一种热辐射源选择性透过的热电转换系统及阵列的制作方法

本发明涉及热电转换技术领域，尤其涉及一种热辐射源选择性透过的热电转换系统及阵列。

背景技术：

热电转换是一种将热能转换为电能的发电技术，包括热能直接发电方式，即温差发电，将两种不同类型的热电转换材料n和p的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对p型和n型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，实现发电。此种发电方式虽然能实现热能直接转化为电能，但是，其转换效率较低，一般在10％左右。

另一种是利用热能间接发电的方式，常见的方法为将热能转换为机械能，再将机械能转换为电能。以汽轮机发电为例，利用热能加热水成蒸汽，通过蒸汽使汽轮机做功，进而带动发电机发电，此过程需要完成热能转换为机械能，再转换为电能的步骤。

上述间接发电方式存在的缺点在于：1、转换效率低，一般转换效率仅为10％-40％左右；2、投入成本高，汽轮机自身成本较高，操控复杂，且能力传输距离长，不利于后期维护维修；由此可知，如何得到一种更优的热电转换系统仍是目前亟需解决的技术问题。

目前，常见的光电转化器件，如光伏电池等，其本质是一种由辐射能转化电能的器件；而热能通常能以辐射的形式传递，因此理论上可以采用热能提供辐射能。

光电转换器件的光电转换效率，如，多晶硅光伏组件的光电转换效率为20％左右，碲化镉光伏组件的光电转换效率21％左右，上述转换效率均是光伏组件接收太阳光全光谱能量得到的转换效率，而全光谱中的一些波段的光电转换效率较低，进而直接导致了光伏组件的转换效率低。如果光伏组件只接收高光电转换效率的特定波段的辐射能量，可使光伏组件的光电转换效率会大大提高，以多晶硅光伏组件为例，如果多晶硅光伏组件只接收波长在600-900nm之间的辐射能量，其光电转换效率可达80％以上。

因此，本申请的目的是针对上述技术问题，发明创造一种新的系统，可以发出特定波段的辐射能量，再利用特定波段的辐射能量进行光电转换，实现发电。

技术实现要素：

本发明提供一种热辐射源选择性透过的热电转换系统及阵列，光电转换装置接收高转换率的特定波段的辐射能量，进而使其电能转换效率更高，而且特定波段以外的其余波段的辐射能量经过反复的反射最终几乎都会形成特定波段的辐射能量，使得热辐射源释放的热能几乎全部高效利用，避免能量损失。

根据本发明的实施例，提供一种热辐射源选择性透过的热电转换系统，包括热辐射源、波段选择性透过装置和光电转换装置，所述热辐射源和光电转换装置之间的全部或部分空间为真空状态；所述热辐射源的辐射能量中只有特定波段的辐射能量能透过所述波段选择性透过装置，其余波段的辐射能量反射回到所述热辐射源，所述特定波段的辐射能量投射至光电转换装置转换为电能，其余波段的辐射能量反射回到所述热辐射源。

进一步的，所述波段选择性透过装置套设在所述光电转换装置外侧，所述热辐射源套设在所述波段选择性透过装置的外侧，所述热辐射源特定波段的辐射能量由外向内透过所述波段选择性透过装置投射到所述光电转换装置。

进一步的，所述波段选择性透过装置套设在所述热辐射源外侧，所述光电转换装置套设在所述波段选择性透过装置的外侧，所述热辐射源特定波段的辐射能量由内向外透过所述波段选择性透过装置投射到所述光电转换装置。

进一步的，所述热辐射源至少由电能、太阳能、核能、化学能、生物质能、燃料型能源中的一种提供。

进一步的，所述波段选择性透过装置包括至少一片波段选择性透过片。

进一步的，所述波段选择性透过装置包括至少两片所述波段选择性透过片，其中的一片所述波段选择性透过片为ito镀膜玻璃片。

进一步的，所述热辐射源的表面有增强辐射涂层。

进一步的，所述增强辐射涂层为特定波段增强辐射涂层。

进一步的，所述光电转换装置为光伏发电组件。

进一步的，所述光电转换装置为晶硅发电组件，所述特定波段的辐射能量的波段为600-900nm。

进一步的，所述光电转换装置为砷化镓发电组件，所述特定波段的辐射能量的波段为500-850nm。

进一步的，其特征在于，所述光电转换装置为碲化镉发电组件，所述特定波段的辐射能量的波段为550-850nm。

进一步的，所述光电转换装置为铜铟镓硒发电组件，所述特定波段的辐射能量的波段为450-1000nm。

进一步的，所述光伏发电组件为聚光光伏发电组件。

进一步的，所述聚光光伏发电组件包括至少一组用于反射所述特定波段的辐射能量的聚光反射镜及用于接收所述特定波段的辐射能量的双面电池片。

进一步的，所述聚光光伏发电组件包括散热装置或热利用装置。

进一步的，所述热辐射源/所述光电转换装置呈圆筒状、多棱柱状或球状。

进一步的，所述热辐射源与所述波段选择性透过装置之间设有用于使辐射能量定向投射的指向结构。

进一步的，所述指向结构指向所述光电转换装置/所述热辐射源的轴心。

进一步的，还包括用于调节所述光电转换装置接收特定波段的辐射能量面积的调控结构。

本发明还提供一种热辐射源选择性透过的热电转换系统阵列，包括多个热辐射源选择性透过的热电转换系统。

进一步的，所述热辐射源选择性透过的热电转换系统为由外至内依次为热辐射源、波段选择性透过装置、光电转换装置的结构；

所述热辐射源的形状为多棱柱形，多个所述热辐射源选择性透过的热电转换系统呈蜂窝状排列，相邻的两个所述热辐射源之间至少一个面相互贴合。

由以上技术方案可知，本申请中的一种热辐射源选择性透过的热电转换系统，工作时，热辐射源释放的辐射能量中仅有特定波段的辐射能量能透过波段选择性透过装置，特定波段指对于光电转换装置转换效率高的波段，其余波段(特定波段之外)的辐射能量则由波段选择性透过装置反射回到热辐射源上，其余波段的辐射能量经过一次或多次于热辐射源和波段选择性透过装置之间的反射后，最终形成特定波段的辐射能量，实现透过波段选择性透过装置。

热电转换过程中，热辐射源发出的辐射能量中仅有少部分被波段选择性透过装置吸收，大部分的辐射能量用于实现光电转换，而光电转换时始终使用高光电转换率的特定波段的辐射能量，可使光电转换装置一直处于高转换效率。由此可知该热电转换系统热电转换过程中能量损失小、光电转换效率高。

同时，该热辐射源选择性透过的热电转换系统，采用热辐射源提供辐射能量，无需使用汽轮机做功进行发电，热辐射源的构造为一简单的筒状或球状结构即可，具有结构简单、能量传输距离短、成本低、控制简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的圆筒状的结构示意图

图2为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的多棱柱状的结构示意图；

图3为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的球状的结构示意图；

图4为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的辐射能量由外向内投射的剖视图；

图5为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的辐射能量由内向外投射的剖视图；

图6为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的光电转换装置包括双面电池片的俯视图；

图7为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的包括双面电池片的辐射路线示意图；

图8为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统指向结构的剖视图；

图9为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的包括调控结构的俯视图；

图10为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统的波段选择性透过片辐射能量透过曲线图；

图11为本发明提供的热辐射源选择性透过的热电转换系统阵列的俯视图。

图中：

1、热辐射源；2、波段选择性透过装置；3、光电转换装置；4、指向结构；5、调控结构；31、聚光反射镜；32、双面电池片；33、散热装置或热利用装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中所述的“光电转换装置”为能够接收热辐射源发出的特定波段的辐射能量，并将特定波段的辐射能量转换为电能的器件，本文中均称“光电转换装置”。

其中“特定波段”为全波段辐射能量中的一部分或几部分波段，且在“特定波段”范围内光电转换装置的光电转换效率超过60％，甚至高达80％以上。

“波段选择性透过装置”为对特定波段的辐射能量透过率高，对其余波段的辐射能量反射率较高，吸收率较小的装置。

“光电转换效率”为热能辐射出的辐射能量投射到光电转换装置上，由光电转换装置发电产生的效率。

如图1-10所示，一种热辐射源选择性透过的热电转换系统，包括热辐射源1、波段选择性透过装置2和光电转换装置3，热辐射源1和光电转换装置3之间的全部或部分空间为真空状态；热辐射源1的辐射能量中只有特定波段的辐射能量能透过波段选择性透过装置2，其余波段的辐射能量反射回到热辐射源1，特定波段的辐射能量投射至光电转换装置3转换为电能。

通常情况下，光电转换装置3若实现可靠高效的运行，需要在温度较低的工作环境中使用，一般为80℃以下，例如40℃左右甚至更低，而具有较高辐射强度的热辐射源1处的温度较高，为了避免热辐射源1的热量通过对流或传导的方式传递给光电转换装置3，确保光电转换装置3的可靠高效运行，因此，将两者之间进行真空绝热处理，真空绝热状态既不影响辐射能量的传递，又能达到隔热的效果。具体的本发明采用的实施方式为，热辐射源1与光电转换装置3之间的全部或部分为真空状态，如，在热辐射源1与光电转换装置3之间整体抽真空处理，使两者之间全部为真空状态；或者为了实现成本控制及操作的优化，采用部分空间真空设置的形式，将波段选择性透过装置2设置为真空玻璃管，波段选择性透过装置2的波段选择性透过片设置在真空玻璃管的外壁和/或内壁上。

该热辐射源选择性透过的热电转换系统，热辐射源1吸收热能后能够辐射能量，优选的，热辐射源1所需要的热能至少由电能、太阳能、核能、化学能、生物质能、各类余热、化石燃料型能源中的一种提供能量。热辐射源1的热能可以为发电设备过量的电能，或者不稳定的电能，如利用上述电能使加热棒升温，通过加热棒加热热辐射源1；也可以为太阳能、废料燃烧等产生的热能，或者利用蒸汽管路、熔盐管路或烟气管路中的热能通过换热装置加热热辐射源1等。热辐射源1的材质可采用金属或陶瓷等，吸收热能后，可发射辐射能量，并将辐射能量投射到波段选择性透过装置2上。

波段选择性透过装置2包括基体(如上述的真空玻璃管)及至少一片波段选择性透过片。波段选择性透过片实现透过特定波段的辐射能量，反射其余波段的辐射能量；其具有高透过、高反射、低吸收的特性，可使波段选择性透过片吸收较少的辐射能量，而大部分的辐射能量被透过或反射，以降低热能损失。如，波段选择性透过片仅吸收1％的辐射能量，可透过30％的特定波段的辐射能量、反射69％的其余波段的辐射能量。

波段选择性透过装置还可以单片或多片组成。在单片无法满足所需的波段选择性透过、反射特性时，可进一步的由多片叠加组成。如图10所示，波段选择性透过装置包括两片波段选择性透过片，图中实线为第一选择性透过片的辐射能量透过曲线，可知波长在750-900nm及1750-2000nm之间具有较高的透过率，图中虚线为第二选择性透过片的辐射能量透过曲线，可知波长在0-1400nm之间具有较高的透过率。将第一选择性透过片和第二选择性透过片叠加组成波段选择性透过片，两者重合的部分即为波段选择性透过片可透过的波段，即图中的750-900nm波段。

其中，优选的，第二选择性透过片为ito(氧化铟锡)镀膜玻璃片，其结构为在玻璃基材的一面或两面设置ito膜，ito膜在波长1700nm之前的波段具有较高的透过率，而在1700nm之后的波段透过率较低，反射率很高，其自身具有的特点完全符合对上述第二选择性透过片的要求，具有经济适用的优点。

热辐射源1的辐射能量投射到波段选择性透过装置2后，利用波段选择性透过装置2对热辐射源1投射的辐射能量进行透射和反射，其中，特定波段的辐射能量透过波段选择性透过装置2，其余波段的辐射能量反射到热辐射源1上。特定波段的辐射能量投射至光电转换装置3上转换为电能，实现发电。而其余波段的辐射能量反射回到热辐射源1，该部分能量在热辐射源1和波段选择性透过装置2之间经过一次或多次反射，最终大部分能够形成特定波段的辐射能量而透过波段选择性透过装置2到达光电转换装置3，实现较高的热电转换效率。

热电转换过程中，热辐射源发出的辐射能量中仅有少部分被波段选择性透过装置吸收，大部分的辐射能量用于实现光电转换，而光电转换时始终使用高光电转换率的特定波段的辐射能量，可使光电转换装置一直处于高转换效率。由此可知该热电转换系统热电转换过程中能量损失小、转换效率高。

例如，光电转换装置3采用晶硅发电组件，特定波段选择波长为600-900nm的波段，该波段中光电转换效率在80％以上，而热能转换为特定波段的辐射能量的效率为80％左右,由此可知，上述晶硅发电组件的热电转换效率可达60％以上

同时，该热辐射源选择性透过的热电转换系统，采用热辐射源1提供辐射能量，无需使用汽轮机做功进行发电，热辐射源1的构造为一简单的筒状或球状结构即可，具有结构简单、能量传输距离短、成本低、控制简单等优点。

优选的，为了减少辐射能量损失，以及实现辐射能量较高密度辐射，该热辐射源选择性透过的热电转换系统中的热辐射源1、波段选择性透过装置2及光电转换装置3均采用逐层嵌套的方式，此方式中，整个圆周上均可实现能量传递，包括由内向外和由外向内两种方式。优选的，热辐射源1/光电转换装置3呈圆筒状、多棱柱状或球状。其中，为圆筒状或多棱柱状时，波段选择性透过装置2和光电转换装置3为了能够满足施工要求一般都为多棱柱结构，如图1中，最外侧的结构为热辐射源1，图2中，最外侧的结构为光电转换装置3；为球状时，波段选择性透过装置2和光电转换装置3优选的采用面积较小的片状结构拼接成球状结构。

其中，如图4所示，由外向内结构为波段选择性透过装置2套设在光电转换装置3外侧，热辐射源1套设在波段选择性透过装置2的外侧，热辐射源1特定波段的辐射能量由外向内透过波段选择性透过装置2投射到光电转换装置3。优选的，热辐射源1外部设置有保温装置，减少热辐射源1的热损失。图中，热辐射源1发出的实线箭头为全波段/部分波段的辐射能量，波段选择性透过装置2向光电转换装置3发出的实线箭头为特定波段的辐射能量，向热辐射源1发出的虚线箭头为其余波段的辐射能量。采用此种结构形式，由较大面积的辐射能源向相对较小面积的光电转换装置辐射能量，两者之间的波段选择性透过装置2具有一定的聚光效果，同时可进一步的在光电转换装置3上再设置聚光装置，进而可实现高倍聚光，可减少光电转换装置3的使用量，如，光电转换装置3采用聚光光伏发电组件时，在确保发电效率的同时，减少聚光光伏发电组件的用量，进而降低成本。其中，高倍聚光环境下，需要光电转换装置3需要配置相应的散热结构。

如图5所示，由内向外结构为波段选择性透过装置2套设在热辐射源1外侧，光电转换装置3套设在波段选择性透过装置2的外侧，热辐射源1特定波段的辐射能量由内向外透过波段选择性透过装置2投射到光电转换装置3。图中，热辐射源1发出的实线箭头为全波段/部分波段的辐射能量，波段选择性透过装置2向光电转换装置3发出的实线箭头为特定波段的辐射能量，向热辐射源1发出的虚线箭头为其余波段的辐射能量。此结构，热辐射源1位于最内部的中心处，其热损失更小，光电转换装置3在最外侧同样可实现高倍聚光，在热辐射源1辐射能量较强时，最外侧的光电转换装置3上可设置更多的光电转换组件以提高发电效果，而且，将光电转换装置3设置在最外侧利于在光电转换装置3上布置散热结构，降低高温对光电转换装置3的影响，以确保光电转换装置3的转换效率。

热辐射源1的表面有增强辐射涂层。增强辐射涂层使热辐射源1具有较高的发射率，即使在热辐射源1温度较低的情况下，仍有高的发射率，使得大部分的辐射能量在特定波段范围内，即大部分特定波段的辐射能量可透过波段选择性透过装置2，仅有少部分其余波段的辐射能量反射回到热辐射源1，进而可减少反射次数，提高转换效率。优选的，增强辐射涂层为特定波段增强辐射涂层。在热辐射源1处即发出特定波段的辐射能量，使得该部分辐射能量可大部分或全部透过波段选择性透过装置2。

光电转换装置3为光伏发电组件。光伏发电组件为较为成熟的光电发电设备，其具有较高的光电转换率。进一步的，光伏发电组件为聚光光伏发电组件，以热辐射源1的辐射能量由外向内辐射为例，中心处设置辐射汇聚结构即聚光结构，形成聚光光伏发电组件，优选的，聚光光伏发电组件包括至少一组用于反射特定波段的辐射能量的聚光反射镜31及用于接收特定波段的辐射能量的双面电池片32。如图6和7所示，辐射能量经过波段选择性透过装置2后照射到聚光光伏发电组件的聚光反射镜31上，由聚光反射镜31再次反射到双面电池片32上，双面电池片32进行光电转换，最终实现发电。其中，采用双面电池片32聚光面积更大，使用双面电池片的尺寸更少，进而具有更高的光电转换效果，成本也更低。在聚光光伏发电组件中周向均匀分布多个聚光反射镜31及双面电池片32，图中示出了包括三组聚光反射镜31及双面电池片32，也可以为四组、五组甚至更多，每组聚光反射镜31及双面电池片32对应一段弧长的波段选择性透过装置2，该部分辐射的特定波段的辐射能量投射到对应的聚光反射镜31上，其中，该部分的聚光光轴与光束中心线相互重合。

其中，聚光光伏发电组件包括散热装置或热利用装置33，可降低光伏发电组件的温度，避免高温对发电效率产生影响。如上述双面电池片32的末端连接换热管，换热管内流通热交换介质，热交换介质吸收双面电池片32导出的热量，带走热量实现散热，优选的，热交换介质的热量可进一步利用，以避免能源浪费。对于目前常见的聚光光伏发电组件，可在光伏板的背面设置相应的散热装置或热利用装置33。

光电转换装置3优选的几种发电组件为：当光电转换装置3为晶硅发电组件时，特定波段的辐射能量的波段为600-900nm。当光电转换装置3为砷化镓发电组件时，特定波段的辐射能量的波段为500-850nm。当光电转换装置3为碲化镉发电组件时，特定波段的辐射能量的波段为550-850nm。当光电转换装置3为铜铟镓硒发电组件时，特定波段的辐射能量的波段为450-1000nm。

上述几种光电转换装置3在特定波段的辐射能量下的光电转换效率均在80％以上，此波段下光电转换效率最高，进而实现高发电效率。

如图8所示，热辐射源1与波段选择性透过装置2之间设有用于使辐射能量定向投射的指向结构4。优选的，指向结构4指向光电转换装置3/热辐射源1的轴心。由于热辐射源1发出的辐射能量没有方向性是发散的，因此，为了确保更多辐射能量能够透过波段选择性透过装置2后高效辐射到光电转换装置3上，进而设置指向光电转换装置3/热辐射源1轴心的指向结构4，如，指向结构4为狭缝或细长蜂窝陶瓷结构等。

以细长蜂窝陶瓷结构为例，蜂窝陶瓷结构包括线性通孔，线性通孔可辐射透过直线型的辐射能量，而非直线型的辐射能量则投射到蜂窝陶瓷体上，蜂窝陶瓷体吸收热能再次传导回热辐射源1，进而始终保持直线型的辐射能量投射到波段选择性透过装置2，提高辐射能源的传递效率，且避免能源浪费。

该热辐射源选择性透过的热电转换系统还包括用于调节光电转换装置3接收特定波段的辐射能量面积的调控结构5。当热辐射源1的辐射能量充足，而需要控制发电量时，可采用调控结构5对辐射能量的接收进行调控。主要的调控方式是调整光电转换装置3接收特定波段的辐射能量的面积，即当接收面积变小时，相应的光电转换装置3接收的特定波段的辐射能量减小，从而降低发电量，实现调控。

具体的，如图9所示，在热辐射源选择性透过的热电转换系统中设置多个能反射辐射能量的反射板，如，多个反射板设置在波段选择性透过装置2设置多个可转动的反射板，其中，反射板以与波段选择性透过装置2连接的一端为轴转动，图中，实线的反射板状态为波段选择性透过装置2最大接收面积状态，需要调控发电量时，通过驱动多个反射板同向转动，对波段选择性透过装置2的表面产生一定的遮挡，即图中的虚线状态，部分辐射能量透过波段选择性透过装置2，部分辐射能量被反射板反射回到热辐射源1，以实现控制发电量，反射板的转动角度越大，遮挡面积越大，相应的发电量更小。

另外，调控结构5还可以为用于使光电转换装置3与热辐射源1和波段选择性透光装置之间产生相对错位的升降结构，如，升降结构连接光电转换装置3，当需要调控发电量时，可提升或降低光电转换装置3，以改变光电转换装置3接收特定波段的辐射能量的面积，进而实现发电量的调整，光电转换装置3被提升或降低的越高/低，接收面积越小，相应的发电量越小。

如图1-3所示，当热辐射源选择性透过的热电转换系统形状的形状为圆筒状或多棱柱状时，热辐射源1、波段选择性透过装置2和光电转换装置3的中心轴线相互重合，当热辐射源选择性透过的热电转换系统形状的形状为球形时，热辐射源1、波段选择性透过装置2和光电转换装置3的球心相互重合。

一种热辐射源选择性透过的热电转换系统阵列，包括多个上述热辐射源选择性透过的热电转换系统。每一个热辐射源选择性透过的热电转换系统为一个发电单元，多个热辐射源选择性透过的热电转换系统形成热电转换的阵列。采用阵列的形式，单元模块化处理，发电量可控，且方便拆装操作以及后期的维护维修。

一般情况下，多个热辐射源选择性透过的热电转换系统的最大发电量能满足发电要求，在最大发电量要求时，将阵列中全部热辐射源选择性透过的热电转换系统开启；当需要调小发电量时，可将部分热辐射源选择性透过的热电转换系统的热辐射源1及波段选择性透过装置2与光电转换装置3分离，减少发电的波段选择性透过装置2和光电转换装置3的数量，实现调小发电量。

如图11所示，热辐射源选择性透过的热电转换系统为由外至内依次为热辐射源1、波段选择性透过装置2、光电转换装置3的结构；

热辐射源1的形状为多棱柱形，多个热辐射源选择性透过的热电转换系统呈蜂窝状排列，相邻的两个热辐射源1之间至少一个面相互贴合。采用蜂窝状排列的形式，使得相邻的热辐射源1之间彼此起到保温的作用，可降低热量损失以及节省保温处理所需的成本。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。