[发明专利]用于将电磁辐射转换为电能的系统及方法

说明书

纳米天线包括谐振结构元件，将其调整至获取以谐振频率辐射出的能量，例如热或光，以及转换结构，将获取的能量转换为电能。共面带用于在谐振结构元件及转换结构之间提供阻抗匹配。大量纳米天线构成纳米天线阵列，以从多个纳米天线中提供电能输出。该纳米天线阵列可作为电源连接至装置或设备。

本申请要求申请号为61/569,205、申请日为2011年12月9日的美国临时申请的优先权，在此引用至本文中作为一个整体以供参考。

背景

技术领域

本发明的实施例大体上涉及从电磁辐射中获取能量的结构及方法，并且，更具体地，涉及用于从例如红外光、近红外光及可见光谱中获取能量以及从毫米波及太赫兹(THz)波中获取能量的纳米结构及相关方法和系统。

发明背景

如今世界非常需要便宜的可再生能源。讽刺的是，以阳光和热量形式的可用能源很充足，但是需要将其转换为电能形式方可用来支持社会需要。现今使用的绝大多数电能都是从有关热量转换的过程中得来。以核能、煤、柴油及天然气为动力的发电厂，均将所储存的能量转换为热量用以转换成电能。这些发电厂中的过程方法是低效率的，通常产生的余热(或废热)比转换的电能更多。

以低成本将获取的热源转换为可用电能，这是迫切需要的。在这一点上，低成本的涡轮机相关的技术方案已得到认可。而将热量转换为电能的新技术方案的存在面临着比较成熟的环境。由于需求及定价环境，新技术开始进入这一领域。这些新技术包括热光伏(TPV)、热电(TE)及有机朗肯循环(ORC)。TPV技术在热转换上曾进展艰难，因为光伏(PV)转换的是红外光(IR)及近红外光中的短波辐射而不是长波。将长波能量应用至光伏(PV)电池的新微米间隙方法，仍需要更适合该长波辐射入射的转换技术。PV电池带隙仅对高能光子起作用，因为低能光子没有能量越过该带隙并最终被吸收，从而在PV电池中产生热量。

热电效应仅能够以低效率将热量转换为电能。至今热电技术(TE)不能够有所突破，在能量转换中提供足够的功率。尽管如此，TE仍应用于余热的自动循环再用，这表示非常需要采用可替代热源来进行电转换的技术。

有机郎肯循环(ORC)技术通过将涡轮机与热交换器连接在一起来获取余热，在其系统内每个热交换器具有较低沸点的液体。这些系统体积庞大并且具有大量活动部件。这些系统也受液体特性限制，并最终受工作空间内附加系统的时间、空间及临界效果的限制。

发明内容

成对的纳米天线及二极管阵列的表面的技术在获取能量应用上表现出很大的优势。在余热回收领域，这些系统是理想的，因为它们没有活动部件，它们制造成本低并能够调整至目标源的频谱。将系统的收集元件调整至目标源的频谱特性，这一能力使其不仅在余热应用上，而且在一般的获取热量，甚至最后在获取太阳能上也是理想的。为便于讨论这些系统中的收集器阵列组件，将其称为纳米天线电磁收集器(NEC)。

本发明的一个实施例是一种能量获取系统。该系统的组件的基础在专利号为7,792,644和6,534,784 B2的美国专利以及公开号为2010/0284086和2006/0283539的美国专利申请文件中可以得到，这些文件每个都在此引用至本文中作为一个整体以供参考。该主要实施例包括谐振元件，其调整至可用辐射能的范围内的频率。通常，这些频率的频率范围是从红外光的约10太赫兹(THz)至超过1000太赫兹(THz)(可见光)。这些谐振元件由导电材料构成并与转换元件连接，从而构成谐振及转换元件对，该转换元件用于将谐振元件内激发的电能转换为直流电。这些谐振及转换元件对排列成阵列，该阵列嵌入至基底中且相互连接，从而形成源，例如，用于需要电源供电运行的电路或其他设备或装置。在一个实施例中，谐振元件通过阻抗平衡技术来连接至转换元件，如共面带状传输线(CPS)或其他装置或技术来平衡元件间的阻抗。还可以采用的其他匹配阻抗的方法，将在下文中详细探讨。