專利名稱：微米間隙熱光電大規(guī)模亞微米間隙方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于熱到電的固態(tài)轉(zhuǎn)換的微米間隙熱光電的(MTPV)技木。更廣泛地說，本發(fā)明當(dāng)被插入高溫環(huán)境，諸如エ業(yè)熔化爐中時(shí),產(chǎn)生電功率。
背景技術(shù)：
熱光電裝置(TPV)由受熱黑體組成，該受熱黑體跨越間隙輻射電磁能到光電裝置 上，該光電裝置把輻射功率轉(zhuǎn)換為電功率。給定TPV裝置面積的功率輸出的量，受該裝置熱的ー側(cè)的溫度約束，且一般要求非常高的溫度，因皮對它的實(shí)際應(yīng)用建立屏障。作為對比，微米間隙熱光電(MTPV)系統(tǒng)，通過降低功率發(fā)射體和接收體之間間隙的大小，允許更大功率在它們之間傳遞。通過采用亞微米間隙技木，MTPV裝置可獲得的功率密度，與常用的TPV相比，能夠增加約ー個(gè)數(shù)量級(jí)。等價(jià)地說，對給定的有效面積和功率密度，在MTPV裝置熱的ー側(cè)的溫度能夠被降低。這允許新的應(yīng)用，用在基片功率、廢棄的熱功率產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換器功率上。已經(jīng)證明，熱的和冷的物體之間的電磁能傳遞，由于近場的漸逝耦合，是兩物體的接近間隔的函數(shù)。因此，兩物體越接近，大約在I微米和以下，功率傳遞越大。對O. I微米的間隙間隔，能量傳遞速率増加5倍和更高已被觀察到。然而，兩難問題正在形成，就是要維持兩物體之間的接近間隔在亞微米間隙，以便維持增強(qiáng)的性能。雖然獲得亞微米間隙間隔是可能的，但對熱的和冷的表面的熱效應(yīng)，引起単元的呈杯形、翹曲或變形，導(dǎo)致間隙間隔的變化，從而導(dǎo)致功率輸出中不可控的偏差。通常，為了增加現(xiàn)有技術(shù)裝置的給定的較低功率密度的功率輸出，増加溫度是必要的。然而，溫度增加受裝置和系統(tǒng)部件的材料的限制。微米間隙熱光電(MTPV)系統(tǒng)，是使用光電池把熱轉(zhuǎn)換為電的潛在地更有效的途徑。微米間隙熱光電裝置，是“太陽能電池”技術(shù)的熱學(xué)版本的熱光電方法的改進(jìn)方法。兩種方法都利用光子激發(fā)電子跨越半導(dǎo)體帶隙的能力，從而產(chǎn)生有用的電流。熱源的較低溫度，半導(dǎo)體較窄的帶隙，必須提供與光子能量的入射頻譜最佳的匹配。只有能量等于或大于該帶隙的那些光子能夠產(chǎn)生電。較低能量的光子只能產(chǎn)生熱，并對效率成為損耗機(jī)制。優(yōu)秀的微米間隙熱光電系統(tǒng)，應(yīng)包含熱輻射到或傳導(dǎo)到發(fā)射體層的熱的源，該發(fā)射體層被懸置于紅外感測光電池表面之上的亞微米間隙處。通過使用熱的發(fā)射表面和光電收集器之間的亞微米間隙，光子從固體到固體轉(zhuǎn)移的速率，已被觀察到比用大間隙可能的速率有更大増大。附加的轉(zhuǎn)移機(jī)制不是簡單地涉及普朗克輻射定律，盡管光子的頻譜分布仍然屬黑體分布。但是，亞微米間隙的使用，意味著真空環(huán)境被用于避免過量的熱傳導(dǎo)越過該間隙，該熱傳導(dǎo)是由不能激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶的低能光子引起的。為了熱源的有效使用，高能光子高的百分比必須被生成。用于分開發(fā)射表面與光電池的結(jié)構(gòu)，為了相同效率的考慮，必須既是直徑小的，并且又是非常好的絕熱體。該光電池一般應(yīng)當(dāng)被一定程度冷卻，以便它將適當(dāng)發(fā)揮功能。在高溫下，本征載流子的生成淹沒PN結(jié)，而使它不再是電子的有效的收集器。微米間隙熱光電系統(tǒng)仿佛有大于I的發(fā)射率值的發(fā)射體在起作用。黑體的定義是，它有等于I的發(fā)射率值且該值對大間隙的輻射能量傳遞不能被超過。使用范圍在O. 30到O. 10微米的間隙，5-10的等效發(fā)射率倍數(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)。至少有兩種方式利用這種現(xiàn)象。在可比較的系統(tǒng)中，如果發(fā)射表面的溫度保持相同，微米間隙熱光電系統(tǒng)能夠按比例做得更小和更便宜，同時(shí)產(chǎn)生相同量的電?；蛘?，如果大小可比較的系統(tǒng)被使用，微米間隙熱光電系統(tǒng)將在低得多的溫度上運(yùn)行，因而降低制造該系統(tǒng)中使用的材料的費(fèi)用。據(jù)初步估算，計(jì)算出通過使用微米間隙技術(shù)，典型系統(tǒng)的操作 溫度將從1，400° C降低至1，000° C而仍然產(chǎn)生相同的電輸出。溫度的這樣的下降，由于更廣泛的可用性和更低的可能材料費(fèi)用，可以造成系統(tǒng)的實(shí)用性的差別。美國專利No. 7，390，962、No. 6，232，546 和 No. 6，084，173 及美國專利申請No. 12/154，120、No. 11/500，062、No. 10/895，762、No. 12/011，677、No. 12/152，196 和No. 12/152，195在此被引用，供參考。附加的能量傳遞機(jī)制已經(jīng)被假設(shè)，而使用窄的絕熱間隙構(gòu)建系統(tǒng)的能力，可以在按照本發(fā)明主題的許多應(yīng)用類型中找到使用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的ー個(gè)目的，是提供一種新穎的微米間隙熱光電裝置結(jié)構(gòu)，它還更易于制造。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它導(dǎo)致發(fā)射體和光電基底之間高的熱絕緣。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它能夠有大的面積并能有高的產(chǎn)出。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它允許橫向熱膨脹。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它是高效的。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的一種有均勻亞微米間隙的微米間隙熱光電裝置。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它提供更大的能
量傳遞。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供這樣的ー種微米間隙熱光電裝置，它無需組裝多個(gè)分立的元件而被構(gòu)成。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供一種制作微米間隙光電裝置的方法。本發(fā)明的再ー個(gè)目的，是提供一種作為熱光電系統(tǒng)有用的和在其他應(yīng)用方面也有用的微米間隙裝置。該熱光電系統(tǒng)和設(shè)備，當(dāng)它被插入高溫環(huán)境，諸如エ業(yè)熔化爐中時(shí)，產(chǎn)生電功率。它由耐熱并抗腐蝕的、真空氣密的殼和內(nèi)部的液體冷卻的機(jī)械組件構(gòu)成，該液體冷卻的機(jī)械組件與受熱的殼內(nèi)壁接觸。該機(jī)械組件有利于并提供ー種手段，用于在大發(fā)射體和光電表面之間獲得亞微米間隔。熱從殼的內(nèi)表面被傳導(dǎo)到頻譜上受控的輻射體表面(熱側(cè))。該輻射體表面以電磁能的形式發(fā)射熱，跨越亞微米間隙到光電(PV)裝置(冷側(cè))。熱的一部分被該光電池轉(zhuǎn)換成電。其余的熱能從該光電池的相反側(cè)被液體冷卻的針形或葉片形散熱器帶走。該設(shè)計(jì)的主要方面，是允許發(fā)射體基片到殼內(nèi)表面的密切接觸，以便有良好的熱傳遞。該光電池被向外推頂著發(fā)射體基片，以便壓迫它們頂著內(nèi)壁。高溫?zé)峤缑娌牧?，改進(jìn)殼內(nèi)表面和發(fā)射體基片之間的熱傳導(dǎo)。發(fā)射體基片上微小間隔器總是在熱福射表面和光電池之間維持亞微米的間隙。該機(jī)械組件被設(shè)計(jì)成隨著殼變熱、膨脹和翹曲，推動(dòng)熱的和冷的基片頂著殼內(nèi)表面。為達(dá)到這一點(diǎn)，該光電池被附著于能與殼內(nèi)表面形狀一致的可變形體。該可變形體是薄的金屬箔(膜)。壓カ借助氣動(dòng)膜片和液態(tài)金屬填充的腔被給與該膜。
液態(tài)金屬腔的作用有兩個(gè)目的1)向膜的后側(cè)給與壓力，膜本身又推動(dòng)光電基片頂著發(fā)射體基片，同時(shí)允許該膜彎曲并與殼內(nèi)表面形狀一致；和2)運(yùn)送過量的熱離開該光電裝置到達(dá)液體冷卻的散熱器。殼內(nèi)空的空間接近完全真空(<10_3TOrr)，因此熱不能通過空氣被傳導(dǎo)跨越亞微米間隙和在暴露的殼內(nèi)表面與散熱器之間。本發(fā)明是有用的，因?yàn)樗鼜囊蝗槐粡U棄的熱產(chǎn)生電功率。該電能夠被用于向エ廠內(nèi)其他裝置供電，或者它能夠出售給公用事業(yè)公司。本文公開的本發(fā)明，當(dāng)然容許諸多不同形式的實(shí)施例。附圖出示和本文下面詳細(xì)描述的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是應(yīng)當(dāng)理解，本公開是本發(fā)明原理的示例，并且不把本發(fā)明限制于示出的實(shí)施例。


為進(jìn)一歩理解本發(fā)明的本性和目的，應(yīng)當(dāng)參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，附圖中，相同単元被給予相同的參考數(shù)字，而其中圖I示出按照本發(fā)明的熱光電的和微米間隙熱光電的技術(shù)；圖2A示出單側(cè)MTPV裝置的實(shí)施例；圖2B示出兩側(cè)MTPV裝置的實(shí)施例；圖3示出MTPV裝置的操作的實(shí)施例300 ；圖4示出“Quad” MTPV裝置前端的橫截面視圖的實(shí)際實(shí)施例400 ；圖5是Quad的橫截面視圖500 ；圖6示出完整的Quad，被安裝在它的組件一端上；圖7示出為形成Quad而被組裝的各個(gè)零件；圖8示出已被完整地組裝的Quad ；圖9示出單個(gè)Quad在它的殼體內(nèi)，它的頂蓋已被移除；圖10示出Quad模塊滑進(jìn)它的通過爐壁的熱的殼體；圖11畫出含有4個(gè)Quad和冷卻劑連接的模塊；
圖12畫出Quad模塊的陣列，被連接到公共冷卻劑線路；和圖13畫出要求的控制模塊，被連接到包括ー個(gè)或多個(gè)Quad的MTPV面板。
具體實(shí)施例方式轉(zhuǎn)到圖1，圖I示出按照本發(fā)明的熱光電裝置104和微米間隙熱光電裝置106的技木。兩種技術(shù)可以使用來自煤氣、石油或煤燃燒的熱110，核能120，來自工業(yè)過程廢棄的熱130，或太陽的熱140。熱光電裝置(TPV) 104由輻射電磁能跨越宏觀尺度間隙190到光電裝置160的受熱黑體150構(gòu)成，該光電裝置160把輻射功率轉(zhuǎn)換為電功率。給定TPV裝置面積的功率輸出的量，受該裝置熱側(cè)溫度的約束，且一般要求非常高的溫度，因此對它的實(shí)際應(yīng)用建立屏障。作為對比，微觀尺度間隙195熱光電(MTPV)裝置106，通過降低功率發(fā)射體150和接收體160之間間隙195的大小，允許更大功率在它們之間傳遞。通過采用亞微米間隙技術(shù)，MTPV裝置106可獲得的功率密度，與常用的TPV裝置104相比，能夠增加約ー個(gè)數(shù)量級(jí)。等價(jià)地說，對給定的有效面積和功率密度，在MTPV裝置熱側(cè)的溫度能夠被降 低。這樣允許新的應(yīng)用，用在基片功率、廢棄的熱功率產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換器功率上。已經(jīng)證明，由于近場的漸逝耦合，熱的和冷的物體之間的電磁能傳遞是兩物體的接近間隔的函數(shù)。因此，兩物體170越接近，大約I微米和以下，功率傳遞越大。對O. I微米的間隙間隔180，能量傳遞速率増加5倍和更高已被觀察到。通過使用熱的發(fā)射表面150和光電收集器160之間的亞微米間隙195，光子從固體到固體轉(zhuǎn)移的速率，已被觀察到比用大間隙190可能的速率有更大増大。附加的傳遞機(jī)制不是簡單地涉及普朗克輻射定律，盡管光子的頻譜分布仍然屬黑體分布。但是，亞微米間隙的使用，意味著真空環(huán)境被用于避免過量的熱傳導(dǎo)越過該間隙，該熱傳導(dǎo)是由不能激發(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶的低能光子引起的。為了熱源的有效使用，高能光子的高百分比必須被生成。用于分開發(fā)射表面與光電池的結(jié)構(gòu)，為了相同效率的考慮，必須既是直徑小的，并且又是非常好的絕熱體。該光電池一般應(yīng)當(dāng)被一定程度冷卻，以便它將適當(dāng)發(fā)揮功能。在高溫下，本征載流子的生成淹沒PN結(jié)，而使它不再是電子的有效的收集器。轉(zhuǎn)到圖2A，圖2A示出單側(cè)MTPV裝置的實(shí)施例200。該實(shí)施例包含熱界面210，用于在暴露于高溫的殼體和熱側(cè)發(fā)射體215之間傳導(dǎo)熱。熱側(cè)發(fā)射體215通過由間隔器220維持的微間隙與冷側(cè)光電池225分隔開。箔膜230被置于冷側(cè)光電池225和含有液態(tài)金屬的室235之間，該液態(tài)金屬被維持在受控壓力下。該加壓室235確保熱側(cè)發(fā)射體215和熱界面210在寬大的溫度范圍上被維持與殼體緊密接觸。鄰接液態(tài)金屬室235的是散熱器240，該散熱器240被冷卻劑室245中的連續(xù)流動(dòng)的冷卻劑冷卻。冷卻劑室245被冷卻劑室密封250和氣動(dòng)室柔性密封255與氣動(dòng)室260分隔開。氣動(dòng)室260被維持在受控壓力上，以進(jìn)ー步確保散熱器240、液態(tài)金屬室235、冷側(cè)發(fā)射體225、熱側(cè)發(fā)射體215、熱界面210與殼體之間的緊密接觸被維持。氣動(dòng)室固定密封265被置于氣動(dòng)室260和冷卻水支管270之間，該冷卻水支管270被連接到循環(huán)冷卻水的連續(xù)供給，用于冷卻散熱器240。轉(zhuǎn)到圖2B，圖2B示出兩側(cè)MTPV裝置的實(shí)施例205。該兩側(cè)MTPV裝置包含上面關(guān)于圖2A所述的結(jié)構(gòu)和附加的結(jié)構(gòu)，該附加結(jié)構(gòu)是圖2A所示的倒像，被附著于公共冷卻水支管270。這種結(jié)構(gòu)能從MTPV裝置兩側(cè)實(shí)現(xiàn)熱的收集。轉(zhuǎn)到圖3，圖3示出MTPV裝置的操作的實(shí)施例300。MTPV裝置305被暴露于輻射和對流的熱流310，該對流的熱流310加熱外表面和熱側(cè)/冷側(cè)對320、330的熱側(cè)。真空被維持在MTPV裝置305的內(nèi)部，而冷側(cè)光電池被循環(huán)水340、350從內(nèi)部冷卻。輸出功率360、370從裝置305被獲得。轉(zhuǎn)到圖4，圖4示出“Quad’lTPV裝置前端的橫截面視圖的實(shí)際實(shí)施例400。該Quad是用于實(shí)施MTPV技術(shù)的基本積木式部件。該前端在高溫殼體和熱側(cè)發(fā)射體420之間包含熱傳導(dǎo)石墨界面410。微間隙430被維持在熱側(cè)發(fā)射體420和冷側(cè)光電池440之間。箔膜450被放置在冷側(cè)發(fā)射體440和液態(tài)金屬室460之間。散熱器470的表面和箔膜450封閉液態(tài)金屬室460。發(fā)射體420的目的，是Quad的殼體內(nèi)側(cè)吸收熱。發(fā)射體基片420通常是，但不必須是，由娃制成，并在間隙ー側(cè)上有微機(jī)加工的ニ氧化娃間隔器。發(fā)射體420的光滑ー側(cè)被壓迫頂著熱的殼體內(nèi)側(cè)。石墨熱界面材料410被夾在發(fā)射體420和殼體之間，以改進(jìn)熱傳遞。該殼體被爐內(nèi)的輻射和對流能量加熱，且該熱通過殼體跨越熱界面材料410被傳導(dǎo)并進(jìn)入硅發(fā)射體420，使它變得非常熱。
光電池440被設(shè)計(jì)成把一些從熱黑體發(fā)射的光轉(zhuǎn)換為電。尤其是，該光電池440有非常平的表面，以致當(dāng)它們被壓迫頂著發(fā)射表面420上的間隔器時(shí)，非常小的真空間隙被形成。該間隔器被這樣設(shè)計(jì)，以致非常小的熱流被從熱的發(fā)射體420傳導(dǎo)到相對冷的光電池440。該光電池440和發(fā)射體420也都由高折射率材料制成，以獲得最大量的近場耦合能量增強(qiáng)。從發(fā)射體420傳輸?shù)焦怆姵?40的光的一定百分比被轉(zhuǎn)換為電。轉(zhuǎn)到圖5，圖5是Quad的橫截面視圖500。該視圖是宏觀透視圖，它包含圖4所示単元。該Quad包含水分配殼體，亦稱冷卻水支管510、波紋管子組件560、570、散熱器子組件470、氣動(dòng)子組件530、540、550、液態(tài)金屬隔間460 (亦見圖4)、膜和光電子組件440、450(亦見圖4)、熱側(cè)發(fā)射體陣列410、420 (亦見圖4)、以及線性致動(dòng)器壓力調(diào)節(jié)器(水分配殼體內(nèi)側(cè))。這些單元形成基本的Quad積木式部件。ー個(gè)或多個(gè)Quad通常被封閉在暴露于高溫的空的封殼或熱的殼體中，以便產(chǎn)生電功率。膜450、液態(tài)金屬460、散熱器470和波紋管子組件570有非常的耦合功能。金屬波紋管570在水分配殼體510和散熱器470之間傳遞水，一組波紋管570在入口側(cè)而另一組在出ロ側(cè)。波紋管570還作為膨脹接頭起作用，因此當(dāng)殼體變熱并膨脹時(shí)，波紋管570拉長。波紋管570常常被壓縮，所以它們提供把散熱器和膜組件推向熱的蓋的力，因而推著光電池440頂著發(fā)射體間隔器和推著發(fā)射體420頂著熱的壁。雖然散熱器470有內(nèi)部空隙讓水通過，但它也作為光電池的懸置平臺(tái)起作用。通過波紋管570的撓曲，該平臺(tái)能夠移進(jìn)和移出并繞兩個(gè)軸傾斜。這種聯(lián)接方式允許光電陣列420宏觀地與熱的殼體的取向一致。該柔性膜450在此與熱的殼體的彎曲有夫。膜450是基片的第二懸置物。第一懸置物要關(guān)注由于熱膨脹產(chǎn)生的剛體運(yùn)動(dòng)和由于機(jī)加工容差及差溫加熱產(chǎn)生的傾斜偏移。該膜450是光電池440的柔性懸置物，允許電池的陣列推動(dòng)頂著發(fā)射體420并彎曲和撓曲，使基片與殼體的彎曲形狀一致。重要的是應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)熱流垂直于平的板時(shí)，跨越該板有導(dǎo)致熱致彎曲或弓起的溫度降。該光電池440被粘接于膜450。金屬膜450有絕緣層和一定圖形的導(dǎo)電體層。在這種意義下，膜450作為印刷電路板起作用，按串聯(lián)和/或并聯(lián)與光電池440結(jié)合在一起，并把電運(yùn)送到膜450的邊緣。
膜450圍繞該邊緣被密封到該平臺(tái)，在膜450和該平臺(tái)之間留下小的間隙。該空間其后用液態(tài)金屬填充。該液態(tài)金屬的作用有兩個(gè)目的首先，它在光電池440和散熱器470之間提供熱通路。其次，因?yàn)樗且后w，它允許膜450彎曲。熱殼體由高溫金屬制成，并在里面放置Quad之后被牢固地封閉。殼體的大小取決于Quad的數(shù)量和分布。內(nèi)表面被拋光，以便它們有低的發(fā)射率。外表面被故意氧化成黑的面層，因此它們將從爐吸收更多的輻射熱。殼體有用于冷卻液體的穿越端ロ、真空泵和電線。氣動(dòng)子組件530、540、550位于水分配殼體510和散熱器470之間。氣動(dòng)膜片530與波紋管570平行地把散熱器470往外推向熱的殼體,因而在膜450和熱殼體之間擠壓光電池440和發(fā)射體420。在液態(tài)金屬腔中有合適的氣動(dòng)力量和壓力，膜450、基片和殼體將全部呈現(xiàn)相同形狀，而發(fā)射體420和光電池440之間的間隙將是均勻的(但不一定是平的)。熱流進(jìn)殼體，通過熱界面材料410并進(jìn)入發(fā)射體420。其后跨越亞微米真空間隙向 光電池440輻射，其中一些能量被轉(zhuǎn)換為電并被膜表面上的金屬化取走。其余的熱通過膜450、液態(tài)金屬、銅、銅引腳并進(jìn)入總是被加滿的冷卻水。如果光電池440全部被串聯(lián)，那么旁路ニ極管能夠被連接在電池的每一行的兩端，這樣ー來，如果一行內(nèi)的光電池440失效,整行能夠被旁路,而該電流將被轉(zhuǎn)到下一行。轉(zhuǎn)到圖6，圖6示出完整的Quad 600，被安裝在它的組件一端上。圖6所示的有熱側(cè)發(fā)射體陣列410、420、膜和光電組件440、450、液態(tài)金屬室460、散熱器470、水分配殼體510、氣動(dòng)室540、電連接610和氣動(dòng)連接620、630。線性致動(dòng)器由電動(dòng)機(jī)和導(dǎo)引螺桿組成，并被藏在水分配殼體510內(nèi)側(cè)。它的目的是控制膜450后面液體的量。該致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)附著于滾動(dòng)膜片(rolling diaphragm)的活塞。膜片的內(nèi)部被液態(tài)金屬填充，液態(tài)金屬能夠通過弓I向液態(tài)金屬/膜室460的通道被抽運(yùn)。為増加或降低膜450后面液態(tài)金屬的量，該致動(dòng)器分別被向外或向內(nèi)驅(qū)動(dòng)。該致動(dòng)器還被用于控制液態(tài)金屬中的壓力。線性致動(dòng)器和活塞之間是模具彈簧(die spring)。來自致動(dòng)器的力通過該彈簧并進(jìn)入活塞，因此該彈簧總是受壓的。這樣允許致動(dòng)器改變液態(tài)金屬壓力，即使活塞保持靜止。模具彈簧的壓縮直接與液態(tài)金屬壓カ有夫。轉(zhuǎn)到圖7，圖7示出被組裝以形成Quad 700的各個(gè)零件。這些零件包含光電陣列710和散熱器頂715、散熱器底720、水殼體頂蓋735、Servometer波紋管(servometerbellows) 725、水殼體側(cè)蓋730、水殼體740、波紋管連接器745、Servometer波紋管750和波紋管筒755。轉(zhuǎn)到圖8，圖8示出被完整地組裝的Quad 800。如圖8所示，Quad包含光電陣列710和散熱器頂715、SerVOmeter波紋管725、水殼體側(cè)蓋730、水殼體740和到外部控制模塊的電及氣動(dòng)連接770。轉(zhuǎn)到圖9，圖9示出單個(gè)Quad 900在它的殼體內(nèi)，它的頂蓋已被移除。出示的是被完整地組裝的圖8所示Quad 800、熱的殼體910、水冷卻劑連接930、940和真空端ロ 920。沒有出示的是與氣動(dòng)控制模塊的連接。轉(zhuǎn)到圖10，圖10示出Quad模塊1000滑進(jìn)它的通過爐壁的熱的殼體。出示的是Quad 800、熱的殼體1020、爐壁1030、Quad模塊封殼910、水冷卻劑連接930、940、以及與電
功率設(shè)施、真空控制模塊及氣動(dòng)控制模塊的連接1010。
轉(zhuǎn)到圖11，圖11畫出含有4個(gè)Quad和冷卻劑連接的模塊1100。它可以包含高達(dá)4個(gè)雙側(cè)Quad模塊800和冷卻劑連接1130、1140。
轉(zhuǎn)到圖12，圖12畫出Quad模塊1200的陣列，被連接到公共冷卻劑線路。圖上出示24個(gè)Quad模塊800，被連接到公共冷卻劑線1230、1240。雖然每一 Quad含有光電池和發(fā)射體基片的陣列、但面板可以含有Quad的MXN陣列，這里M和N大于或等于I。Quad陣列可以被冷卻管連接在一起，使這些單位可以串聯(lián)或并聯(lián)地被冷卻。轉(zhuǎn)到圖13，圖13畫出要求的控制模塊1300，被連接到包括ー個(gè)或多個(gè)Quad的MTPV面板。出示的是MTPV面板1350、冷卻控制模塊1310、真空控制模塊1320和氣動(dòng)壓力控制模塊1330。
權(quán)利要求
1.ー種利用亞微米間隙熱光電技術(shù)把熱能轉(zhuǎn)換為電功率的方法，包括步驟 通過輻射發(fā)射層的收集表面，從熱傳導(dǎo)殼的內(nèi)表面收集熱能，該殼的外表面被暴露于高溫?zé)崮茉矗? 維持光電池的接收表面離福射發(fā)射層的發(fā)射表面小于ー微米距離； 用該接收表面從該發(fā)射表面接收電磁輻射，用于由該光電池產(chǎn)生電功率； 由加壓的、熱傳導(dǎo)的、可變形的膜在光電池上提供壓力，用于保持輻射發(fā)射層的收集表面與殼的內(nèi)表面的緊密接觸，并用于使冷卻最大化；和 提供壓カ在與熱傳導(dǎo)可變形膜接觸的散熱器上，用于使冷卻最大化。
2.權(quán)利要求I的方法，還包括在發(fā)射表面和接收表面之間建立真空，用于使熱傳導(dǎo)最小化。
3.權(quán)利要求2的方法，其中該真空小于10_3Torr。
4.權(quán)利要求I的方法，還包括在殼內(nèi)維持真空。
5.權(quán)利要求I的方法，其中該光電池的接收表面和輻射發(fā)射層的發(fā)射表面之間的距離通常是在O. 10和O. 30微米之間。
6.權(quán)利要求I的方法，還包括利用絕熱間隔器維持該光電池的接收表面和輻射發(fā)射層的發(fā)射表面之間的距離。
7.權(quán)利要求I的方法，其中該可變形膜被線性致動(dòng)器和液態(tài)金屬填充的腔加壓。
8.權(quán)利要求I的方法，還包括把熱界面置于福射發(fā)射層的收集表面和熱傳導(dǎo)殼的內(nèi)表面之間。
9.權(quán)利要求8的方法，其中該熱界面包括熱傳導(dǎo)石墨。
10.權(quán)利要求I的方法，還包括通過讓冷卻劑液體通過散熱器腔循環(huán)，來降低光電池、散熱器、液態(tài)金屬室和可變形膜的溫度。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括通過柔性波紋管和水分配殼體的使用，分配冷卻液。
12.ー種利用亞微米間隙熱光電技術(shù)把熱能轉(zhuǎn)換為電功率的設(shè)備，包括 輻射發(fā)射層的收集表面，用于從熱傳導(dǎo)殼的內(nèi)表面收集熱能，該殼的外表面被暴露于高溫?zé)崮茉矗? 光電池的接收表面，被維持在離該福射發(fā)射層的發(fā)射表面小于ー微米距離處； 電磁福射，被該接收表面從該發(fā)射表面接收，用于由該光電池產(chǎn)生電功率； 該光電池由加壓的、熱傳導(dǎo)的、可變形的膜加壓，用于保持輻射發(fā)射層的收集表面與殼的內(nèi)表面的緊密接觸，并用于使冷卻最大化；和 散熱器，被加壓成與熱傳導(dǎo)可變形膜接觸，用于使冷卻最大化。
13.權(quán)利要求12的設(shè)備，還包括把熱界面置于輻射發(fā)射層的收集表面和熱傳導(dǎo)殼的內(nèi)表面之間。
14.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中該熱界面由熱傳導(dǎo)石墨組成。
15.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中真空被維持在該發(fā)射表面和該接收表面之間。
16.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中真空被維持在該殼內(nèi)。
17.權(quán)利要求12的設(shè)備，還包括絕熱間隔器，用于維持光電池的接收表面和輻射發(fā)射層的發(fā)射表面之間的距離。
18.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中該可變形膜被線性致動(dòng)器和液態(tài)金屬填充的腔加壓。
19.權(quán)利要求12的設(shè)備，還包括通過使用柔性波紋管和水分配殼體分配的冷卻液。
20.ー種利用亞微米間隙熱光電技術(shù)把熱能轉(zhuǎn)換為電功率的設(shè)備，包括用于封閉Quad的部件的殼，該Quad包含 發(fā)射體基片陣列，經(jīng)由石墨熱界面，被維持與殼的緊密熱接觸； 膜和光電陣列子組件，通過絕熱間隔器與發(fā)射體基片陣列分隔開； 與該膜接觸的液態(tài)金屬室，用于維持被維持與殼緊密熱接觸的發(fā)射體基片陣列； 散熱器子組件，用于接收液體冷卻剤，以便冷卻該膜、液態(tài)金屬室和光電陣列； 水分配殼體，用于經(jīng)由波紋管子組件，向散熱器子組件分配液體冷卻劑； 氣動(dòng)子組件，用于維持散熱器與液態(tài)金屬冷卻劑和光電陣列的緊密接觸；和 線性致動(dòng)器壓カ致動(dòng)器，用于維持氣動(dòng)子組件中的壓力。
21.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中真空在該殼內(nèi)被維持。
22.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中該膜被線性致動(dòng)器和液態(tài)金屬填充的腔加壓。
23.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中該Quad包含多個(gè)光電的和發(fā)射體基片的陣列。
24.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中殼可以是Quad的MXN陣列，這里M和N大于或等于I。
25.權(quán)利要求20的設(shè)備，還包括冷卻控制模塊、真空控制模塊和氣動(dòng)壓カ控制模塊。
全文摘要
微米間隙熱光電大規(guī)模亞微米間隙方法和設(shè)備。本發(fā)明涉及用于熱到電的固態(tài)轉(zhuǎn)換的微米間隙熱光電的(MTPV)技術(shù)。問題正在形成并且然后要維持兩物體之間的接近間隔在亞微米間隙，以便維持增強(qiáng)的性能。雖然獲得亞微米間隙間隔是可能的，但對熱的和冷的表面的熱效應(yīng)，引起單元的呈杯形、翹曲或變形，導(dǎo)致間隙間隔的變化，從而導(dǎo)致功率輸出中不可控的偏差。該設(shè)計(jì)的主要方面，是允許發(fā)射體基片到殼內(nèi)側(cè)表面的密切接觸，因此有良好的熱傳遞。光電池被推向頂著發(fā)射體基片，以便壓迫它們頂著內(nèi)壁。高溫?zé)峤缑娌牧希倪M(jìn)殼內(nèi)表面和發(fā)射體基片之間的熱傳遞。
文檔編號(hào)H01L35/00GK102823004SQ201180008551
公開日2012年12月12日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月28日
發(fā)明者E·L·布朗, R·S·德瑪特奧, B·A·納爾德利, 彭斌, 李瀟 申請人:Mtpv能量公司