комбинированное производство тепла и электроэнергии для жилых и промышленных зданий с использованием солнечной энергии

Формула изобретения

1. Генератор (100) на солнечной энергии, содержащий:

солнечную панель (102), имеющую верхнюю поверхность (105) и нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерировать электрическую энергию из солнечной энергии (109);

термоэлектрическое устройство (103), примыкающее к солнечной панели (102) и расположенное ниже солнечной панели, причем термоэлектрическое устройство (103) содержит горячий спай (107) и холодный спай (108) и горячий спай (107) находится в тесной тепловой связи с нижней поверхностью (106) солнечной панели (102), при этом термоэлектрическое устройство (103) выполнено с возможностью вырабатывать электрическую энергию, когда горячий спай (107) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (108); и

один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (102) и отвода от нее электрической энергии и для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (103) и отводом от него электрической энергии;

при этом термоэлектрическое устройство (103) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (107) к холодному спаю (108) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (107) к холодному спаю (108) посредством теплопроводности;

ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводниковых материалов, легированных донорной примесью,

ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводниковых материалов, легированных акцепторной примесью,

причем по меньшей мере один из сегментов выполнен из нанокомпозиционного материала, в котором квантовая локализация носителей значительно уменьшает теплопроводность сегмента.

2. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, дополнительно содержащий систему (101) концентрации солнечной энергии, конфигурированную для концентрации солнечного света (109) на верхней поверхности солнечной панели (102), при этом указанная система (101) имеет максимальный коэффициент f концентрации солнечной энергии.

3. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, в котором величина коэффициента f составляет 100 или более.

4. Генератор (100) на солнечной энергии по п.3, в котором солнечная панель (102) содержит тонкопленочные однопереходные или двухпереходные солнечные элементы, при этом самый верхний переход полупроводникового материала в солнечных элементах имеет ширину запрещенной энергетической зоны более 1,8 эВ в случае одного перехода или 2,0 эВ в случае двух переходов.

5. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, характеризующийся тем, что спроектирован исходя из величины f и термического сопротивления термоэлектрического устройства (103) так, чтобы солнечная панель (102) нагревалась до температуры выше 675 К под действием солнечного света при функционировании в условиях окружающей среды на земной поверхности, при поддержании температуры холодного спая (108) ниже 100°С с помощью теплоотвода (104).

6. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом в указанном генераторе (100) электрической энергии, в частности, коэффициент f, толщина и теплопроводность термоэлектрического устройства (103), размер и вид теплоотвода (104), а также материалы конструкции спроектированы и приспособлены для обеспечения непрерывной работы указанного генератора (100) в условиях внешней среды и солнечного климата на земной поверхности при повышении температуры солнечной панели (102) до температуры, при которой термоэлектрическое устройство (103) вырабатывает по меньшей мере в два раза больше электрической энергии, чем солнечная панель (102).

7. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом в указанном генераторе (100), в частности, коэффициент f, толщина и теплопроводность термоэлектрического устройства (103), размер и вид теплоотвода (104), а также материалы конструкции спроектированы и приспособлены для обеспечения непрерывной работы указанного генератора (100) в условиях внешней среды и солнечного климата на земной поверхности при повышении температуры солнечной панели (102) до температуры, равной по меньшей мере 575 К.

8. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, в котором ветвь n-типа (219) и/или ветвь p-типа (220) содержит два сегмента (219а, 219b, 219с, 220а, 220с) из различных композиционных материалов, причем каждый композиционный материал имеет диапазон рабочей температуры, в котором его термоэлектрическая добротность превышает добротность другого материала.

9. Генератор (100) на солнечной энергии по п.1, дополнительно содержащий теплоотвод (104), находящийся в контакте с холодным спаем (108), при этом указанный теплоотвод (104) содержит трубопроводы (979) горячей воды, бак (974) с горячей водой и замкнутый контур (974, 979, 978) циркуляции воды между баком (974) с горячей водой и холодным спаем (108).

10. Генератор (100) на солнечной энергии по п.9, дополнительно содержащий солнечный коллектор (971) и одно или более оптических волокон (972), конфигурированных для передачи солнечной энергии от солнечного коллектора (971) к солнечной панели (102), при этом солнечная панель (102), термоэлектрическое устройство (103) и бак (974) с горячей водой размещены в жилом или промышленном здании (973), спроектированном для использования горячей воды из указанного бака (974).

11. Генератор (100) на солнечной энергии по п.10, дополнительно содержащий систему (980) для смешивания воды, соединенную с баком (974) с горячей водой и источником (981) подачи холодной воды, при этом указанная смесительная система (980) выполнена с возможностью отвода воды по отдельности из бака (974) с горячей водой и от источника подачи (981) холодной воды и для подачи смешанной воды (982), отведенной от этих источников (974, 981), кроме того, смесительная система (980) выполнена с возможностью автоматического регулирования коэффициента смешения воды, отводимой из бака (974), и воды, поступающей из источника (981) подачи холодной воды, что необходимо для поддержания воды, поступающей из системы (982) смешения, при температуре ниже заданной максимальной температуры.

12. Генератор (100) на солнечной энергии по п.2, в котором коэффициент концентрации f равен 10 или более, при этом система (101) концентрации солнечной энергии выполнена с возможностью обеспечивать направленный к солнечной панели (102) поток солнечного излучения, превышающий 10 кВт/м ², в условиях безоблачного неба при расположении Солнца в зените; горячий спай (107) термоэлектрического устройства (103) находится в плотном тепловом контакте с нижней поверхностью (106) солнечной панели (102), при этом система выполнена с возможностью передачи теплоты через термоэлектрическое устройство (103) в качестве основного пути охлаждения солнечной панели (102) во время установившегося режима работы, причем термоэлектрическое устройство (103) имеет коэффициент передачи теплоты между его горячим и холодным спаями (107, 108) меньше, чем (f/100) кВт на м² (площади солнечной панели (102)) на градус Кельвина при комнатной температуре, при этом система выполнена с возможностью работы с солнечной панелью (102) в устойчивом режиме при температуре, на 100 К или более превышающей температуру холодного спая (102) в солнечные дни.

13. Генератор (100) на солнечной энергии по п.12, в котором коэффициент концентрации f равен 100 или более.

14. Генератор (100, 200) на солнечной энергии по п.1, характеризующийся тем, что содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах термоэлектрического устройства (203), или термоэлектрическое устройство (203) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах фотоэлектрического устройства (202).

15. Генератор (100, 200) на солнечной энергии по п.1, в котором термоэлектрическое устройство (203) имеет поперечное сечение (А-А'), параллельное нижней поверхности (106) солнечной панели (202), площадь которого приблизительно равна площади нижней поверхности солнечной панели (202), при этом указанное поперечное сечение проходит через ветви (219, 220) термоэлектрического устройства (203), причем ветви (219, 220) занимают менее 10% указанного поперечного сечения, а более 90% поперечного сечения приходится на материал (222) с хорошими теплоизоляционными свойствами, выбранный из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель, причем теплоизоляционный материал заполняет объем между ветвями (219, 220).

16. Генератор (100, 200) на солнечной энергии, содержащий:

солнечную панель (202), имеющую верхнюю поверхность (105), нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерирования электрической энергии из солнечного света (109);

термоэлектрическое устройство (203), прилегающее к солнечной панели (202) и расположенное ниже солнечной панели, при этом указанное устройство содержит горячий спай (207), холодный спай (208), причем горячий спай (207) находится в тесной тепловой связи с нижней стороной (106) солнечной панели (202), при этом указанное термоэлектрическое устройство (203) выполнено с возможностью генерирования электрической энергии, когда горячий спай (207) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (208); и

один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (202) и отвода электрической энергии от солнечной панели, а также для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (203) и отводом от него электрической энергии;

при этом термоэлектрическое устройство (203) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности;

при этом ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного донорной примесью;

ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного акцепторной примесью;

причем солнечная панель (202) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах термоэлектрического устройства (203), или термоэлектрическое устройство (203) содержит слои полупроводникового материала, выращенные на элементах фотоэлектрического устройства.

17. Генератор (100, 200) на солнечной энергии, содержащий:

солнечную панель (202), имеющую верхнюю поверхность (105) и нижнюю поверхность (106) и выполненную с возможностью генерирования электрической энергии из солнечного света (109);

термоэлектрическое устройство (203), прилегающее к солнечной панели (202) и расположенное ниже солнечной панели, при этом указанное устройство (203) содержит горячий спай (207) и холодный спай (208), причем горячий спай (207) находится в тесной тепловой связи с нижней стороной (106) солнечной панели (202), при этом указанное термоэлектрическое устройство (203) выполнено с возможностью генерирования электрической энергии, когда горячий спай (207) имеет более высокую температуру, чем холодный спай (208);

один или более электрических соединительных элементов для электрического соединения с солнечной панелью (202) и отвода электрической энергии от солнечной панели, а также для электрического соединения с термоэлектрическим устройством (203) и отводом от него электрической энергии;

при этом термоэлектрическое устройство (203) содержит ветви (219) n-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности, и ветви (220) p-типа, конфигурированные для передачи теплоты от горячего спая (207) к холодному спаю (208) посредством теплопроводности;

при этом ветви (219) n-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного донорной примесью;

ветви (220) p-типа содержат один или более сегментов полупроводникового материала, легированного акцепторной примесью;

термоэлектрическое устройство (203) имеет поперечное сечение (А-А'), параллельное нижней поверхности (106) солнечной панели (202), площадь которого приблизительно равна площади нижней поверхности (106) солнечной панели (202); при этом указанное поперечное сечение проходит через ветви (219, 220) термоэлектрического устройства (203);

причем ветви (219, 220) занимают менее 10% поперечного сечения, а более 90% поперечного сечения приходится на материал (222) с хорошими теплоизоляционными свойствами, выбранный из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель, причем теплоизоляционный материал заполняет объем между ветвями (219, 220).

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройствам, работающим на солнечной энергии, и к способам преобразования солнечной энергии в полезные виды энергии.

Уровень техники

Существует давно признанная и постоянная необходимость в экономически эффективных возобновляемых источниках энергии. В связи с этим были предприняты значительные усилия для разработки экономичных генераторов электрической энергии, работающих на солнечной энергии, предназначенных для использования солнечной энергии. Основной фокус этих усилий был направлен на создание высокоэффективных недорогих солнечных панелей.

Солнечные панели представляют собой фотоэлектрические преобразователи, служащие для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Базовая технология солнечных панелей основана на p-n переходах. Разность концентраций носителей зарядов между p- и n-областями полупроводникового материала приводит к диффузии носителей зарядов и в результате к созданию статического электрического поля в полупроводнике. Полупроводник имеет запрещенную энергетическую зону, которая представляет собой разность энергий между минимальной энергией зоны проводимости полупроводника и максимальной энергией его валентной зоны. Многие полупроводники имеют запрещенную энергетическую зону, находящуюся в пределах границ спектра солнечного излучения. Фотоны с энергией большей, чем ширина запрещенной энергетической зоны, могут быть поглощены полупроводником и переводят носители заряда из валентной зоны в зону проводимости. Возбужденные носители протекают под действием электрического поля и обеспечивают электрическую энергию.

Используемые в настоящее время солнечные панели могут быть в части технологии приближенно подразделены на технологию кристаллического кремния и тонкопленочную технологию. Кристаллический кремний является относительно плохим поглотителем света и требует сравнительно большую толщину (несколько сот микрон) материала по сравнению с такими материалами, как теллурид кадмия (CdTe) и арсенид галлия (GaAs), используемыми в тонкопленочной технологии. В настоящее время солнечные панели на кристаллическом кремнии обеспечивают более высокую эффективность (кпд), чем тонкопленочные солнечные панели, но являются более дорогостоящими для изготовления. Хорошая эффективность преобразования для солнечных панелей, имеющихся на рынке в настоящее время, составляет 14-19%. Возможно получение более высокой эффективности преобразования.

Максимальная эффективность преобразования неконцентрированного солнечного излучения в электрическую энергию, используя солнечную панель с единственным p-n-переходом при комнатной температуре, составляет приблизительно 31% в соответствии с хорошо известным пределом Шокли-Квайссера. Этот предел учитывает термодинамически неизбежную скорость рекомбинации носителей и рассогласование между шириной запрещенной зоны полупроводника и спектром солнечной энергии.

Рассогласование связано с квантованием энергии светового излучения. Длины волн света с энергией ниже ширины запрещенной зоны не могут возбуждать носители зарядов. Длины волн с энергией выше ширины запрещенной зоны могут возбуждать носители, но энергия, избыточная относительно ширины запрещенной зоны, быстро превращается в теплоту. Энергия запрещенной зоны, составляющая около 1,3 эВ, обеспечивает наибольший теоретический кпд солнечной панели с единственным p-n-переходом при комнатной температуре.

Предел Шокли-Квайссера для солнечной панели с единственным p-n-переходом может быть превышен за счет использования многопереходной структуры. Типичная солнечная панель с многопереходной структурой содержит слоистый пакет из двух или большего количества полупроводниковых материалов, имеющих различную ширину запрещенной зоны. Самый верхний слой имеет наибольшую ширину запрещенной энергетической зоны. В идеальном варианте, самый верхний слой поглощает спектр с энергией, равной или большей, чем ширина запрещенной зоны для слоя, и в то же время пропускает волны большей длины для их использования нижерасположенными слоями.

Оптическая прозрачность слоистой структуры обычно требует, чтобы все слои имели одинаковую кристаллическую структуру и одинаковые постоянные кристаллической решетки. Постоянная кристаллической решетки характеризует расстояние между атомами в кристаллической решетке. Рассогласование постоянных кристаллической решетки между различными слоями приводит к созданию дислокации и значительно ухудшает эффективность солнечной панели с многопереходной структурой.

Хотя выбор материалов для солнечных панелей является ограниченным, выявлены многие подходящие комбинации и показано, что они превосходят по эффективности однопереходные солнечные элементы. За счет подходящего разделения спектра были получены превосходные результаты при использовании солнечных элементов с двумя, тремя и четырьмя переходами. Например, двухпереходный элемент, содержащий InGaP (1.9 эВ) и GaAs (1.4 эВ), сохранял рекордный кпд около 30% в 1990-х гг. Были использованы трехпереходные элементы, содержащие GaInP (1.85 эВ), слой GaAs (1.42 эВ) и Ge (0.67 эВ), которые демонстрировали величину кпд около 40%.

Другой путь повышения эффективности (кпд) солнечной панели заключается в концентрации солнечного света на поверхности солнечной панели. Помимо явной выгоды обеспечения большего потока светового излучения на единицу поверхности прямое излучение, обеспечиваемое концентратором (по сравнению с диффузным световым излучением, воспринимаемым панелью, непосредственно подверженной действию солнечного света), обеспечивает большую эффективность. Величина эффективности, равная 41%, является теоретическим пределом для элемента с одним переходом, а 55% - предел для двухпереходного элемента. Для прямого солнечного света оптимальная ширина запрещенной энергетической зоны соответствует 1,1 эВ. Для двухпереходного элемента при стандартной схеме последовательного соединения подбор пары с шириной запрещенной зоны 0,77 эВ и 1,55 эВ является близким к оптимальному. Для трехпереходного элемента величины 0,61 эВ, 1,15 эВ и 1,82 эВ приближаются к идеалу, как это отмечено в публикации: М.A.Green in. Third-Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, p. 60-63 (Springer: Heidelberg, 2003).

Другое усовершенствование с целью повышения эффективности преобразования энергии при получении электричества заключается в извлечении электрической энергии из избыточной энергии, поглощенной в том случае, когда электрон возбуждается фотоном с энергией, превышающей ширину запрещенной энергетической зоны. Первоначально эта энергия удерживается носителями заряда, что приводит к образованию «горячих носителей». Существует два основных пути использования «горячих носителей» для повышения эффективности производства электрической энергии. Один путь приводит к повышенному напряжению, а другой - к увеличенному электрическому току. Первый из них требует, чтобы носители заряда были извлечены перед их охлаждения, в то время как последний требует, чтобы горячие носители заряда обладали достаточной энергией для создания второй пары электрон-дырка посредством ионизации соударением. Для того чтобы каждый из этих процессов был эффективным, его необходимо осуществлять с интенсивностью, сравнимой со скоростью охлаждения носителя заряда, которая сама очень велика.

Скорость охлаждения носителя может быть значительно уменьшена за счет создания носителей в нанокомпозиционном материале, что изменяет динамику релаксации посредством квантовых эффектов. Нанокомпозиционные материалы содержат квантовые ямы, квантовую проволоку и квантовые точки. Эти структуры ограничивают носители заряда областями пространства, которые сопоставимы или меньше чем длина волны де Бройля для носителя заряда или радиус Бора для экситонов в массе полупроводника. В этом отношении наиболее эффективными являются квантовые точки.

Квантовые точки, состоящие из очень маленьких кристаллов одного полупроводника (например, арсенид галлия индия) внутри матрицы другого полупроводника (например, арсенида галлия), могут замедлять охлаждение носителя до температуры, при которой ионизация соударением становится значительной. При ионизации соударением горячий носитель отдает некоторую часть своей энергии для возбуждения второго носителя и его перехода из валентной зоны в зону проводимости и в то же время сам сохраняет достаточное количество энергии, чтобы остаться в зоне проводимости. Ионизация соударением может быть достигнута с помощью квантовых точек, состоящих из весьма небольших полупроводниковых кристаллов, распределенных в матрице органического полимера-полупроводника.

Извлечение горячих носителей может быть достигнуто посредством упорядочения квантовых точек в плотноупакованной пространственной решетке с достаточно близким взаимных расположением для того, чтобы происходило сильное электронное взаимодействие и образование мини-энергетических зон. Указанные мини-зоны допускают перенос электронов с большим радиусом действия. Эти мини-зоны обеспечивают достаточно быстрый перенос для того, чтобы образованный из горячих носителей ток был отведен при потенциале, превышающем обычный потенциал зоны проводимости. Для понимания этого механизма можно отметить, что энергия горячих носителей распределяется среди всех носителей в зоне проводимости в более коротком временном масштабе, чем временной масштаб, в котором энергия распределяется в сторону теплового равновесия другими путями. Таким образом, суммарный поток носителей является «горячим» потоком.

Следует отметить, что во избежание нарушения порядка при реализации вышеуказанных механизмов существует одно из применений квантовых ям, направленное на повышение эффективности солнечных панелей. Квантовые ямы могут быть использованы для установления и качественной регулировки ширины запрещенной зоны полупроводника, внутри которого они заключены. Это позволяет установить ширину запрещенных зон более согласованной с солнечным спектром и обеспечить гибкость в выборе материалов.

Кроме того, размер нанокристаллов в композиционном материале, содержащем полупроводник, оказывает значительное влияние на ширину запрещенной зоны. Это может быть использовано для того, чтобы энергия носителей зарядов оставалась промежуточной по отношению к валентной зоне и зоне проводимости материалов матрицы. Такие промежуточные зоны обеспечивают для композиционного материала возможность электрического преобразования фотонов с энергией ниже ширины запрещенной зоны в полупроводниках, имеющих кристаллическую структуру, посредством двухстадийного процесса возбуждения зарядов с их переходом из валентной зоны в промежуточные зоны и из промежуточных зон в зону проводимости.

Многие из вышеупомянутых структурных усовершенствований экономичны только в отношении концентрации солнечной энергии. Имеющиеся на рынке солнечные концентраторы обеспечивают солнечную энергию с концентрацией, равной 500. Хотя такие высокие концентрации оправдывают использование конструктивно сложных полупроводниковых материалов, они создают проблему, связанную с сильным нагревом, который является весьма неблагоприятным фактором для характеристик солнечных панелей.

Указанная выше максимальная расчетная эффективность солнечных панелей с увеличением температуры снижается, причем снижается для всех солнечных панелей. Как отмечено в патентном документе US 7148417, по данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), типичная кремниевая солнечная панель теряет приблизительно 45% энергии при увеличении температуры на градус Цельсия. При температуре выше 250°С кремниевые солнечные панели по существу не вырабатывают электрическую энергию. Солнечные панели, использующие GaAs, позволяют получить в некоторой степени лучший результат, теряя приблизительно лишь 21% энергии на градус Цельсия. Многопереходные тонкопленочные солнечные панели проявили себя, в общем, еще хуже, поскольку толщину слоев обычно тщательно согласовывают, с тем чтобы уравнивать токи, произведенные каждым слоем. Следует отметить, что даже 5% рассогласование токов может серьезно нарушить работу многопереходной солнечной панели (см.: М.A.Green in Third-Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, p.63 (Springer:Heidelberg, 2003)). Общепринятое решение этой проблемы заключается в обеспечении охлаждения.

Солнечные панели в дополнение к выработке электрической энергии были использованы с целью обеспечения горячей воды для бытового применения. Как отмечено в патентном документе US 2004/0055631, использование солнечной панели указанным образом требует, чтобы панель функционировала при температуре по меньшей мере приблизительно равной 60°С, что в значительной степени ухудшает эффективность производства электрической энергии солнечным элементом. Решение, предложенное в указанной заявке, заключается в том, чтобы создать солнечную панель для части энергетического спектра солнечного излучения с энергией ниже ширины запрещенной зоны полупроводника. Солнечную панель изолируют от нагревательных элементов, использующих часть энергетического спектра солнечного излучения, которая не может быть преобразована солнечной панелью. Считают, что такое решение является более экономичным, чем альтернативное использование отдельных коллекторов солнечной энергии для производства электрической энергии и для нагревания воды. Другой путь получения горячей воды заключается в извлечении теплоты из системы поглощения солнечной энергии. В случае использования солнечной энергии с высоким уровнем ее концентрации отходящая теплота может быть значительной.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает генераторы, работающие на солнечной энергии, и соответствующие способы. Одним аспектом изобретения является генератор, работающий на солнечной энергии, содержащий солнечную панель и термоэлектрическое устройство, примыкающее к солнечной панели и расположенное ниже нее. Горячий спай термоэлектрического устройства находится в плотном тепловом контакте с нижней поверхностью солнечной панели. Теплоотвод находится в контакте с холодным спаем термоэлектрического устройства и охлаждает этот спай. Термоэлектрическое устройство имеет ветви n-типа и p-типа, которые содержат один или большее число сегментов из легированного полупроводникового материала. По меньшей мере, один из сегментов выполнен из нанокомпозиционного материала, в котором квантовая локализация носителей в значительной степени уменьшает теплопроводность сегмента.

Вообще говоря, нежелательно размещать между солнечной панелью и теплоотводом термоэлектрическое устройство. Действительно, проще и энергетически эффективней охлаждать непосредственно солнечную панель. Настоящее изобретение создает исключение из общего правила. Прежде всего, изобретение уменьшает потери эффективности преобразования энергии, связанные с термоэлектрическим устройством, за счет использования недавно созданных материалов для термоэлектрического устройства, которые значительно улучшают характеристики таких устройств. Во-вторых, изобретатель обнаружил, что в некоторых ситуациях соответствующий теплоотвод, служащий для поддерживания солнечной панели при желательной температуре, не может быть обеспечен надлежащим образом. В таких ситуациях может быть неизбежной значительная степень нагревания солнечной панели. В тех случаях, когда единственный имеющийся в наличии теплоотвод является неподходящим для эффективного поддерживания температуры солнечной панели в пределах узкого диапазона рабочих температур, настоящее изобретение позволяет осуществлять это лучшим образом, поскольку термоэлектрическое устройство может сохранять высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, даже если солнечный генератор нагревается вследствие невыполнения теплоотводом полностью своих функций. Изобретение является также полезным тем, что солнечная панель может обеспечить функционирование с запуском из холодного состояния, что, в особенности, важно для термоэлектрического генератора, приводимого в действие солнечным теплом.

В способе согласно настоящему изобретению солнечная панель сконфигурирована для приема концентрированного солнечного света, а термоэлектрическое устройство спроектировано для извлечения теплоты из солнечной панели и передачи ее к теплоотводу. На рассвете и в другое время суток, когда не так много солнца, солнечная панель производит больше электрической энергии, чем термоэлектрическое устройство. В солнечные дни солнечная панель позволяет обеспечить нагревание в значительной степени. По мере нагревания солнечной панели она постепенно производит меньше электрической энергии, в то же время термоэлектрическое устройство постепенно производит все больше электрической энергии. Для солнечной панели допустимо нагревание до высоких температур и может быть допустимым достижение такой температуры, при которой термоэлектрическое устройство становится основным средством генерирования электрической энергии.

Другим аспектом изобретения является генератор, работающий на солнечной энергии, содержащий фотоэлектрическое устройство и термоэлектрическое устройство единой конструкции. Как фотоэлектрическое устройство содержит слои полупроводникового материала, наращенные на элементы термоэлектрического устройства (выращенные на них), так и термоэлектрическое устройство содержит слои полупроводникового материала, наращенные на элементы фотоэлектрического устройства. Единая конструкция снижает требования к материалу и позволяет, чтобы горячий спай термоэлектрического устройства быстро нагревался до температуры, при которой термоэлектрическое преобразование энергии является эффективным.

Следующий аспект изобретения также относится к генератору на солнечной энергии, содержащему фотоэлектрическое устройство и термоэлектрическое устройство, в котором термоэлектрическое устройство примыкает к солнечной панели и расположено ниже нее, при этом горячий спай термоэлектрического устройства находится в тесном тепловом контакте с нижней стороной солнечной панели. Термоэлектрическое устройство имеет ветви n-типа и p-типа, содержащие один или более сегментов из легированного полупроводникового материала. Термоэлектрическое устройство выполнено конформным с поверхностью солнечной панели и перекрывает приблизительно такую же поверхность. Ветви термоэлектрического устройства редко, в виде мелкозернистой структуры, распределены в матрице материала, имеющего высокую теплоизоляционную способность, выбранного из группы, включающей вакуум, газ и аэрогель. Указанные ветви занимают менее 10% площади поперечного сечения, а на изоляцию приходится более 90%. Такая конфигурация значительно уменьшает количество полупроводникового материала, необходимого для ветвей, что, в особенности, является важным, если используются нанокомпозиционные материалы. Поскольку указанные ветви равномерно распределены относительно поверхности солнечной панели, при этом весьма малы, расположены близко друг к другу и очень короткие, эти ветви эффективно охлаждают солнечную панель, несмотря на их низкую пространственную плотность и низкую теплопроводность.

Основная цель вышеприведенного краткого изложения заключается в том, чтобы представить некоторые основные концепции настоящего изобретения в упрощенном виде, что облегчит понимание приведенных ниже более подробного описания и пунктов формулы изобретения. Это краткое изложение не может быть исчерпывающим и охватывает любую концепцию и особенность, которые могут быть рассмотрены как изобретательские или служат для определения границ, в пределах которых они являются изобретательскими. Другие концепции и особенности и пути обобщения и применения вышеизложенных концепций будут переданы с помощью нижеследующего описания, чертежей и раскрытия предмета изобретения в целом.

Сущность того, что заявляет изобретатель, предназначается для приведенных ниже пунктов формуле изобретения. Эти пункты формулы могут быть изменены в соответствии с общепринятой практикой производства по выдаче патента.

Краткое описание чертежей

На сопровождающих описание чертежах используются ссылочные номера позиций в соответствии с определенными условиями. Одинаковые ссылочные номера, приведенные на различных чертежах, показывают одинаковые элементы в различных позициях, случаях использованиях или на различных изображениях. Ситуации, когда два номера позиции отличаются друг от друга, но совпадают в двух последних значащих цифрах, указывают на то, что рассматриваемые объекты соотносятся как объекты одинакового рода или соотносятся как вид и род. Из самих чертежей и контекста описания будет понятно, какое соотношение имеет место, и будут или нет обозначения, проставленные около одного элемента в равной степени применимы к соотнесенным элементам. Буквенные обозначения после цифры используются для того, чтобы отличить повторяющиеся элементы на одном чертеже или в одном примере.

Фиг.1 - схематическое изображение примера воплощения генератора 100 на солнечной энергии, функционирующего с теплоотводом и при наличии солнечного света.

Фиг.2 - схематическое изображение примера воплощения солнечной панели и термоэлектрического устройства интегральной конструкции.

Фиг.3 - схема, которая иллюстрирует сегментирование в конструкции термоэлектрического устройства.

Фиг.4 - график, показывающий термоэлектрическую добротность в зависимости от температуры для различных полупроводниковых материалов.

Фиг.5 - график, показывающий термоэлектрическую добротность нанокомпозитного материала p-Si/p-SiGe.

Фиг.6 - схема рабочего процесса генератора 100 на солнечной энергии, функционирующего предпочтительным образом.

Фиг.7 - вид в разрезе по линии А-А' на фиг.2, иллюстрирующий ветви термоэлектрического устройства, которые с большими промежутками, равномерно и в виде мелкозернистой структуры распределены в матрице с высокими теплоизоляционными свойствами.

Фиг.8 - пример выполнения системы горячего водоснабжения для бытовых нужд и выработки электроэнергии, в которой используются решения, представленные на каждой из вышеуказанных фигур.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически представлен пример выполнения генератора 100, работающего на солнечной энергии, который генерирует электрическую энергию за счет использования солнечного света 109. Указанный генератор 100, работающий на солнечной энергии, содержит используемую по усмотрению систему 101 концентрации солнечной энергии, солнечную панель 102 и термоэлектрическое устройство 103. Для работы генератора 100 необходим теплоотвод 104. Теплоотвод 104 может быть выполнен как часть генератора 100, работающего на солнечной энергии. Генератор 100 вырабатывает электрическую энергию как за счет использования солнечной панели 102, так и с помощью термоэлектрического устройства 103. Эти источники обычно приводят к одинаковому напряжению, объединяют и подключают к нагрузке.

Системой 101 концентрации солнечной энергии может быть любое подходящее устройство, которое функционирует, обеспечивая концентрацию солнечной энергии. Указанная система 101 концентрации солнечной энергии может обеспечить низкую, среднюю и высокую степень концентрации солнечной энергии. Низкая степень может быть охарактеризована коэффициентом f концентрации солнечной энергии в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 10. Для средней степени концентрации величина этого коэффициента может находиться в интервале от приблизительно 10 до приблизительно 100. Коэффициент концентрации более 100 можно считать высоким. При отсутствии концентрации солнечной энергии коэффициент f равен 1.

Солнечное излучение падает на поверхность земли с концентрацией, максимум которой соответствует приблизительно 1,3 кВт/м². Эту величину иногда используют в качестве единицы плотности потока солнечной энергии «1 солнце». Система 101 концентрации солнечной энергии с коэффициентом f концентрации облучает верхнюю поверхность 105 солнечной панели 102 с плотностью энергии приблизительно f*1,3 кВт/м² (f солнц). Фактически существующая концентрация солнечной энергии, которую обеспечивает система 101 концентрации солнечной энергии в любое заданное время, может изменяться в зависимости от таких факторов, как положение Солнца на небе, но можно ожидать, что каждая система концентрации солнечного света имеет достаточно хорошо определяемый максимальный коэффициент f концентрации, характеризующий ее функциональные возможности и, как можно предполагать, функционирует надлежащим образом при максимальной интенсивности солнечного света.

Концентрация солнечной энергии может быть достигнута с помощью устройств, содержащих отражающие зеркала и/или преломляющие линзы. Предпочтение здесь отдают наиболее простым системам, которые, тем не менее, обеспечивают высокую концентрацию солнечного света. Разделение по энергетическому спектру не требуется. Система 101 концентрации солнечной энергии может содержать устройство слежения за Солнцем, предназначенное для регулировки положения системы с тем, чтобы сохранять фокусировку при перемещении Солнца. Система 101 концентрации солнечной энергии может содержать систему охлаждения для предохранения ее элементов от избыточного нагревания под действием интенсивного солнечного света. Система 101 может также содержать пучок оптических волокон, поэтому система 101 концентрации солнечной энергии может быть размещена на удалении от других элементов генератора 100, работающего на солнечной энергии. В этой связи следует понимать, что указания на «верх» и «низ» солнечной панели 102 не означают ограничения того, как ориентирована панель. Система 101 может содержать зеркальную камеру или подобные элементы для повторного отражения света, отраженного от поверхности 105 или испускаемого солнечной панелью 102.

Солнечная панель 102 может содержать, и в большинстве случаев действительно содержит, большое количество отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно или параллельно. Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические элементы, подходящие для генерирования электричества из солнечного излучения. Солнечная панель может составлять периодическую структуру из солнечных панелей меньшего размера. Солнечная панель 102 может быть такого типа, что каждая из указанных входящих в ее состав панелей меньшего размера снабжена термоэлектрическим устройством 103. Взаимное расположение между солнечной панелью 102 и термоэлектрическим устройством 103, с учетом их близости и теплопередачи, может быть повторено для каждого отдельного элемента периодической структуры. Как это будет понятно далее, единая конструкция солнечной панели 102 и термоэлектрического устройства 103 означает единство в отношении каждого элемента в указанной периодической структуре.

Солнечная панель 102 (или каждая единица в указанной периодической структуре) выполнена тонкой и, как результат, имеет только две основные поверхности. Эти поверхности могут быть названы передней и задней или верхней и нижней. Передняя или верхняя поверхность 105 является поверхностью, обращенной к солнечному свету. Верхняя поверхность 105 и нижняя поверхность 106 являются по существу соответствующими друг другу, не учитывая выступы. Они имеют приблизительно равные суммарные площади поверхности.

Солнечная панель 102 может содержать фотоэлектрический элемент любого типа, подходящий для окружающих условий, имеющих место при его использовании. Примеры, описанные в разделе «Уровень техники», применимы в широком смысле, хотя предпочтительно применение фотоэлектрических элементов, работающих при высокой температуре. На практике выбор фотоэлектрических элементов сужает также необходимость длительной прочности при высоких температурах и способности выдерживать тепловые циклы. Генератор 100, использующий солнечную энергию, спроектирован с расчетом на то, что солнечная энергия будет нагревать солнечную панель 102 до высоких температур, например, до 202°С, 302°С, 402°С или до более высокой температуры. Достижение высоких температур солнечной панели способствует обеспечению источника высокой температуры для термоэлектрического устройства 103.

Солнечная панель 102 предпочтительно приспособлена для фотоэлектрического действия при высоких температурах. Солнечные панели, предназначенные для работы только в условиях окружающей среды, включают блочные солнечные панели с единственным кристаллическим кремнием и серийно производимые последовательно соединенные многопереходные тонкопленочные солнечные панели. Каждый тип солнечной панели быстро теряет эффективность работы с повышением температуры.

Приспосабливание солнечной панели 102 для работы при высоких температурах обычно включает выбор полупроводникового материала с большой шириной запрещенной зоны. Примерами полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, которые могут быть использованы для изготовления солнечных элементов, приспособленных для работы при высоких температурах, являются GaN (3,2 эВ), SiC, GaP (2,26 эВ). В случае температурочувствительных конструкций, например обычных серийно производимых многопереходных устройств, они либо не допускают высоких температур, либо приспособлены к высоким температурам.

Солнечная панель, предназначенная для работы при высоких температурах, содержит по меньшей мере один полупроводниковый p-n переход, самый верхний в слоистой конфигурации, имеющий ширину запрещенной зоны большую, чем может быть выбрана для работы при температуре окружающей среды. Полупроводники с большей шириной запрещенной зоны используют меньшую часть солнечного спектра, чем полупроводники с меньшей шириной запрещенной зоны, однако, полупроводники с большей шириной запрещенной зоны теряют меньше своей эффективности с повышением температуры по сравнению с полупроводниками, имеющими меньшую ширину запрещенной зоны. Для солнечных элементов с большой шириной запрещенной зоны пренебрегают эффективностью их работы при комнатной температуре для того, чтобы сохранить большую эффективность при высоких температурах.

Оптимальные величины ширины запрещенной зоны, указанные выше в разделе «Уровень техники», не являются наиболее предпочтительными для применения в заявленном изобретении. Оптимальная идеальная ширина запрещенной зоны зависит от конкретного применения, но подходящий выбор может быть сделан на основе теории или эксперимента. В солнечной панели с единственным переходом ширина запрещенной зоны, составляющая более 1,6 эВ, будет свидетельствовать о приспособленности к использованию при высоких температурах, а свыше 1,8 эВ - несомненно свидетельствует об этом. В устройствах с двумя переходами показательной будет ширина запрещенной зоны для верхнего слоя 2,0 эВ, а ширина, равная 2,2 эВ, будет еще более показательной.

Солнечная панель с единственным кристаллом GaAs и одним переходом или тонкопленочная солнечная панель с одним переходом являются более подходящими для работы при высоких температурах, чем большинство солнечных панелей, но они не предназначены и не приспособлены для работы при высоких температурах. Ширина запрещенной зоны для GaAs (1,4 эВ) является высокой по сравнению с шириной запрещенной зоны для кремния, что делает GaAs менее чувствительным к температуре, чем кремний. Поскольку эти ограничения будут использованы при раскрытии изобретения, GaAs приспосабливают для работы при средних температурах, но не при высоких температурах.

В настоящем изобретении высокая температура составляет по меньшей мере 203°С. Функционирование при температуре солнечной панели 102, максимум которой превышает 402°С, типично для генератора 100, работающего на солнечной энергии, для обеспечения выработки электрической энергии с помощью термоэлектрического устройства 103. Приспосабливание к работе при таких высоких температурах не означает, что солнечная панель 102 не будет иметь ухудшенную эффективность при температуре 203°С по сравнению с эффективностью при окружающей температуре, равной 27°С. Почти любая (или каждая) солнечная панель будет демонстрировать снижение эффективности работы с увеличением температуры. Приспосабливание к высоким температурам предусматривает потери эффективности работы при окружающей температуре для повышения эффективности работы при высокой температуре.

Хорошим показателем адаптации к высокой температуре для солнечной панели с последовательно соединенными несколькими переходами является величина относительного выходного тока для различных переходов в зависимости от температуры. Переходы обычно соединяют последовательно и согласовывают по току. Согласование по току включает регулирование толщины переходных слоев до тех пор, пока каждый переход не будет создавать почти одинаковый по величине ток. Если токи не согласованы, результат для эффективности работы является неблагоприятным. Поскольку степень влияния температуры на электрический ток для различных переходов в многослойных устройствах изменяется в широких пределах, согласование токов необходимо производить для определенной температуры. Температура, при которой каждый слой производит ток одинаковой величины под действием солнечного излучения, является температурой, при которой приспособлена функционировать солнечная панель. Эти пояснения относительно согласования токов применимы к устройствам с последовательно соединенными несколькими переходами. Необходимости согласования токов можно избежать посредством использования параллельного соединения. Параллельное соединение в многослойных солнечных панелях обычно не используют ввиду сложности конструкции, необходимой для его реализации. Компромиссным решением для настоящего изобретений могло бы быть использование параллельного соединения, но с ограничением максимального количества переходов до двух.

Солнечная панель 102 имеет низкое сопротивление для теплопередачи через толщину к термоэлектрическому устройству 103. Если солнечная панель 102 имеет слишком большую толщину или теплопроводность, не подходящую для ее толщины, между ее верхней поверхностью 105 и нижней поверхностью 106 создается значительный градиент температуры. Некоторый температурный градиент является необходимым для передачи теплоты к термоэлектрическому устройству 103, но в предпочтительной конструкции этот градиент будет очень малым. Большой градиент температуры не может уменьшить производство электрической энергии термоэлектрическим устройством 103 в установившемся режиме работы, но может привести к чрезмерно высокой температуре солнечной панели 102.

В зависимости от степени концентрации солнечной энергии, используемой генератором 100, работающим на солнечной энергии, при проектировании солнечной панели 102 может быть важно учитывать термическое сопротивление. При низкой степени концентрации солнечного света, вероятно, подходящими являются обычные материалы, хотя необходимо проявлять осторожность, чтобы материалы подложки и основы, используемые в солнечной панели 102, не создавали излишнее термическое сопротивление.

Низкая теплоемкость солнечной панели 102 в большинстве случаев выгодна, но выгодно иметь и высокую теплоемкость. Высокая теплоемкость уменьшает температурные колебания и скорость изменения температуры, что снижает механические напряжения в материале и повышает надежность и срок службы панели. Если не касаться вопроса надежности, которая может определить минимальную требуемую теплоемкость, то соображения, которые необходимо учитывать, являются более сложными.

Преимущества высокой теплоемкости, такой, которую может обеспечить металлическая пластина без создания чрезмерного термического сопротивления, включают стабильность температуры и выработку большого количества фотоэлектрической энергии при низких температурах. Хотя высокая теплоемкость означает, что как высокая, так и низкая температура сохраняется более продолжительное время, переходы, связанные с изменением температуры от низкой к высокой, соответствуют тому, что падает свет, в то время как переходы с изменением температуры от высокой к низкой связаны с тем, что интенсивность солнечного света ослабевает. Общий результат заключается в том, что в среднем при низкой температуре света больше, а при высокой температуре в среднем света меньше. Если бы во внимание принималась только солнечная панель 102, то высокая теплоемкость была бы выгодной.

Для термоэлектрического устройства 103 необходимо принимать во внимание соображение противоположного характера. Термоэлектрическое устройство 103 обеспечивает наибольшую эффективность, когда солнечная панель достигает установившейся максимальной температуры. Когда с появлением Солнца все элементы панели быстро достигают такой температуры, производство энергии с помощью термоэлектрического устройства 103 будет максимальным. Если период разогрева длительный, через термоэлектрическое устройство 103 будет передаваться большое количество теплоты при более низкой разности температур, и, таким образом, с более низким кпд термоэлектрического преобразования. Подобным образом, теплота, аккумулированная солнечной панелью 102, будет передаваться во время охлаждения, а не в то время, когда разность температур остается максимальной.

С учетом вышеизложенного теплоемкость солнечной панели 102 и вблизи нее является предметом обсуждения, с учетом различных соображений, которые не связаны с другими конструктивными решениями. Приспосабливания с целью уменьшения или увеличения теплоемкости могут быть оправданными в соответствии с практическим применением.

Увеличенная теплоемкость может быть создана в зоне контакта между солнечной панелью 102 и термоэлектрическим устройством 103 или над поверхностью 105. Для того чтобы термическое сопротивление между солнечной панелью 102 и термоэлектрическим устройством 103 не увеличивалось, создавая тем самым преимущества, может быть предпочтительным использование прозрачного покрытия над поверхностью 105, имеющего хороший тепловой контакт с этой поверхностью 105, но это преимущество необходимо сопоставить с потерями в генерировании фотоэлектрической энергии за счет поглощения света этим покрывающим слоем.

Любая структура, которая не препятствует чрезмерно передаче теплоты между солнечной панелью 102 и горячим спаем 107, может быть использована для обеспечения дополнительной теплоемкости, если такая дополнительная теплоемкость желательна. Подходящие структуры включают металлические слои. Металлы имеют благоприятное сочетание высокой теплоемкости и высокой теплопроводности.

Используемое здесь понятие «термоэлектрическое устройство» относится к устройству, содержащему горячий спай и холодный спай и функционирующему для выработки электрической энергии непосредственно из тепловой энергии, когда горячий спай поддерживается при температуре выше температуры холодного спая. Термоэлектрическое устройство 103 содержит области полупроводников p-типа и n-типа. Концентрация носителей зарядов в пределах этих областей зависит от температуры. Если между горячим спаем 107 и холодным спаем 108 создан градиент температуры, этот градиент температуры проходит через эти области и создает тем самым градиент носителей зарядов. Градиент носителей зарядов приводит к протеканию электрического тока.

На фиг.2 представлен пример 203 выполнения термоэлектрического устройства 103 (показанного на фиг.1). Термоэлектрическое устройство 203 включает в себя p-ветвь 219, содержащую по меньшей мере один сегмент полупроводника p-типа, и n-ветвь 220, которая содержит по меньшей мере один сегмент области полупроводника n-типа. Ветви 219 и 220 перекрывают зазор между горячим спаем 207 и холодным спаем 208. Электрическая изоляция 222 изолирует указанные ветви. К горячему спаю 207 примыкают или находятся в его пределах металлические соединительные элементы 218. Омические контакты соединяют каждую из ветвей 219 и 220 с металлом соединительного элемента 218, при этом p-ветвь, металлический соединительный элемент 218 и n-ветвь 220 образуют p-i-n-переход. Указанный p-i-n-переход создает электрические поля, проходящие через ветви 219 и 220. Ветви 219 и 220 имеют омические контакты с электрическими выводами 221а и 221b, расположенными на холодном спае 208. Эти выводы электрически изолированы друг от друга, хотя они могут быть частью одного металлического соединительного слоя, при этом соединительный слой представляет собой систему металлических полос в плоской матрице из диэлектрика.

Когда горячий спай 207 поддерживают при более высокой температуре, чем холодный спай 208, в указанных ветвях образуются градиенты носителей заряда, что вызывает поток электронов, протекающий вниз по p-ветви 219, а дырки перемещаются (фактически) вниз по n-ветви 220. Разность потенциалов между электрическими выводами изменяется в зависимости от разности температур между горячим и холодным спаями. Электрическое напряжение приблизительно пропорционально разности температур. Электрический ток, умноженный на напряжение, дает располагаемую мощность, обеспечиваемую термоэлектрическим устройством 203.

Теоретический кпд, с которым такое устройство преобразует тепловую энергию в электрическую, определяют по хорошо известным формулам, которые отражают зависимость кпд от разности температур между горячим и холодным спаями, геометрических параметров и свойств материалов, из которых выполнены p- и n-ветви. Величина кпд, , определяется по формуле:

где T_н - температура горячего спая, T_c - температура холодного спая, а M определяется по формуле:

где ZT - безразмерная характеристика материала, известная как термоэлектрическая эффективность (коэффициент добротности).

Параметр Z определяется из соотношения:

где - удельное электрическое сопротивление, k - удельное тепловое сопротивление, S - коэффициент Зеебека. T - средняя температура.

Приведенные здесь формулы являются упрощенным, т.к. в них ZT рассматривается как постоянная величина. Для получения более точной формулы необходимо учитывать зависимость изменения ZT от температуры для каждой из ветвей 219 и 220 и тот факт, что полупроводниковый материал не является одинаковым для каждой ветви или заведомо неодинаковым в пределах каждой ветви. Это не должно приуменьшать отмеченные ниже преимущества.

Первый член формулы (1) представляет собой термический кпд цикла Карно. Величина кпд Карно является следствием проявлением энтропии и не может быть превышена любым типом устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую. Второй член формулы (1) показывает различие между термоэлектрическим устройством и идеальным устройством. Основной зависимостью для этого члена формулы является зависимость от ZT, при этом лучше иметь большие величины ZT. До последнего времени наилучшие значения ZT приблизительно были равными 1,0 и ограничивали к.п.д. термоэлектрических устройств значениями, соответствующими приблизительно до 20% от к.п.д. цикла Карно.

Фиг.4 иллюстрирует количественные данные по добротности для различных полупроводниковых материалов в некотором интервале температур. Из представленной фигуры видно, что различные полупроводниковые материалы эффективны в различных интервалах температуры. Это усложняет выбор полупроводниковых материалов, поскольку термоэлектрическое устройство 103 предназначено для работы при градиенте температуры, созданном на ветвях 219 и 220. Как ожидается, температура по длине ветвей сильно изменяется. Высокие температуры будут иметь место на верху ветвей 219 и 220, а низкие температуры - внизу. Материал, который может обеспечить хорошую добротность, может создать плохую эффективность работы внизу ветви, и наоборот.

Фиг.3 иллюстрирует предпочтительное техническое решение и предпочтительный выбор материалов. Решение заключается в том, чтобы сформировать каждую из ветвей 219 и 220 из некоторого количества сегментов, каждый из которых соответствует различному полупроводниковому материалу. Нижние сегменты 219с и 220с выбирают так, чтобы обеспечить высокую добротность при более низких температурах, а верхние сегменты 219а и 220а выбирают так, чтобы получить высокую добротность при высоких температурах.

Величина добротности многих полупроводниковых материалов, включая указанные на фиг.4, может быть значительно увеличена за счет введения квантовой локализации носителей. Основной эффект такой квантовой локализации заключается в значительном уменьшении теплопроводности. Во многих случаях величина добротности может быть почти удвоена. На фиг.5 приведены типичные примерные результаты для сравнения с фиг.4. Квантовое ограничение обеспечивается наноразмерными структурами, образованными в полупроводниковой матрице. Для композиционного материала на фиг.5 наноструктуры представляют собой частицы кристалла p-SiGe смешанных размеров в интервале от 1 до 200 нм. Наноразмерные структуры включают квантовые ямы, квантовую проволоку и квантовые точки. Наибольшие выгоды обеспечивают квантовые точки. Эти наноразмерные структуры являются композиционными структурами:

квантовыми точками являются небольшие кристаллы из второго, подходящим образом выбранного полупроводникового материала, сформированные в матрице другого полупроводника. Подходящие материалы для наноструктуры могут быть найдены для каждого материала матрицы. Некоторые дополнительные примеры включают материал Bi_0,3Sb_1,7Te ₃.

Один из методов формирования квантовых точек заключается в чередовании осаждения нескольких слоев матричных материалов и осаждения нескольких слоев, содержащих матричный связующий материал вместе с квантовыми ямами из второго материала. Детальное описание подходящей технологии приведено в общедоступных источниках информации. Рекомендуются материалы и способы, описанные исследователями, работающими в Massachusetts Institute of Technology (MIT). Те, кто не знаком с этими материалами и способами, может найти их в различных публикациях, включающих патентные документы US 6444896, US 2006/0118158, US 2008/0202575 и US 2009/0068465. Эти патенты и публикации патентных документов включены в настоящее описание полностью посредством ссылки на них.

Параметры, которые могут быть отрегулированы для того, чтобы улучшить результат, включают толщину структур с квантовыми ямами, интервалов их расположения и относительное содержание используемых сплавов. Сегментирование, иллюстрируемое на фиг.3, остается желательным для нанокомпозиционных материалов, хотя следует отметить, что эти композиционные материалы имеют максимум величины параметра ZT при температуре в интервале, который изменяется в зависимости от исходных материалов. Одним из путей изменения температуры, при которой имеют место высокие величины ZT, является изменение состава сплава, образующего наноструктуру.

Для согласования теплового потока и производства электрической энергии для ветвей 219 и 220 в распоряжении имеются два параметра. Так, один вид ветви может быть выполнен шире другого, при этом ширина употребляется здесь в смысле большей площади поперечного сечения. Другой вид регулирования заключается в размещении основания под одной или другой ветвью таким образом, чтобы одна ветвь могла быть короче другой ветви. Основание представляет собой сегмент ветви, выполненный из теплопроводного материала, такого как металл.

Конструкция генератора 100, работающего на солнечной энергии, определяет величину градиентов температуры, которые будут созданы в термоэлектрическом устройстве 103. Основными факторами, которые определяют этот градиент, являются коэффициент f концентрации солнечной энергии и удельное термическое сопротивление термоэлектрического генератора 103. Удельное термическое сопротивление может быть подобрано путем регулирования высоты ветвей 219 и 220.

Коэффициент f концентрации солнечной энергии вместе с интенсивностью солнечного излучения определяет требуемый тепловой поток. Весь спектр солнечного света будет сконцентрирован и сфокусирован на поверхности солнечной панели 102 с учетом практической целесообразности. Хотя некоторая часть солнечной энергии будет превращена в электричество, весьма значительная ее часть, как правило, от 90% до 95%, будет превращена в тепловую энергию. Конфигурация солнечной панели выполнена такой, чтобы вся теплота проходила в одном направлении, вниз, перпендикулярно поверхностям солнечной панели 102. Термоэлектрическое устройство 103 выполнено конформным с солнечной панелью 102. Плотность потока энергии, проходящего через термоэлектрическое устройство 103, почти такая же, что и плотность потока, проходящего через нижнюю поверхность солнечной панели 102.

Максимальная величина теплового потока, проходящего через термоэлектрическое устройство 103, определяется максимальной интенсивностью солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, составляющей приблизительно 1,3 кВт/м², умноженной на величину коэффициента f концентрации солнечной энергии. При этом могут быть сделаны поправки на превращение солнечной энергии в электрическую энергию с помощью солнечной панели 102 и учета нежелательных тепловых потерь, и результатом, все еще приблизительным, является величина теплового потока на единицу поверхности, для прохождения которого должно быть спроектировано термоэлектрическое устройство 103.

Важным проектным решением, которое должно быть принято здесь во внимание, является выбор заданного значения разности температур T между горячим спаем 207 и холодным спаем 208. Большая разность температур приводит к более эффективному производству термоэлектрической энергии, а меньшая разность температур приводит к тому, что солнечная панель 102 становится менее нагретой и производится больше фотоэлектрической энергии.

Предпочтение здесь отдается выбору большой величины T с тем, чтобы попасть в область, в которой эффективность термоэлектрического преобразования высокая, а чувствительность общей генерации энергии к температуре холодного спая низкая. Предпочтительно величина T составляет по меньшей мере 200°С, более предпочтительно по меньшей мере 300°С. Более высокие значения, например, 500°С и 600°С могут быть желательны, поскольку T остается высоким, даже если уровень освещенности падает ниже его максимума. Основной недостаток перехода к все более высоким разностям температур заключается в том, что максимальные температуры увеличиваются, и качество материала начинает ухудшаться, и постепенно он теряет работоспособность.

Приблизительная высота h ветви для достижения заданной разности температур T может быть определена из соотношения:

где k - надлежащим образом рассчитанное среднее термическое сопротивление для ветвей 219 и 220. Из этого соотношения можно видеть, что высокое термическое сопротивление позволяет выполнить ветви более короткими. Высокая величина коэффициента f концентрации солнечного света сильно уменьшает необходимую высоту ветвей. Стоимость материалов может вносить значительный вклад в общую стоимость системы, и поэтому уменьшение требуемого количества полупроводникового материала очень выгодно. Соотношение (4) показывает, что коэффициент концентрации солнечной энергии, равный 100, уменьшает необходимую высоту полупроводникового материала в термоэлектрическом устройстве 103 в 100 раз. Этот эффект объединяется с увеличением в 100 раз потока солнечного света на единицу поверхности. Общее снижение потребности в полупроводниковом материале соответствует приблизительно квадрату величины f, т.е. 10000 в данном примере. Концентрирование солнечной энергии позволяет использовать такие материалы, которые в иных обстоятельствах были бы слишком дорогостоящими. По этой причине низкая концентрация солнечной энергии является предпочтительной по отношению к отсутствию концентрации света, более предпочтительной является умеренная концентрация солнечного света, а высокая степень концентрации еще более предпочтительна. Другое преимущество концентрации солнечного света заключается в том, что облегчается быстрое достижение заданной разности температур; это создает эффект, подобный уменьшению теплоемкости.

Предпочтительно вся теплота, которая передается от горячего спая 207 к холодному спаю 208, проходит через ветви 219 и 220. Любое количество теплоты, которое проходит через теплоизоляцию 222, не вносит вклад в генерирование термоэлектрической энергии. Материалы ветвей 219 и 220 сами обычно хорошие теплоизоляторы, даже если они являются лишь обычными полупроводниками. Когда эти полупроводники превращены в нанокомпозиционные материалы, они становятся еще лучшими изоляторами: наноструктуры улучшают термоэлектрическую эффективность за счет увеличения термического сопротивления больше, чем за счет теплопроводности композиционного материала. Существует только несколько типов материалов, которые служат значительно лучшими теплоизоляторами. В частности, значительно лучшие теплоизоляторы - воздух, вакуум и аэрогели. Здесь термин «изоляционные материалы» включает «вакуум».

Термоэлектрическое устройство 103 выполнено конформным с солнечной панелью 102 для того, чтобы оно равномерно отводило теплоту от нижней поверхности 106. Это определяет площадь поперечного сечения для устройства 103. Термическое сопротивление, которое создает термоэлектрическое устройство 103, также имеет ограничение. Если термическое сопротивление слишком низкое, желательная разность температуры не будет достигнута. Если термическое сопротивление слишком большое, солнечная панель 102 будет нагреваться излишне.

Концепция уменьшения количества полупроводникового материала, необходимого для термоэлектрического устройства 103 и, конечно, для любого термоэлектрического устройства, которое может обеспечивать предварительно заданный тепловой поток на единицу площади поверхности с реализацией предварительно заданного градиента температур, иллюстрируется на фиг.7, отображающей поперечное сечение термоэлектрического устройства 203, проходящее через плоскость, в которой находится линия А-А' на фиг.2.

Согласно указанной концепции большая часть этого поперечного сечения (по меньшей мере, 50%) и объема, предпочтительно, по меньшей мере, 90%, заполнена высокоэффективным теплоизоляционным материалом, предпочтительно материалом, выбранным из группы, включающей вакуум, воздух, аэрогель. Это уменьшает площадь сечения, которая может быть использована для передачи теплоты теплопроводностью через ветви 219 и 220, до ее малой части (менее 50%), предпочтительно, составляющей менее 10%. Если поперечное сечение ветвей 219 и 220 уменьшается на 50%, термическое сопротивление между горячим спаем 207 и холодным спаем 208 приблизительно удваивается. Для поддерживания желательной разности температур и теплового потока высоты h ветвей уменьшают наполовину. Если используют некоторое количество сегментов, то регулирование применяют к каждому сегменту. Снижение наполовину площади поперечного сечения и высоты h уменьшает количество требуемого материала на 75%. Уменьшение площади поперечного сечения на 90% и высоты на 90% уменьшает количество требуемого термоэлектрического полупроводникового материала на два порядка. Это является, в особенности, важным преимуществом, если используются дорогостоящие материалы.

Для того чтобы предотвратить образование чрезмерных градиентов температуры вблизи горячего спая 207, ветви 219 и 220 размещают равномерно и располагают близко друг от друга в матрице изоляции 222 по всей площади сечения термоэлектрического устройства 203. Близкое взаимное расположение может быть сохранено при уменьшении доли площади сечения, занятой ветвями 219 и 220, за счет увеличения количества ветвей, в то время как их размеры уменьшены. Следует понимать, что существуют многочисленные пути учета этих геометрических ограничений. Например, ветви 219 и 220 могут иметь удлиненное поперечное сечение, наподобие проволок.

По мере того как процент площади сечения, занятой изоляцией 222, становится больше, тепловые потери через изоляцию становятся все более значительными и постепенно будут превосходить выгоды, обеспечиваемые за счет дальнейшего уменьшения площади сечения полупроводника и потребления материала. Ограничения по обработке материала также могут устанавливать предел, как и изменение электрических свойств вместе с размерами, включая свойства, которые изменяют непреднамеренно, когда предпринимают попытки постепенно создать структуры меньших размеров. Тем не менее, структура, показанная на фиг.7, обеспечивает возможность использования нанокомпозиционных материалов с квантовыми ямами, которые изготавливают посредством технологического процесса, включающего отдельные стадии осаждения нанесения большого количества тонких нанометрических слоев. Возможность использования более коротких ветвей 219 и 200 уменьшает требуемое количество стадий обработки.

Теплоотводом 104 может быть средство, функционирующее с непрерывным отводом теплоты от холодного спая 108 с такой интенсивностью, которую может достигнуть генератор 100, работающий на солнечной энергии, при установившемся режиме работы при постоянном максимально ярком Солнце. Указанный теплоотвод 104 может представлять собой фиксированную массу материала, массу воды, например или содержит теплообменник, который передает теплоту от холодного спая 108 по существу неиссякаемому потоку, как это имеет место в случае теплообменника с ребрами и постоянным потоком воздуха. Хотя солнечный генератор 100 не ограничен типом используемого теплоотвода 104, он является особенно подходящим для конкретного типа теплоотвода.

Одним таким типом теплоотвода является частично замкнутая система, имеющая такую ограниченную способность восприятия теплоты, что в условиях максимально яркого Солнца теплоотвод 104 значительно нагревается от генератора 100, работающего на солнечной энергии. Данное обстоятельство означает значительное изменение последующих температур в солнечном генераторе 100. Например, значительное изменение может привести к тому, что холодный спай 108 станет, по меньшей мере, на 40°С горячей, а более значительное изменение может привести к повышению температуры холодного спая, по меньшей мере, на 100°С. Такие изменения будут влиять на установившиеся температуры по всему генератору 100, работающему на солнечной энергии. Любое изменение температуры теплоотвода 104, которое может привести к росту температуры солнечной панели на 40°С или более, является значительным из-за уменьшения эффективности, к которому это может привести, если были использованы обычные материалы солнечной панели. В этой связи изменение на 100°С может оказаться весьма значительным.

Когда способность теплоотвода 104 воспринимать теплоту является настолько ограниченной, что изменения указанных температур происходят регулярно, предложенный генератор 100, работающий на солнечной энергии, может обеспечить значительное улучшение по сравнению с известной системой совместного производства теплоты и электроэнергии за счет солнечной энергии, которая не имеет термоэлектрического устройства 103, или конструкцией, которая способствует нагреванию горячей воды более чем на несколько градусов выше желательной температуры. Генератор 100, работающий на солнечной энергии, спроектирован так, чтобы термоэлектрическое устройство 103 было преобладающим видом устройства для генерирования электрической энергии. При этом генератор 100 сохраняет в значительно степени возможность функционирования, несмотря на температурные изменения, которые могут отрицательным образом сказываться на эффективности работы известной солнечной панели.

В этой связи в соответствии со способом, предложенным в изобретении, генератор 100, работающий на солнечной энергии, соединен с таким теплоотводом 104, который по своей сущности имеет ограниченную эффективность, или его температура изменяется, и в результате генератор 100, работающий на солнечной энергии, будет работать при температуре холодного спая 108, которая изменяется на 40 К или более, и по усмотрению на 100 К. Способ включает создание больших градиентов температуры в термоэлектрическом устройстве 103, и в результате термоэлектрическое устройство 103 является преобладающим для генерирования электрической энергии и производит больше энергии, чем солнечная панель 102. Большой градиент температуры обусловлен тем, что солнечная панель 102 подвергается воздействию солнечного света при достаточно высокой величине коэффициента f концентрации солнечной энергии. Возможность установления достаточно высокого коэффициента f концентрации солнечной энергии зависит от термического сопротивления термоэлектрического устройства 103, выбранного таким, чтобы создать желательный градиент за счет коэффициента f концентрации солнечного света, который обеспечивается или достигается с помощью системы 101 концентрации солнечной энергии. Преимущество способа заключается в том, что он обеспечивает генерирование энергии с эффективностью, характеризуемой меньшей чувствительностью к колебаниям производительности теплоотвода и температуры холодного спая.

Теплоотводом 104 с ограниченной способностью отвода тепла может быть местная система горячего водоснабжения, в зависимости от количества воды, которое она содержит, по отношению к производительности генератора 100. Если генератор 100 на солнечной энергии является всего лишь системой дополнительного нагрева воды, с помощью которой горячая вода поддерживается по существу при постоянной температуре, то теплоотвод 104 будет эффективным, и в этом случае, по всей вероятности, лучше использовать обычный тепловой генератор, использующий солнечную энергию. С другой стороны, если температура горячей воды изменяется в интервале от 50°С до 95°С или от 25°С до 95°С, что необходимо при функционировании системы горячего водоснабжения, используемой в качестве телоотвода, то в этом случае она является теплоотводом ограниченной способности.

Другие типы теплоотводов, которые могут обуславливать возможность использования солнечного генератора 100, включают такие, температура которых значительно изменяется сама по себе, или использование солнечного генератора 100 возможно, исходя из температуры теплоотвода или коэффициента теплопередачи. Например, теплоотводом 104 может быть система охлаждения транспортного средства. Когда двигатель транспортного средства останавливается, может функционировать солнечный генератор с тем, чтобы поддерживать температуру охладителя, обеспечивая легкий запуск в холодные дни и уменьшение вредных выбросов при холодных запусках. Другим возможным вариантом использования генератора может быть нагревание кабины, когда двигатель не работает, и тем самым можно избежать необходимости работы двигателя на холостом ходу. Если может быть обеспечено достаточное охлаждение для предотвращения перегрева с помощью вентилятора двигателя, то, например, воздушный кондиционер можно снабжать электрической энергией при выключенном двигателе.

Когда транспортное средство работает, солнечный генератор 100 может обеспечить дополнительную энергию и, таким образом, повышает эффективность транспортного средства. В случае опасности перегрева может быть достаточным функционирование вентилятора двигателя. Для генератора может быть достаточным такой теплоотвод, температура которого изменяется в значительной степени и может превышать 100°С. Генератор 100, работающий на солнечной энергии, как правило, будет эффективно функционировать с теплоотводом в интервале температур от 100°С до 200°С.

Для предотвращения перегрева солнечной панели могут быть использованы средства снижения активности или прекращения работы генератора 100, приводимого солнечной энергией. Подходящим средством может быть устройство слежения за Солнцем, если оно используется. В том случае, если становиться желательным предотвратить перегрев, указанная система слежения может отводить коллектор в сторону от Солнца. Если система 101 концентрации солнечной энергии обеспечивает контролируемую величину коэффициента f концентрации солнечного света, этот коэффициент может быть уменьшен. В большинстве случаев, однако, предпочтительно, чтобы система 101 концентрации солнечной энергии обеспечивала для солнечной панели 102 столько света, сколько она способна обеспечить.

В другом применении, которое может относиться к транспортному средству, для охлаждения используют воздушный поток. В этом примере теплоотвод 104 представляет собой теплообменник, который передает теплоту от холодного спая 108 окружающей среде. Такой теплоотвод может иметь в значительной степени переменную производительность, которая зависит от температуры окружающей среды и от того, движется транспортное средство или остановлено.

В зависимости от относительных размеров теплоотвода 104 и солнечного генератора 100 теплоотвод 104 может быть неподходящим для поддерживания достаточно постоянной температуры с тем, чтобы обычная солнечная панель продолжала работать в эффективном режиме. Для генератора 100, работающего на солнечной энергии, может быть достаточным много менее интенсивное охлаждение по сравнению с подобным устройством, также использующим солнечную панель. Генератор 100, работающий на солнечной энергии, может быть спроектирован для эффективной работы в широкой области температур теплоотвода. Проектирование для высоких градиентов температуры, созданных в термоэлектрическом устройстве 103, перераспределяет выработку электрической энергии в направлении ее выработки термоэлектрическим устройством 103 и уменьшает зависимость от солнечной панели 102.

Эффективное функционирование солнечной панели 102 может быть ограничено периодами нагревания, в течение которых термоэлектрическое устройство 103 развивает такой градиент температуры, какой необходим для его эффективной работы. Генератор 100, работающий на солнечной энергии, может быть использован для привода транспортного средства или в качестве части гибридной приводной системы. В такой системе предпочтительно получать электрическую энергию сразу после появления Солнца.

Термоэлектрический генератор 103 производит ток с напряжением, которое изменяется в зависимости от разности температур между горячим спаем 107 и холодным спаем 108. Генератор 100 на солнечной энергии принимает различные количества света в течение любого выбранного дня, при этом тепловой поток, температурный градиент и результирующее напряжение будут неизбежно в значительной степени изменяться. Поэтому предпочтительно, чтобы генератор 100, работающий на солнечной энергии, был обеспечен электрической системой, содержащей регулятор напряжения, служащий для отвода от термоэлектрического устройства 103 тока при напряжении, которое это устройство обеспечивает, и выдачи этого тока при постоянном напряжении.

Солнечная панель 102 обеспечивает получение электрической энергии отдельно от термоэлектрического генератора 103. Вообще желательно объединить мощность, производимую солнечной панелью 102, с выходной мощностью солнечного генератора 103 для образования единого источника энергии. Это осуществляется за счет снабжения генератора 100, работающего на солнечной энергии, электрическими деталями, предназначенными для объединения и согласования электрических напряжений этих двух источников энергии.

Генератор 100, работающий на солнечной энергии, содержит, по усмотрению, систему аккумулирования электрической энергии. Указанная система аккумулирования энергии может включать в себя батареи аккумуляторов или/или конденсаторы. Другой вариант, который может быть полезным, заключается в стандартном соединении для подключения к солнечному генератору 100. Может быть также подключен преобразователь, предназначенный для преобразования постоянного тока в переменный со стандартными частотой и напряжением.

При функционировании генератора 100, работающего на солнечной энергии, система 101 концентрации солнечной энергии концентрирует солнечный свет 109 на поверхности 105 солнечной панели 102. Солнечная панель 102 поглощает большую часть этого солнечного света и преобразует его в электрическую энергию с эффективностью, которая падает с ростом температуры. При этом большая часть поглощенного излучения преобразуется в тепловую энергию.

Нижняя поверхность 106 солнечной панели прилегает к термоэлектрическому устройству 103. Термоэлектрическое устройство 103 содержит горячий спай 107 и холодный спай 108. Горячий спай 107 - ближний к нижней поверхности 106 солнечной панели 102 и находится в тесном тепловом контакте с этой поверхностью. При таком взаимном расположении термоэлектрическое устройство обеспечивает основной путь передачи теплоты от солнечной панели 102. В случае необходимости солнечная панель 102 может быть заключена в герметичный и/или изолированный объем для сокращения других путей рассеяния тепла. За счет исключения или уменьшения других путей рассеяния тепла почти вся тепловая энергия, поглощенная солнечной панелью 102, может быть направлена через термоэлектрическое устройство 103, и в результате она может быть использовано для выработки электрической энергии.

Некоторая часть падающего излучения будет отражаться от солнечной панели 102. Кроме того, солнечная панель 102 будет выделять энергию посредством излучения. Для того чтобы вновь направлять этот излученный и отраженный свет для повторного отражения обратно на поверхность 105, могут быть размещены рефлекторы. Эти рефлекторы могут представлять собой зеркальную камеру, представляющую собой по существу объем над поверхностью 105. Такие рефлекторы обеспечивать значительное повышение эффективности.

Теплота от горячего спая 107 передается к холодному спаю 108. Часть тепловой энергии, переданной таким путем, превращается в электрическую энергию с помощью термоэлектрического устройства 103. Таким образом, генератор 100, работающий на солнечной энергии, вырабатывает электрическую энергию, по меньшей мере, в двух местах. Электрическая энергия от этих источников может быть преобразована и объединена для того, чтобы обеспечить единый источник энергии при постоянном напряжении, используя электрические элементы, отделенные от генератора 100, работающего на солнечной энергии, или объединенные с ним.

Теплоотвод 104 отводит теплоту от холодного спая 108. Этот теплоотвод 104 может быть высоко эффективным и может поддерживать холодный спай 108 по существу при постоянной температуре, независимо от интенсивности потока 109 солнечного света. В качестве альтернативы теплоотвод 104 может быть неэффективным, и в этом случае температура холодного спая 108 изменяется. Изменяется соответствующим образом и температура горячего спая 107, поскольку разность температур определяется величиной удельного теплового потока, которая по существу не зависит от температуры холодного спая. Когда температура холодного спая возрастает, то, приходя с ней в соответствие, возрастает и температура горячего спая. При этом температура горячего спая возрастает до тех пор, пока теплота, подводимая к солнечному элементу 102, не будет соответствовать количеству теплоты, отводимой к горячему спаю 107. Такое соответствие устанавливается при приблизительно одинаковой разности температур, независимо от температуры холодного спая. Таким образом, повышение температуры холодного спая приводит вскоре к приблизительно равному повышению температур горячего спая 107 и солнечной панели 102.

Функционирование генератора 100, работающего на солнечной энергии, иллюстрируется с помощью представленной на фиг.6 схемы 239 «машины» с конечным числом состояний. Генератор 100 начинает функционировать в неактивном состоянии 240. В неактивном состоянии 240 все элементы генератора 100 на солнечной энергии находятся при температуре, близкой к окружающей. В этой связи следует понимать, что основной целью данной заявки являются устройства, предназначенные для использования в наземных применениях. Неактивное состояние 240 обычно соответствует ночному времени.

Основным событием, которое приводит к выходу из неактивного состояния 240, является восход Солнца. Это событие переводит устройство 100 в низкотемпературное рабочее состояние 241. В указанном низкотемпературном рабочем состоянии 241 солнечная панель 102 вырабатывает электрическую энергию с эффективностью, близкой к максимальной, в то время как термоэлектрическое устройство 103 генерирует небольшое количество энергии или вообще его не производит.

Если уровни освещенности остаются низкими, генератор 100 остается в низкотемпературном рабочем состоянии 241. Если уровень освещенности увеличивается, генератор 100 незамедлительно начинает производить большее количество энергии. Повышенная освещенность быстро приводит к нагреванию солнечной панели 102, и генератор 100 переходит в рабочее состояние 242 со средними температурами. При нагревании генератора 100 до состояния 242 производство электрической энергии термоэлектрическим устройством 103 обычно будет превышать производство энергии солнечным элементом 102.

По мере нагревания солнечной панели 102 градиент температуры в термоэлектрическом устройстве 103 увеличивается. Эффективность солнечной панели 102 уменьшается, в то время как выработка энергии термоэлектрическим устройством 103 увеличивается. Предпочтительно в рабочем состоянии 242 со средними температурами, когда имеют место колебания температуры, потери эффективности солнечной панели 102 компенсируются повышением эффективности термоэлектрического устройства 103, и наоборот, при этом эффективность остается в узком интервале даже в случае колебаний уровней освещенности и производимой энергии. Однако, по усмотрению, эффективность солнечной панели 102 падает в течение этого периода до интервала, в котором производство энергии солнечной панелью 102 является очень низкой по сравнению с выработкой энергии термоэлектрическим устройством 103, и общая эффективность по существу определяется эффективностью термоэлектрического устройства 103, которая, как правило, монотонно повышается с температурой.

При постоянном максимально ярком солнечном свете генератор 100, работающий на солнечной энергии, достигает установившегося стационарного состояния 243 с высокой температурой. При этом температура солнечной панели 102 приблизительно соответствует ее расчетному максимуму, хотя указанная температура солнечной панели 102 зависит также от температуры теплоотвода 104, которая может изменяться. Градиент температуры в термоэлектрическом устройстве 103 также приблизительно соответствует расчетному максимуму в зависимости от таких факторов, как сезон и время дня. Входной свет почти максимальный, и эффективность термоэлектрического устройства 103 близка к максимальной. Эффективность солнечной панели 102 уменьшается в такой степени, что она или умеренная, или весьма значительная, в зависимости от того, приспособлена или нет солнечная панель 102 для работы при высокой температуры. Даже если солнечная панель 102 и приспособлена для работы при высокой температуре, все равно термоэлектрическое устройство 103 обычно будет производить в 2, 3 или 4 раза больше электрической энергии, чем солнечная панель 102.

Кпд, а также выработка электрической энергии в генераторе 100, работающем на солнечной энергии, обычно наиболее высокие в установившемся состоянии 243 с высокой температурой. Соображения, касающиеся выбора материалов, вероятно, являются фактором, препятствующим проектированию для еще более высоких температур и градиентов температур, и тем самым достижению более высоких уровней кпд генератора.

Быстрый переход к установившемуся состоянию 243 с высокими температурами, при котором существует максимально яркое Солнце, обычно обеспечивает большую эффективность работы генератора. Этот переход замедляется в соответствии с теплоемкостью солнечной панели 102 и любыми материалами, используемыми для обеспечения контакта солнечной панели 102 и термоэлектрического устройства 103. В том случае, если панель 102 и термоэлектрическое устройство 103 изготовлены по отдельности, для обеспечения хорошего контакта могут быть использованы припой или теплопроводный клей. Небольшой воздушный зазор в зоне контакта может привести к росту температуры солнечной панели 102 до величины, значительно превышающей температуру горячего спая 107, что может уменьшить эффективность работы солнечной панели 102 при отсутствии каких-либо выгод для термоэлектрического устройства 103.

Более серьезное нарушение контакта может быстро привести к неблагоприятному быстрому росту температуры, в особенности, с учетом концентрации солнечной энергии. Такое нарушение контакта может быть вызвано деформацией одной из контактных поверхностей, которая может быть результатом циклического изменения температуры.

Концепция, которая решает некоторые из указанных проблем, обеспечивается солнечной панелью 202 и термоэлектрическим устройством 203, имеющими единую конструкцию. В такой конструкции солнечная панель 202 и термоэлектрическое устройство 203 представляют собой слои в составной конструкции, подобной интегральной схеме. Слои сформированы один над другим посредством проведения ряда стадий технологических процессов. При этом для получения желательного результата могут быть скомбинированы различными путями процессы нанесения маскировочного слоя, травления и осаждения. Большинство этих стадий являются или могут быть такими же, как и стадии, обычно используемые для формирования устройств 102 и 103 по отдельности, в частности, в том случае, когда солнечная панель 102 представляет собой тонкопленочный солнечный элемент, а термоэлектрическое устройство 103 содержит сегменты из нанокомпозиционного материала, сформированные с помощью стадий осаждения многих отдельных слоев.

Процесс изготовления интегрального устройства 200 может начинаться снизу вверх или сверху вниз. Начиная от места формирования термоэлектрического устройства 203, основным принципом выполнения является обеспечение плоского коммутационного соединительного слоя 207 и осаждение полупроводниковой подложки поверх соединительного слоя таким образом, чтобы подложка не могла легко отслаиваться. Один из методов заключается в осаждении металлического слоя поверх соединительного слоя 207. Формирование солнечного элемента из GaP поверх такого металлического слоя является общеизвестным методом.

В качестве альтернативы солнечный элемент может быть сформирован первым. Один из вариантов заключается в использовании временной вспомогательной подложки, например, из германия (Ge), в качестве структуры, на которой создают солнечный элемент. Все или только нижние слои солнечного элемента 202 формируют на подложке из Ge. Затем создают слои, образующие термоэлектрическое устройство 203. Наконец, промежуточную временную подложку удаляют и, если необходимо, солнечный элемент 202 подвергают дополнительной обработке для завершения его изготовления.

Интегральная конструкция обеспечивает ряд преимуществ, включающих более высокую термоэлектрическую эффективность благодаря меньшей теплоемкости, превосходного теплового контакта между солнечной панелью 203 и горячим спаем 207 и лучшей способности выдерживать температурные циклы за счет уменьшения количества слоев и предотвращения использования толстых слоев.

Примером применения генератора, работающего на солнечной энергии, является система 900, которая является комбинированной местной системой водяного отопления и выработки электрической энергии за счет использования солнечной энергии. Система 970 содержит солнечный коллектор 971, который приспособлен для установки на крыше. Коллектор 971 собирает солнечную энергию 109 и передает ее посредством волоконно-оптического кабеля 972 к генератору 900, работающему на солнечной энергии. Размеры коллектора 971 выбирают в соответствии с количеством энергии, которое обычный жилой дом будет использовать для водяного отопления. При этом подходящим может быть размер в интервале приблизительно от 1 до 10 м², как правило, в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 6 м².

Генератор 900, работающий на солнечной энергии, размещают внутри здания 973, предпочтительно рядом с водяным баком 974. Водяные баки предпочтительно размещают в полуподвальном помещении 975, и предпочтительно следует избегать потерь тепловой энергии циркулирующей горячей водой в результате использования длинных трубопроводов. Для облегчения монтажа может быть предпочтительным размещение в чердачном помещение 976. Подходящий размер бака 974 может соответствовать его объему в интервале от 100 до 1000 литров, более предпочтительно в интервале от приблизительно 200 до приблизительно 600 литров.

Волоконный световод 972 передает свет на поверхность солнечной панели генератора 900, работающего на солнечной энергии, предпочтительно с высокой степенью концентрации потока солнечной энергии. Интенсивность в интервале от 50 до 250 солнц может быть предпочтительной. При интенсивности равной 100 солнц солнечная панель может иметь поверхность в интервале от 100 до 1000 см². Зеркальная камера, содержащая зеркала на внутренней поверхности и окруженная снаружи однокамерным стеклопакетом с вакуумной изоляцией, улавливает и поглощает теплоту и свет, исходящие от солнечной панели. При установившемся режиме работы с максимально ярким Солнцем в солнечной панели создается максимальный расчетный градиент температуры, который составляет 350 К.

Теплота от солнечной панели передается с помощью термоэлектрического генератора к теплообменнику 978. Теплообменник 978 образует часть замкнутого контура 979, через которую циркулирует вода между баком 974 и теплообменником 978. За счет размещения генератора 900, работающего на солнечной энергии, вблизи нижней части бака рециркулируемый поток может быть создан за счет сил термогравитации. В качестве альтернативы может быть использован насос с электроприводом.

Система горячей воды, содержащая теплообменник 978, контур 979 циркуляции и бак 974, образует теплоотвод, который представляет собой замкнутую систему с ограниченной способностью поглощения теплоты. Изменения требований пользователя частично могут быть урегулированы за счет изменения температуры воды в широких пределах. Непосредственно под генератором 900 может быть размещен резервный газовый нагреватель для обеспечения минимальной температуры, равной 50°С. Вода, перед принятием каких-либо мер для отвода излишней теплоты, может быть нагрета до температуры 95°С. В контур включен смесительный клапан 980 для автоматического регулирования коэффициента смешения воды, поступающей из бака 974, и воды из источника 981 подачи холодной воды для получения потребляемой воды с заданной температурой. Если температура горячей воды достигает допустимого максимума, количество теплоты может быть сокращено путем слива горячей воды или расфокусирования солнечного коллектора 971. При циклическом изменении температуры теплоотвода от 50°С до 95°С температура солнечной панели, как ожидается, циклически изменяется от 400°С до 445°С. Такое циклическое изменение, как предполагается, не влияет на выработку электрической энергии.

При использовании однопереходного тонкопленочного солнечного элемента из GaP и общеизвестных материалов для термоэлектрического генератора эффективность производства электрической энергии солнечной панелью при комнатной температуре может составлять приблизительно 10%. При повышении температуры генератора 900 до его рабочей температуры эффективность производства энергии солнечной панели уменьшается приблизительно до 7%. С повышением температуры увеличивается генерирование энергии термоэлектрическим устройством. Если для термоэлектрического преобразования используются традиционные полупроводники с величиной ZT, равной 0,8, эффективность термоэлектрического устройства, как ожидается, в установившемся режиме достигает приблизительно 9% с получением общей эффективности равной 16%. В случае использование нанокомпозиционных материалов для получения величины ZT, равной 2,0, эффективность одного термоэлектрического устройства составляет 16%, а общая эффективность составляет 25%. Если температура солнечной панели уменьшается до 100°С, общая эффективность падает лишь до 23%. Электрическая энергия будет уменьшаться, поскольку падение температуры связано с ослаблением света. Падение эффективности происходит быстрее при более низких температурах, но она остается высокой в значительном диапазоне уровней освещенности и температур водяного бака. Высокая температура конструкции, приспосабливание солнечной панели к функционированию при высоких температурах и эффективное использование полупроводников, что позволяет использовать материалы с высокой величиной ZT, все эти факторы в совокупности обеспечивают создание такой системы, которая является экономичной и эффективной.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение является полезным для производства энергии, полученной экологически чистым методом.