热电元件和热电发电系统的制作方法

本发明涉及一种热电元件和一种热电发电系统，更具体地涉及一种能够将光，诸如太阳光线和远红外光线的能量转换为热能和电能的热电元件，以及一种使用该热电元件的热电发电系统。

背景技术：

利用太阳光线的能量的装置大致被分为将太阳光线直接转换成电能的装置，以及将太阳光线转换成热能的装置。太阳能电池是前者的示例。后者的示例包括下列系统：

(a)利用太阳热产生温水和暖风，并且利用太阳热进行热水供应和空气调节的太阳热利用系统；和

(b)在利用太阳热的热电元件的两端产生温差，并且将温差转换为电能的热电发电系统。

在这些装置中，太阳能电池仅能够获得电力，并且太阳能电池不能有效地利用太阳能。太阳能热水器具有相对高的太阳能利用效率。然而，由于产生的温水比所需量更多，所以太阳能热水器作为整体不能有效地利用太阳能。另外，太阳能热水器不获得电力。此外，使用太阳能蒸汽涡轮的热发电需要大规模的设施。

相反，使用热电元件的热电发电系统具有系统能够获得电力和温水两者，并且不需要大规模设施的优点。因此，关于使用热电元件的热电发电系统，已经做出了各种提议。

例如，非专利文献1公开了使用置于真空容器内的太阳能吸收器将太阳光线转换为热，并且通过热电元件将热转换为电力的太阳能热电发电机(steg)。该文献中的steg实现4.6％的热电转换效率。

在该文献中，使用bi2te3基热电材料执行热电发电。然而，由于高温侧约为200℃，所以在热电元件中不产生大的温差，并且不能预期热电转换效率的显著提高。此外，由于不利用未被转换为电的热，所以太阳能的利用效率低。

非专利文献2公开了steg的热电转换效率的计算结果。该文献估计，能够通过使用由对光波长最优化的长通滤波器组成的太阳能吸收器抑制高温部分的辐射，并且在1000℃获得15.9％的转换效率。

然而，具有热阻并且其截止波长受精确控制的长通滤波器不存在，并且上述估计无效。此外，为了获得高热电转换效率，要求高温部分的温度升高；然而，问题的发生在于当高温部分的温度升高时，辐射导致的热损失增大。

专利文献1公开了一种使用太阳光线加热热电元件的高温侧，并且使用具有汤姆逊效应的热电材料冷却热电元件的低温侧的发电机。

该专利文献中的发电机移除通过热电元件照射的热，不将其通过利用汤姆逊效应的系统转换为电力，因此太阳能的利用效率低。

专利文献2公开了其中热电元件被布置在水管的外部外围表面上，并且太阳光线照射使用弯曲镜表面主体的热电元件的高温侧的供电设备。

在该专利文献中公开的供电设备中，当太阳光线的汇聚度低时，热电元件的高温侧的温度不升高，并且热电转换效率低。相反，当汇聚度高时，不能防止高温部分中的对流导致的热损失，这是因为热电元件未被置于真空容器中。此外，该供电设备也不具有防止由于辐射导致的热损失的功能。

专利文献3公开了一种太阳能热水器，其中向温水箱中的水在其中循环的循环通道提供太阳能热收集面，使用太阳能热由冷水产生温水，通过使用热电元件将冷水和温水之间的温差转换为电力，并且使用所获得的电力迫使温水循环。

在专利文献中公开的太阳能热水器中，由于不是所有的热都穿过热电元件，所以仅产生少量的电力。

专利文献4公开了一种其中太阳光线被汇聚的热水供应系统，通过使太阳光线中的红外光线通过波长选择镜入射在热电元件上，并且使得其余光入射在太阳能电池上而发电，并且进一步利用来自热电元件和太阳能电池的废热以供应热水。

在该专利文献中，未描述热水供应系统的实验结果。此外，在该专利文献中的热水供应系统中，热电元件的温度不升高，并且热电元件的发电效率低。此外，由于来自太阳能电池和热电元件的废热的温度低，所以通过使用利用二氧化碳作为冷却剂的热泵，热收集效率不令人满意。此外，由于热电元件和太阳能电池结合，所以系统的结构复杂。

专利文献5公开了一种热电联产系统，这种系统容纳能够将太阳能热作为化学能储存在反应器中的储热材料，并且通过热电元件将反应器中产生的热转换为电力。

由于该专利文献中公开的热电联产系统使用储热材料的可逆反应(例如，)执行储热和放热，所以系统具有热电元件的高温部分保持恒定，并且能够稳定地供应电力的优点。然而，在储热过程中导致能量损失，并且太阳能热能的利用效率低。

此外，专利文献6公开了一种使用光吸收器将太阳光线转换为热、通过热电元件将热转换为电力，进一步使流体(例如，水)在热电元件的低温侧上流动并且对流体加热的方法。

如上述现有技术文献中所公开的，当光吸收器和热电元件结合时，太阳能的利用效率能够被提高至特定程度。此外，当通过各种方法回收从热电元件的低温侧浪费的热时，太阳能的利用效率被进一步提高。

相反，为了进一步提高太阳能的利用效率，优选地，热电元件的高温部分的温度被升高至更高。然而，根据上述方法，由于随着高温部分的温度更高，辐射引起的热损失升高，所以利用效率的提高具有限制。

[引用列表]

[专利文献]

[专利文献1]日本未审专利申请公开号2013-004753

[专利文献2]日本未审专利申请公开号2012-222169

[专利文献3]日本未审专利申请公开号2002-106964

[专利文献4]日本未审专利申请公开号2010-190455

[专利文献5]日本未审专利申请公开号2012-211753

[专利文献6]日本未审专利申请公开号(pct申请的翻译)2010-529395

[非专利文献]

[非专利文献1]d.kraemer等人的《自然材料》(naturematerials)10532(2011)

[非专利文献2]l.l.baranowski等人的《能量环境科学》(energyenvironmentalscience)59055(2012)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够将光，诸如太阳光线和远红外光线的能量转换为热能和电能的热电元件，以及一种使用该热电元件的热电发电系统。

此外，本发明的另一目的在于降低热电元件和热电发电系统中的辐射引起的废热损失和热损失。

为了实现上述目的，根据本发明的热电元件具有下列配置。

(1)热电元件包括：

由热电材料制成并且具有从一个端面穿透至另一端面的通孔的热电构件，

被插入通孔内以使流体流动的管子，和

被设置至热电构件侧面的均热构件。

(2)管子还用作热电构件的一个电极，并且

均热构件还用作热电构件的另一电极。

(3)均热构件的表面包括被施加了黑化处理的黑化面，以及被施加了镜面抛光处理的镜面。

根据本发明的热电发电系统具有下列配置。

(1)热电发电系统包括：

具有用于将光采集到内部的采光窗的容器，

被容纳在容器内的根据本发明的热电元件，

用于将流体馈送到管子内的流体馈送器，以及

消耗由热电元件产生的电力的电力消耗源。

(2)热电元件被容纳在容器内，使得黑化面位于采光窗下面。

当光，诸如太阳光线和远红外光线照射热电元件的黑化面时，光被黑化面吸收，并且被转换为热能。这种热能被从黑化面传递至整个均热构件，并且基本均匀地加热热电元件的整个侧面。因此在热电元件的侧面和通孔的内表面之间出现温差(即，电动势)。

此外，虽然黑化面具有对光能的高吸收效率，但是辐射导致的热损失大。相反，虽然镜面具有对光能的低吸收效率，但是辐射导致的热损失小。因此，当黑化面在光接收面上形成，并且镜面在均热构件的表面上的其余部分中形成时，辐射导致的热损失能够被限制为最小。

此外，当使作为热交换介质的流体在被插入热电元件的基本中心的管子内流动，或者管子充满化学储热材料时，能够回收来自热电元件的低温侧的废热。

附图说明

图1a是示出根据本发明的第一实施例的热电元件的透视图，并且图1b是沿图1a中的线a-a'观察的截面图；

图2a是示出根据本发明的第二实施例的热电元件的透视图，并且图2b是沿图2a中的线a-a'观察的截面图；

图3a是示出根据本发明的第三实施例的热电元件的透视图，并且图3b是沿图3a中的线b-b'观察的截面图；

图4a是示出根据本发明的第四实施例的热电元件的透视图，并且图4b是沿图4a中的线b-b'观察的截面图；

图5a是示出根据本发明的第五实施例的热电元件的透视图，并且图5b是沿图5a中的线b-b'观察的截面图；

图6a和6b是示出根据本发明的第六实施例的热电元件的透视图；以及

图7a是示出根据本发明的第七实施例的热电元件的透视图，并且图7b是沿图7a中的线b-b'观察的截面图。

图8是示出根据本发明的一个实施例的热电发电系统的示意图；

图9示出入射能量和高温部分的温度tmax之间的关系；

图10示出入射能量的辐射损失、高温部分的温度tmax和辐射损失率(其中tc＝353k)；

图11示出对每个表面的反射率对波长的依赖性；以及

图12示出辐射损失率qr/qin对黑化处理比率sb/st的依赖性(其中tc＝353k)。

具体实施方式

下面将详细地描述本发明的一个实施例。

[1.热电元件]

根据本发明的热电元件具有下列配置。

(1)热电元件包括：

由热电材料制成并且具有从一个端面穿透至另一端面的通孔的热电构件，

被插入通孔内以使流体流动的管子，和

被设置至热电构件侧面的均热构件。

(2)管子还用作热电构件的一个电极，并且

均热构件还用作热电构件的另一电极。

(3)均热构件的表面包括被施加了黑化处理的黑化面，以及被施加了镜面抛光处理的镜面。

[1.1.热电构件]

[1.1.1.热电材料]

热电构件由热电材料制成。在本发明中，热电材料的类型不特别受限，并且能够根据对象使用各种材料。热电材料也可以是p型热电材料，或者也可以为n型热电材料。此外，多个热电构件也能够被安装在一个管子上/管子之上。在这种情况下，多个热电构件也可以都为p型热电材料或者n型热电材料，或者也可以为两者。

对于p型热电材料，例如，能够给出bi2te3基材料、pbte基材料、zn4sb3基材料、cosb3基材料、si-ge基材料、mn-si基材料和naco2o4基材料。

对于n型热电材料，例如，能够给出bi2te3基材料、pbte基材料、mg2si基材料、cosb3基材料、si-ge基材料、tinisn基材料和ba8ga16ge30基材料。

当热电构件包括由p型热电材料制成的一个或多个p型热电构件，以及由n型热电材料制成的一个或多个n型热电构件时，优选地，p型热电构件和n型热电构件被交替地安装在管子上/管子之上，并且这些热电构件串联地电连接。

当光照射热电构件的侧面时，该侧面(外部外围表面)变为高温部分，并且通孔的内表面变为低温部分。因此，当p型热电构件和n型热电构件被交替地安装在管子上/管子之上时，高温部分和低温部分被交替地连接，使得这些热电构件串联地电连接。

[1.1.2.形状]

热电材料的形状不特别受限，并且能够根据对象使用各种材料。热电构件的形状的示例包括下列形状：

(a)其中通孔在圆柱体的中心形成的圆柱体形状；和

(b)其中通孔在棱柱的中心形成的棱柱形状。

尤其是，由于圆柱体形状制造相对简单，并且能够易于使得温度分布均匀，所以适合用作热电构件的形状。

[1.1.3.通孔]

热电构件具有从一端面穿透至另一端面的通孔。对于通孔，也可以仅设置一个通孔，或者也可以设置两个或者更多通孔。

优选地，通孔在其中离侧面(外部外围表面)的距离尽可能地长，并且离侧面地距离尽可能地一致的位置形成。

例如，当热电构件的轴向方向中的截面(垂直于其中设置通孔的方向的截面)的轮廓为圆形，并且通孔的数目为1时，优选地，通孔形成为圆形的中心和通孔的中心一致。

或者当热电构件的轴向的截面是矩形并且通孔的数目为2或者更大时，优选地，通孔被布置成与长边平行，使得从长边和/或短边至每个通孔的最短距离基本一致。

[1.2.管子]

[1.2.1.流体]

管子被插入热电构件的通孔内。管子被设置成使流体在其中流动。流体的示例包括下列流体：

(a)用于从热电构件的低温侧(通孔的内表面)回收废热的热交换介质；和

(b)当管子充满如下文所述的化学储热材料时，用作化学储热材料的工作介质。

流体的类型不特别受限，并且能够根据对象选择最佳的一种。流体的示例包括下列流体：

(1)液体，诸如水、油、有机溶剂和熔盐；和

(2)气体，诸如蒸汽、氢气、二氧化碳和氨气。

[1.2.2.管子的材料]

管子将来自热电构件的热传输至流体(或者化学储热材料)，并且还用作热电构件的一个电极。因此，对于管子的材料，优选具有下列特性的材料(a)不被液体腐蚀或者被流体溶解，(b)具有比热电构件更高的导热率，(c)具有比热电构件更高的导电率，以及(d)具有对工作温度的耐热性。

只要满足上述条件，管子的材料不特别受限。对于管子的材料，例如，能够给出不锈钢、铜合金和铝合金。

[1.2.3.热电构件和管子的连接]

为了使管子用作电极，热电构件和管子需要被电连接。此外，为了降低热电构件和流体(或者化学储热材料)之间的热传递损失，优选地，热电构件和管子被热连接。

只要满足上述条件，则连接热电构件和管子的方法不特别受限。连接方法的示例包括下列方法：

(a)通过焊接或者铜焊结合热电构件和管子的方法；

(b)通过具有高导电率和高导热率的油脂填充热电构件和管子之间的间隙的方法；以及

(c)热压缩地结合热电构件和管子的方法。

[1.2.4.化学储热材料]

管子也可以被填充以化学储热材料。在这种情况下，“化学储热材料”的意思是当结合工作介质时产生热，并且当释放工作介质时吸热的材料。

当太阳光线照射热电元件的外部外围表面侧时，一部分太阳能热被转换为电能，并且残留的热被从通孔的内表面辐射。此时，当管子被填充以工作介质与其结合的化学储热材料时，由来自热电构件的废热加热化学储热材料。因此，从化学储热材料释放工作介质。即，来自热电构件的废热被作为化学能储存在化学储热材料中。

相反，当工作介质在夜间或者多云天气下供应到管子中时，工作介质被结合至化学储热材料，并且释放热。因此，在热电构件的内表面侧(高温部分)和外部外围表面侧(低温部分)之间实现温差。即，化学储热材料所具有的化学能被转换为电能。

在本发明中，化学储热材料的类型不特别受限，并且能够根据对象使用最佳材料。化学储热材料的示例包括下列材料：

(a)使用水、油、有机溶剂、熔盐等等作为工作介质的化学储热材料(例如，mgo、cao、mgcl2、cacl2、na2s、h2so4、sro和bao)；

(b)使用氢气作为工作介质的化学储热材料(例如，贮氢合金)；

(c)使用二氧化碳作为工作介质的化学储热材料(例如，mgo、cao和li4sio4)；以及

(d)使用氨气作为工作介质的化学储热材料(例如，氨络合物，诸如fecl2·nh3)。

[1.3.均热构件]

[1.3.1.材料]

均热构件被设置至热电构件的侧面(除了通孔在其上形成的端面之外的表面)。设置均热构件以便均匀地加热热电构件的侧面。由于热电构件通常具有低导热率，所以当光直接地照射热电构件的表面时，仅光接收面被局部加热。相反，当均热构件被设置至热电构件的侧面并且光照射均热构件的表面时，在光接收面上吸收的热也被传递至除了光接收面之外的表面。因此，热电构件的侧面能够被均匀地加热。

在这种情况下，“光接收面”的意思是0.01w/cm²或者更高的光能被入射在其上的表面。

可以自由地设置均热构件的厚度。然而，当均热构件太厚时，均热构件的表面的面积增大，并且辐射导致的热损失增大该量。在圆筒的情况下，优选等效于或者低于热电构件的半径的厚度，并且更优选等于或者低于热电构件的半径的1/10的厚度。

此外，均热构件均匀地加热热电构件的侧面，并且同时还用作热电构件的其它电极。因此，对于均热构件的材料，优选具有(a)高于热电构件导热率的导热率，(b)高于热电构件导电率的导电率，以及(c)对工作温度的耐热性的材料。

只要满足上述条件，则均热构件的材料不特别受限。对于均热构件的材料，例如，能够给出不锈钢、铜合金、铝合金、银合金、镍合金、碳材料和金合金。

均热构件也可以被设置至热电构件的整个侧面或者也可以被设置至一部分。然而，当热电构件的侧面的暴露面积过分地增大时，侧面的热平衡劣化，并且发电效率劣化。因而，优选地，均热构件的面积与热电构件的侧面的面积的比率(下文称为“覆盖系数”)为90％或者更高。覆盖系数优选为95％或者更高，并且更优选为99％或者更高。

[1.3.2.热电构件和均热构件的连接]

为了使均热构件用作电极，热电构件和均热构件需要被电连接。此外，为了降低热电构件和均热构件之间的热传递损失，优选地，热电构件和均热构件被热连接。

只要满足上述条件，则连接热电构件和均热构件的方法不特别受限。连接方法的示例包括下列方法：

(a)通过焊接或者铜焊结合热电构件和均热构件的方法；

(b)通过具有高导电率和高导热率的油脂填充热电构件和均热构件之间的间隙的方法；以及

(c)热压缩地结合热电构件和均热构件的方法。

[1.3.3.黑化面和镜面]

[a.定义]

均热构件的表面包括被施加了黑化处理的黑化面，以及被施加了镜面抛光处理的镜面。虽然黑化面具有对光能的高吸收效率，但是黑化面具有辐射导致的高热损失。相反，虽然镜面具有对光能的低吸收效率，但是镜面具有辐射导致的低热损失。因此，当黑化面在光接收面上形成时，镜面在均热构件的表面上的其余部分中形成，辐射导致的热损失能够被限制为最小。

在这种情况下，“黑化面”的意思是能够将具有500至1800nm的波长的光反射率限制为20％或者更低的表面。由于反射率低，所以光的吸收率提高，并且辐射导致的能量损失降低。反射率优选为10％或者更低，并且更优选为5％或者更低。

获得这种黑化面的处理(黑化处理)的示例包括下列处理：

(1)将市售黑化漆施加至表面的处理；

(2)通过电解发色方法显现黑色的处理；和

(3)通过气相沉积或者溅射沉积各种金属或者半导体吸收膜的处理。

“镜面”的意思是能够使具有500至1800nm的波长的光的反射率在平均全部波长上都为80％或者更多的表面。随着反射率更高，辐射导致的能量损失降低。反射率优选为90％或者更高。

获得这种镜面的处理(镜面抛光处理)的示例包括下列处理：

(1)电镀处理；

(2)通过溅射或者气相沉积形成由ag、al、au等等制成的金属膜；以及

(3)借助磨光的金属光泽抛光。

[b.黑化处理比率]

黑化面在均热构件的光接收面上形成。光接收面的尺寸和形状取决于热电构件的轮廓、光是否被汇聚、光照射方向等等而不同。优选地，黑化面理想地与光接收面一致。然而，表面也可以稍微偏离。然而，当黑化面和光接收面之间的间隙过分地增大时，能量损失增大。

此外，优选地，均热构件的表面仅由黑化面和镜面构成。然而，也可包括除了黑化面和镜面之外的表面(下文称为“其它表面”)。然而，当其它表面的面积过分地增大时，能量损失增大。

为了降低能量损失，优选地，均热构件满足下列公式(1)至(3)的关系。

st＝sb+sm+so---(1)

0<sb/st≤0.6---(2)

0≤so/st≤0.1---(3)

其中

st表示均热构件的表面的总面积，

sb表示黑化面的面积，

sm表示镜面的面积，以及

so表示均热构件的表面内的除了黑化面和镜面之外的表面的面积。

公式(1)表达了均热构件的表面由黑化面、镜面和其它表面构成。

公式(2)中的“sb/st”表示黑化面的面积与均热构件的表面的总面积的比率(黑化处理比率)。此外，公式(2)表达了sb/st的容限。

当光被汇聚时，光接收面的面积能够被最小化。因而，优选地，sb/st超过0。

相反，当覆盖系数为100％，并且平行光线照射均热构件时，光接收面的面积最多为st的50％。即，sb/st的最大值理论上为0.5，但是sb/st也可以大于0.5。然而，当sb/st过分地大时，能量损失增大。优选地，sb/st等于或者低于0.6。

公式(3)中的“so/st”表示其它表面的面积与均热构件的表面的总面积的比率。此外，公式(3)表达了so/st的容限。

由于其它表面无助于提高能量效率，所以当该面积过分地增大时，能量损失增大。因而，优选地，so/st在0或者更大至0.1或者更小的范围内。so/st优选为0.05或者更小，并且更优选为0.01或者更小。

[2.热电元件的实施例]

[2.1.第一实施例]

图1a是示出根据本发明的第一实施例的热电元件的透视图，并且图1b是沿图1a中的线a-a'观察的截面图。在图1a和1b中，热电元件10a包括热电构件12、管子14和均热构件16。在图1a和1b中，为了使这些部分可见，使每个部分的一部分尺寸大于实际尺寸。在这方面，下文所述的图2a至8也类似。

在该实施例中，热电构件12是圆柱体，并且具有从一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流体(热交换介质，诸如水)流动的管子14被插入通孔内。管子14还用作热电构件12的一个电极，并且被热和电地连接至热电构件12。

均热构件16被设置至热电构件12的整个侧面(除了设置通孔的端面之外的整个表面)。均热构件16还用作热电构件12的其它电极，并且被热和电地连接至热电构件12。

黑化面18在均热构件16的表面的光接收面侧上形成，并且镜面20在非光接收面侧上形成。在该实施例中，由于假设平行的光照射圆柱体热电构件12的侧面，所以sb/st＝0.5。

此外，用于连接负荷(未示出)的引线22被分别结合至管子14和均热构件16。

当光照射按上文配置的热电元件10a的黑化面18时，光被黑化面18吸收，并且被转换为热能。被黑化面18吸收的热被传递至均热构件16。由于使用具有高导热率的材料作为均热构件16，所以仅均热构件16的光接收面侧的温度升高，但是非光接收面侧的温度不升高。因此，热电构件12的侧面(外部外围表面)的温度基本均匀地升高。

当热电构件12的侧面的温度升高时，则热电构件12的侧面附近的载流子(在p型热电材料的情况下为空穴(h⁺)，并且在n型热电材料的情况下为电子(e^-))被激励。被激励的载流子朝着热电构件12的内表面侧扩散。因此，当管子14和均热构件16被连接至负荷时，则能够提取电力。

此外，被黑化面18吸收但是未被转换为电力的热能通过热电构件16传递至管子14。因此，当使低温热交换介质在管子14内流动时，能够获得被加热的热交换介质(即，能够回收来自热电构件12的废热)。例如，当使用水作为热交换介质时，能够与电力一起获得温水。

[2.2.第二实施例]

图2a是示出根据本发明的第二实施例的热电元件的透视图，并且图2b是沿图2a中的线a-a'观察的截面图。在图2a和2b中，热电元件10b包括热电构件12、管子14和均热构件16。

在该实施例中，热电构件12为棱柱，并且具有从一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流体(热交换介质，诸如水)流动的管子14被插入通孔内。

均热构件16被设置至热电构件12的整个侧面(除了设置通孔的端面之外的整个表面)。黑化面18在均热构件16的表面的光接收面侧上形成，并且镜面20在非光接收面侧上形成。在该实施例中，由于假设平行的光照射棱柱热电构件12的一个侧面，所以sb/st＝0.25。

由于其它方面都类似于第一实施例，所以省略其说明。

[2.3.第三实施例]

图3a是示出根据本发明的第三实施例的热电元件的透视图，并且图3b是沿图3a中的线b-b'观察的截面图。在图3a和3b中，热电构件10c包括热电构件12a、12b、管子14和均热构件16a、16b、16c。

在该实施例中，热电构件12a由p型热电材料制成，并且热电构件12b由n型热电材料制成。热电构件12a、12b都是圆柱体，并且分别具有从一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流体(热交换介质，诸如水)流动的管子14被插入通孔内。

通过将由绝缘材料制成的绝缘管14c插入由导电材料制成的导电管14a、14b之间而配置管子14。导电管14a、14b还用作电极，并且电和热地连接至热电构件12a、12b。绝缘管14c被布置在热电构件12a、12b之间。

均热构件16a、16b被独立地设置至热电构件12a、12b的相应侧的相应非光接收面。热电构件12a的光接收面附近和热电构件12b的光接收面附近通过板状均热构件16c耦合。均热构件16c还用作热和电地连接热电构件12a的高温部分与热电构件12b的高温部分的电极。热电构件12a、12b被均热构件16c串联连接。

黑化面18在均热构件16c的表面上形成。相反，镜面20a、20b在均热构件16a、16b的相应表面上形成。在该实施例中，由于假设被汇聚的光照射圆柱体热电构件12a、12b的相应侧面，所以sb/st<0.5。

此外，用于连接负荷(未示出)的引线22被分别结合至导电管14a、14b。

当光照射按上文所述配置的热电元件10c的黑化面18时，光被黑化面18吸收，并且被转换为热能。被黑化面18吸收的热通过均热构件16a至16c传递至热电构件12a、12b的相应侧面。因此，热电构件12a、12b的相应侧面(外部外围表面)的温度基本均匀地升高。

当热电构件12a的侧面的温度升高时，在热电构件12a的侧面附近激励空穴(h⁺)，并且被激励的空穴朝着热电构件12a的内表面侧扩散。相反，当热电构件12b的侧面的温度升高时，在热电构件12b的侧面附近激励电子(e^-)，并且被激励的电子朝着热电构件12b的内表面侧扩散。因此，当热电构件12a、12b的高温部分被均热构件16c串联地电连接，并且导电管14a、14b通过引线22分别连接至负荷时，则能够提取电力。

此外，被黑化面18吸收但是未被转换为电力的热能通过热电构件12a、12b传递至管子14。因此，当使低温热交换介质在管子14内流动时，能够获得被加热的热交换介质(即，能够回收来自热电构件12a、12b的废热)。

[2.4.第四实施例]

图4a是示出根据本发明的第四实施例的热电元件的透视图，并且图4b是沿图4a中的线b-b'观察的截面图。在图4a和4b中，热电元件10d包括热电构件12a、12b、管子14和均热构件16。

在该实施例中，热电构件12a由p型热电材料制成，并且热电构件12b由n型热电材料制成。热电构件12a、12b都是圆柱体，并且分别具有从一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流体(热交换介质，诸如水)流动的管子14被插入通孔内。此外，由绝缘材料制成的圆柱体间隔体24被插入热电构件12a、12b之间。间隔体24的外径基本等于热电构件12a、12b的外径，并且其内径基本等于管子14的内径。

管子14由导电材料制成的两个导电管14a、14b构成。导电管14a、14b被间隔体24分离并且彼此绝缘。导电管14a、14b还用作电极，并且电和热地连接至热电构件12a、12b。

均热构件16被分别设置至热电构件12a、12b的相应侧面的侧面以及间隔体24的侧面。黑化面18和镜面20在均热构件16的表面上形成，所以sb/st<0.5。如图4a和4b中所示，当使用覆盖热电构件12a、12b的侧面和间隔体24的侧面的单个均热构件16时，与图3中相比，不仅零件的数目减少，而且也能够降低热电构件12a、12b之间的电阻。

由于其余部分都类似于第三实施例，所以省略其说明。

[2.5.第五实施例]

图5a是示出根据本发明的第五实施例的热电元件的透视图，并且图5b是沿图5a中的线b-b'观察的截面图。在图5a和5b中，热电元件10e包括热电构件12a至12d、管子14和均热构件16a、16b。

基本上通过以两件串联地连接图4a、4b中所示的热电元件10d构成热电元件10e。即，热电构件12a、12c由p型热电材料制成，并且热电构件12b、12d由n型热电材料制成。热电构件12a至12d都是圆柱体，并且分别具有从一端面穿透至另一端面的通孔。然而，为了促进热电构件12a、12b的高温端与热电构件12c、12d的高温端之间的绝缘，与前者相比，后者的外径减小。

用于使流体(热交换介质，诸如水)流动的管子14被插入通孔内。此外，由绝缘材料制成的圆柱体间隔体24a、24b被插入热电构件12a、12b之间以及热电构件12c、12d之间。

管子14由导电材料制成的三个导电管14a至14c构成。导电管14a至14c互相分离，并且导电管14a、14b和导电管14b、14c被每个间隔体24a、24b绝缘。

均热构件16a被设置至热电构件12a、12b的侧面以及间隔体24a的侧面。类似地，均热构件16b被设置至热电构件12c、12d的侧面以及间隔体24b的侧面。虽然均热构件16a、16b的末端不接触，但是相应端延伸，使得当从垂直于管子14的轴向方向的方向观察两端时，两端互相重叠。其原因是为了防止光直接地照射导电管14b。

黑化面18a和镜面20a在均热构件16a的表面上形成，使得sb/st<0.5。类似地，黑化面18b和镜面20b在均热构件16b的表面上形成，使得sb/st<0.5。

由于其余部分都类似于第三实施例，所以省略其说明。

[2.6.第六实施例]

图6a和6b是示出根据本发明的第六实施例的热电元件的透视图。在图6a中，通过成一行侧向地布置图5a和5b中所示的热电元件10e并且将每个热电元件10e都串联地彼此电连接而构成热电元件10f。热电元件10e的n型热电构件和p型热电构件位于中心的布置与热电元件10e的每个n型热电构件和每个p型热电构件都处于两端的布置相反。在这种情况下，相邻热电元件10e的均热构件需要互相绝缘。即，相邻热电元件10e需要被分离，或者需要将绝缘材料填充在相邻热电元件10e之间的间隙中。

在图6b中，通过成一行侧向地布置图5a和5b中所示的热电元件10e并且将每个热电元件10e都并联地彼此电连接而构成热电元件10g。每个热电元件10e的n型热电构件和p型热电构件的布置都相同。在这种情况下，不必要求相邻热电元件10e的均热构件互相绝缘。

如图6a和6b中所示，当热电元件10e被成一行侧向地布置时，黑化面18的总面积能够增大。在这种情况下，如图6a和6b中所示，每个热电元件10e也可以被布置成更大直径的部分相邻。或者虽然下文未示出，但是每个热电元件10e也可以被布置成其较大直径部分和其较小直径部分被交替地排列成犬齿格纹图案。在后一种情况下，通过每个热电元件10e之间的间隙的光能够减少。例如，在其中辐射热被转换为电力的情况下，按上文所述配置的热电元件10f、10g是有效的。

由于其余部分都类似于第三实施例，所以省略其说明。

[2.7.第七实施例]

图7a是示出根据本发明的第七实施例的热电元件的透视图，并且图7b是沿图7a中的线b-b'观察的截面图。在图7a和7b中，热电元件10h包括热电构件12、管子14、均热构件16和化学储热材料26。

在该实施例中，化学储热材料26被填充在管子14内。在这方面，第七实施例与第一实施例不同。对于其余部分，由于第七实施例与第一实施例类似，所以省略说明。

当光照射按上文所述配置的热电元件10h的黑化面18时，未被转换为电力的热能被从热电构件12的内表面侧发出，并且化学储热材料26被这种热加热。因此，工作介质(例如，蒸汽)被从化学储热材料26放出。相反，当工作介质在其中光不照射黑化面18(例如，在夜间或者多云天气下)的状态下被供应至管道14时，工作介质被结合至化学储热材料26并且热被释放。能够从热电构件12提取这种热作为电力。

[3.热电发电系统]

图8是示出根据本发明的一个实施例的热电发电系统的示意图。在图8中，热电发电系统30被配置如下：

(1)热电发电系统30包括：

具有用于将光采集到内部的采光窗42的容器40；

被容纳在容器40内的根据本发明的热电元件10；

用于将流体馈送到管子14的流体馈送器(未示出)；和

消耗由热电元件10产生的电力的电力消耗源(未示出)。

(2)热电元件10被容纳在容器40中，使得黑化面18位于采光窗42下面。

热电发电系统30还可包括：

(a)用于汇聚光并且将所汇聚的光朝着采光窗42照射的聚光装置44，和/或

(b)用于将热电元件10的光接收面朝着光源指向的追踪装置(未示出)。

[3.1.容器]

容器40被设置成容纳热电元件10。热电元件10的管子14的两端都延伸至容器40外部。用于从外部将光采集到内部的采光窗42被设置至容器40。热电元件10被容纳在容器40内，使得黑化面18位于采光窗42下面。

空气也可以存在于容器40中。然而，当空气存在于容器40中时，由于来自热电元件10的高温部分的对流的热损失增大。因此，为了获得高热效率，优选地，容器40为真空容器。真空容器也可以被密封，或者可以具有用于排空容器40内部的真空泵。

[3.2.热电元件]

[3.2.1.热电元件的配置]

热电元件10被容纳在容器40中。一个热电元件10也可以被容纳在容器40中，或者也可以容纳两个或者更多热电元件。由于上文描述了热电元件10(10a至10h)的细节，所以省略说明。

[3.2.2.黑化处理比率、光接收面比率]

优选地，热电元件10满足下列公式(1)至(5)的关系。

st＝sb+sm+so---(1)

0<sb/st≤0.6---(2)

0≤so/st≤0.1---(3)

0<sl/st≤0.5---(4)

sl/st≤sb/st≤sl/st+0.1---(5)

其中

st表示均热构件的表面的总面积，

sb表示黑化面的面积，

sm表示镜面的面积，

so表示均热构件的表面内的除了黑化面和镜面之外的表面的面积，以及

sl表示热电元件的光接收面的面积。

由于上文描述了这些公式中的公式(1)至(3)，所以省略它们的说明。

公式(4)中的“sl/st”表示光接收面的面积与均热构件16的表面的总面积的比率(光接收面积比率)。此外，公式(4)表达sl/st的容限。

如上所述，当光被汇聚时，sl/st能够被最小化。相反，当覆盖系数为100％并且平行光线照射均热构件16时，sl/st最多为0.5。因此，能够在超过0至0.5或更少地范围内任意地选择sl/st。

公式(5)表达了sb/st的容限。当黑化处理比率(sb/st)小于光接收面比率(sl/st)时，一部分光被镜面反射。因而，优选地sl/st≤sb/st。

相反，当与光接收面比率相比，黑化处理比率过分地更大时，从黑化面的辐射损失增大。因而，优选地，sb/st≤sl/st+0.1。

[3.3.流体馈送器]

用于馈送流体的流体馈送器被连接至管子14。流体馈送器不特别受限，并且能够根据流体的类型选择最优的一种。

例如，当根据本发明的热电发电系统30被应用于热水供应系统时，管子14被连接至馈送水箱和馈送水泵。当在将冷水供应到管子14中的同时，馈送水泵运行并且在热电元件10中产生电力时，能够从管子14提取温水。

或者当管子14充满化学储热材料并且工作介质为水(蒸汽)时，管子14被连接至蒸汽发生器和水箱。

[3.4.电力消耗源]

消耗由热电元件10产生的电力的电力消耗源通过引线22连接至热电元件10。电力消耗源不特别受限，并且能够根据对象选择最优的一种。

电力消耗源的示例包括下列电力消耗源：

(a)用于将水馈送至管子14的馈送水泵；

(b)用于将热电元件10的光接收面朝着光源指向的追踪装置；

(c)用于储存电力的电池；以及

(d)办公自动化设备、照明装置、空调设备、家用电器或者工厂设施。

[3.5.聚光装置]

聚光装置44汇聚光(例如，太阳光线)，并且将被汇聚的光朝着采光窗42照射。对于聚光装置44，例如，能够给出菲涅尔透镜、聚光镜和凸透镜。不是必要需要聚光装置44。然而，当使用聚光装置44时，热电元件10能够产生大的温差。

[3.6.追踪装置]

追踪装置被设置成将热电元件10的光接收面朝着光源指向。为了实现高热效率，优选地，使光垂直地入射至光接收面。例如，当光源在其中来自高温熔炉的辐射热(远红外线)照射光接收表面的情况下被固定时，不需要追踪装置。相反，当光的入射方向像太阳光线一样时刻都在变化时，优选地，使用追踪装置在太阳的方向上指向光接收面。

[4.效果]

均热构件被设置至根据本发明的热电元件中的热电构件的侧面。此外，黑化处理被施加至均热构件的表面内的光接收面，并且镜面抛光处理被施加至非光接收面。当光，诸如太阳光线和远红外线照射热电元件的黑化面时，光被黑化面吸收，并且被转换为热能。由于这种热能通过均热构件传递至热电构件，所以光接收面不被局部加热，并且热电构件的整个侧面被基本均匀地加热。因此，在热电构件的侧面和通孔的内表面之间产生相对大的温差(即，电动势)。

此外，当黑化面具有对光能的高吸收效率时，辐射导致的热损失高。相反，当镜面具有对光能的低吸收效率时，辐射导致的热损失小。因此，当黑化面在光接收面上形成，并且镜面在均热构件的表面的其余部分中形成时，辐射导致的热损失能够被限制为最小，并且能够使热在热电构件中高效地流动。

此外，当使流体在被插入热电构件内的管子中流动时，能够回收并且利用通过热电构件传递而未被转换为电能的热。即，在本发明中，由于光能被用于电能和热能，所以能量的利用效率高。因此，根据本发明，能够实现具有利用太阳光线、工厂的废热等等的高能量利用效率的热电电热联产混合系统。

[示例]

[1.热电发电系统的生产]

[1.1.模型1]

生产图8中所示的热电发电系统30。使用旋转泵保持容器40的内部处于等于或者低于真空的10pa的程度。对于热电构件12，使用由cosb3基热电材料制成的圆柱体构件(外径：12mm，内径：3mm，长度：7.5mm)。对于均热材料16，使用铁镍合金，黑化处理和镜面抛光处理被施加至光接收面和非光接收面。对于黑化处理，使用japansensorco.,ltd(日本传感器有限公司)制造的黑化漆(jscno.3)。对于镜面抛光处理，使用ag板。此外，sb/st＝0.5。

[1.2.模型2]

除了黑化处理被施加至均热构件6的全部表面之外，都以与类似于模型1的方式生产热电发电系统。

[2.测试方法和结果]

[2.1.对入射光能量的依赖性]

光接收面被太阳光线照射，并且测量高温部分的温度tmax。汇聚比率为400至1600倍。图9示出入射能量和热电元件10的高温部分的温度(外部外围温度)tmax之间的关系。实验数据令人满意地符合模拟结果。这意味着在对其施加黑化处理的热电元件10的高温部分的热中，除了辐射引起的热损失之外的热都流动至热电构件12。

图10示出入射能量的辐射损失、高温部分的温度tmax和辐射损失率(其中tc＝353k)。从图10能够看出，当黑化处理被施加至均热构件16的一半表面，并且镜面抛光处理被施加至剩余部分时，与黑化处理被施加至均热构件16的整个表面的情况相比，辐射导致的热损失能够被降低至一半的程度。即，如果入射能量相同，则高温部分的温度tmax升高，并且能够获得该量的更多电力。

[2.2.反射率]

图11示出每个表面的反射率对波长的依赖性。通过使用由japansensor制造的黑化漆(jscno.3)使具有500至1800nm波长的光的平均反射率为5％，并且太阳光线能够被基本吸收。相反，通过以ag电镀铁镍合金的表面使具有500至1800nm波长的光的平均反射率超过90％，并且基本不存在辐射。因而，能够通过向均热构件16的表面施加黑化处理和镜面抛光处理将能量损失限制为最小。

[2.3.热水供应测试]

热电元件10的光接收面被太阳光线照射，使得具有近似30℃的温度的水在管子14内流动，并且执行发电。因此，从管子14的出口获得具有50至80℃温度的温水。

[2.4.辐射损失率对黑化处理比率的依赖性]

使用模型计算辐射损失率qr/qin对黑化处理比率sb/st的依赖性(其中tc＝353k)。在计算时，假设光照射均热构件的表面的整个上半表面。图12示出该结果。

当sb/st＝0.5和sm/st＝0.5时，光接收面的面积sl(<st)等于黑化面的面积sb，并且除了光接收面之外的表面全部为镜面sm。

在sb/st<1时，辐射损失降低效果出现并且随着sb/st接近0.5，辐射损失率降低。即，能够发现在任何形状和任何聚光条件下，都能够通过使光接收面的面积sl等于黑化面的面积sb，并且使其余表面为镜面sm而使能量利用效率最大化。由于在包括聚光情况的正常情况下sl/st≤0.5，所以sb/st≤0.5理想地降低辐射损失率。然而，聚光表面可以通过元件等等的微调而位移，或者光也可以取决于聚光条件照射下半部热电元件10。考虑到这些情况，实际上优选sb/st≤0.6。

此外，例如，当在追踪太阳的同时汇聚并且使用太阳光线时，光接收面的位置由于在追踪期间发生像差或者马达运动而在特定范围内移动。因此，实际上将黑化面的面积sb设置为稍微大于光接收面的面积sl。因而，优选sl/sb≤sb/st≤sl/st+0.1。在图12中，由于sl/st＝0.5，所以即使sb/st＝sl/st+0.1(sb/st＝0.6)，qr的增大也能够被限于sb/st＝sl/st(sb/st＝0.5)的1.2倍。

实际上，在该验证中，确认当光被汇聚至约5mm的正方形时，光接收面的位置由于约1mm的像差以及追踪装置的马达运动而移动约1mm。

在热电构件12的高温部分中，由于电极连接等等，可以实现除了镜面和黑化面之外的表面so。为了获得高效率，优选地，so被保持在所需最小范围内(0≤so/st≤0.1)。

“光接收面”被定义成0.01w/cm²或者更高光能入射在其上的表面。该值是当使用具有10％的热电转换效率的热电元件时，在10×10m²的面积上获得1kw电力，并且以该值或者低于该值不获得有利效果的条件下的值。顺便提及，太阳光线约为0.1w/cm²。

[2.5.辐射损失率对导热率的依赖性]

使用该模型计算辐射损失率qr/qin对热电构件12的导热率的依赖性(其中tc＝353k)。在计算中，假设光照射均热构件的整个上半部。表1示出其结果。

[表1]

即使热电构件12的导热率κ变化，sb/st＝0.5并且sm/st＝0.5时的(模型1、3、4的)qr也等于或者低于sb/st＝1.0并且sm/st＝0时的(模型2的)1/2，并且辐射损失能够降低。因而，如果高温部分的温度tmax相同，则当热电构件12的导热率κ高(即，当在热电元件中流动的热的量(qin-qr)高)时，辐射损失能够降低。

已经详细地描述了本发明的实施例，然而，本发明不限于上述实施例，并且在不偏离本发明的主旨的范围内，允许各种变形。

根据本发明的热电元件和热电发电系统能够被应用于利用太阳光线以及工厂的废热等等的发电/热水供应系统。