(57)【要約】      （修正有）【課題】廃熱再生の領域において、可動部を有さず、安価に製造され、ターゲットのソースの周波数スペクトルに調整可能とするシステムを提供する。【解決手段】共振周波数で放射された例えば熱又は光であるエネルギーを得るように調整される共振構造エレメントと、その得たエネルギーを電気的エネルギーに変換するための伝送構造とを有するナノアンテナである。コプレーナストリップが、共振構造エレメントと伝送構造との間のインピーダンスマッチングを与えるために使用されうる。多数の並んだナノアンテナは、複数のナノアンテナから電気的エネルギー出力を提供するためのナノアンテナアレイを形成する。ナノアンテナアレイは、電力源として、デバイスまたは装置に接続されうる。共振構造エレメントのサブアレイ４０５は、並列にリード線４０３、４０４に接続される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を電気的エネルギーに変換するためのシステムであって、
前記電磁放射の周波数範囲に含まれる共振周波数において共振するように調整される共振構造エレメントであって、当該共振周波数の周波数又は当該共振周波数の近傍の周波数を有する電磁放射の存在下で当該共振エレメントにおいて電気的エネルギーが励起される、共振構造エレメントと、
前記励起された電気的エネルギーを直流電流に変換する伝達構造と、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記共振エレメント及び前記伝達構造と接続され、前記共振エレメントと前記伝達構造との間のインピーダンスマッチングを提供するコプレーナストリップをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記伝達構造はＭＩＩＭダイオードである、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
少なくとも１つの追加の伝達構造をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記伝達構造は、少なくとも１つのダイオードを有し、
前記ダイオードと共振エレメントは、同一のプロセスを用いて当該共振エレメントとダイオードとを製造可能であるように、それぞれ少なくとも１つの層を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記製造プロセスは、ロールトゥーロールプロセスである、
ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記製造プロセスはドーピングを必要としない、
ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記共振構造により吸収されなかった放射を反射して前記共振構造に戻すためのグランド平面をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
電磁放射を電気的エネルギーに変換するためのシステムであって、
当該電磁放射のスペクトル範囲におけるエネルギーを捕らえると共に、当該捕らえた放射を電気的エネルギーに変換するためのナノアンテナのアレイを有する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
前記ナノアンテナのアレイは、前記電磁放射の周波数スペクトルに対して一様のカバレッジを与えるように構成される、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ナノアンテナのアレイは、前記電磁放射の周波数スペクトルに対して非一様のカバレッジを与えるように構成される、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ナノアンテナのアレイは、前記電磁放射の周波数スペクトル分布に近似した電磁放射の周波数スペクトルのカバレッジを与えるように構成される、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
各ナノアンテナは、
前記電磁放射の周波数範囲に含まれる第１の共振周波数において共振するように調整される第１の共振エレメント及び前記電磁放射の前記周波数範囲に含まれる第２の共振周波数において共振するように調整される第２の共振エレメントを有する共振エレメントのペアであって、前記第１の共振周波数の周波数又は前記第１の共振周波数の近傍の周波数を有する電磁放射の存在下で前記第１の共振エレメントにおいて電気的エネルギーが励起されると共に、前記第２の共振周波数の周波数又は前記第２の共振周波数の近傍の周波数を有する電磁放射の存在下で前記第２の共振エレメントにおいて電気的エネルギーが励起される、共振エレメントのペアと、
前記第１の共振エレメントに接続される第１のコプレーナストリップと、
前記第２の共振エレメントに接続される第２のコプレーナストリップと、
各共振エレメントペアの第１の共振エレメント及び第２の共振エレメントのそれぞれにおいて励起された前記電気的エネルギーをＤＣ電流に変換するために、前記第１のコプレーナストリップと前記第２のコプレーナストリップとに接続される伝達構造と、
を有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ナノアンテナのアレイは、フィルムの中に組み込まれる、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ナノアンテナが電気的エネルギーのソースを提供する対象となる電気装置をさらに有する、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ナノアンテナが電気的エネルギーのソースを提供する対象となる電気的エネルギー配電網をさらに有する、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アンテナのアレイによって吸収されなかった放射を反射して、当該アンテナのアレイへ戻すためのグランド平面をさらに有する、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムは、熱源および回収器を有するＴＰＶシステムである、
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
前記回収器は、ＮＥＣフィルム回収器である、
ことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記回収器に影響する適切な周波数の電磁放射を確保するためのフィルタが存在しない、
ことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
電磁放射を電気的エネルギーに変換するための方法であって、
前記電磁放射の周波数範囲に含まれる共振周波数において共振するように調整される共振構造エレメントであって、当該共振周波数の周波数又は当該共振周波数の近傍の周波数を有する電磁放射の存在下で当該共振構造エレメントにおいて電気的エネルギーが励起される、共振構造エレメントを提供する工程と、
前記励起された電気的エネルギーを直流電流に変換する伝達構造を提供する工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記共振構造エレメントと前記伝達構造との間のインピーダンスマッチングを提供するために、前記共振構造エレメント及び前記伝達構造にコプレーナストリップを接続する工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記伝達構造はＭＩＩＭダイオードである、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの追加の伝達構造をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記伝達構造は、少なくとも１つのダイオードを有し、
前記ダイオードと共振構造エレメントは、同一のプロセスを用いて当該共振エレメントとダイオードとを製造可能であるように、それぞれ少なくとも１つの層を有する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記製造プロセスは、ロールトゥーロールプロセスである、
ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記製造プロセスはドーピングを必要としない、
ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
電磁放射を電気的エネルギーに変換するための方法であって、
当該電磁放射のスペクトル範囲におけるエネルギーを捕らえるようにナノアンテナのアレイを構成する工程と、
当該捕らえた放射を電気的エネルギーに変換する工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記電磁放射の周波数スペクトルに対して一様のカバレッジを与えるように前記ナノアンテナのアレイを構成する工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記電磁放射の周波数スペクトルに対して非一様のカバレッジを与えるように前記ナノアンテナのアレイを構成する工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記電磁放射の周波数スペクトル分布に近似した電磁放射の周波数スペクトルのカバレッジを与えるように前記ナノアンテナのアレイを構成する工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記ナノアンテナのアレイを、フィルムの中に組み込む工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記ナノアンテナを用いて、電気装置に電気的エネルギーを与える工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記ナノアンテナを用いて、電気的エネルギー配電網に電気的エネルギーを与える工程をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記アンテナのアレイにより吸収されなかった放射を反射して前記アンテナのアレイに戻すためのグランド平面をさらに有する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３６】
前記システムは、熱源および回収器を有するＴＰＶシステムである、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
前記回収器は、ＮＥＣフィルム回収器である、
ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記回収器に影響する適切な周波数の電磁放射を確保するためのフィルタが存在しない、
ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
ａ）放射を与えるエミッタと、
ｂ）電磁放射のスペクトル範囲においてエネルギーを捕らえると共に捕らえた放射を電気エネルギーに変換するためのナノアンテナのアレイを含む回収器と、
を有することを特徴とするＴＰＶシステム。
【請求項４０】
前記回収器は、ＮＥＣフィルム回収器である、
ことを特徴とする請求項３９に記載のＴＰＶシステム。
【請求項４１】
放出された前記放射に合わせるためのフィルタが存在しない、
ことを特徴とする請求項３９に記載のＴＰＶシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、電磁放射から環境発電のための構造及び方法に関し、より具体的には、例えば、赤外線の、近赤外線の、及び可視のスペクトルから環境発電を行い、ミリメートル及びテラヘルツのエネルギーを得るためのナノ構造及び関連する方法ならびにシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１１年１２月９日に出願された米国仮出願第６１／５６９２０５号の利益を主張するものであり、ここで参照することにより、その全てが組み込まれるものである。
【０００３】
現在、世界中で、安価な再生可能エネルギーに対する大きなニーズが存在する。皮肉なことに、多数の太陽光及び熱の形式で利用可能なエネルギーが存在するが、社会のニーズに対応するためにそれを使用することは、それが電気的な形式に変換されることを必要とする。今日使用されているほとんどの電気的エネルギーは、熱を伴う変換処理に由来する。核、石炭、ディーゼル、及び天然ガスを動力源とした電気生産プラントは、全て、蓄えられた形式のエネルギーを、電力に変換するための熱に変換する。これらのプラントにおける処理は、効率的ではなく、多くの場合、電力に変換されるより多くの熱を廃棄物として生産してしまう。
【０００４】
熱から利用可能な電力へのソースの利用は、低コストであることが特に望まれる。タービンに基づくソリューションのコストは、この点でよく構築されている。熱の電力への変換に対する新しい技術的ソリューションの存在は、比較的成熟した環境に入っている。ニーズと固定価格環境のため、新しい技術は、この領域に対応し始めている。熱光起電力（ＴＰＶ）、熱電（ＴＥ）及び有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）は、新規参入品に含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７７９２６４４号明細書
【特許文献２】米国特許第６５３４７８４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０２８４０８６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２８３５３９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／０３１９７４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＴＰＶ技術は、光電池（ＰＶ）が短波放射を変換し、赤外（ＩＲ）及び近ＩＲで見られる長波を変換しないため、熱変換において進歩が困難な時期があった。この長波のエネルギーをＰＶセルに届ける新しいマイクロギャップ手法は、なおも、この長波放射の流入により適した変換技術を必要としている。ＰＶセルバンドギャップは、より低いエネルギーの光子がそのギャップを乗り越えるためのエネルギーを有さず、ＰＶセルにおいて最後は吸収され、熱の原因となるため、エネルギーの高い光子のみに有利に働く。
【０００７】
熱電は、低い効率で熱を電力に変換することができるのみであった。今まで、ＴＥは、エネルギー変換において、相当な効率を与えるためのブレークスルーを得ることはできないでいる。それでも、ＴＥは、自動車の廃熱再生におけるアプリケーションを見つけており、電気変換技術に対して、別の熱の多大なニーズに言及している。
【０００８】
有機ランキンサイクル技術は、システムにおいて、タービンを、それぞれがより低い沸点の液体を有する熱交換器とともに連結して、廃熱を利用する。これらのシステムはかさばり、多数の可動部を有する。それらは、また、その液体の性質、突き詰めると、期限、空間及び動作スペースにおける追加のシステムの限界的結果に制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
技術の表面の一対のナノアンテナ及びダイオードのアレイは、環境発電アプリケーションに対して著しい利点を提示する。廃熱再生の領域において、これらのシステムは、可動部を有さず、安価に製造され、ターゲットのソースの周波数スペクトルに調整可能であるため、理想的である。システムの回収エレメントをソースのスペクトル特性に調整する能力は、これを、廃熱アプリケーションに対してのみならず、一般的な熱利用、そして、最終的に、太陽エネルギー利用に対しても同様に、理想的である。議論の簡便性のために、これらのシステムの回収器アレイ要素を、ナノアンテナ電磁回収器（ＮＥＣ）と呼ぶ。
【００１０】
本発明の１つの実施形態は、環境発電システムである。このシステムのエレメントに対する基礎は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４において知られており、これらのそれぞれは、ここで、参照としてそのすべてが含まれる。対象の実施形態は、利用可能な放射エネルギーの範囲内の周波数に調整された共振エレメントを含む。典型的には、このような周波数は、赤外における約１０ＴＨｚから１０００ＴＨｚ（可視光）を超えるまでの周波数範囲内にある。これらの共振エレメントは、導電性物質によって構成され、その共振エレメントにおいて励起された電気エネルギーの直流電流への変換のための伝達エレメントに接続されて、共振及び伝達エレメントのペアを形成する。共振エレメントと伝達エレメントの複数のペアは、例えば動作するのに調達された電気エネルギーを必要とする電気回路又は他の装置若しくはデバイスのためのソースを形成するために、基板に具現化されるアレイの中に配置され、相互接続される。ある実施形態では、共振エレメントは、エレメント間のインピーダンスのバランスを取るためのコプレーナストリップ伝送線路（ＣＰＳ）又は他のデバイス若しくは技術のような、インピーダンスバランシング技術を通じて伝達エレメントに接続されうる。以下で詳細に議論されるように、インピーダンスマッチングの他の手法が採用されてもよい。
【００１１】
共振エレメントから１／４波長の距離に設定され、吸収されない放射物を共振エレメントに反射して戻すための共振ギャップを作る導電体のグランド平面も含まれる。本実施形態の全ての要素、エレメント及び基板は、ロールトゥーロール（roll-to-roll）のように低コストの方法で製造されうる金属及び物質から構成される。
【００１２】
本発明の別の実施形態によれば、別の環境発電システムが与えられる。このシステムは、グランド平面、基板、及び共振エレメント並びに伝達エレメントを含む。このシステムにおいて、共振エレメントは、システムが熱源から放射されるエネルギーを利用することができるように、ＩＲ又はＩＲ及び近ＩＲにおける周波数に調整される。熱利用環境の固有の性質は、ロールトゥーロール製造手法を変えるだろう限定的な自由度の耐高温基板物質に影響しうる。このシステムは、石炭発電所からの廃熱のような熱を電力に変換する任意のアプリケーションにおいて使用されてもよく、又は、発電アプリケーションにおけるタービンの置き換えさえしうる。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、別の環境発電システムが与えられる。このシステムは、グランド平面、基板、共振エレメント及び伝達エレメントを含む。このシステムにおいて、共振エレメントは、システムが熱源から放射されるエネルギーを利用することができるように、ＩＲ又はＩＲ及び近ＩＲにおける周波数に調整される。この実施形態では、ＮＥＣシステムが、入力された長波のエネルギーを電力に変換するための従来のＴＰＶシステムの回収器として動作するように、ＴＰＶシステムと連動する。この実施形態では、ＴＰＶシステムが、入力されたエミッタの放射物（輻射）をそのスペクトルの形式で変換するＮＥＣシステム層の能力により、相当に改善される。この実施形態の１つの形式では、ＮＥＣシステムが広いスペクトルを利用するように構成されるため、フィルタ層が必要ない。他の実施形態では、入力されたスペクトルのエネルギーの一部をフィルタリングし、それを反射してエミッタに戻すことによるいくつかの利点があり得る。任意の場合において、ＮＥＣ層は、ＴＰＶフィルタにおける物質的な要求を根本的に低くし、大きな利点になる。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、別の環境発電システムが与えられる。このシステムは、グランド平面、基板、共振エレメント及び伝達エレメントを含む。このシステムにおいて、共振エレメントは、システムが熱源から放射されるエネルギーを利用することができるように、ＩＲ又はＩＲ及び近ＩＲにおける周波数に調整される。この実施形態では、ＮＥＣシステムが、入力された長波のエネルギーを電力に変換するための従来のマイクロギャップＴＰＶ（ＭＴＰＶ）システムの回収器として動作するように、ＭＴＰＶシステムと連動する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る、コプレーナストリップ及びダイオードを有するアンテナを説明する概念図。
【図２】本発明の実施形態に係る、例示のアンテナ、回路、及びグランド平面の断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る、アンテナセグメントと接続する例示の伝達構造の断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る、アレイの相互接続エレメントを説明する例示のバスの概念図。
【図５】インピーダンス／抵抗を低減するために、多数の伝達構造により接続されるコプレーナストリップを有するアンテナを説明する概念図。
【図６】本発明の実施形態に係る、環境発電のためのＮＥＣ層を有する例示のマイクロギャップ熱光起電力（ＭＴＰＶ）の略図。
【図７】本発明の実施形態に係る、ＴＰＶデバイスにおけるＮＥＣ利用物質の使用を説明する図。
【図８】本発明の実施形態に係る、デバイスまたは装置に電力を供給する、ＮＥＣフィルムを用いる例示の全体のシステム図の概念図。
【図９】本発明の実施形態に係る、例示の熱源および熱利用のためのＮＥＣフィルムの図。
【図１０】アンテナと同一の物質からなる単一層のダイオードに対する、共振構造セグメントに接続する例示のダイオード領域の断面図。
【図１１】アンテナと異なる物質からなる単一層のダイオードに対する、共振構造セグメントに接続する例示のダイオード領域の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明は、当業者が、本発明を作成し使用することを可能とするために提示され、特許出願及びその要件に照らして提供される。説明される実施形態に対する様々な変形は当業者にとって直ちに理解されるであろうし、ここでの一般的な原理が他の実施形態に適用されうる。このように、本発明は、示される実施形態に限定されることを意図しておらず、ここで説明される原理及び特徴に整合する最も広い範囲が許容されるべきものである。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る、コプレーナストリップ及びダイオードを有するアンテナを説明する概念図である。図１を参照すると、実施形態に係る共振構造は、（ここでは共振構造エレメントとも呼ばれる）共振構造要素１０１及び１０２を含む。実施形態において、共振構造は、アンテナ又はナノアンテナである。共振構造要素１０１及び１０２は、コプレーナストリップ１０５によって、伝達構造１０３に接続される。伝達構造１０３は、共振構造要素１０１及び１０２によって励起された電気的エネルギーを直流電流に変換する。コプレーナストリップ１０５は、共振構造エレメント１０１及び１０２と、伝達構造１０３との間のインピーダンスを整合させるための機構を与える。
【００１８】
アンテナ又はナノアンテナの寸法は、目的の所望の周波数範囲に従って、選択される。物質及び寸法は、特許文献１及び特許文献３に開示された方法によって、選択される。
【００１９】
１つの実施形態において、伝達構造は、金属二重絶縁体金属ダイオード（metal double insulator metal diode、ＭＩＩＭ）である。典型的な、このようなＭＩＩＭは特許文献２に記載されており、これにより、ここで参照によりその全体が組み込まれる。この種のダイオードは、金属及び絶縁体の層によって構成されるため、具現化に都合がよい。このような構造は、金属の層によって構成される共振構造の製造と調和する方法で製造することが可能である。例えば、このような構造について、図２に関して説明する。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態に係る例示のアンテナ、基板及びグランド平面のＡ−Ａ’断面図である。図２は、基板、及び共振構造レイヤエレメント２０１及び２０２として組み込まれた共振構造エレメント１０１及び１０２を図解している。さらに、基板（Ｓ）物質の共振ギャップ２０４及び２０５が、共振構造レイヤエレメント２０２及び２０１のそれぞれとグランド平面２０３との間に示されている。ＩＲ領域における実施形態に対する例示の物質は、グランド平面及び共振構造におけるＮｉ、Ａｇ、又はＡｕなどの金属と、ポリイミド材料カプトンなどのＩＲを通す誘電体とを含む。共振ギャップ距離は、好ましくは、ピーク周波数選択を通じて決定されたものの４分の１（１／４）波長である。共振構造レイヤエレメント２０１及び２０１、共振ギャップ２０４及び２０５、及びグランド平面２０３の動作は、特許文献３に記載されており、これにより、ここに参照によってその全てを組み入れる。
【００２１】
図３は、本発明の実施形態に係るアンテナセグメントを接続するのに用いられる、例示のコプレーナストリップ１０５の伝達構造１０３のＢ−Ｂ’断面図である。図３に図解されるように、伝達構造１０３は、（突き詰めると、図１に示すように共振構造要素１０１及び１０２に接続される）２つのコプレーナストリップエレメント１０５を接続する物質の層を含む。
【００２２】
実施形態において、金属層３０４は、伝達構造の一部として動作するＭＩＩＭダイオード構造の最下層を形成する。金属領域３０５は、金属層３０４を共振構造レイヤエレメント２０２に接続し、それにより、アンテナレイヤエレメント２０２への電気伝導経路を与える。金属層３０４上に、絶縁体層３０２が堆積される。例示のこのような絶縁体層の堆積は、特許文献２に記載されており、これにより、ここに参照によってその全てを組み入れる。最終的に、１０５／１０１（図１参照）への電気接続を完成し、ＭＩＩＭダイオード構造を完成するように、金属の最上層３０１が堆積される。インピーダンスバランシングを与えるための他の伝達構造も可能である。例えば、バリスティックダイオード、ジオメトリックダイオード、ピンポイントダイオードである。これらの他の伝達構造のいくつかは、本実施形態で説明されるような動作のために、多層を必要とせず、又は様々な数の層及び様々な配列を必要としないかもしれない。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態に係るアレイのエレメントを相互接続することを示す例示のバスの概略図である。図４は、直列の相互接続リード線４０１及び４０２を伴う、上述の共振構造エレメントのサブアレイ４０５を示している。多数のサブアレイ４０５は、並列に、リード線４０３及び４０４に接続され、電気回路、又は動作に電気的エネルギーを必要とする他のデバイス若しくは装置などのデバイスに電力を供給する。
【００２４】
この、多数のサブアレイ４０５の組み合わせは、安価な方法により製造される材料の広い表面領域に具現化されうる。例えば、多数のサブアレイ４０５の組み合わせを材料の広い表面領域への具現化する１つのこのような方法は、ロールトゥーロール製造に対して、特許文献４に記載されており、これにより、ここに参照によってその全てを組み入れる。このような構造は、無数の実施形態に対する環境発電要素を形成することができ、ここでの識別と議論のために、ＮＥＣフィルムと称される。実施形態において、その製造プロセスは、ドーピングを必要としない。
【００２５】
図８は、ＮＥＣフィルムエレメント８０１を用いてデバイスまたは装置に電力を供給するための、典型的な、全体のシステム図についての概念図である。ＮＥＣフィルムエレメント８０１は、電力変換器８０３と相互接続される。電力変換器８０３は、ＮＥＣエレメント８０１からのＤＣ出力を、ＡＣ電気機器を駆動するのに、又は不可８０４において利用可能な電力として配電網に導くのに、適した電力へと変換する。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、ＮＥＣフィルムは、ＭＴＰＶシステムにおける回収器６０２として動作する。図６は、例えば特許文献５において説明され、これによりここに参照によってその全てが組み入れられる、典型的なＭＴＰＶシステムの概念図である。従来のＭＴＰＶの実施形態では、エミッタレイヤ６０１が、スペーサ６０５によって、ウィンドウ材料６０３から最適なサブマイクロギャップ距離Ｇだけ離れて位置する。そして、ウィンドウ材料６０３は、接着剤層６０４によって回収器６０２に貼り付けられる。本発明の実施形態に係るＭＴＰＶシステムにおいて、ＮＥＣフィルムを回収器レイヤ６０２として用いる場合、ＮＥＣフィルム回収器６０２は、上述の参照した特許文献５において説明される任意の実施形態において、放出された輻射のスペクトル成分に最もよく調整される。回収器６０２の、図８に示すような、そして、図９に示すような熱源に対する関係における、総合的なシステムへの接続も、また、具現化される。ＭＴＰＶシステムにおけるＮＥＣフィルム６０２の使用は、ＭＴＰＶのレイヤを通じたＮＥＣフィルム６０２へのスペクトル出力がＮＥＣレイヤにおける共振エレメントレイヤの周波数スペクトル設計により整合されうるため、独特な利点を与える。これは、効率を最適化し、システムにおいて熱のエネルギー損失を低減する。
【００２７】
本発明の実施形態は熱源から電力を生成することができるため、様々なアプリケーションにおいて有用である。図７は、環境発電を行い、電気を生成するために、エミッタによって放射されたエネルギーのスペクトル成分に調整されたＮＥＣフィルム７０３を用いる従来のＴＰＶデバイスを図解している。従来のＴＰＶデバイスでは、エミッタ７０１が火炎のリソース７０４によって熱され、輻射物を生じさせる。エミッタ７０１が生じさせた輻射物は、フィルタ７０２を通過する。フィルタ７０２は、回収器の回収帯域における輻射物のみを通過させるように設計される。
【００２８】
本発明の実施形態によって提示された従来のＴＰＶシステムに対する利点は、ソースの要求に対する共振構造のアレイを調整する能力である。例えば、ＮＥＣフィルム７０３を回収器として用いるＴＰＶの実施形態において、ソースはエミッタ７０１である。高温のエミッタは黒体であり、その輻射スペクトルはよく知られている。入力されるスペクトルに整合させるためのアンテナ構造の設計及びモデリングは、特許文献１に記載されている。エミッタ７０１のスペクトル出力に適合する回収器７０３を生成することにより、フィルタ７０２に対する要求が非常に緩和され、７０２に対するニーズを完全に取り除きうる。これは、従来のＴＰＶシステムに対する著しい進歩である。
【００２９】
回収器７０３の周波数スペクトルの、入力スペクトルへの不完全なマッチングでさえ、グランド平面２０３が変換されていない放射物を反射してエミッタに戻すため、効率的な発電を実行することができるシステムをもたらすことができる。いくつかの実施形態では、この反射された輻射物は、エミッタにおいて存在する輻射物と混合し、回収器に渡される。この方法において、説明された回収器（ＮＥＣフィルム８０１）のみを用いる単純化されたＴＰＶシステムは、利用可能な熱の重大な割合を利用することが可能である。
【００３０】
別の実施形態では、熱は、図９に示すように、熱源９０１から得られる。図９は、熱源９０１及び回収器９０２の図を示している。回収器は、上述のようにＮＥＣフィルムエレメントであり、図８に示されるシステムの一部である。本実施形態では、熱源９０１からの輻射が、環境発電のために、回収器９０２によって回収される。９０２における共振構造は、熱源９０１の輻射スペクトルを回収するために最適に調整される。本実施形態における熱は、例えば、廃熱、直達日射、石炭などの燃焼された燃料源、原子力による発熱など、様々なソースから放出されうるだろう。これらのソースの温度は大幅に変動し得るため、ソースのスペクトル出力に調整された共振構造を有するＮＥＣフィルムを構築する能力は、既存の技術に対する大きな利点である。
【００３１】
図４のアンテナアレイにおけるアンテナは、熱源などの輻射源の周波数スペクトルの任意の所望のカバレッジを与えるように設定（例えば調整）されうる。例えば、輻射のスペクトルの最低周波数に調整されたアンテナは、そのスペクトルの下端において輻射されたエネルギーを獲得することができ、複数の周波数のうちの最高周波数に調整されたアンテナはその周波数スペクトルの上端において輻射されたエネルギーを獲得することができる。例えば、実施形態において、アンテナアレイにおけるアンテナは、その周波数スペクトルの一様のカバレッジを与えるように設定される。
【００３２】
しかしながら、輻射ソースが非一様な分布を有する輻射物を放出する場合があるため、アンテナアレイのアンテナは、放出された輻射物のスペクトル分布に、より正確に接近させるように設定されてもよい。例えば、熱源は、黒体曲線において輻射物を放出する。このように、アンテナアレイにおけるアンテナは、典型的な熱源の周波数スペクトルの非一様なカバレッジを与えるように構成されてもよい。
【００３３】
例えば、黒体は、そのエネルギーのほとんどをその曲線の中心部分において放出するため、実施形態において、アレイにおけるより多数のアンテナは、この中心部分に近い周波数に調整される。一般に、実施形態において、輻射ソースのスペクトル分布の非一様のカバレッジを与えることは、輻射ソースのスペクトル分布を近似するヒストグラムに従って、輻射ソースの各周波数又は周波数範囲において多くのアンテナを投入することであろう。熱源に加えて他の輻射ソースも、アンテナアレイにおけるアンテナが調整される周波数の非一様な分布から利益を得ることができる場合がある。
【００３４】
さらに、これらのアレイにおけるアンテナは、面の全域で均一に様々な周波数アンテナを分散させるために、空間的に分散されていてもよい。このような分散は、同一周波数のアンテナのクラスタ化を防ぎ、ＮＥＣフィルムの全体の効率を高めるだろう。
【００３５】
共振構造と伝達構造のインピーダンスのマッチングは、実施形態の重要な態様である。図５は、これらのインピーダンスを整合させるための追加の方法を示している。図５は、インピーダンス／抵抗を減らすために多数の伝達構造に接続されたコプレーナストリップを有するアンテナを説明する概念図である。図５の実施形態において、複数の伝達構造１０３が共振構造要素１０１及び１０２に並列に接続され、伝達構造のインピーダンスを減少させている。要求されるこれらの伝達構造の数及び位置は、伝達構造の固有のインピーダンス又は抵抗の大きさに依存する。複数の伝達構造１０３及びコプレーナストリップ１０５は、インピーダンス整合及び他のシステムの特性を最適化するために、互いに連動して操作されうる。例えば、各伝達構造は、限定的な量の電流を通すことができ、アンテナ回路に対する抵抗及び静電容量を与える。並列の複数の伝達構造は、その抵抗及び静電容量を減らす。コプレーナストリップは、アンテナ設計技術に詳しい者に知られるように、バランスに役立つように、アンテナ（１０２）の伝達構造（１０３）のビュー（view）にインピーダンスを追加するように動作する。
【００３６】
本発明の他の実施形態は設計の異なる伝達構造を組み合わせうる。図１０は、伝達構造１００１が共振構造と同一の材料からなる単一層である実施形態を示している。図１１は、単一層の伝達構造が共振構造と異なる材料からなる実施形態を示している。例えば、共振エレメント１０１はＡｇで最もよく作られうるが、Ｎｉの特性は、１０３を通じた伝達に作用するのに最もよい場合がある。これは、説明したように、複数の層を必要とするだろう。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態の前述の開示は、図解と説明の目的で提示されている。網羅的であることは意図されておらず、また、本発明を開示された厳密な形式に限定することを意図していない。ここで説明した実施形態の多くの変形及び変更は、上述の開示に照らして、当業者に明らかであろう。本発明の範囲は、ここに添付される特許請求の範囲及びその等価物によってのみ定められるべきである。
【００３８】
さらに、本発明の代表的な実施形態を説明する際に、本明細書では、本発明の方法とプロセスの少なくともいずれかを、特定のステップの系列として提示しているかもしれない。しかしながら、その方法又はプロセスがここで説明された特定のステップの順序に依存しない限りにおいて、その方法又はプロセスは、説明されたステップの特定の系列に限定されるべきではない。当業者が理解するであろうように、他のステップの系列も可能でありうる。したがって、明細書で説明された特定のステップの順序は、特許請求の範囲を限定するものとして解されるべきではない。さらに、本発明の方法とプロセスとの少なくともいずれかを対象とした請求項は、記載された順序でのステップの実行に限定されるべきではなく、当業者は、その系列が変えられうると共に、本発明の精神及び範囲内に依然として留まりうることを容易に理解できるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月19日(2019.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を電気的エネルギーに変換するためのシステムであって、
黒体曲線を近似する前記電磁放射を放つ放射源と、
共振構造エレメントの複数のサブアレイであって、各サブアレイが前記電磁放射の周波数範囲に含まれる同一の共振周波数において共振するように調整される複数の共振構造エレメントを含み、各サブアレイにおける前記共振構造エレメントの数が前記放射源のスペクトル分布に従い、当該共振周波数の周波数又は当該共振周波数の近傍の周波数を有する電磁放射の存在下で当該共振エレメントにおいて電気的エネルギーが励起される、複数のサブアレイと、
前記励起された電気的エネルギーを直流電流に変換する、各共振構造エレメントと関連付けられた伝達構造と、
電気的エネルギー源を生成して負荷に電力を提供するように、各サブアレイにおける前記共振構造エレメントを相互に直列接続し、前記サブアレイのそれぞれを並列接続するバスと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
各共振構造エレメント及び当該共振構造エレメントに関連付けられた伝達構造と接続され、当該共振エレメントと当該伝達構造との間のインピーダンスマッチングを提供するコプレーナストリップをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも１つの伝達構造がＭＩＩＭダイオードである、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
少なくとも１つの共振構造エレメントが少なくとも１つの追加の伝達構造に関連付けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記共振構造により吸収されなかった放射を反射して前記共振構造に戻すためのグランド平面をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
赤外領域の放射を含んだ電磁放射を電気的エネルギーに変換するためのシステムであって、
当該電磁放射のスペクトル範囲におけるエネルギーを捕らえると共に、当該捕らえた放射を電気的エネルギーに変換するための複数のナノアンテナであって、前記電磁放射のスペクトル範囲における任意の特定の周波数においてエネルギーを捕らえるナノアンテナの数が前記電磁放射のスペクトル分布に従う、複数のナノアンテナと、
負荷に電力を供給するように、ナノアンテナのサブアレイによって生成される前記変換された電気的エネルギーを集約するためのバスと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記アンテナにより吸収されなかった放射を反射して前記ナノアンテナに戻すためのグランド平面をさらに有する、
ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
ａ）黒体スペクトル分布を近似するスペクトル分布を有する放射を与えるエミッタと、
ｂ）電磁放射のスペクトル範囲においてエネルギーを捕らえると共に捕らえた放射を電気エネルギーに変換するための複数のナノアンテナのサブアレイを含む回収器であって、各サブアレイが１つ以上の共振構造を有し、各サブアレイにおける特定の周波数に調整された共振構造の数が前記エミッタによって与えられる前記放射のスペクトル分布に従う、回収器と、
前記ナノアンテナのサブアレイによって生成された前記変換された電気的エネルギーを集約するバスと、
を有することを特徴とするＴＰＶシステム。
【請求項９】
放出された前記放射に合わせるためのフィルタが存在しない、
ことを特徴とする請求項８に記載のＴＰＶシステム。
【請求項１０】
前記ナノアンテナは同一の周波数のアンテナのクラスタ化を防ぐように空間的に分散される、
ことを特徴とする請求項８に記載のＴＰＶシステム。
【外国語明細書】
2019216595000001.pdf