用于热光伏器件的多层结构以及包括其的热光伏器件的制作方法
【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0)2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。
[0005]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。
[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
[0022]-通过向光谱整形器提供自发射材料，例如氧化镱Yb2O3或铂
[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。
[0024]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】
[0025]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:
[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】
[0042]在本专利申请中将使用特定术语，其构成不应被解释为受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。
[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2.1o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，电磁福射发射器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。电磁福射发射器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