用于热光伏器件的多层结构以及包括其的热光伏器件 |
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申请号 | CN201380043194.7 | 申请日 | 2013-08-12 | 公开(公告)号 | CN104603540A | 公开(公告)日 | 2015-05-06 |
申请人 | 三角资源控股(瑞士)公司; | 发明人 | R·霍尔茨纳; U·魏德曼; | ||||
摘要 | 一种用于热光伏器件的多层结构(10),该多层结构(10)包括热传递-发射器单元(2)和 光谱 整形器(3)。所述热传递-发射器单元(2)包括:腔室 外壳 (2.1),其由耐高温材料制成,限定流通热传递室(2.2);电磁 辐射 发射器(2.3),其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(3)与所述 电磁辐射 发射器(2.3)相邻布置并且与所述电磁辐射发射器(2.3)热连接,其中,所述光谱整形器(3)被配置成针对最佳谱带的辐射的带通 滤波器 ,并被配置成针对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(2.3)重新引导,所述第二非最佳谱带辐射被重复利用。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于热光伏器件的多层结构(10),该多层结构(10)包括: |
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说明书全文 | 用于热光伏器件的多层结构以及包括其的热光伏器件技术领域[0001] 本发明涉及用于热光伏器件的多层结构以及包括这种多层结构的热光伏器件。 背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0006] 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。 [0007] 要解决的技术问题 [0008] 因此,本发明的目的是提供一种用于热光伏器件的多层结构,其使得能够利用热光伏元件将化学能高效地转化成电力。 [0009] 本发明的另一目的是提供一种包括这种多层结构的热光伏器件。 [0010] 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[0011] 本发明的上述目的通过一种用于热光伏器件的多层结构来解决,该多层结构包括热传递-发射器单元,该热传递-发射器单元具有由耐高温材料,优选地陶瓷材料制成的腔室外壳,该腔室外壳限定流通热传递室,该腔室外壳具有至少一个内表面和一个外表面。所述多层结构还包括:电磁辐射发射器,其与所述腔室外壳的外表面相邻布置并且与所述外表面热连接,所述电磁辐射发射器被配置为在经由与所述腔室外壳的所述热连接暴露于高温时发射主要近红外辐射;光谱整形器,其被布置为使得输入表面与所述电磁辐射发射器相邻并且与所述电磁辐射发射器热连接。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;和/或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。所述多层结构优选地设置有将化学能载体(燃料)的燃烧过程集中到所述流通热传递室的表面的装置。 [0012] 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多层结构以及在其电磁辐射发射器的辐射方向上与所述多层结构相邻地布置的光伏电池。 [0013] 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室的输入侧引导的燃料源,其中,所述燃料源和/或所述流通热传递室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。 [0014] 有益效果 [0015] 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: [0016] I)化学能转换为热辐射: [0017] 通过将化学能载体(燃料)的燃烧过程集中到流通热传递室的表面和/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; [0018] II)热能转换为电磁辐射: [0019] 利用热传递-发射器单元的适当结构,该热传递-发射器单元包括被配置为发射主要近红外辐射的电磁辐射发射器,转化成电磁辐射的热能的量被最大化; [0020] III)将电磁辐射的光谱整形并且重复利用最终损耗: [0021] -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 [0023] 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。 [0026] 图1根据本发明的多层结构的示意性截面图; [0027] 图2包括附接有光谱整形器的热传递-发射器单元的多层结构的示意性顶视图; [0028] 图3A具有第一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; [0029] 图3B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; [0030] 图4附接有光谱整形器的多层结构的另一实施方式的示意性顶视图; [0031] 图5附接有光谱整形器的多层结构的又一实施方式的示意性顶视图; [0032] 图6A具有多个流通热传递室的热传递-发射器单元的另一实施方式的示意性顶视图; [0033] 图6B具有多个流通热传递室的热传递-发射器单元的另一实施方式的示意性顶视图; [0034] 图6C具有多个流通热传递室的热传递-发射器单元的另一实施方式的示意性立体图; [0035] 图7根据本发明的光伏电池的示意性截面图; [0036] 图8A根据本发明的热光伏器件的示意性截面图; [0037] 图8B本发明的热光伏器件的优选实施方式的示意性立体图; [0038] 图9热光伏器件的另一实施方式的示意性顶视图; [0039] 图10热光伏器件的另一实施方式的示意性顶视图; [0040] 图11根据本发明的热光伏系统的示意性立体图。 [0041] 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[0043] 图1示出根据本发明的多层结构10的示意性截面图。多层结构10的主要功能元件是热传递-发射器单元2和光谱整形器3。 [0044] 热传递-发射器单元2包括由耐高温材料,优选地陶瓷材料制成的腔室外壳2.1。如图2至图3B示例性示出的,具有至少一个内表面和一个外表面的腔室外壳2.1限定流通(flow-through)热传递室2.2. [0045] 同样如图1所示,多层结构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与所述电磁辐射发射器2.3相邻并且与所述电磁辐射发射器2.3热连接。 [0046] 光谱整形器3具有以下功能: [0047] -在暴露于高温时充当针对电磁辐射发射器2.3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; [0048] -充当针对电磁辐射发射器2.3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2.3重新引导,所述第二非最佳谱带辐射被重复利用。这在图中利用以虚线绘制的箭头来示出;和/或 [0049] -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。 [0050] 图2描绘了包括多层结构10的示意性顶视图,描绘了光谱整形器3如何附接到热传递-发射器单元2。热传递-发射器单元2的另一必要元件是电磁辐射发射器2.3,电磁辐射发射器2.3与所述腔室外壳2.1的外表面相邻布置并且与该外表面热连接。电磁辐射发射器2.3被配置为在经由与所述腔室外壳2.1的所述热连接暴露于高温时发射主要近红外辐射。图2象征性地(利用波浪箭头)示出来自电磁辐射发射器2.3的电磁辐射的辐射方向。 [0051] 可选地,尤其对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,以便提供热传导阻隔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2.3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2.3重新引导,所述第二非最佳谱带辐射被重复利用。 [0052] 图3A示出具有第一实施方式的电磁辐射发射器2.3的热传递-发射器单元2的示意性立体图。 [0053] 图上利用波浪虚线示出可燃燃料混合物在流通热传递室2.2的所述输入侧2.4流入,而利用波浪点划线示出排放气体在流通热传递室2.2的所述排放侧2.5流出。 [0054] 腔室外壳2.1由耐高温(优选地陶瓷)材料制成,其被配置为向电磁辐射发射器2.3提供足够的稳定性。另外,腔室外壳2.1将来自流通热传递室2.2的热均匀地分配给电磁辐射发射器2.3,以使得电磁辐射发射器2.3发射电磁辐射。 [0055] 在本发明的优选实施方式中,热传递室2.2的内表面被设置有用于将化学能载体(燃料)的燃烧过程集中到流通热传递室2.2的表面的装置,以便使热传递室2.2内的化学能载体(燃料)与腔室外壳2.1以及电磁辐射发射器2.3之间的热传递最大化。将化学能载体(燃料)的燃烧过程集中到表面的所述装置优选地通过流通热传递室2.2的内表面上的催化涂层来实现。 [0056] 图3B示出具有第二实施方式的电磁辐射发射器2.3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2.3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2.3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。 [0057] 图4描绘了在对称热传递-发射器单元2的相对侧上附接有对称光谱整形器3的多层结构10的功能和结构上对称的实施方式的示意性顶视图,其中,电磁辐射发射器2.3被布置为在两个相反方向上发射主要近红外辐射。图4所示的实施方式是两侧对称的实施方式,而图5示出布置成十字形状的多层结构10的又一实施方式的示意性顶视图,其中光谱整形器3布置在十字的各个方向上。多层结构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。 [0058] 图6A和图6B示出具有多个流通热传递室2.2的热传递-发射器单元2的各种实施方式的示意性顶视图。 [0059] 图6C示出具有图6B的多个流通热传递室2.1的热传递-发射器单元2的另一实施方式的示意性立体图。 [0060] 图7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2.3(如后续图中所示)的辐射方向上与所述多层结构10相邻布置。其电磁辐射发射器2.3的辐射方向利用波浪箭头来示出。光伏电池7包括布置在多层结构10的光谱整形器3和/或电磁辐射发射器2.3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,以便改进将来自多层结构10的“光谱整形的”辐射转化为电能的效率。 [0061] 在其最优选的实施方式中(如图7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,该第一表面朝向多层结构10的光谱整形器3和/或电磁辐射发射器2.3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这些孔传递能量,并且在膜的相对侧上再辐射。基于要透射穿过减反射层7.1的发射的波长来确定这些孔的间距。 [0062] 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。 [0063] 图8A和图8B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包括多层结构10(如上所述)以及在其电磁辐射发射器2.3的辐射方向上与所述多层结构10相邻布置的光伏电池7(如上所述)。 [0064] 如图8A和图8B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石英板的形式)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被设置在多层结构10的光谱整形器3与光伏电池7之间。 [0065] 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被设置在多层结构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被配置为吸收多层结构10的光谱整形器3和/或电磁辐射发射器2.3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。 [0066] 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1.1以及1.2的后面。 [0067] 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。 [0068] 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11描述)。 [0069] 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。 [0070] 图9示出热光伏器件100的另一实施方式的示意性顶视图,其相对于热传递-发射器单元2在结构和功能上对称地布置,在各个对称方向上具有一个光伏电池7。在对称热传递-发射器单元2的相对侧上附接有谱整形器3以及其它可选层的多层结构10,热传递-发射器单元2的电磁辐射发射器2.3被布置为在两个相反方向上发射主要近红外辐射。 [0071] 图9所示的实施方式是两侧对称的实施方式,而图10示出布置成十字形状的热光伏器件100的又一实施方式的示意性顶视图,其中光谱整形器3和光伏电池7布置在十字的各个方向上。 [0072] 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11描述),热光伏器件100的布置可这样实现,其中,针对多功能热光伏系统200的一个或更多个功能优化十字的各个“臂”。因此,热光伏系统200可选择性地或同时: [0073] -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)提供热辐射; [0074] -在光伏电池7的输出端子处提供电能; [0075] -提供可见光谱的光(即,电磁辐射)。 [0076] 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。 [0077] 图11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朝着流通热传递室2.2的输入侧2.4引导。流通热传递室2.2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。 [0078] 燃料源50是化学能源,其中,化学能载体是诸如甲醇的化石燃料。 [0079] 如图11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室2.2的排放侧2.5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2.4。 [0080] 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室2.2的所述排放侧2.5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。 [0081] 量化示例: [0082] 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: [0083] -在光伏电池7的输出端子处生成大约1kWh电能; [0084] -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 [0085] -在冷凝器单元60的输出侧生成大约1L纯水。 [0087] 附图标记列表: [0088] 多层结构 10 [0089] 全反射器 1.1,1.2 [0090] 热传递-发射器单元 2 [0091] 腔室外壳 2.1 [0092] 流通热传递室 2.2 [0093] 电磁辐射发射器 2.3 [0094] 输入侧 2.4 [0095] 排放侧 2.5 [0096] 光谱整形器 3 [0097] 阻隔层 3.1 [0098] 热传导阻隔 4 [0099] 光谱滤波器 5 [0100] 主动冷却层 6 [0101] 冷却剂输入 6.1 [0102] 冷却剂输出 6.2 [0103] 光伏电池 7 [0104] 减反射层 7.1 [0105] 前平面触点 7.3 [0106] 转换区域 7.5 [0107] 后平面电触点 7.7 [0108] 反射层 7.9 [0109] 热光伏器件 100 [0110] 热光伏系统 200 [0111] 燃料源 50 [0112] 余热回收单元 55 [0113] 冷凝器单元 60 |