專利名稱：太陽熱集熱體以及太陽光熱發電模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及吸收太陽光中的紅外線波長區域的光并將其作為熱能進行集熱，并將 熱能供應到以熱能為熱源的熱電發電系統的太陽光熱復合發電系統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電模塊集熱體構造。
背景技術：
以往作為將太陽光能高效率地轉換為電能的裝置，人們提出了太陽光熱復合發電 系統(參照專利文獻1、2)，它擁有將太陽光能轉換為電能的太陽電池和熱電發電元件，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換為電能，紅外線照射到熱電發電元件以轉換為電能。在這種太 陽光熱復合發電系統中，將太陽熱作為熱源的熱電發電系統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聚光并分離的紅外線波長區域的光， 并以熱能形式高效率地供應到熱電發電元件。另外，太陽熱集熱體暴露在600°C或者600°C 以上的高溫大氣環境下或者真空環境下，或者從常溫到1000°C的溫度落差大的循環環境下。作為以往的太陽熱的集熱體，人們已知有高熱傳導率且均質的金屬材料(例如 金、銀、銅、鋁等)、紅外線的吸收率高的均質材料(例如石墨等)或者在高熱傳導率的均質 材料的表面生成了石墨層的集熱體。但是，高熱傳導率金屬材料的集熱體雖能夠把熱能高 效率地傳導至熱電發電元件，但是存在紅外線吸收率低的問題。一般的高熱傳導率金屬材 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 高溫大氣環境下由于碳元素和氧元素反應而發生侵蝕，存在裝置壽命短的問題。并且，因為 熱傳導率比較抵，所以在熱能向熱電發電元件供應方面存在問題。另外，在高熱傳導率金屬 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，并利用高熱傳導率材料 把熱能高效地供應到熱電發電元件，但是在高溫大氣環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電系統中，太陽熱集熱體由于暴露在溫度落差大的循環環境 下，因此在金屬材料和石墨層的界面發生熱應力，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到熱電發電元件的問題。專利文獻1 日本特開平10-110670號公報專利文獻2 日本特開平11-31835號公報在太陽光熱復合發電系統中，太陽熱集熱體需要高效率地吸收紅外線波長區域的 光，并以熱能形式高效率地供應到熱電發電元件。另外，太陽熱集熱體由于暴露在1000°c的 高溫大氣環境下和從室溫到1000°c的溫度落差大的循環環境下，因此存在氧化、侵蝕、涂層 剝離的問題。

發明內容
于是，本發明所要解決的問題是(1)解決高熱傳導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、石墨涂層高熱傳導率金屬材料的集 熱體存在的在高溫大氣環境下的侵蝕、裝置壽命低的問題；(3)解決石墨涂層高熱傳導率 金屬材料的集熱體存在的在溫度落差大的循環環境下的金屬材料和石墨層的界面的熱應 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(紅外線波長區域)高效率 地供應到熱電發電元件。解決上述問題的技術方案1涉及的本發明的太陽光熱發電系統中的太陽熱集熱 體的特征在于，包括母材，其由高熱傳導率的金屬材料形成；紅外線吸收膜層，其在該母 材表面上由紅外線波長區域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成。技術方案2的發明的特征在于，在技術方案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。技術方案3的發明的特征在于，在技術方案1或2記載的太陽熱集熱體中，由上述 高熱傳導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。技術方案4的發明的特征在于，在技術方案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合的非氧化物陶瓷。技術方案5的發明的特征在于，在技術方案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境下氧化開始溫度高 的非氧化物陶瓷材料。技術方案6的發明的特征在于，在技術方案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置深度達到該太陽熱集熱體的中心部附近 的空洞。另外，技術方案7的發明的特征在于，在技術方案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、橢圓柱形等適當形狀。解決上述問題的技術方案8記載的本發明的太陽光熱發電模塊，在技術方案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電元件，并在該熱電發電元件的低溫端配置冷卻 塊。根據技術方案1的發明，通過由高熱傳導率的金屬材料形成的母材和紅外線波長 區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(紅外線波長區域)高效率地供應到熱電發電元件，還能夠抑制 紅外線吸收膜在高溫大氣環境下的氧化、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率的金屬材料所致的紅外線吸 收率低的問題。另外，關于高溫大氣環境下的氧化、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。根據技術方案2的發明，由于在金屬材料母材和非氧化物陶瓷層之間設置用于緩 和熱應力的梯度層，因此能夠防止由溫度落差大的循環環境下的熱應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。根據技術方案3的發明，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率更高，把被照射的熱能更有效地供應到熱電發電元件。技術方案4的發明所采用的非氧化物陶瓷材料具有紅外線吸收率高達90%以上 且氧化開始溫度高達500°C以上，而且熱傳導率高的特征。因而，根據技術方案4的發明，能 夠大幅改善以往的太陽熱集熱體存在的使用高熱傳導率的金屬材料所致的紅外線吸收率 低的問題。根據技術方案5的發明，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境下的氧化、侵蝕、裝置壽命低。根據技術方案6的發明，通過在太陽熱集熱體的太陽熱照射面上設置深度到達太 陽熱集熱體的中心部附近的空洞，從而能夠把太陽熱(紅外線波長區域)照射到集熱體內 部，能夠把熱能高效地供應到熱電發電元件。根據技術方案7的發明，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電元件，能夠從多方向向其側面照射太陽熱，緊湊且能夠把太 陽熱更高效地供應到熱電發電元件。根據技術方案8的發明，能夠得到即使在高溫環境下、宇宙真空環境下、溫度落差 大的循環環境下也具有耐久性，并且能夠有效地發電，而且非常小型且能夠獲得高發電量 的太陽光熱發電模塊。


圖1是表示利用了本發明實施方式涉及的太陽熱集熱體的太陽光熱復合發電系 統的動作原理的圖。圖2是表示利用了本發明實施方式的太陽熱集熱體的熱電發電模塊的剖面構造 的圖。圖3 (a)是本發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太陽電池發電部；6可視 光線區域的太陽光；7熱電發電模塊；8紅外線區域的太陽光；9太陽熱集熱體；10熱電發電 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，參照附圖詳細說明本發明的實施方式。首先，通過圖1說明本發明實施方式的太陽熱集熱體的太陽光熱復合發電系統的 概況。如圖1所示，本實施方式的太陽光熱復合發電系統的構造包括菲涅耳透鏡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、配置成高溫側與該太陽熱集熱 體接觸的熱電發電元件10以及在該熱電發電元件的低溫端配置的冷卻塊11形成的熱電發 電模塊7。本實施方式的太陽光熱復合發電系統構成為菲涅耳透鏡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域和紅外線區域的波長 選擇濾光器4進行分離。另外，本實施方式的構造是在太陽電池發電部5中使用可視光線 區域的太陽光6發電，在熱電發電模塊7中使用紅外線區域的太陽光8發電。由此利用一 般的太陽光系統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 以往更多的發電量。圖2、圖3中表示使用本發明的太陽熱集熱體9的熱電發電模塊7的細節圖。熱電 發電模塊7的構造包括把紅外線區域的太陽光8集熱并對熱電發電元件10的高溫側進行 加熱的太陽熱集熱體9、熱電發電元件10、冷卻熱電發電元件的低溫側的冷卻塊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。由此緊湊地構成熱電發 電模塊7并能夠獲得高發電量。
優選本發明的太陽光熱復合發電系統通過構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分離的紅外線區域的太陽光8，通過把其高 效率地供應到熱電發電元件10，從而能夠有效地加熱高溫部，并且緊湊地形成系統整體且 能夠獲得高發電量，但是本發明不限于上述實施方式。其次，參照附圖更詳細地說明本發明的太陽熱集熱體的構造。圖3(a)和圖3(b) 是表示本發明的太陽熱集熱體9的構造圖，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的構造包括高熱傳導率的金屬材料母材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 外線波長區域)高效地傳導至熱電發電元件的空洞16。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優選比鐵熱傳導率高的金屬材料，一般 更優選使用從金、銀、銅、鎳、鋁中選擇的單體或者合金等高熱傳導率的金屬材料，但是優選 基于熱電發電元件的使用溫度區域使集熱體的熱傳導率、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，其優選從紅外線波長區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90%以上且氧化開 始溫度高達500°C以上，而且熱傳導率高的特征。優選梯度層15由母材側表面為母材成分而紅外線吸收膜側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 的方式連續變化的梯度材料構成。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，因此優選根據材料的種類對層數進行最優 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。產業上的可利用性本發明的太陽熱集熱體構造能用于利用了太陽光熱的產業、家庭用太陽光熱復合發電系統。另外，也能用于以太陽熱能為能源的熱電子發電系統、燃氣輪機發電系統。
權利要求
一種太陽熱集熱體，是太陽光熱發電系統中的太陽熱集熱體，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域的吸收率高的非氧化物陶瓷形成。
2.根據權利要求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.根據權利要求1或2所述的太陽熱集熱體，其中，由所述高熱傳導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.根據權利要求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合的非氧化物陶瓷。
5.根據權利要求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境下氧化開始溫度高 的非氧化物陶瓷材料。
6.根據權利要求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置深度達到該太陽熱集熱體的中心部附近 的空洞。
7.根據權利要求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。
8.一種太陽光熱發電模塊，其特征在于，在權利要求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電元件，并在該熱電發電元 件的低溫端配置冷卻塊。
全文摘要
本發明提供一種太陽熱集熱體和太陽光熱發電模塊。太陽熱集熱體能夠防止太陽熱集熱構造中紅外線吸收率低、高溫大氣環境下侵蝕、裝置壽命低、溫度落差大的循環環境下的界面的熱應力所致的層間剝離，把被照射吸收的紅外線波長區域高效地供應到熱電發電元件。太陽熱集熱體形成由高熱傳導率的金屬材料母材(13)、在該母材表面由紅外線波長區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置深度達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 優先權日2009年5月14日
發明者唐新峰, 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:獨立行政法人宇宙航空研究開發機構;武漢理工大學;清華大學