谱整形器3的功能或者将其 全部代替。还存在可能2和3一起充当光腔型结构以增强能量转换处理和光谱整形功 能。

可选地，对主要近红外辐射透明的阻隔层3.1(优选地石英阻隔层3.1)被设置在 热传递-发射器单元2与光谱整形器3之间，以便抑制热传导以及应对可能的热膨胀 所引起的力并且甚至更好地滤除/反射电磁辐射发射器2所发射的所有非最佳谱带的 辐射，使得随着辐射被朝着电磁辐射发射器2重新引导，所述第二非最佳谱带辐射被 重复利用。

图2A示出根据本发明的能量转换和传递布置10的示意性立体图。

附图描绘了在电磁辐射发射器2的相对侧上设置有对称光谱整形器3的能量转换 和传递布置10的功能和结构上对称的实施方式，其中，电磁辐射发射器2被布置为 在两个相反方向上发射主要近红外辐射。图2B所示的实施方式是两侧对称的实施方 式。能量转换和传递布置10可具有其它对称(例如，六边形、八边形、椭球形)或 不对称体的形状。

该附图很好地示出一对光谱整形器3如何限定具有输入侧X.4和输出侧X.5的流 通热传递区域X。附图上利用波浪虚线示出可燃燃料混合物在流通热传递区域X的 输入侧X.4流入，而利用波浪点划线示出排放气体在流通热传递区域X的所述排放 侧X.5流出。

图2B示出具有第二实施方式的电磁辐射发射器2的热传递-发射器单元2的示意 性立体图。根据此实施方式，电磁辐射发射器2包括从热传递-发射器单元2向外延 伸的翅片状结构，所述翅片状结构被设置为使电磁辐射发射器2的辐射表面最大化。 这些翅片状结构可以是各种二维或三维结构，并且可从纳米尺度扩展至宏观尺度。

图3示出根据本发明的示例性光伏电池7的示意性截面图，其将在其电磁辐射发 射器2(如后续图中所示)的辐射方向上与所述能量转换和传递布置10相邻布置。 其电磁辐射发射器2的辐射方向利用波浪箭头来示出。光伏电池7包括布置在能量转 换和传递布置10的光谱整形器3和/或电磁辐射发射器2的辐射方向上的转换区域 7.5。光伏电池7针对主要近红外辐射进行了优化，以便改进将来自能量转换和传递 布置10的“光谱整形的”辐射转化为电能的效率。

在其最优选的实施方式中(如图3所示)，光伏电池7包括位于转换区域7.5的 第一表面上的减反射层7.1，该第一表面朝向能量转换和传递布置10的光谱整形器3 和/或电磁辐射发射器2的所述辐射方向。在尤其优选的实施方式中，减反射层7.1 包括等离子体滤波器，其被配置为充当针对预定义的波长的辐射的减反射层，而反射 所述预定义的波长以外的辐射。例如，减反射层7.1包括穿有亚波长孔的阵列的金属 薄膜(优选地为金)。这些孔周期性地间隔开，使得当膜被照射时衍射可激发表面等 离子体。然后表面等离子体穿过孔传递能量，并且在膜的相对侧上再辐射。基于将透 射穿过减反射层7.1的发射的波长来确定这些孔的间距。

另外，光伏电池7包括在转换区域7.5的第二表面(位于与所述第一表面相反的 方向上)上的反射层7.9。另外，后平面电触点7.7被设置在例如所述转换区域7.5 与所述反射层7.9之间，并且其中，前平面电触点7.3被设置在例如所述减反射层7.1 与转换区域7.5之间。另选地(此图未示出)，后平面电触点和前平面电触点可均被 布置在所述转换区域7.5与所述反射层7.9之间，或者均被布置在所述减反射层7.1 与转换区域7.5之间。也可缺少上述功能层中的一些，或者多个功能可组合在一个层 中。

图4和图5分别示出根据本发明的热光伏器件100的示意性截面图和立体图，该 热光伏器件100包括能量转换和传递布置10(如上所述)以及在其电磁辐射发射器2 的辐射方向上与所述能量转换和传递布置10相邻布置的光伏电池7(如上所述)。

如图4和图5所示，在优选实施方式中，热传导阻隔4(例如，为真空或气凝胶 层或者诸如石英玻璃的另一透明材料的形式)被设置在所述光谱整形器3与光伏电池 7之间。在又一实施方式中，光谱滤波器5被设置在能量转换和传递布置10的光谱 整形器3与光伏电池7之间。

为了热光伏器件100的冷却和/或为了提供加热功能，主动冷却层6被设置在能 量转换和传递布置10的光谱整形器3与光伏电池7之间和/或朝着与光谱整形器3相 反的方向的光伏电池7的后侧，其中，所述主动冷却层6包括介于冷却剂输入6.1与 冷却剂输出6.2之间的冷却剂(例如，水或其它冷却剂)。冷却层6被配置为吸收能 量转换和传递布置10的光谱整形器3和/或电磁辐射发射器2所发射的较短波长的辐 射，通过热连接为光伏电池7提供冷却。

除了其它冷却手段以外或者独立地，针对接触冷却进行了优化的冷却层可被设置 在全反射器1的后面。

为了改进冷却层6的辐射吸收，在冷却层6中设置连接所述冷却剂输入6.1和所 述冷却剂输出6.2的微通道。

然而，也可采用此主动冷却层6来提供加热功能，其中在冷却剂输入6.1处使冷 却剂或简单地水变热，从而在冷却剂输出6.2处提供热。该选项将在热光伏系统200 中充分利用(在以下段落参照图6描述)。

在另外的实施方式(图上未示出)中，光谱整形器3和/或光伏电池7；和/或阻 隔层3.1；和/或热传导阻隔4被配置成优选地围绕电磁辐射发射器2同轴布置的开口 椭圆柱(优选地开口圆柱)。多边形结构也是可以的。热光伏器件100可具有其它对 称(例如，六边形、八边形、椭球形)或不对称体的形状。

应该注意到，热光伏器件100不能是完全对称的，特定层(例如，阻隔层3.1、 热传导阻隔4、光谱滤波器5或主动冷却层6)被设置在一个方向上，但是没有被设 置在其它方向上。

在被配置成便携式能源以同时或选择性地充当热源、电能源和光源的热光伏系统 200中(在以下段落中参照图6描述)，热光伏器件100的布置可这样实现，其中， 能量转换和传递布置10和整个热光伏器件100被配置为使得针对多功能热光伏系统 200的一个或更多个功能优化各个辐射方向上的不同侧。因此，热光伏系统200可选 择性地或同时：

-从热能源50和/或流通热传递区域X和/或通过冷却层(6)的冷却剂输出(6.2) 提供热辐射；

-在光伏电池7的输出端子处提供电能；

-提供可见光谱的光(即，电磁辐射)。

因此，这种热光伏系统200提供的能量的形式非常灵活，同时在各个操作模式(热 源/电力源/光源)下非常有效。

图6描绘了根据本发明的热光伏系统200的示意性立体图，该热光伏系统200 包括热光伏器件100(如上所述)和燃料源50，其被布置为将可燃燃料混合物从燃料 源50朝着流通热传递区域X的输入侧X.4引导。流通热传递区域X被配置为使得燃 烧被基本上限制到电磁辐射发射器2的表面，从而使得气相的燃料混合物的燃烧最小 化。

燃料源50是化学能源，其中，化学能载体优选地是诸如甲醇或氢的化石燃料。

如图6所示，热光伏系统200还包括余热回收单元55，余热回收单元55被配置 为从流通热传递区域X的排放侧X.5的排放气体回收热，并且将所述回收的热反馈 给所述输入侧X.4。

热光伏系统200的另一有利的实施方式另外包括冷凝器单元60，冷凝器单元60 被配置为通过使流通热传递区域X的所述排放侧X.5的排放气体中的蒸汽冷凝来回 收液体。例如在燃料为甲醇的情况下，铺设冷凝器单元60以用于使从甲醇的燃烧所 得到的水蒸气冷凝。这样，热光伏系统200也能够(同时或选择性地)充当纯水源。

量化示例：

在以甲醇作为燃料的具体示例中，在大约20％的效率下，根据本发明的热光伏系 统200燃烧1L的甲醇，将：

-在光伏电池7的输出端子处生成大约1kWh电能；

-从热能源50和/或流通热传递室2.2和/或通过冷却层6的冷却剂输出6.2生成 大约4kWh热；并且

-在冷凝器单元60的输出侧生成大约1L纯水。

将理解，在不脱离以下权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可基于上述特 定结构采取许多变化。

附图标记列表：

能量转换和传递布置  10

全反射器             1

电磁辐射发射器       2

流通热传递区域       X

   输入侧          X.4

   输出侧          X.5

电磁辐射发射器       2

光谱整形器           3

   输入表面        3.X

阻隔层             3.1

热传导阻隔           4

光谱滤波器           5

主动冷却层           6

   冷却剂输入      6.1

   冷却剂输出      6.2

光伏电池             7

   减反射层        7.1

   前平面触点      7.3

   转换区域        7.5

   后平面电触点    7.7

   反射层          7.9

热光伏器件         100

热光伏系统         200

燃料源              50

余热回收单元        55

冷凝器单元          60