Солнечный генератор и способ преобразования солнечного излучения в электричество - RU2662244C1

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Генератор на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами (photon-enhanced thermionic emission, PETE), представляет собой полупроводниковое устройство, преобразующее как фотонную, так и тепловую энергию солнечного излучения в электричество с более высоким КПД преобразования по сравнению с традиционными фотогальваническими элементами. Обычно между катодом и анодом необходим вакуумный зазор, и РЕТЕ-устройство работает наиболее эффективно при температурах свыше 200 градусов Цельсия, типичной температуре отбираемого воздуха авиационного двигателя. К сожалению, процесс электрического преобразования создает сбросное тепло, которое часто не используется в некоторых применениях, например в летательном аппарате, который зависит от солнечной энергии для работы или движения. Например, может отсутствовать синергия между РЕТЕ-генератором и другими системами, потребляющими или генерирующими энергию на летательном аппарате. Кроме того, рабочая температура может быть нерегулируемой, что может снизить эффективность преобразования PETE, которое зависит от количества падающего солнечного излучения и температуры окружающей среды. К тому же вакуумный зазор может быть дорогостоящим для включения в процесс изготовления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В одном аспекте раскрывается солнечный генератор, который может включать в себя генератор на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, с катодом для приема солнечного излучения. РЕТЕ-генератор может содержать анод, который вместе с катодом генерирует первый ток и сбросное тепло из солнечного излучения. Термоэлектрический генератор может иметь тепловую связь с анодом для преобразования сбросного тепла во второй ток. Схема может подключаться к генератору на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, и термоэлектрическому генератору и может объединять первый и второй токи в выходной ток.

[0003] В другом аспекте раскрывается гибридный солнечный генератор, который может включать в себя газотурбинный генератор, который производит нагретый отбираемый воздух. Гибридный солнечный генератор может дополнительно включать в себя генератор на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, имеющий катод для приема солнечного излучения и анод, который вместе с катодом генерирует первый ток и сбросное тепло из солнечного излучения. Термоэлектрический генератор может иметь тепловую связь с анодом и может быть связан с нагретым отбираемым воздухом для преобразования сбросного тепла от анода и тепла от нагретого отбираемого воздуха во второй ток. Схема может подключаться к генератору на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, и термоэлектрическому генератору и может объединять первый и второй токи в выходной ток.

[0004] В еще одном варианте осуществления раскрывается способ преобразования солнечного излучения в электроэнергию, который может включать в себя обеспечение наличия генератора на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, имеющего катод для приема солнечного излучения. Генератор на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, может содержать анод, который вместе с катодом генерирует первый ток и сбросное тепло из солнечного излучения. Способ может дополнительно включать воздействие на катод солнечным излучением и размещение термоэлектрического генератора вблизи анода для преобразования сбросного тепла от анода во второй ток. Способ может дополнительно включать объединение первого и второго тока в выходной ток.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Фиг. 1 представляет схему генератора на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, направляющего сбросное тепло к термоэлектрическому генератору, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

[0006] Фиг. 2 представляет тепловую трубку, обменивающуюся теплом с гибридным солнечным генератором в тепловом соединении, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

[0007] Фиг. 3 представляет солнечный коллектор, имеющий тепловую связь с гибридным солнечным генератором, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

[0008] Фиг. 4 представляет формирование генератора на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, и термоэлектрический генератор, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

[0009] Фиг. 5 представляет тепловую трубку, обменивающуюся теплом с тепловым соединением гибридного солнечного генератора, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

[0010] Фиг. 6 представляет тепловую трубку, обменивающуюся теплом с тепловым соединением гибридного солнечного генератора, в соответствии с различными аспектами, описанными в настоящем документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Как можно понять, основываясь на раскрытии изобретения, в данной области техники существует потребность в более высоких КПД преобразования для электрических генераторов, которые преобразуют солнечное излучение в электричество. Кроме того, в данной области техники существует потребность в более эффективном использовании тепла, получаемого от солнечного излучения. Помимо этого, в данной области техники существует потребность в интеграции солнечных генераторов с другими системами электропитания на воздушном судне, например источниками и стоками тепла.

[0012] Как изображено на фиг. 1, в одном аспекте настоящего изобретения солнечный генератор 10 может содержать генератор 20 на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами (PETE), имеющий катод 22 для приема солнечного излучения 70, и анод 24, который вместе с катодом 22 генерирует первый ток 26 (i_P) и сбросное тепло 28 из солнечного излучения 70. Поток электронов 66 может быть стимулирован видимым светом 76, несущим фотоны (не показаны), и инфракрасным светом, несущим тепло 78 в РЕТЕ-генератор 20. Между катодом 22 и анодом 24 может существовать зазор 60, и этот зазор 60 может быть вакуумным зазором для увеличения производства РЕТЕ-тока 26. Термоэлектрический генератор (ТЭГ) 30 может иметь тепловую связь с анодом 24 для преобразования сбросного тепла 28 от анода 24 во второй ток 36 (i_T). Термоэлектрический генератор 30 может включать в себя горячую пластину 32 и холодную пластину 34, совместно определяющие температурный градиент 48, генерирующий второй ток 36. Горячая пластина 32 может получать сбросное тепло 28 посредством теплового контакта с анодом 24.

[0013] Продолжая рассмотрение фиг. 1, в различных аспектах настоящего изобретения теплоотвод 58 для отвода тепла в окружающую среду может иметь тепловую связь с холодной пластиной 34 для установления температурного градиента 48, необходимого для генерирования второго тока 36. ТЭГ 30 может быть расположен рядом с РЕТЕ-генератором 20 для обеспечения эффективного теплообмена между анодом 24 и горячей пластиной 32. Например, анод 24 и горячая пластина 32 могут иметь плоские поверхности, конфигурированные для создания непосредственного теплового контакта в тепловом соединении 38. Альтернативно, РЕТЕ-генератор 20 и ТЭГ 30 могут находиться рядом друг с другом, но не обязательно касаясь друг друга. Например, паровая камера может обеспечивать тепловую связь РЕТЕ-генератора 20 и ТЭГ 30. Схема 14 может быть подключена к РЕТЕ-генератору 20 и ТЭГ 30 для объединения первого 26 и второго 36 токов в выходной ток 16, а объединенный выходной ток может питать электрическую нагрузку 18. Первый 26 и второй 36 токи могут суммироваться для подачи питания на одну или более электрических нагрузок, питаемых с помощью солнечного генератора 10, или каждый ток может питать отдельные нагрузки в окружении солнечного генератора 10.

[0014] Тепловое соединение 38 может включать в себя дополнительный элемент (не показан), расположенный между анодом 24 и горячей пластиной 32 для обеспечения тепловой связи анода 24 и горячей пластины 32 или для облегчения монтажа или тепловой связи теплового соединения 38 со структурами снаружи ТЭГ 30. Например, пластина из оксида алюминия может быть вставлена в месте соединения 38 для отвода тепла 28, в то же время электрически изолируя РЕТЕ-генератор 20 от ТЭГ 30. Множество солнечных генераторов 10 могут быть электрически объединены, чтобы удовлетворять требованиям электрической нагрузки 18 и использовать преимущества доступного солнечного излучения 70. Ниже описаны дополнительные реализации для добавления тепла или концентрации солнечной энергии для питания солнечного генератора.

[0015] Обращаясь по-прежнему к фиг. 1, в различных аспектах настоящего изобретения катод 22 РЕТЕ-генератора 20 может представлять собой полупроводник для поглощения солнечного излучения 70 и возбуждения электронов 66 для их движения в вакуумный промежуток 60, когда фотоны сталкиваются с катодом 22. Анод 24 может быть изготовлен из металла. Ниже подробно описаны различные реализации для производства РЕТЕ-генератора 20 и ТЭГ 30.

[0016] Полезным является то, что неиспользованное тепло (сбросное тепло) 28 от РЕТЕ-генератора 20 может быть использовано ТЭГ 30 для получения дополнительной электрической энергии и оптимизации температуры анода для более высокого РЕТЕ-тока 26. Например, РЕТЕ-генератор 20 может работать с КПД преобразования, приблизительно в два раза превышающим КПД фотогальванических ячеек, а сбросное тепло 28 может дополнительно увеличить объединенный КПД преобразования PETE/ТЭГ солнечного генератора 10 на несколько процентных пунктов по сравнению только с PETE. Дополнительным преимуществом солнечного генератора 10 является то, что потребление сбросного тепла 28 в ТЭГ 30 может оптимизировать температуру анода или минимизировать обратный ток, так что КПД преобразования РЕТЕ-генератора 20 увеличивается.

[0017] Фиг. 2, в различных аспектах настоящего изобретения, представляет гибридный солнечный генератор 10, который может включать в себя тепловую трубку 54, имеющую тепловую связь с горячей пластиной 32 для обмена теплом с горячей пластиной 32. Тепловая трубка 54 может иметь соединительный элемент 39, служащий в качестве теплового соединения 38 между анодом 24 и горячей пластиной 32 и для теплообмена по текучей среде с соединительным анодом 24 и горячей пластиной 32, при этом соединительный элемент 39 может быть частью тепловой трубки 54. Тепловая трубка 54 может также быть твердым телом для проведения тепла между тепловым соединением 38 и дополнительным источником 52 тепла или тепловой нагрузкой 56. Например, дополнительное тепло 52, такое как нагретый отбираемый воздух газотурбинного двигателя (не показан), может проводить тепло по текучей среде к тепловому соединению 38 посредством тепловой трубки 54 и может, следовательно, увеличивать ТЭГ-ток 36 путем увеличения температурного градиента между горячей пластиной 32 и холодной пластиной 34. Другими словами, нагретый отбираемый воздух 52 может быть объединен со сбросным теплом 28 от анода для получения второго (ТЭГ) тока 36. Кроме того, тепловая нагрузка 56 может быть нагрузкой противообледенительной системы, соединенной с тепловой трубкой 54, причем часть тепла от отбираемого воздуха, поступающего на тепловое соединение 38, проводится затем к нагрузке 56 противообледенительной системы. Кроме того, часть сбросного тепла 28 может быть проведена к тепловой нагрузке 56 через тепловую трубку 54.

[0018] Нагрузкой 56 противообледенительной системы может быть нагревательная система, распределяющая тепло вдоль крыльев, фюзеляжа или других компонентов планера летательного аппарата (не показан). Полезным является то, что связывание вспомогательного источника 52 тепла и тепловой нагрузки 56 с тепловым соединением 38 может обеспечить несколько улучшений, в том числе повышенный КПД преобразования для солнечного генератора 10 и улучшенное использование энергии среди других систем, потребляющих или генерирующих энергию на летательном аппарате. Тепловая трубка 54 может также быть выполнена в виде солнечного коллектора 50, собирающего солнечное излучение 70 через плоскую поверхность, имеющую высокую поглощающую способность для видимого света. Тепловая трубка 54 может быть выполнена в виде целого ряда реализаций, включая, но не ограничиваясь этим, металлическую или синтетическую трубку, устройство паровой камеры, устройства для изменения состояния, испаритель, конденсатор или любое другое средство, известное в данной области техники и подходящее для проведения тепла между тепловым соединением 38 и источником тепла или тепловой нагрузкой. Ниже описаны дополнительные реализации компонента для противообледенительной системы и отбираемого воздуха.

[0019] Как видно теперь на фиг. 3, в различных аспектах настоящего изобретения, гибридный солнечный генератор 10 может содержать солнечный коллектор 50, имеющий тепловую связь с горячей пластиной 32, причем солнечное излучение 70 рядом с катодом 22 собирается с помощью солнечного коллектора 50 и доставляется к горячей пластине 32, к соединительному элементу 39, служащему в качестве теплового соединения 38, где соединительный элемент может быть частью солнечного коллектора 50. Поверхность 84 может быть выполнена с возможностью расширения площади сбора солнечного излучения 70 за пределами площади сбора верхней поверхности 23, и область поверхности 84 может иметь фокальную точку 86 для концентрации солнечного излучения на РЕТЕ-генераторе 20. Проводящая часть 88 коллектора 50 может лежать под поверхностью 84 и может проводить тепло к части с соединительным элементом 39 солнечного коллектора 50, которая лежит между анодом 24 и горячей пластиной 32. Тепло от солнечного коллектора 50 может объединяться со сбросным теплом 28 для увеличения ТЭГ-тока 36. Поверхность 84 может примыкать к верхней поверхности 23 катода 22 и может собирать видимый свет 76 и инфракрасный свет 74 и преобразовывать их в тепло, используя поверхность с высокой поглощающей способностью. Солнечный коллектор 50 может быть сформирован для повторного захвата инфракрасного света 74, излучаемого от верхней поверхности 23, и перенаправления обратно в тепловое соединение 38. Альтернативно, солнечный коллектор 50 может быть выполнен с возможностью отражать видимый свет 76, воздействующий на область 84 поверхности, к верхней поверхности 23.

[0020] В различных аспектах настоящего изобретения проводящая часть 88 солнечного коллектора 50 может представлять собой металлический канал или канал для текучей среды, имеющий высокую теплопроводность. Поверхность 84 может иметь высокую поглощающую способность для максимального сбора падающего коротковолнового излучения 76 и низкую излучательную способность для ограничения повторного излучения длинноволновой энергии 74. Коллектор 50 может иметь форму параболы для фокусировки солнечного излучения 70 и может отражать часть падающей энергии в фокальную точку 86, где может быть расположен катод 22. Например, солнечный коллектор может быть металлическим параболическим элементом, концентрирующим солнечное излучение и проводящим полученное тепло к горячей пластине 32. Альтернативно, поверхность может быть относительно плоской поверхностью, такой, например, как поверхность крыла или фюзеляжа. Солнечный коллектор 50 может быть составной панелью (не показана), включающей в себя абсорбирующую заднюю панель, поверхность 84 с низкой излучательной способностью и проводящую часть 88, содержащую водную среду между абсорбирующей панелью и поверхностью с низкой излучательной способностью, во многом подобную солнечным тепловым панелям, которые используются на крышах.

[0021] В различных аспектах, не показанных на чертежах, солнечный коллектор 50 может использовать технологии паровой камеры или технологии изменения состояния, чтобы проводить тепло от поверхности 84 или от других точек сбора к горячей пластине 32. Полезным является то, что объединение дополнительного источника тепла, такого как солнечный концентратор 50, может добавить возможность получения или регулирования эффективной рабочей температуры для гибридного солнечного генератора 10, тем самым максимизируя выходной ток 16. Например, проводящая часть 88, содержащая проводящую текучую среду, может регулироваться с помощью подходящих средств для изменения количества тепла, подаваемого к тепловому соединению 38. В другом аспекте линза или линзы (не показаны), расположенные над верхней поверхностью 23, например линза Френеля, могут фокусировать солнечное излучение на верхней поверхности 23. Солнечный концентратор может устанавливать высокую рабочую температуру от 200 до 1000 градусов Цельсия для PETE 20.

[0022] Фиг. 4 представляет различные аспекты изготовления РЕТЕ-генератора 20 и ТЭГ 30, как представлено на фиг. 1. РЕТЕ-генератор 20 может содержать нанопровода 62 из карбида кремния (silicon carbide, SiC), расположенные в зазоре 60 между катодом 22 и анодом 24 РЕТЕ-генератора 20, где SiC-нанопровода 62 электрически соединяют катод 22 с анодом 24 и где зазор 60 является вакуумным зазором. Альтернативно, полупроводниковый слой SiC или SiC-нанопровода могут заменить вакуум зазора 60 в РЕТЕ-генераторе 20. Полезным является то, что устранение необходимости в вакууме в зазоре 60 может обеспечить намного более высокие КПД преобразования РЕТЕ-генератора 20. SiC-нанопровода 62 могут быть относительно малого диаметра для усиления рассеяния фотонов на стенках, чтобы значительно уменьшить теплопроводность и минимизировать тепловые потери в РЕТЕ-генераторе 20. Нанопровода 62 могут быть расположены разреженно для оптимизации транспортировки носителей зарядов. Фотовозбужденные электроны, генерируемые в катоде 22, могут накапливаться в зоне проводимости нанопроводов 62 перед тем, как собираться на аноде 24.

[0023] Альтернативно, состав полупроводника РЕТЕ-генератора 20 может включать в себя, но не ограничивается этим, нитрид галлия или арсенид галлия. Процентный состав SiC-материала может быть изменен пропорционально другим полупроводниковым материалам для настройки уровней энергетических зон, что может устранить необходимость сверхнизкой работы выхода в аноде 24. В одном аспекте настоящего изобретения катод 22 может содержать поглощающий фотоны SiC-материал для оптимизации энергетического барьера катода. Например, верхний слой 64 катода 22 может содержать материал из карбида кремния и может быть обращен к солнечному излучению 70 для поглощения видимого света 76 и инфракрасного света. Верхний слой 62 SiC может включать в себя SiC-нанопровода.

[0024] Далее, фиг. 4 также показывает термоэлектрический генератор (ТЭГ) 30, который может содержать термоэлектрическую пару 40 разнородных полупроводников, состоящую из Р-ветви 44 и N-ветви 42, генерирующую ТЭГ-ток 36 благодаря температурному градиенту 48. Электрический контакт 46 может замыкать каждый конец ветвей 44 и 42, причем горячая пластина может принимать сбросное тепло 28 на одной стороне ветвей 44 и 42, а холодная пластина 34 может отводить тепловой поток 78 с другой стороны ветвей 44 и 42. В общем, ТЭГ 30 может быть выполнен из многих термоэлектрических пар 40, соединенных электрически последовательно и по теплу параллельно. ТЭГ 30 может быть изготовлен с использованием карбида кремния (SiC) для получения более высокой рабочей температуры или для обеспечения совместимости с РЕТЕ-генератором 20 на основе SiC, как описано выше.

[0025] Фиг. 5 представляет аспект тепловой трубки, описанной на фиг. 2, которая может включать в себя теплообменник 79, соединенный с соединительным элементом 39, для приема дополнительного тепла 52 или для отвода части сбросного тепла 28 на тепловую нагрузку 56. Теплообменник 79 может быть металлическим теплоотводом или может быть испарителем для поглощения тепла из дополнительного тепла 52. Теплообменник 79 может также быть конденсатором для сброса тепла в тепловую трубку 54. Дополнительное тепло 52 может быть нагретым отбираемым воздухом газотурбинного двигателя. Дополнительное тепло 52 может также быть нагретым воздухом из ступеней турбинного двигателя, отличных от ступени компрессора турбины, создающих нагретый отбираемый воздух. Кроме того, нагретым отбираемым воздухом может быть любой нагретый воздух, выходящий и доступный из двигателя на ископаемом топливе.

[0026] Теплообменник 79 может регулироваться с точки зрения регулируемой теплопроводности (не показано) для направления большего или меньшего количества тепла в тепловое соединение 38 или из него, что может зависеть от одного или более из желаемой рабочей температуры теплового соединения 38, температуры отбираемого воздуха 52, оптимального температурного градиента для РЕТЕ-генератора 20, количества сбросного тепла 28 или количества тепла, необходимого для тепловой нагрузки 56. Например, текучая среда для изменения состояния внутри испарителя 79 может регулироваться, чтобы дать возможность большему или меньшему количеству текучей среды участвовать в теплообмене внутри теплообменника 79. Преимуществом является то, что объединение РЕТЕ-генератора 20, ТЭГ 30 и тепловой трубки 54 может создать синергию с другими энергосистемами 52 и 56 на борту летательного аппарата для оптимизации не только гибридного солнечного генератора 10, но также для оптимизации всех энергетических систем для наилучшей общей производительности летательного аппарата.

[0027] Тепловая нагрузка 56 может представлять собой противообледенительную систему, использующую сбросное тепло 28 и отбираемый воздух 52 для нагрева поверхностей, например поверхностей крыльев, для предотвращения образования льда, или для нагрева поверхностей фюзеляжа или других внешних поверхностей, испытывающих сопротивление трения для летательного аппарата в полете. Тепловая трубка 54 может быть использована для направления тепла к внешним поверхностям, имеющим турбулентный пограничный слой, чтобы уменьшить сопротивление трения этих внешних поверхностей за счет их нагрева.

[0028] Фиг. 6 представляет еще один аспект тепловой трубки, описанной на фиг. 2, которая может включать в себя теплообменник 79, соединенный с соединительным элементом 39 для приема дополнительного тепла 52 или для выпуска части сбросного тепла 28 к тепловой нагрузке 56 посредством теплового потока 78. Отвод 58 в окружающую среду может представлять собой теплоотвод или теплообменник для охлаждения холодной пластины 34 (фиг. 5), использующим холодный воздух 82 окружающей среды, приводимый в движение вентилятором 80. Отводом 58 в окружающую среду может быть конденсатор, содержащий газ для изменения состояния, который конденсируется, когда холодный воздух 82 течет через отвод 58. Нагретый воздух, выходящий из отвода 58, может затем смешиваться с нагретым отбираемым воздухом 52 для подачи тепла через испаритель 79 в ТЭГ 30, либо нагретый воздух, выходящий из отвода 58, может смешиваться с нагретым отбираемым воздухом 52 для подачи на тепловую нагрузку 56, в то время как теплообменник 79 отбирает дополнительное тепло как сбросное тепло 28 из РЕТЕ-генератора 20. Альтернативно, пространство тепловой трубки 54 может быть разделено на канал охлаждения для отвода 58 в окружающую среду и отдельный канал для теплообменника 79 и потока дополнительного тепла 52.

[0029] Возможны многие другие варианты осуществления и конфигурации, в дополнение к тому, что показано на вышеприведенных чертежах. Если это еще не описано, различные признаки и структуры разных вариантов осуществления при желании могут использоваться в комбинации друг с другом. То, что один признак не проиллюстрирован во всех вариантах осуществления, не означает, что его не может быть, а сделано для краткости описания. Таким образом, различные признаки разных вариантов осуществления могут смешиваться и согласовываться для формирования новых вариантов осуществления, независимо от того, описаны ли явно или неявно эти новые варианты осуществления. Кроме того, хотя был описан «набор» или «множество» различных элементов, следует понимать, что «набор» или «множество» могут включать в себя любое количество соответствующих элементов, в том числе только один элемент. Комбинации или перестановки признаков, описанных в настоящем документе, охватываются этим описанием.

[0030] В этом описании используются примеры для раскрытия вариантов осуществления изобретения, включая наилучший вариант, а также для того, чтобы любой специалист в данной области мог использовать на практике варианты осуществления изобретения, в том числе создавать и использовать любые устройства и системы и выполнять любые связанные с ними способы. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать в себя другие примеры, которые могут быть предложены специалистами в данной области. Такие другие примеры находятся в рамках формулы изобретения, если они не отличаются от буквальных формулировок формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.

Реферат

Солнечный генератор (10) содержит генератор (20) на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, имеющий катод (22) для приема солнечного излучения (70) и анод (24), который вместе с катодом генерирует первый ток (26) и сбросное тепло (28) из солнечного излучения (70); дополнительный источник тепла, создающий дополнительное тепло; термоэлектрический генератор (30), имеющий тепловую связь с анодом (24) и дополнительным источником тепла для преобразования сбросного тепла (28) от анода (24) и дополнительного тепла во второй ток (36); и схему, подключенную к генератору (20) на основе термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, и к термоэлектрическому генератору (30) для объединения первого и второго токов (26, 36) в выходной ток (16). Изобретение обеспечивает устройство, преобразующее как фотонную, так и тепловую энергию солнечного излучения в электричество с более высоким КПД. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула