用于熱光伏器件的多層結構以及包括其的熱光伏器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于熱光伏器件的多層結構以及包括這種多層結構的熱光伏器件。
【背景技術】
[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。隨著許多工業化國家逐漸力求從核電力生產轉變，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。諸如風力發電機或太陽能電站的許多“經典”可再生能源具有顯著的缺點，從而妨礙了其推廣。
[0003]甚至，即使諸如風力發電機或太陽能電站的“經典”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、昂貴且環境不友好的基礎設施來輸送生成的電能。另外，不管最近這些基礎設施的改進，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。換言之，能量生產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的負擔。
[0004]對于分散式能量生產而言極為引人關注的領域之一是熱光伏器件的領域，被設計為將儲存在燃料中的化學能轉化為電磁輻射，然后轉化為電力的器件。然而，現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換器的效率的最成問題的方面是一方面化學能轉換成電磁輻射的效率低，另一方面電磁輻射轉換成電力的效率低。
[0007]要解決的技術問題
[0008]因此，本發明的目的是提供一種用于熱光伏器件的多層結構，其使得能夠利用熱光伏元件將化學能高效地轉化成電力。
[0009]本發明的另一目的是提供一種包括這種多層結構的熱光伏器件。
[0010]本發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。

【發明內容】

[0011]本發明的上述目的通過一種用于熱光伏器件的多層結構來解決，該多層結構包括熱傳遞-發射器單元，該熱傳遞-發射器單元具有由耐高溫材料，優選地陶瓷材料制成的腔室外殼，該腔室外殼限定流通熱傳遞室，該腔室外殼具有至少一個內表面和一個外表面。所述多層結構還包括:電磁輻射發射器，其與所述腔室外殼的外表面相鄰布置并且與所述外表面熱連接，所述電磁輻射發射器被配置為在經由與所述腔室外殼的所述熱連接暴露于高溫時發射主要近紅外輻射；光譜整形器，其被布置為使得輸入表面與所述電磁輻射發射器相鄰并且與所述電磁輻射發射器熱連接。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射器所發射的第一最佳譜帶的輻射的帶通濾波器；和/或被配置成針對所述電磁輻射發射器所發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射器重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用。所述多層結構優選地設置有將化學能載體(燃料)的燃燒過程集中到所述流通熱傳遞室的表面的裝置。
[0012]本發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多層結構以及在其電磁輻射發射器的輻射方向上與所述多層結構相鄰地布置的光伏電池。
[0013]本發明的所述又一目的通過一種熱光伏系統來解決，該熱光伏系統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室的輸入側引導的燃料源，其中，所述燃料源和/或所述流通熱傳遞室被配置為使得燃燒被基本上限制到所述熱傳遞-發射器單元的表面，從而使得氣相的燃料混合物的燃燒最小化。
[0014]有益效果
[0015]本發明的最重要的優點在于通過優化能量轉換的所有階段以使各個階段的損耗最小化而實現了非常高的效率:
[0016]I)化學能轉換為熱輻射:
[0017]通過將化學能載體(燃料)的燃燒過程集中到流通熱傳遞室的表面和/或抑制氣相的燃燒反應，燃料與熱傳遞-發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；
[0018]II)熱能轉換為電磁輻射:
[0019]利用熱傳遞-發射器單元的適當結構，該熱傳遞-發射器單元包括被配置為發射主要近紅外輻射的電磁輻射發射器，轉化成電磁輻射的熱能的量被最大化；
[0020]III)將電磁輻射的光譜整形并且重復利用最終損耗:
[0021]-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
[0022]-通過向光譜整形器提供自發射材料，例如氧化鐿Yb2O3或鉑
[0023]為了通過光伏電池將電磁輻射有效轉化成電能，對發射的電磁輻射的光譜進行整形。
[0024]另外，通過將光譜整形器配置成針對電磁輻射發射器所發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】
[0025]將在下面通過說明書并且通過參照附圖來詳細描述本發明的另外的特性和優點。附圖示出:
[0026]圖1根據本發明的多層結構的示意性截面圖；
[0027]圖2包括附接有光譜整形器的熱傳遞-發射器單元的多層結構的示意性頂視圖；
[0028]圖3A具有第一實施方式的電磁輻射發射器的熱傳遞-發射器單元的示意性立體圖；
[0029]圖3B具有第二實施方式的電磁輻射發射器的熱傳遞-發射器單元的示意性立體圖；
[0030]圖4附接有光譜整形器的多層結構的另一實施方式的示意性頂視圖；
[0031]圖5附接有光譜整形器的多層結構的又一實施方式的示意性頂視圖；
[0032]圖6A具有多個流通熱傳遞室的熱傳遞-發射器單元的另一實施方式的示意性頂視圖；
[0033]圖6B具有多個流通熱傳遞室的熱傳遞-發射器單元的另一實施方式的示意性頂視圖；
[0034]圖6C具有多個流通熱傳遞室的熱傳遞-發射器單元的另一實施方式的示意性立體圖；
[0035]圖7根據本發明的光伏電池的示意性截面圖；
[0036]圖8A根據本發明的熱光伏器件的示意性截面圖；
[0037]圖8B本發明的熱光伏器件的優選實施方式的示意性立體圖；
[0038]圖9熱光伏器件的另一實施方式的示意性頂視圖；
[0039]圖10熱光伏器件的另一實施方式的示意性頂視圖；
[0040]圖11根據本發明的熱光伏系統的示意性立體圖。
[0041]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明的范圍。不應從這些附圖暗示對本發明的任何特征的限制。
【具體實施方式】
[0042]在本專利申請中將使用特定術語，其構成不應被解釋為受選擇的特定術語的限制，而是涉及特定術語背后的一般概念。
[0043]圖1示出根據本發明的多層結構10的示意性截面圖。多層結構10的主要功能元件是熱傳遞-發射器單元2和光譜整形器3。
[0044]熱傳遞-發射器單元2包括由耐高溫材料，優選地陶瓷材料制成的腔室外殼2.1o如圖2至圖3B示例性示出的，具有至少一個內表面和一個外表面的腔室外殼2.1限定流通(flow-through)熱傳遞室 2.2.
[0045]同樣如圖1所示，多層結構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與所述電磁輻射發射器2.3相鄰并且與所述電磁輻射發射器2.3熱連接。
[0046]光譜整形器3具有以下功能:
[0047]-在暴露于高溫時充當針對電磁輻射發射器2.3所發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；
[0048]-充當針對電磁輻射發射器2.3所發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射器2.3重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用。這在圖中利用以虛線繪制的箭頭來示出；和/或
[0049]-根據尤其有利的實施方式，充當發射器本身，光譜整形器3包括選擇性發射器材料層，例如含稀土的層，優選地為氧化鐿(Yb2O3)或鉑發射器層和/或納米結構過濾層。
[0050]圖2描繪了包括多層結構10的示意性頂視圖，描繪了光譜整形器3如何附接到熱傳遞-發射器單元2。熱傳遞-發射器單元2的另一必要元件是電磁輻射發射器2.3，電磁福射發射器2.3與所述腔室外殼2.1的外表面相鄰布置并且與該外表面熱連接。電磁福射發射器2.3被配置為在經由與所述腔室外殼2.1的所述熱連接暴露于高溫時發射主要近紅外輻射。圖2象征性地(利用波浪箭頭)示出來自電磁輻射發射器2.3的電磁輻射的輻射方向。
[0051]可選地，尤其對近紅外輻射透明的阻隔層3.1 (優選地石英阻隔層3.1)被設置在熱傳遞-發射器單元2與光譜整形器3之間，以便提供熱傳導阻隔以及應對可能的熱膨脹所引起的力并且甚至更好地濾除/反射電磁輻射發射器2.3所發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射器2.3重新引導，所述第二非最佳譜帶輻射被重復利用。
[0052]圖3A示出具有第一實施方式的電磁輻射發射器2.3的熱傳遞-發射器單元2的示意性立體圖。
[0053]圖上利用波浪虛線示出可燃燃料混合物在流通熱傳遞室2.2的所述輸入側2.4流入，而利用波浪點劃線示出排放氣