[发明专利]用于产生电力的热电设备的大规模阵列

说明书

【0001】本申请要求2007年4月27日提交的，序列号为No.60/926673的临时申 请的权益。

发明领域

【0002】本发明涉及使用热电设备发电的领域，具体涉及使用热电发电机发电的 领域。

发明背景

【0003】电能生产的演进包括水轮或水坝驱动的涡轮发电机，蒸汽引擎驱动的发 电机，内燃引擎发电机，天然气或蒸汽驱动的涡轮发电机，燃煤蒸汽驱动的涡轮发电 机以及核电厂蒸汽驱动的涡轮发电机。所有这些现有的电力生产方法都会导致大规模 的环境破坏，比如水坝所潜在的洪水泛滥，以及来自化石燃料或核燃料引起的空气和 水污染。

【0004】有关降低环境影响的新近进展包括太阳能光伏，它利用半导体设备将太 阳能转换成电能，最初是开发用来为空间飞行器提供太阳能。该技术提供不需要运动 机件的热电转换。其某些局限在于在硅基太阳能光伏中，从太阳能到电能的转换效率 在理论上限于29％。经过相当大的努力，实际太阳能光伏的转换效率目前大约为15 ％。其他太阳能光伏转换技术，例如使用砷化镓以及带有优选地用来吸收不同范围的 太阳能电磁频谱的若干层的多层接合光伏，已实现了高达40％的效率。然而，当前所 有太阳能光伏都具有这样的限制，它们只能够由直接的或会聚的反射太阳光线来产生 电力。在夜间或者当缺乏日照时就不能产生电力，例如由于季节性气候条件。

【0005】生产较低成本太阳能光伏的尝试已致使产生了非晶状太阳能光伏基板。 然而迄今为止非晶状太阳能光伏已经展示了比晶状品种更低的光电转换效率，通常在 6-12％的范围。降低生产成本的其他尝试，例如薄膜太阳能光伏在薄金属或塑料基板 上的持续生产(称作卷到卷)，导致较低的转换效率，它需要更大面积的太阳能光伏 以采集充足的日光，由此使得成本很高。太阳能光电转换的最佳效率保持在40％以下， 在大多数实际应用中低于20％。它需要大量的物理材料来形成足够的面积以收集阳 光。相对低的能量转换效率和用以产生有效电平的电力输出所要求的材料量已经导致 基于太阳能光伏的电力生产成为边缘电力生产技术。

【0006】间接热电转换可以由某些其他技术来实现，例如磁流体动力学和海洋热 能转换。在磁流体动力学中化石燃料，通常是煤，当它横向通过具有电流流动的管道 时被加以电离。在海洋热能转换中，创建在海洋上漂浮的大型结构。蒸发的热流体在 较热海洋表面与较冷海洋深处之间泵送。该转移能转动附着于发电机上的大型涡轮来 生产电力。这些技术也受限于低的系统效率。

【0007】电能生产的另一替代方案基于风力涡轮，最古老的能源技术之一。风车 通过利用在轴上旋转的帆来利用风能产生动力，所述轴经过齿轮传动以转动石磨将谷 物碾磨成面粉，来代替以手利用臼和杵来捣击谷物的传统方法。在19世纪早期，数 以百计的风力涡轮点缀了风景。随着发电机的出现，风车用来驱动生产电力的涡轮。 当前风力涡轮的例子包括这样的结构，它立起来有三百英尺高，带有一百二十英尺的 旋转桨叶用以驱动涡轮，从而当风充足地吹动时产生五兆瓦的电力输出。风力涡轮场 在风吹得强到足以转动桨叶时发电，平均下来大约有30％的发电时间。

【0008】所有这些现有技术都受制于从燃料到电的低转换效率、产生环境污染、 要求很大的面积(例如水坝或风场或大型太阳能阵列)或者是间歇的发电(例如太阳 能和风力)。

【0009】与此对比，电能生产的最佳技术应当具有若干特点。首先，它们在从能 量源到电的转换应当是高效的，并且在建设、使用和清理过程中应当是无污染的。它 们应当可以从具有瓦特级电力输出的小型单元升级到具有千兆瓦级输出的较大生产 能力系统，并且它们应当适用于在各种各样不同的环境(即海洋、沙漠、北极或太空 中)以及在室内、乡下或边远地区来运转。

【0010】热机，热泵，热二极管，热电偶，以及固态制冷机等利用热电(TE)原 理，其中热能直接转换成电能。

【0011】Hagelstein和Kucherov的美国专利US6396191，US6489704和US7109408 描述了使用热二极管，也称作固态热离子能量转换器，来将热能转换成电能。Nicoloau 的美国专利US7166796也披露了用于直接将热能转换为电能的n型和p型热电元件。 美国专利US7273981描述了利用热电设备来生产电力的系统。这些专利的公开内容和 其中提及的材料都结合与此以资参考。

附图简述