(57)【要約】  装置は、長手軸に沿って延出する管状部材を有する真空筐体と、前記筐体内に配置され、正面及び背面を有する放射吸収器であって、前記正面は熱を生成するように太陽放射に露出されるように構成される放射吸収器と、前記筐体内に配置され、前記吸収器に熱的に結合される少なくとも１つの熱電変換器であって、当該少なくとも１つの熱電変換器の前後で温度差を得られるように、前記生成された熱の少なくとも一部を受け取る高温側端部を有する少なくとも１つの熱電変換器と、前記筐体内に配置され、前記熱電変換器の低温側端部に結合される支持構造体であって、前記熱電変換器の低温側端部から熱を取り去る支持構造体と、前記支持構造体と前記真空筐体との間で延出し、前記支持構造体から前記筐体へ熱を伝達するように構成される熱伝導要素と、を含む。前記吸収器、前記少なくとも１つの熱電変換器、及び前記支持構造体が、前記管状部材内に位置する平面状ユニットとして配置される。
2012528297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸に沿って延出する管状部材を備える真空筐体と、
前記筐体内に配置され、正面及び背面を有し、前記正面は熱を生成するように太陽放射に露出されるように構成される放射吸収器と、
前記筐体内に配置され、前記吸収器に熱的に結合される少なくとも１つの熱電変換器であって、当該少なくとも１つの熱電変換器の前後で温度差を得られるように、前記生成された熱の少なくとも一部を受け取る高温側端部を有する少なくとも１つの熱電変換器と、
前記筐体内に配置され、前記熱電変換器の低温側端部に結合される支持構造体であって、前記熱電変換器の低温側端部から熱を取り去る支持構造体と、
前記支持構造体と前記真空筐体との間に延出し、前記支持構造体から前記筐体へ熱を伝達するように構成される熱伝導要素と、を備える装置であって、
前記吸収器、前記少なくとも１つの熱電変換器、及び前記支持構造体が、前記管状部材内に位置する平面状ユニットとして配置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記支持構造体は前記放射吸収器の前記背面に対向するように構成された内側表面を備え、
前記筐体が湾曲内側表面を備え、
前記熱伝導要素は前記筐体の前記湾曲内側表面に対して隣接するように位置し且つ略共形である湾曲部を備え、
前記熱伝導要素は前記筐体内の前記平面状ユニットを機械的に支持するように当該平面状ユニットから前記筐体へ延出する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱伝導要素の少なくとも一部が入射放射を前記放射吸収器上に集光するように構成された集光要素を備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記集光要素は前記筐体の前記湾曲内側表面に対して隣接するように位置し且つ略共形である前記熱伝導要素の反射湾曲部を備え、
前記集光要素によって反射された放射が、前記支持構造体を越えて前記集光要素に対して露出する前記放射吸収器の前記背面の一部に入射するように、前記支持構造体の面積が前記放射吸収器の面積よりも大幅に小さい請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記熱伝導要素は前記筐体の湾曲内側表面に対して隣接するように位置し且つ略共形である第１の湾曲部を備え、
前記集光要素は前記少なくとも１つの熱電変換器の少なくとも１つの側面に隣接するように位置する前記熱伝導要素の第２の反射部を備え、
前記熱伝導要素の前記第１及び前記第２の部分は、互いに直接的又は間接的に熱的に接触する請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記支持構造体又は前記熱伝導要素の少なくとも一方に熱的に接触し、且つ前記支持構造体又は前記熱伝導要素の少なくとも一方から流体へ熱を伝達するように構成される前記流体で充填された伝熱導管を備える先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記熱伝導要素は、前記支持構造体と熱的に接触し、且つ前記支持構造体から流体へ熱を伝達するように構成される前記流体で充填された伝熱導管を備える請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記管状部材は楕円形又は円形の前記長手軸に垂直な断面を有する先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
真空筐体と、
前記筐体内に配置され、正面及び背面を有し、前記正面は熱を生成するよう太陽放射に露出されるように構成される放射吸収器と、
前記筐体内に配置され、前記吸収器に熱的に結合される少なくとも１つの熱電変換器であって、当該少なくとも１つの熱電変換器の前後で温度差を得られるように、前記生成された熱の少なくとも一部を受け取る高温側端部を有する少なくとも１つの熱電変換器と、
前記筐体内に配置され、前記熱電変換器の低温側端部に結合される支持構造体であって、前記熱電変換器の低温側端部から熱を取り去る支持構造体と、
少なくとも部分的に前記真空筐体内に位置し、且つ前記支持構造体と熱的に接触し、且つ前記支持構造体から流体へ熱を伝達するように構成された前記流体が充填された伝熱導管と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記支持構造体は前記放射吸収器の前記背面に対向するように構成された内側表面を備え、
前記真空筐体は長手軸に沿って延出する管状部材を備え、
前記吸収器、前記少なくとも１つの熱電変換器、及び前記支持構造体が、前記管状部材内に平面状ユニットとして配置される請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記支持構造体と前記真空筐体との間に延出し、前記支持構造体から前記筐体へ熱を伝達するように構成される熱伝導要素を備える請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記真空筐体は、長手軸に沿って延出する第１の細長いガラス管を備え、当該第１の細長いガラス管が、内側表面、外側表面、第１の端部、及び第２の端部を有し、
前記流体で充填された前記伝熱導管は内側表面及び外側表面を有する第２の細長いガラス管を備え、
前記第２の細長いガラス管が、少なくとも部分的に前記第１の細長いガラス管内に配置され、
前記第２の細長いガラス管の一端部は、前記第１の細長いガラス管の前記第１の端部及び前記第２の端部の少なくとも一方を通って前記第１の細長いガラス管の外部へ延出する請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の細長いガラス管の前記外側表面と前記第１の細長いガラス管の前記内側表面との間に真空領域を形成するように前記真空筐体を封止する前記第１の細長いガラス管と前記第２の細長いガラス管との間の少なくとも１つの気密のガラスへのガラス封止部を備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記真空筐体はガラスへのガラス封止部のみを使用して封止される請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２の細長いガラス管の前記端部上に位置する伝熱要素であって、前記流体から熱を抽出するように構成された伝熱要素を備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記伝熱要素が電球状復水器を備える請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の管の前記外側表面上に、前記第２の管と前記支持構造体を熱的に接触させる熱伝導コーティングを備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記熱伝導コーティングが、前記第２の細長いガラス管の熱膨張及び収縮中に応力を緩和する１つ以上の異なる部分を有する金属コーティングを備える請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の細長いガラス管の前記端部は建物内に延出する温水パイプを備え、
前記流体が水である請求項１２に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２の細長いガラス管の前記端部が建物の温水パイプ又はタンクと熱的に接触し、前記流体が前記温水パイプ内の水を加熱するよう構成される請求項１２に記載の装置。
【請求項２１】
真空筐体と、
前記筐体内に配置され、正面及び背面を有する放射吸収器であって、前記正面は熱を生成するよう太陽放射に露出されるように構成される放射吸収器と、
前記筐体内に配置され、前記吸収器に熱的に結合される少なくとも１つの熱電変換器であって、当該少なくとも１つの熱電変換器の前後で温度差を得られるように、前記生成された熱の少なくとも一部を受け取る高温側端部を有する少なくとも１つの熱電変換器と、
前記筐体内に配置され、前記熱電変換器の低温側端部に結合される支持構造体であって、前記熱電変換器の低温側端部から熱を取り去る支持構造体と、を備え、
前記少なくとも１つの熱電変換器はｐ型脚部及び隣接するｎ型脚部を備え、
前記吸収器は外周領域によって包囲される中心領域を備え、前記ｐ型及び前記ｎ型脚部が両方とも前記中心領域で前記吸収器層に接触し、
前記支持構造体は、
外周領域によって包囲される中心領域を有する第１区画と、
外周領域によって包囲される中心領域を有する第２区画であって、前記第１区画に隣接し、前記第１区画との直接接触から熱的及び電気的に隔離される第２区画と、を備え、
前記ｐ型脚部は前記第１区画の前記外周領域に接触し、前記第２区画に直接的には接触せず、
前記ｎ型脚が、前記第２区画の前記外周領域に接触し、前記第１区画に直接的には接触しないことを特徴とする装置。
【請求項２２】
電気及び熱伝導路が、前記第１区画から前記ｐ型脚部を通って前記吸収器に且つ前記吸収器から前記ｎ型脚部を通って前記第２区画に直列に形成され、
前記支持構造体は前記放射吸収器の前記背面に対向するように構成される内側表面を備える請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記真空筐体外部に位置する負荷に前記第１区画を電気的に接続する第１の電気リード線と、
前記真空筐体外部に位置する前記負荷に前記第２区画を電気的に接続する第２の電気リード線と、を備える請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ｐ型脚部及び前記隣接するｎ型脚部は前記吸収器から前記支持構造体に延出する方向に長さＬを有し、
前記ｐ型脚部は前記第１区画の中心から少なくともＬの距離を置いて前記第１区画の前記外周領域に接触し、
前記ｎ型脚部は前記第２区画の中心から少なくともＬの距離を置いて前記第２区画の前記外周領域に接触する請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記ｐ型及びｎ型脚部が両方とも前記吸収器の外周縁部から少なくともＬの距離を有する位置における前記中心領域で前記吸収器に接触する請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの熱電変換器は複数の熱電変換器を備え、
前記放射吸収器は捕捉領域を有し、
前記複数の熱電変換器は変換器領域を有し、
変換器領域に対する捕捉領域の比は約１００超である先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項２７】
前記変換器領域に対する捕捉領域の比が約３００超である請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記変換器領域に対する捕捉領域の比が約５００超である請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
集光比Ｃを有する前記放射吸収器の前記捕捉領域上に入射放射を集光するように構成された集光器を備え、前記集光比Ｃを乗じた前記変換器に対する捕捉領域の比が約１００超である請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記吸収器の前記正面及び背面の各々の少なくとも一部が、約１．５ミクロン超の波長に対して約０．１５未満の放射率を示す先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
前記吸収器の前記正面及び背面の各々の少なくとも一部が、約１．５ミクロン超の波長に対して約０．１０未満の放射率を示す請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記正面及び背面の各々の少なくとも一部が、約０℃〜約１０００℃の温度範囲に渡って約０．１未満の放射率を示し、前記正面が約８０％超の太陽放射吸収率を示す先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記熱電変換器の前記高温側端部と低温側端部との温度差が少なくとも約５０℃である先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
前記支持構造体は前記放射吸収体の前記背面に対向するように構成される内側表面を備え、前記支持構造体の前記内側表面が約０．１未満の全放射率を示す先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
前記正面及び背面各々の少なくとも一部は０．１未満の放射率を示し、
前記正面は約２０Ｗ／ｍＫ超の横方向熱伝導率を示し、
前記正面は約８０％超の太陽放射吸収率を示す先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの熱電変換器の方へ入射放射を導くように構成された前記真空筐体内に位置する１つ以上の反射面を備える先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３７】
前記放射吸収器上へ入射放射を集光するように構成された前記真空筐体の外部に少なくとも部分的に位置する集光器を備える先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項３８】
先行する請求項のいずれかに記載の装置を備え、
少なくとも４％の太陽エネルギー変換率を示すことを特徴とする太陽光発電機。
【請求項３９】
筐体と、
前記筐体内に収容され、前記筐体を介して入射する太陽放射によって加熱されるように構成される流体と、
少なくとも部分的に前記筐体の外部に配置され、前記加熱された液体から熱エネルギーを受け取り、前記熱エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された熱電変換器と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項４０】
先行する請求項のいずれかに記載の装置によって太陽エネルギーを受け取り、
前記装置を使用して太陽エネルギーを電気又は熱エネルギーの少なくとも一方に変換する方法。
【請求項４１】
長手軸に沿って延出する第１の細長いガラス管を備える真空筐体であって、前記第１の細長いガラス管が内側表面、外側表面、第１の端部、及び第２の端部を有する真空筐体と、
内側表面と外側表面を有する第２の細長いガラス管を有し、流体で充填された伝熱導管と、を備え、
前記第２の細長いガラス管は少なくとも部分的に前記第１の細長いガラス管内に配置され、
第２の細長いガラス管の一端部は、前記第１の細長いガラス管の前記第１及び前記第２の端部の少なくとも一方を通って前記第１の細長いガラス管の外部へ延出し、
前記第２の細長いガラス管の前記外側表面と前記第１の細長いガラス管の前記内側表面との間に真空領域を形成するように前記真空筐体を封止する、前記第１及び第２の細長いガラス管の間の少なくとも１つの気密のガラスへのガラス封止部と、を備えることを特徴とする装置。
【請求項４２】
前記真空筐体がガラスへのガラス封止部のみを使用して封止され、当該装置が熱電デバイスを含まない請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記第２の細長いガラス管の前記端部上に位置する伝熱要素であって、前記流体から熱を抽出するように構成される前記伝熱要素を備える請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
前記伝熱要素が電球状復水器を備える請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記第２の細長いガラス管の前記端部が建物内へ延出する温水パイプを備え、
前記流体が水である請求項４１に記載の装置。
【請求項４６】
前記第２の細長いガラス管の前記端部が建物の温水パイプ又はタンクと熱伝達状態にあり、前記流体が前記温水パイプ又はタンク内の水を加熱するように構成される請求項４１に記載の装置。
【請求項４７】
前記筐体内に配置され、正面及び背面を有する放射吸収器であって、前記正面が発熱するように太陽放射に対して露出するように構成され、前記背面が前記第２の細長いガラス管に熱的に結合される放射吸収器を備える請求項４１に記載の装置。
【請求項４８】
前記放射吸収器が、平面状ユニット、又は前記第２の細長いガラス管の外側表面に対して共形である湾曲した共形層又は箔の少なくとも一方を備える請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記放射吸収器が、前記第２の細長いガラス管の前記外側表面に直接接触する請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記第２の細長いガラス管と前記放射吸収器の間を熱的に接触させる、前記第２の細長いガラス管の前記外側表面上の熱伝導コーティングを備える請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
前記吸収器と前記熱伝導コーティングの少なくとも一方が、前記第２の細長いガラス管の熱膨張及び収縮中に応力を緩和するように構成される請求項５０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して太陽光エネルギーの変換方法及びデバイスに関する。特に、本発明は、太陽光熱変換と太陽熱電変換を任意で組み合わせた方法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光エネルギー変換器としては、太陽電気変換器、太陽燃料変換器、及び太陽光熱変換器が挙げられる。太陽電気変換器は、太陽電池（ＰＶセル）によって直接的に、又は太陽熱・電気変換器によって間接的に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽燃料変換器は、電解により液から燃料を取り出すものであるが、電解工程を推進する電気エネルギーは太陽電池から直接得られる。太陽光熱変換器は、太陽光エネルギーを熱エネルギー又は熱に変換する。
【０００３】
太陽電池と太陽光熱変換器は両方とも住居において、大きなマーケットシェアを獲得している温水システムとして使用されている。ルーフトップ型の太陽電池を中心に扱う国もあれば、ルーフトップ型の温水システムが普及している国もある。
【０００４】
厳密に温水システムとして機能するほか、太陽光熱変換器は、機械的熱機関を太陽光熱変換器から発生した蒸気で駆動することによって電気エネルギーを生成するように使用されている。太陽光熱変換器では、１本以上の流体導管が太陽放射吸収表面と直接熱接触するように設けられている。前記表面は、太陽放射を吸収して、前記流体導管に熱を伝達する。伝達された熱は、前記流体導管を流れる油や液体塩、水等の流体の温度を上昇させる。次に、加熱された流体は蒸気駆動発電機等の発電機で発電するために使用される。なお、本書で使用される「流体」という用語は液体と気体の両方を含んでいる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、熱電発電は、熱エネルギーの電気への変換を固体状物質におけるゼーべック効果に依存している。高温側温度Ｔｈと冷温側温度Ｔｃの間で作動する熱電デバイスの理論上のエネルギー変換効率ηｔｅは以下の式によって与えられる。
【数１】
2012528297.tif 000003
ここで、式中の括弧付きの最初の係数はカルノー効率であり、分数成分である２個目の係数は熱電材料の熱電性能指数Ｚ及び平均温度Ｔ＝０．５（Ｔｈ＋Ｔｃ）によって決定されるものである。
【０００６】
熱電性能指数Ｚは、以下の式によって熱電材料のゼーベック係数Ｓに関係付けられる。
【数２】
2012528297.tif 000004
ここで、式中のσは熱電材料の電気伝導率であり、ｋは熱伝導率である。
【０００７】
無次元性能指数ＺＴが１から２であり、Ｔｈ＝５００ＫとＴｃ＝３００Ｋとの間で作動する熱電デバイスは、９〜１４％の効率が可能である。高温側と冷温側の温度差をＴｈ＝１０００Ｋ及びＴｃ＝３００Ｋに増加することによって、熱電デバイスの効率が１７〜２５％にまで改善する。従来、熱電材料の最大ＺＴは約１が限度であり、熱電発電機の効率は低かった。一例として、ある従来技術では、最高温度が９００℃、かつ、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が６％で作動するシステムにおいて、熱電発電機の熱電材料としてＳｉ８０Ｇｅ２０合金と、熱源として放射性同位体を用いている。
【０００８】
ごく最近では、新たな熱電材料の導入によって、研究者らは１２〜１４％の熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を達成した。Ｂｉ２Ｔｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子及びＰｂＴｅ／ＰｂＳｅ超格子を使用した、及び、ナノ構造バルク材料を使用したＺＴの大幅な増加が報告されている。３００℃のＰｂＴｅ／ＰｂＳｅ超格子で３．５にまで高まったＺＴ値が報告されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
装置は、長手軸に沿って延出する管状部材を備える真空筐体と、前記筐体内に配置され、正面及び背面を有する放射吸収器であって、前記正面は熱を生成するように太陽放射に露出されるように構成された放射吸収器と、前記筐体内に配置され、前記吸収器に熱的に結合される少なくとも１つの熱電変換器であって、当該少なくとも１つの熱電変換器の前後で温度差を得られるように、前記生成された熱の少なくとも一部を受け取る高温側端部を有する少なくとも１つの熱電変換器と、前記筐体内に配置され、前記熱電変換器の低温側端部に結合される支持構造体と、を備え、
前記支持構造体は前記熱電変換器の低温側端部から熱を取り去り、前記支持構造体と前記真空筐体との間に延出し、前記支持構造体から前記筐体へ熱を伝達するように構成される熱伝導要素を含む。前記吸収器、前記少なくとも１つの熱電変換器、及び前記支持構造体が、前記管状部材内に位置する平面状ユニットとして配置される。
【００１０】
本発明の上述及びその他の目的、特徴、及び利点は、各図面を通して同様の参照番号が同一の部分を示す添付の図面に示された本発明の好適な実施形態の後続のより詳細な記述から明らかとなる。図面は必ずしも本発明を縮尺／拡大している訳ではなく、むしろ本発明の原理を説明することに重きをおいている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の幾つかの実施形態に一致する、フラットパネル形状の太陽光発電機モジュールの側面図である。
【図２】本発明の幾つかの実施形態に一致する、放射率の推測を可能にする、波長の関数としての異なる研磨銅表面の反射率のグラフである。
【図３】本発明の幾つかの実施形態に一致する、ｐ型脚部とｎ型脚部を有するフラットパネル形状の太陽光発電機モジュールの側面図である。
【図４】本発明の幾つかの実施形態に一致する、隔離した環境で収納された数個のフラットパネルモジュールの側面図である。
【図５Ａ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器としてレンズを使用する太陽光発電機の側面図である。
【図５Ｂ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器として２つの反射性構造体を使用する太陽光発電機の側面図である。
【図５Ｃ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器として太陽光捕捉装置に接触する透過性レンズを使用する太陽光発電機の側面図である。
【図６Ａ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器及び水平に置かれた熱電変換器を利用する太陽光発電機の側面図である。
【図６Ｂ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器及び互いに重なり合うように水平に置かれた２つの熱電変換器を利用する太陽光発電機の側面図である。
【図６Ｃ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、マッシュルーム形状の太陽集光器及び水平に置かれた熱電変換器を利用する太陽光発電機の側面図である。
【図７】本発明の幾つかの実施形態に一致する、複数の太陽集光器としてトラフ型に配置された複数の反射面を利用する太陽光発電機の側面図である。
【図８Ａ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、複数の太陽集光器として複数のレンズ構造体を利用する太陽光発電機の斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す太陽光発電機の側面図である。
【図９】本発明の幾つかの実施形態に一致する、複数の太陽集光器としての複数のレンズ構造体と、グループ化した複数の変換器を有する１個の太陽熱発電機とを利用する太陽光発電機の側面図である。
【図１０Ａ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器としての平面フレネルレンズと、隔離した環境で熱電変換器を収納するバリア構造体とを使用する太陽光発電機の側面図である。
【図１０Ｂ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、太陽集光器としての湾曲フレネルレンズと、隔離した環境で熱電変換器を収納するバリア構造体とを使用する太陽光発電機の側面図である。
【図１０Ｃ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、隔離した環境で熱電変換器を収納するバリア構造体上に太陽放射を集光する２つの反射面を使用する太陽光発電機の側面図である。
【図１１】本発明の幾つかの実施形態に一致する、突起要素を有する捕捉構造体に結合された変換器を収納するバリア構造体上に太陽放射を集光する放物反射面を使用する太陽光発電機の側面図である。
【図１２】本発明の幾つかの実施形態に一致する、支持構造体から熱を除去するための流体による伝熱システムに結合された前記支持構造体の側面図である。
【図１３Ａ】本発明の幾つかの実施形態に一致する、プロトタイプの太陽光発電機の概略図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示すプロトタイプの太陽光発電機でテストされた負荷抵抗に対する電力のグラフである。
【図１３Ｃ】図１３Ｂに示すデータと一致するテストされた負荷抵抗に対する効率のグラフである。
【図１４Ａ】本発明の実施形態による太陽熱−熱電（ＳＴＴＥ）変換器要素の立体図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態による太陽熱−熱電（ＳＴＴＥ）変換器要素の立体図である。
【図１４Ｃ】本発明の実施形態による太陽熱−熱電（ＳＴＴＥ）変換器要素の立体図である。
【図１４Ｄ】本発明の実施形態による太陽熱−熱電（ＳＴＴＥ）変換器要素の立体図である。
【図１５】数個の熱電変換器材料の温度に対してＺＴ値をプロットした図である。
【図１６】数個の熱電変換器材料の温度に対してＺＴ値をプロットした図である。
【図１７Ａ】熱電材料の候補となる２個のナノ構造複合熱電材料の概略図である。
【図１７Ｂ】熱電材料の候補となる２個のナノ構造複合熱電材料の概略図である。
【図１８Ａ】Ｂｉ２Ｔｅ３及びＢｉ２Ｓｅ３ナノ粒子のＴＥＭ画像である。
【図１８Ｂ】Ｂｉ２Ｔｅ３基合金ナノ粉末の圧縮サンプルのＴＥＭ画像である。
【図１９】ＳｉＧｅナノ複合材料の（ａ）電気伝導率の温度依存度、（ｂ）ゼーベック効率の温度依存度、（ｃ）力率の温度依存度、（ｄ）熱伝導率の温度依存度、（ｅ）ＺＴ値の温度依存度、を示す図である。
【図２０Ａ】二次元及び三次元の太陽光エネルギー集束器の概略立体図である。
【図２０Ｂ】二次元及び三次元の太陽光エネルギー集束器の概略立体図である。
【図２０Ｃ】二次元及び三次元の太陽光エネルギー集束器の概略立体図である。
【図２１Ａ】一連のトラフ集光器を示す。
【図２１Ｂ】複数の太陽熱‐熱電変換器が配置された発電所で使用される流体導管を示す図である。
【図２２】個別の太陽熱‐熱電変換器セルの側断面図である。
【図２３】本発明の実施形態による熱電デバイスの（Ａ）効率のＺＴ値依存度、（Ｂ）熱集中率のＺＴ値依存度、（Ｃ）高温側温度のＺＴ値依存度を示す図である。
【図２４】本発明の一実施形態の温水加熱システムのためのＺＴ値の関数として期待される電気効率及び水加熱効率をプロットしたものである。
【図２５】本発明の一実施形態のシステムのためのＺＴ値の関数として期待される電気効率及び加熱効率をプロットしたものである。
【図２６Ａ】熱電太陽光変換モジュールの斜視図である。
【図２６Ｂ】図２６Ａのモジュールの詳細正面図である。
【図２７Ａ】スタンドオフ支持部を特徴とする熱電太陽光変換モジュールの分解立体図である。
【図２７Ｂ】スタンドオフ支持部を特徴とする熱電太陽光変換モジュールの側面図であり、差し込み図はスタンドオフの詳細上面図である。
【図２８Ａ】熱電太陽光変換モジュールの側面図である。
【図２８Ｂ】図２８Ａの熱電太陽光変換モジュールの一部の底面図である。
【図２８Ｃ】図２８Ａの熱電太陽光変換モジュールの一部の上面図である。
【図２９Ａ】筒状筐体と平面熱電デバイスとを特徴とする太陽光変換モジュールの側面図である。
【図２９Ｂ】筒状筐体と平面熱電デバイスとを特徴とする太陽光変換モジュールの正面図である。
【図３０】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、様々なタイプの熱伝導要素とを特徴とする太陽光変換モジュールの正面図である。
【図３１Ａ】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、集光要素を有する熱伝導要素とを特徴とする太陽光変換モジュールの正面図である。
【図３１Ｂ】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、集光要素を有する熱伝導要素とを特徴とする太陽光変換モジュールの正面図である。
【図３２Ａ】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、ヒートパイプとを特徴とする太陽光変換モジュールの側面図である。
【図３２Ｂ】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、ヒートパイプとを特徴とする太陽光変換モジュールの上面図である。
【図３３】ヒートパイプの動作を示す図である。
【図３４】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、建物の温水パイプに接触したヒートパイプとを特徴とする太陽光変換モジュールを含む加熱システムの上面図である。
【図３５】筒状筐体と、平面熱電デバイスと、ヒートパイプとを特徴とする太陽光変換モジュールを含む建物の加熱システムの上面図である。
【図３６】筒状筐体と、円柱状熱電デバイスとを特徴とする太陽光変換モジュールの正面図である。
【図３７】筒状筐体と、その筐体の外側に位置する熱電デバイスとを特徴とする太陽光変換モジュールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、太陽熱電デバイスが本書に記述されるタイプのデバイスに組み込まれれば、太陽光エネルギー効率が改善するであろうことに気が付いた。幾つかの実施形態では、真空の筐体内に置かれた太陽熱電デバイスでは、当該熱電デバイスの冷温側とヒートシンクとして機能する前記筐体との熱コミュニケーションを行う伝熱要素が有効である。様々な実施形態において、太陽光変換モジュールは４％以上の太陽光変換効率を示す。
【００１３】
また、本発明者らは、太陽熱電デバイスを、太陽光流体加熱デバイスや太陽熱−電気プラント等の太陽光熱変換デバイスと統合すれば、太陽光エネルギー変換システム効率が改善するであろうことに気が付いた。太陽熱を電気に変換するプラント（これは単に「太陽熱プラント」と呼ばれることもある）は、必ずしもそうではないが、ランキン式及びスターリング式のプラントであり、以下に記述されるように、トラフ形状、タワー形状、及びディッシュ形状のプラントを含む。このようなシステムは太陽電気エネルギー及び太陽熱エネルギーをコジェネレート（ｃｏ−ｇｅｎｅｒａｔｅ）する。具体的には、太陽光熱変換デバイスが太陽温水加熱システム等の太陽光流体加熱システムであれば、そのシステムは太陽熱電デバイスを使用して電気と、太陽温水システムを使用して建物等の施設の温水とをコジェネレーション（ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）する。
【００１４】
本発明の一実施形態において、本発明者らは、熱電デバイスと太陽光流体加熱システムの両方を含む組み合わせシステムでは、熱電脚部又は柱部を介して結果的に太陽光吸収表面と流体導管との間で適度な温度差が生成できるように、熱伝導性の低い熱電材料の脚部又は柱部によって太陽放射吸収表面から流体導管が物理的且つ熱的に分離されるべきであることにも気が付いた。このシステム構成は、吸収表面から流体への最適な伝熱のために太陽放射吸収表面に熱接触するよう流体導管が配置された太陽光流体加熱デバイスのみを含む従来技術のシステムとは反対である。
【００１５】
熱電デバイスは、その冷温側と、吸収表面と熱接触し、場合により物理接触する高温側との温度差によって電気を生成する。本書で使用されているように、２つの表面間の熱接触又は熱統合という用語は、当該表面同士が直接物理的に接触していたり、直接接触していなくても金属等の熱伝導材料によって接続されているために、当該表面同士間で効率的に熱が伝えられることを意味する。
【００１６】
本発明者らは、太陽光熱変換デバイスの流体導管も太陽光吸収器（太陽光吸収表面とも呼ばれる）と熱接触するように配置されていれば、流体導管はヒートシンクとして機能するであろうことに気が付いた。これによって、熱電デバイスの高温側と低温側との温度差が大幅に減少し、熱電デバイスの効率が大幅に低下すると考えられる。
【００１７】
一方、流体導管が熱電デバイスの冷温側に熱接触するよう配置されていれば、流体導管はヒートシンクとして機能し、熱電デバイスの高温側と冷温側との温度差を増大させ、それによって熱電デバイスの効率を改善させる。熱電デバイスの熱電変換器（例えば、半導体脚部又は柱部）は効率の悪い熱変換器であるので、流体導管は太陽光吸収表面と熱接触していない（即ち、熱統合していない）。このように、流体導管は太陽光吸収表面のヒートシンクとして機能せず、熱電デバイスの動作を妨げない。
【００１８】
更に、熱電デバイスの冷温側は、所望の温度まで流体導管内の水又は油等の流体を加熱するのにまだ十分に温かい（即ち、室温よりも高い）。例えば、温水加熱システムに関しては、熱電デバイスの冷温側を、約５０℃〜約１５０℃、例えば、１００℃未満、好ましくは３０℃〜７０℃といった、家庭、商業、又は産業用途向けの約４０℃〜約１５０℃まで水を加熱出来るほど十分高い温度に維持してもよい。このように、熱電デバイスの冷温側によって加熱された水は、様々な用途の温水として、例えばシャワーやシンクの温水、暖房用のラジエータで使用される温水や蒸気などとして、流体導管から施設へと提供される。或いは、油や塩といった流体が十分に加熱されれば、火力発電所で使用されて発電することができる。例えば、油や塩をそれらの沸点よりも加熱してもよい。或いは、油や塩を使用して水を加熱して蒸気にし、蒸気タービンに供給されて発電するように、油や塩をそれらの沸点未満に加熱してもよい。
【００１９】
太陽光エネルギーを収集及び／又は集光するために、太陽光吸収器の上方に任意の太陽光エネルギー束収集器（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）及び／又は集光器（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）を設置してもよい。入射太陽光エネルギー束を集中させるイメージング及び非イメージングの光学的方法を使用して太陽光エネルギー束を集め且つ集中させ、より高い太陽光エネルギー束密度を生成してもよい。このエネルギー束を増加させる方法を集光と呼ぶ。高温側温度は、以下に詳述するように、光学的及び熱的集中度に依存する。
【００２０】
任意の選択的表面によって、可視（Ｖ）及び紫外（ＵＶ）スペクトルの太陽光エネルギーが太陽光吸収器（即ち太陽光吸収表面）に通される。太陽光吸収器は、太陽放射を熱エネルギー（即ち、熱）に変換する。選択的表面は赤外照射を制限することによって太陽光吸収器の熱を保持する。狭くなる断面を有する任意の一組の導管が、太陽光吸収器に蓄えられた熱エネルギーを一組の熱電変換器（ｐ型とｎ型が交互になった一組の半導体脚部又は柱部）に伝達し、吸収された熱エネルギーを熱電脚部に向かって集める。「狭くなる断面」という用語に関して、フラットパネル集光器では、吸収器の厚さが好ましくは物理的に狭くならないことに留意すべきである。しかしながら、熱はほぼ同心円状に熱電脚部に伝えられ、従って実際は伝熱面積が変化する。その他の構成では、狭くなる断面は物理的に狭くなる断面からなってもよい。このように、変換器は太陽光吸収器と熱接触している。熱伝導による熱エネルギー集中を集熱と呼ぶ。一組の熱電変換器によって導かれた結果として得られる熱エネルギー束密度は熱電変換器の断面、間隔、及び長さによって決まる。
【００２１】
熱電デバイスに流入するエネルギー束は、熱電脚部の所望の高温側及び冷温側温度や選択的吸収器の特性にもよるが、集光と集熱を組み合わせることによって増加し得る。
【００２２】
熱電変換器は、蓄えられた熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する。熱電変換器はそれ自体が色々なバルク材料及び／又はナノ構造体から作られることが出来る。変換器は、好ましくは、複数組の２つの変換器要素、即ち、ｐ−ｎ接合を形成するよう電気的に接続されたｐ型とｎ型の半導体変換器柱部又は脚部を備える。熱電変換器材料は、Ｂｉ２Ｔｅ３、即ちＢｉ２Ｔｅ３−ｘＳｅｘ（ｎ型）／ＢｉｘＳｅ２−ｘＴｅ３（ｐ型）、ＳｉＧｅ（例えば、Ｓｉ８０Ｇｅ２０）ＰｂＴｅ、スクッテルダイト、Ｚｎ３Ｓｂ４、ＡｇＰｂｍＳｂＴｅ２＋ｍ、Ｂｉ２Ｔｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３量子ドット超格子（ＱＤＳＬｓ）、ＰｂＴｅ／ＰｂＳｅＴｅ量子ドット超格子、ＰｂＡｇＴｅ、及びそれらの組み合わせのうちのひとつを含むことが出来るが、これらに限定されない。熱電変換器材料は、ナノ粒子圧縮成形体又はバルクマトリクス材料に埋め込まれたナノ粒子からなってもよい。
【００２３】
場合により、ヒートシンク材料を含むベースが、熱電デバイスの熱電変換器の冷温側と流体導管との間に配置される。このベースは、熱電変換器と流体管とを熱接触させるように金属又はその他の熱伝導性の高い材料からなってもよい。変換されていない熱エネルギーに伴う熱は、熱電デバイスの冷温側からベースを通って流体導管に伝達される。任意の熱交換器をベースに配置してもよい。流体導管からの流体は熱交換器を通過して熱電デバイスから熱を受け取る。熱交換器は、熱伝導板、一組の熱伝導パイプ、ヒートパイプ、又はそれらの組み合わせからなってもよい。結果として加熱された水及び／又は蒸気等の流体は、住宅、商業又はその他の用途に使用可能である。必要に応じて、インペラによる駆動、ポンプ駆動、サイフォン現象、拡散、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを使用して流体を循環させてもよい。
【００２４】
このように、本発明の実施形態のシステムは、太陽光熱電エネルギー変換と機械的な太陽光熱電気エネルギー変換の組み合わせ、又は太陽光流体加熱を使用することによってより高い効率を提供する。より一般的には、熱電と熱エネルギーのコジェネレーション方法は、任意で太陽放射を太陽光吸収器上に集めて、太陽放射を太陽光吸収器で受け取って吸収器を加熱するステップと、前記吸収器からの熱エネルギー（即ち、熱）を一組の熱電変換器に供給するステップと、前記一組の熱電変換器によって前記熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換するステップと、前記熱エネルギーの未変換部分を水又はその他の流体等の置換可能媒体に供給するステップと、前記置換可能媒体を後続の用途に提供するステップとを含む。
【００２５】
当然のことながら、本書に示され且つ記述される具体的な実施は、本発明の一例であり、決して本発明の範囲を制限することを意図していない。更に、当該技術は、太陽光熱電エネルギーと太陽光熱エネルギーのコジェネレーションの用途、製造及び発電プラントでの熱‐電気エネルギー及び熱エネルギーのコジェネレーションの用途、又はその他の類似の用途、特に現状で未変換の太陽又は熱エネルギー源を廃棄したり残したりしている用途に適している。
【００２６】
太陽光熱変換器の熱効率は、動作温度にもよるが、約５０〜７０％である。熱電変換器の効率はもっと低い。太陽光熱電効率は２つの項の積に分けられる。
【数３】
2012528297.tif 000005
【００２７】
最初の項は、太陽の表面温度Ｔｓに等しい特性温度を有する光子を太陽熱電デバイスの高温側の温度をＴｈまで上昇させる光子、又は熱エネルギーに変換する太陽‐熱エネルギー変換効率を示している。もう一方の項は、高温側の温度Ｔｈと低温側の温度Ｔｃを夫々与えられた、熱エネルギーから電気エネルギーを生成する熱電要素の効率を示す。式（１）に示すように、この後者の項は熱電材料のＺＴに依存する。
【００２８】
効率ηｓｔは、太陽光吸収器と熱電要素の表面からの熱放射、対流、及び伝導損失を含む幾つかの熱損失メカニズムの関数である。上記の太陽光熱電エネルギー変換は、ηｓｔとηｔｅ両方の最適化と、熱電エネルギーと熱エネルギーのコジェネレーション、より具体的には、太陽光熱電エネルギーと太陽光熱エネルギーのコジェネレーションのためのデバイスの設計とを提供し、両変換プロセスの非効率に対処して太陽光熱電及び太陽光熱エネルギーのコジェネレーションを改善する。
【００２９】
発電に必要な熱電脚部前後の温度差ΔＴは、以下の式によって脚部を通る熱流束ｑ’に関係付けられる。
【数４】
2012528297.tif 000006
ここで、ｄは熱電脚部の長さであり、ｋは熱電材料の伝導度である。定常状態にあるシステムに関して、熱流束ｑ’は定数である。地表面の平均太陽束は約１０００Ｗ／ｍ２である。この値と、ｋ＝１Ｗ／ｍＫの典型的な熱電変換器定数及びｄ＝１ｍｍを使用すると、温度差はΔＴ＝１℃である。これほど小さな温度差では、熱電変換器から少量の電気エネルギーしか生成されない。温度差を増大させるために、熱電デバイスを流れる熱流束を太陽光束よりも増加しなければならない。これは、太陽熱電では、２通り方法によって達成することが出来る。一つは、入射太陽放射が吸収されて熱に変換される前に入射太陽放射を光学的に集めることであり、これを集光と呼び、もう一つは、太陽束が吸収された後に熱伝導によって熱を集中することである。後者を集熱と呼ぶ。この２通りの方法の組み合わせを用途に応じて使用することが出来る。
【００３０】
［集熱器の構成］
集熱は、熱電脚部の断面積に対する太陽光吸収器面積の比の差を使用する。図１は、本発明の幾つかの実施形態による、より一般的には太陽光発電機１３と呼ばれる熱電デバイス１３を示す。発電機１３は、少なくとも一対の熱電変換器１４に結合された、放射捕捉構造体１２と呼ばれる太陽光吸収器を含む。捕捉構造体１２は放射吸収層１ａを含み、放射吸収層１ａは、同様に、直接又は集光器を介して太陽放射に露出するように構成された正面１ｂを含む。本例では正面１ｂは略平坦であるが、その他の例では層１ａを湾曲させることも出来る。更に、放射吸収層１ａは本例では連続層として示されているが、その他の場合では放射吸収層１ａは複数の分離したセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔ）として形成可能である。正面１ｂに衝突した太陽放射は捕捉構造体１２に熱を発生させることが出来、その熱は、以下により詳細に論じられるように、各熱電変換器１４の一端部１５に伝達されることが出来る。より具体的には、本例では放射吸収層１ａは、高い太陽放射吸収率（例えば約１．５、２、３、又は４ミクロン未満の波長）を示す一方で低放射率を示し、従って低吸収率（例えば、約１．５、２、３、又は４ミクロン超の波長）を示す材料から形成可能である。
【００３１】
太陽放射の吸収によって吸収層１ａに熱が発生し、その熱は熱伝導中間層２を介して熱伝導裏層３ａに伝達され得る。熱電変換器１４は一端部１５において裏層３ａに熱的に結合され、発生した熱の少なくとも一部を受け取る。このように、変換器の一端部１５（本書では高温側端部とも呼ぶ）は、高温に維持される。より低温にさらされた変換器の反対側の端部１６によって、熱電変換器は電気エネルギーを生成可能である。以下により詳細に論じるように、上方の放射吸収層１ａは、高い横方向への熱伝導性（即ち、正面１ｂに対して接線方向の高い熱伝導性）を示し、生成された熱を変換器へより効果的に伝達する。
【００３２】
図１に示したような幾つかの実施形態では、ベース又はバッキング構造体１０（支持構造体としても知られる）が熱電変換器の低温側端部１６に結合されて、構造的に支持し且つ／又は端部１６から熱を除去する、即ち、熱拡散器として機能する。例えば、バッキング構造体１０は、使用又は更なる発電用のための内部の流体が加熱される熱交換器に熱的に結合される。例えば、図１２に示すように、バッキング構造体又はベース１２２０は、熱電変換器１２１０と熱伝達状態にある。（例えば、以下に記述する様な）その他の実施形態では、熱伝導要素が、バッキング又は支持構造体を周囲の真空筐体と熱接触状態に配置され、それによって変換器の高温側端部と低温側端部との温度差の維持を支援するヒートシンクとして機能してもよい。
【００３３】
太陽光流体加熱システム又は太陽熱発電プラント用の流体導管１２５０は、熱電デバイス１３と熱的且つ物理的に統合されている。具体的には、流体導管１２５０はバッキング構造体１２２０に結合してバッキング構造体１２２０から熱を除去する。真空気密接続部１２６０を利用して変換器１２１０の周囲の真空環境を維持することが出来る。導管１２３０によって、温水生成のための建物等の構造物１２４０の内部や蒸気駆動発電のための発電プラントに提供される概略的にループとして描かれている流体導管１２５０に、バッキング構造体１２２０から熱を伝導することが可能になる。熱電変換器の反対端１６に結合したその他の熱伝導構造体を図１に描写されているように利用することも出来る。
【００３４】
図１に示す発電機（即ち、熱電デバイス）１３に関して、発電機１３を電気負荷に結合するための電極９が描かれている。また、図１には電気伝導リード線４、１１が描かれており、電気伝導リード線４、１１は熱電変換器内及び／又は熱電変換器間を適切に電気的に結合でき、また、電気伝導リード線４、１１を使用して、変換器１４が生成する電気エネルギーを抽出することが出来る。
【００３５】
図１に描かれた太陽光発電機１３は、フラットパネル形状を有するよう構成される、即ち、発電機１３は、太陽光捕捉表面を示す少なくとも１つの寸法の長さ１８が、太陽光捕捉表面ではない少なくとも１つの他の寸法の長さ１７よりも長い。このような形状は、多くの電気を生成するために、熱電変換器を介して十分な温度差が設けられるよう十分な集熱を提供しながら、太陽放射捕捉のために使用可能な面積を増加出来る点で有益である。フラットパネル形状は、ルーフトップやその他の人工構造物上で利用可能な薄型デバイスを提供することによって実用化され得る。図１に示すデバイスはフラットパネル形状を有するように描写されているが、図１のデバイス及びその他のデバイスは、動作性を維持しながら（以下に詳述するように）非フラットパネル形状に構成されることも出来る。
【００３６】
多くの実施形態では、捕捉構造体の放射吸収部は、少なくともその一部において、高い横方向熱伝導率、例えば、吸収表面の吸収前後の温度差が小さくなる（例えば、約１００℃、５０℃、１０℃、５℃、又は１℃未満）ほど大きな横方向熱伝導率を示し、熱電変換器の高温側端部に伝熱するための効率的な集熱器として機能することが出来る。幾つかの実施形態では、図１の基板層２によって描写されるように、放射捕捉構造体も横断方向（例えば、この場合、吸収表面１ｂに対して略直交する方向）及び／又は横方向に高い熱伝導率を示し、吸収層から変換器への熱伝熱を促進することが出来る。例えば、捕捉構造体は、例えば約２０Ｗ／ｍＫ又は約２０Ｗ／ｍＫ〜約４００Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率を有する材料から形成された放射吸収層を含むことが出来る。幾つかの実施形態では、基板上にこのような熱伝導性の値を有する薄膜を蒸着させることが出来る。高い熱伝導率は、より低い熱伝導性を有するより厚い材料を使用することによっても達成可能である。使用可能な材料の例としては、金属（例えば、銅含有、アルミニウム含有）、セラミックス、配向性高分子等の異方性材料（例えば、層の面内方向等の望ましい方向に十分な熱伝導率を有する）、及びガラスの任意の組み合わせを含む。捕捉構造体の高い熱伝導特性は図１の単一の基板層２によって例証されるが、当然のことながら、幾つかの実施形態において複数の層状材料等の多重構造体を使用して所望の高い熱伝導特性を提供することも可能である。
【００３７】
幾つかの実施形態では、捕捉構造体は、１つ以上の有益な機能を提供するよう構成された複数の構成要素を含むことが出来る。例えば、図１に示す捕捉構造体１２の放射吸収層１ａは、太陽放射を選択的に吸収するように構成可能である。例えば、放射吸収層１ａは、約１．５、２、又は３ミクロン未満の波長を有する、又は約５０ｎｍ〜約１．５、２、又は３ミクロンの波長を有する、又は約２００ｎｍ〜約１．５、２、又は３ミクロンの波長を有する太陽放射を吸収するように構成可能である。吸収可能な衝突太陽放射の割合に関して、吸収層１ａは、約７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、又は９９％超になり得る太陽放射吸収率を示すように構成可能である。例えば、放射吸収層１ａは、約５０ｎｍ〜約３ミクロンの太陽放射波長に対して上記のような吸収率を達成可能である。幾つかの実施形態では、吸収層１ａは、所望の選択的太陽吸収特性を提供するために基板２に塗布された１つ以上のコーティングを含むことが出来る。１つ以上の選択的コーティングは、異なる光学指数を有する、即ち、一次元フォトニック構造体を有する１層以上のヘテロ材料によって実施することが出来る。また、選択的コーティングは、回折格子、表面組織、又はその他の適切な二次元構造体として実施可能である。別の実施形態では、選択的コーティングは、ナノ複合材料を含む２種類以上の材料の合金化又は複合化によって実施可能である。また、基板２は、選択的表面１ｂの一部になり得る。
【００３８】
幾つかの実施形態では、捕捉構造体の正面、又は太陽放射を受けるように構成されたその他の表面は、ある波長範囲に対して、例えば、約１．５、２、３、又は４ミクロン超の放射波長で低い放射特性を示すことが出来る。例えば、上記の放射捕捉構造体１２では、正面１ｂは、約３ミクロン超の波長で、約０．３未満、又は約０．１５未満、又は０．１未満、又は約０．０５未満、又はより好適には約０．０１未満の放射率を示すことが出来る。このような低い放射率の表面によって、放射放出による太陽捕捉構造体からの熱損失を減少することが出来る。このような低い放射率は、約１．５、２、３、又は４ミクロン超の太陽放射波長の吸収をも減少し得るが、その吸収に対する影響は、太陽放射が上記波長において大幅に減少するために、最小限である。この模範的な実施形態では、放射捕捉構造体１２は正面１ｂのみならず背面３ａもまた低い放射率を示す。背面は、波長選択的である必要はなく、その放射率は、０．５未満、又は０．３未満、又は０．１未満、又は約０．０５未満と小さくあるべきである。高い放射率の許容値は、集熱比、つまり、熱電脚部の総断面積に対する総太陽吸収表面積の比に依存する。この比が大きいほど、放射率は小さくあるべきである。正面１ｂ及び背面３ａの低放射率特性は、同一である必要はない。幾つかの他の実施形態では、正面及び背面のいずれかのみ低い放射率を示すことが出来る。
【００３９】
更に、バッキング構造体１０の内側表面３ｂは、放射捕捉構造体１２の背面３ａに対向しており、低い放射率を示すことが出来る。この低い放射率は、全ての波長に渡る、又は約１．５、２、３、又は４のミクロン超の波長に渡ることが出来る。内側表面３ｂの低い放射率特性は、放射捕捉構造体の背面３ａの放射率特性と同様、又は異なっていてよい。捕捉構造体１２の背面３ａの低い放射率とバッキング構造体１０の内側表面３ｂの低い放射率の組み合わせによって、これら２表面間の放射熱移動が最小化され、従って熱電変換器前後の温度差の発生が促進される。
【００４０】
内側表面３ｂは、特にバッキング構造体１０が金属から形成されている場合（この場合、電流が全ての脚部を通って計画されたシーケンスに、大抵の場合直列に、場合により直列接続と並列接続を組み合わせに流れるように、熱電脚部間を電気的に絶縁すべきである）、バッキング構造体１０の残部と同じ材料から形成可能である。或いは、内側表面３ｂは、バッキング構造体１０の残部とは異なる材料、例えば、赤外反射率を増加した異なる金属から形成可能である。この層又はコーティングは、連続層でもよく、又は相互に電気的に絶縁した異なる領域に分割したり、熱電要素同士の相互接続部として機能する電気的に連結した領域に分割したりすることも出来る。金などの高い反射率を有するコーティングは、低い放射エミッタとして機能し得る。一般に、研磨された金属は、金属粗面よりも高い反射率を示し、従ってより低い放射率を示すことが出来る。図２に示すように、より精緻に研磨された銅の表面は、結果的により高い反射率を有する表面になる、即ち、機械研磨された銅表面が最も高い反射率を有し、次に手磨きされた銅表面、その次に研磨されていない銅表面と続く。図２の反射率の測定は、参照アルミニウムミラーが１より僅かに小さい反射率を有する可能性があるので、３％〜５％の誤差を含む可能性がある。ある波長範囲に渡るこのような高い反射率は、反射率と各放射率の合計が１なので、その波長範囲に渡る低い放射率に対応する。更に、非酸化表面は酸化表面よりも低い放射率を有する傾向にある。
【００４１】
放射率の低い表面１ｂ、３ａ、３ｂの任意の組み合わせを使用すると、捕捉構造体１２からの熱移動を妨げることが出来、熱電変換器１４間に大きな温度勾配を維持する。多数の低放射率表面を利用する場合は、その多数の表面は、同様な特性を有してもよく、また放射率特性が異なっていてもよい。幾つかの実施形態では、太陽光発電機が作動中に太陽捕捉表面又は捕捉構造体のその他の部分がさらされる温度の範囲といった選択された温度範囲に渡って、１つ以上の構造体の低放射率特性が示され得る。例えば、低放射率特性は、約０℃〜約１０００℃、又は約５０℃〜約５００℃、又は約５０℃〜約３００℃、又は約１００℃〜約３００℃の温度範囲に渡って示され得る。幾つかの実施形態では、任意の層（単数又は複数）の低放射性特性は、電磁スペクトルの１つ以上の波長に渡って示され得る。例えば、任意の層（単数又は複数）の低放射は、約１．５、２、３、又は４ミクロンよりも長い波長に渡ることが出来る。別の実施形態では、任意の（複数の）層の低放射率は、作動温度で約０．１未満、約０．０５未満、約０．０２未満、又は約０．０１未満の総放射率値を有する表面に特徴付けられる。
【００４２】
幾つかの実施形態では、上述したように、所望の低い放射率特性を提供するために、表面は、その上に塗布される１つ以上のコーティングからなってよい。別の例では、その開示内容全体が参考として本明細書で援用されるＮａｒａｙａｎａｓｙｗａｍｙらによる公表文献“Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｗｉｔｈ  ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｍｅｔａｌｌｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，７０，１２５１０１−１（２００４）に記載のように、低放射率は多層金属誘電体フォトニック結晶を使用することによって達成可能である。幾つかの実施形態では、他の部分が低放射表面の一部として機能することも出来る。例えば、図１が模範となる実施形態を参照すると、基板２も低放射表面１ｂの一部になり得る。例えば、基板として使用される高反射性金属は、その金属上の１つ以上のコーティングが太陽放射を吸収するように設計されていても、赤外領域の低放射表面として機能することも出来る。
【００４３】
幾つかの実施形態では、図１のバッキング構造体の外側表面（例えば、模範的な太陽光発電機１３の表面１９）は、放射冷却を促進するように、例えば赤外放射波長に対して高放射率を示すことが出来る。これは、例えば、バッキング構造体の外側表面上に適切なコーティング層を蒸着することによって達成可能である。
【００４４】
図１に代表される実施形態では、本書のその他の実施形態のなかで、太陽光発電機は、隔離環境６（大気圧に対して真空状態）に置かれるようにカプセル化された（例えばハウジングによって）部分を含むことが出来る。好ましくは、前記隔離環境は、捕捉構造体１２からの熱移動を最小化するように選択される。従って、幾つかの実施形態では、大気圧よりもかなり低い気圧の隔離環境を利用する。例えば、真空環境は、約１ｍトル（ｔｏｒｒ）未満又は約１０−６トル（ｔｏｒｒ）未満の気圧を有することが出来る。図１に描かれているように、ハウジング５はデバイス１３全体をカプセル化することが出来る。少なくともハウジング５の上面は、太陽放射に対して実質的に透過でありえ、例えば、太陽放射に対して高透過率、低反射率、及び低吸収率を有する。利用可能な材料候補としては、様々な種類のガラスや半透明プラスチックがある。１つ以上のコーティングをハウジング壁の１つ以上の側面に施し、所望の特性（例えば低反射損失）を与えることが出来る。幾つかの実施形態では、捕捉構造体１２をハウジング５に物理的にほとんど接触させない又は物理的に全く接触させず、捕捉構造体１２からの熱移動の可能性を減少することが出来る。図１によって代表される実施形態は、太陽光発電機構造１３全体を実質的にカプセル化するハウジング５を利用することが出来るが、他の実施形態は別の方法で構成することが出来る。例えば、太陽捕捉表面１ｂは直射太陽放射を受けるように非カプセル化することが出来、一方でデバイス１３の残りの部分、又は内側表面３ａと３ｂとの間の領域が真空環境に置かれるようにカプセル化することが出来る。なお、非真空環境は、一般的には集光のないフラットパネル型のデバイスには適さないが、集熱を集光と組み合わせれば適する可能性がある。その理由は、集光のないフラットパネル型のデバイスでは、吸収器表面積が脚部の断面と比較して大きいからである。デバイスが真空にされなければ、デバイスは対流によって周囲に熱を放出し、効率が下がる。ハウジング又は真空環境を含むその他の構造体は、当業者の知識の範囲内を含む、許容可能な任意の方法で作成することが出来る。
【００４５】
他の実施形態では、本書で論じられるハウジング及び筐体は、低熱伝導率（例えば、雰囲気に対して）を特徴とすることが出来る隔離環境を密閉するために使用可能である。従って、真空の代わりに、密閉環境は不活性ガス（例えば、アルゴン等の希ガス）等の低熱伝導率のガスを含むことが出来る。別の例では、熱移動を制限するために筐体内に断熱材料を含むことが出来る。例えば、捕捉表面の背面及びバッキング構造体の内側表面は、低放射率層の使用に加えて更なる断熱性を与えるために取付けられた材料を含んでもよい。このように、「真空環境」を利用する本書に論じられる実施形態は、上記のような代わりの環境を使用することによっても実施可能である。上記のような断熱材の例としては、エアロゲルや多層断熱材がある。ただし、これは、吸収器と基板との間に大きな空間があるため、好まれない。
【００４６】
図２６Ａ及び図２６Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、熱電デバイス周囲の真空筐体５の光学的特性は、デバイス１３の性能を高めるように選択されてもよい。図示のように、真空筐体５は透明部２６０１（例えば、ガラス、クオーツ、又はパイレックス等でできた透明部）を含む。透明部２６０１は、当該部分を透過して熱電デバイス１３の高温側に到達する（例えば、本書に論じられているように、高吸収率及び低放射率を有する放射吸収器１２に衝突する）入射太陽放射を受けるように位置決めされる。透明部２６０１の外側表面２６０２は、入射太陽放射に対する透過性が高い。熱電発電機に対向する透明部２６０１の内側表面２６０３は、選択波長帯において高反射率（即ち、５０％超の反射率）を有し、４００〜７００ｎｍの波長帯の少なくとも８０％の入射太陽放射を透過する。前記選択波長帯は、７００ｎｍ超の波長、例えば、１０００ｎｍ超の波長を含んでもよい。従って、熱電デバイスから内側表面２６０３に向かって放射又は反射された前記選択波長帯の光は、反射されて熱電デバイスの高温側に戻される。当業者には明らかなように、波長帯の適切な選択によって、この構成は、熱電デバイスからの反射及び放射損失を制限する「温室」効果を創出し、それによってデバイスの効率を改善する。幾つかの実施形態では、内側表面２６０３は、選択波長帯での反射率が高い材料層２６０３Ａでコーティングされているが、透明部２６０１に衝突する入射太陽放射に対して低い全体的な反射率と吸収率を示す。幾つかの実施形態では、コーティング材料は、薄い材料層（例えば、１〜１０ｎｍ等の数ナノメートル程度の厚さを有する金の層）でもよい。様々な実施形態において、当該技術分野で周知のその他の選択的コーティングが使用されてもよい。
【００４７】
なお、図２６Ａ及び図２６Ｂの実施形態はフラットパネル形状のデバイスを示すが、類似の技術を使用して異なる形状（例えば、湾曲形状、筒形状等）を有するデバイスに「温室」効果を創出してもよい。
【００４８】
図２７Ａ及び図２７Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、真空筐体５は、上面２７０１（例えば、ガラス、クオーツ、又はパイレックス等の透明材料製）及び底面２７０２（例えば、金属、ガラス、パイレックス等の透明又は非透明材料製）を含んでもよい。スペーサ／スタンドオフ２７０３は、上面２７０１と底面２７０２との間に位置決めされ、より高い機械的強度を与える。例えば、スペーサ２７０３は、上面と底面を接触させ、上面を機械的に支持して撓みを防止できる。幾つかの実施形態では、スペーサ２７０３は、筐体の機械的完全性を維持しながら筐体内で１０−６トル（ｔｏｒｒ）（又はそれ以下）の真空を可能にするよう位置決めされる（例えば、上面２７０１及び底面２７０２に標準的な市販のガラス厚を使用した場合）。幾つかの実施形態では、スペーサは上面２７０１と底面２７０２のいずれか又は両方に一体化されてもよい。図２７Ａに示すように、幾つかの実施形態では、スペーサ２７０３が多数の熱電変換器デバイスセル１３同士間に配置される。図２７Ｂに示すように、幾つかの実施形態では、スペーサ２７０３は、１つ以上の熱電変換器セル１３において隙間２７０４を貫通するように上面と底面の間で延出してもよい。いずれの場合にも、典型的な実施形態では、熱電変換器デバイス１３の高温側は、図示のように、スペーサから熱的に分離されている。
【００４９】
幾つかの実施形態では、スペーサは断熱ロッドとして又はバーとして形成され（即ち、少なくとも上面２７０１及び底面２７０２からの方向に対して横断する方向に延出され）てもよい。
【００５０】
図１に描かれているような変換器１４等の熱電変換器は、変換器を挟んで十分な温度差が生成された時に発電することが出来る。幾つかの実施形態では、熱電変換器要素はｐ型熱電脚部及びｎ型熱電脚部からなり、これらの脚部は例えば、ｐｎ結合又はｐ‐金属‐ｎ結合等の結合を形成するように一端で熱的且つ電気的に結合される。当該結合は、本書に論じられる構造体と一致する、集熱器として機能し得る放射捕捉構造体を含む、又は当該放射捕捉構造体に結合され得る。熱電変換器には様々な材料を利用することが出来る。一般に、大きなＺＴ値を有する材料（例えば、約０．５、０．８、１、１．２、１．４、１．６、１．８、２、３、４、又は５超の平均ＺＴ値を有する材料）を利用することが有利であり得る。このような材料の幾つかの例は、２００４年１０月２９日出願の整理番号１０／９７７，３６３の米国特許出願公開番号２００６−０１０２２２４Ａ１、及び“Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｆｉｇｕｒｅ−ｏｆ−Ｍｅｒｉｔ  ｉｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”と題する２００６年１２月１日出願の整理番号６０／８７２，２４２米国仮特許出願に記述されており、両出願はその開示内容全体が参考として本明細書で援用される。
【００５１】
ｐ型及びｎ型の材料に関して、このような材料のドーピングは、例えば、当業者には既知の技術を使用して行うことが出来る。ドープされる材料は、特定のドーピングレベルを有する実質的に単一の材料でもよく、又は場合によりセグメント化された形状として知られる、組み合わせて利用される数個の材料を含むことが出来る。熱電変換器は、２つ以上の異なる発電機が結合され各発電機が異なる温度範囲で動作するカスケード状の熱電発電機を利用することも出来る。例えば、各ｐ‐ｎ対は積層された複数のｐ‐ｎ対でもよく、各対は選択温度で動作するように設計される。幾つかの例では、セグメント化された形状及び／又はカスケード形状は、各材料が最良の動作をする温度範囲で最適な材料が使用されるように広範囲の温度に渡って使用されるように構成される。
【００５２】
ｐ型及びｎ型要素の配置は、運転可能な太陽光発電機になれば如何様にも変化可能である。例えば、ｐ型及びｎ型要素は、周期性を有する又は周期性を欠くパターンに配置可能である。図１は、ｐ型及びｎ型脚部７及び８が密集して熱電変換器１４を形成している一例を表わす。変換器脚部の集合体、又は個々の変換器脚部は、等間隔又は非等間隔に配置可能である。ｐ型及びｎ型要素の対は、１対のみも含めて任意の個数使用することが出来る。別の取り得る形状は、図３の太陽光発電機１００に示すように、ｐ型とｎ型要素を更に離間することが出来る。デバイス１００は、図１に示す太陽光発電機１３に幾つかの点で類似しており、大気圧に対する真空環境６'を提供するためのバリア構造体５'、捕捉面１'を有する捕捉構造体１２'、バッキング構造体１０'、及び複数の電極９'を有する。捕捉構造体１２'及びバッキング構造体１０'は、金属材料から形成可能である。当該金属材料は、層２ｂ'を形成でき、バッキング構造体１０'と、熱電構造体７'、８'の両端で熱電構造体７'、８'間を電気的に結合する層２ａ'、２ｂ'とにおいて、熱拡散器として機能することが出来る。なお、バッキング構造体１０'上の層２ｂ'は、構造体７'、８'の短絡を防止する絶縁区画２０によって区切られる。従って、当然のことながら、本書の様々な実施形態に利用されるコーティング及び／又は層は、所望の構成の電気結合など所望の機能性を与えるように連続又は不連続でもよい。任意で、本書に論じられる幾つかの実施形態と一致する、金属材料２ａ’、２ｂ’表面のいずれか又は両方を、低放射率を有するように研磨することができる。図３に描かれたデバイス１００では、ｎ型熱電要素７'とｐ型熱電要素８'とを、図１に示されたものよりも更に離間させている。複数の熱電変換器要素が太陽光熱電発電機に利用される場合、ｐ型及びｎ型熱電要素は、密集させるのではなく離間させる（例えば均等に）。例えば、熱損失は放射のみを原因とし、吸収器として銅材料を使用すると、脚部間の間隔は０．３ｍ程度大きくなる可能性がある。例えば、太陽温水システムで発電機１３を使用するために、脚部同士は、太陽熱発電プラントで発電機１３を使用する場合よりも更に離間させてもよい。例えば、脚部同士は、太陽温水システムで使用するために、１５〜５０ｍｍ、例えば約２５〜約３０ｍｍ離間させてもよい。脚部同士は、太陽熱プラントで使用するために、２０ｍｍ未満、例えば１〜１５ｍｍ離間させてもよい。
【００５３】
熱電変換器要素の別の取り得る配置は、図４に描かれており、複数の熱電変換器の多数の熱電変換要素（脚部）２１０は、互いに離間した複数のグループ２２０に形成される。熱電変換器要素２１０の複数のグループ２２０は、真空環境に収容されるようにバリア２３０によってカプセル化される。このような配置は、本書に記述される集光器を利用する実施形態の場合にように太陽放射が１つ以上の太陽捕捉面上で不均一に分散される場合に有利に利用可能である。集光器が利用されていなくても、変換器要素の配置は、例えば、太陽の黒点（ｓｕｎｓｐｏｔ）が一日を通して捕捉面上を移動するため、その軌道をたどるように構成されることが出来る。図４に示す配置に関して、前記複数のグループは物理的に離間している。しかし、当然のことながら、デバイスは、互いにまばらに離間した変換器要素のグループを有する単一体として実施可能である。
【００５４】
熱電変換器要素の空間分布は太陽光熱電発電機の発電性能にも影響を及ぼし得る。幾つかの実施形態では、熱電変換器要素は、熱電変換器要素の高温部と低温部の間で最小温度差が成立するように空間的に配置される。当該最小温度差は、約４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０℃、２８０℃、又は３００℃超であり得る。場合により、このような熱電変換器にわたる温度差は、集光を採用しない場合、変換器の高温側端部を約３５０℃以下の温度に上昇させながら、変換器の低温側端部を約９５℃、９０℃、８０℃、７０℃、６０℃未満、好ましくは約５０℃未満の温度に維持することによって達成可能である。低太陽集光（例えば、入射太陽放射の約２〜約４倍以下の集光）では、温度は約５００℃以下でもよい。このような温度差によって、確実に太陽光熱電発電機が高効率で運転出来る。特に、これらの温度仕様は、入射太陽放射（即ち、未集光放射）及び／又は集光太陽放射のみを利用する熱電発電機に利用可能である。
【００５５】
その代わりとして、又はそれに加えて、実施形態は、熱電変換器（単数又は複数）の夫々の端部間に限られた熱伝導率を与える熱電変換器の空間分布を利用することが出来る。熱のほとんどは熱電変換器を通過するように設計されているが、これは、変換器の熱伝導率が、総熱伝導率の５０％、又は９５％超になることを意味する。そうでなければ、熱のほとんどはその他の伝導路から漏洩する。しかし、変換器は、脚部が低熱伝導率を有するように設計されるべきである。熱伝導率は、熱電変換器の脚部の長さによっても制限することが出来、つまり、長い脚部ほど熱伝導率は低くなる。従って、幾つかの実施形態では、脚部の長さに対する断面積の比を制限し、脚部による熱伝導率の減少を支援する。例えば、脚部の長さに対する脚部の断面積の比は、約０．０００１メートル〜約１メートルに出来る。また、約１０：１及び約１０００：１の太陽光吸収器から１組の熱電変換器までの断面積の縮小率を使用してもよい。
【００５６】
様々な実施形態では、熱電脚部の配置は、熱を拡散して熱応力を減少させる（例えば、脚部と吸収器の接触面でせん断する）ように機能してもよい。図２８Ａ、図２８Ｂ、及び図２８Ｃを参照すると、図示のフラットパネル熱電発電機モジュール２８００において、熱電変換器２８０２の上面太陽光吸収器２８０１は、多数の電気的且つ熱的に分離された区画２８０３から成る。好ましくは、当該区画は矩形である。しかし、その他の形状を使用してもよい。これらの吸収器矩形２８０３は、外周領域に囲まれた中心領域を有する。例えば、当該中心領域は、前記矩形の最も近い辺よりも前記矩形の中心により近い複数の点の中心に対応する。熱電脚部２８０４（例えば、ｐ型脚部とｎ型脚部を含む）の各対の上部は、吸収器矩形２８０３の中心領域に接触する。
【００５７】
同様に、熱電変換器２８０２の底部の「冷」表面２８０５は、多数の電気的且つ熱的に分離した区画２８０６から成る。好ましくは、当該区画は矩形である。しかし、その他の形状を使用してもよい。これらの底部矩形２８０６は、外周領域に囲まれた中心領域を有する。例えば、当該中心領域は、前記矩形の最も近い辺よりも前記矩形の中心により近い複数の点の中心に対応する。
【００５８】
底面矩形２８０６は、熱電脚部２８０４の各対に関して、その対の一方の脚部（例えば、ｐ型脚部）が第１の底面矩形の外周領域にのみ接触し、当該対の他方の脚部（例えば、ｎ型脚部）が第１の底面矩形に隣接する第２の底面矩形の外周領域にのみ接触するよう、上面吸収器矩形２８０３から横方向にずらされる。図示のように、上面及び底面矩形は、各辺が約１インチの大きさを有する。しかし、様々な実施形態において、例えば０．５インチ〜３インチといった適切な大きさを使用してもよい。
【００５９】
図示のように、この構成は多数の組の熱電脚部２８０４に対して繰り返されて、直列接続された電気及び熱伝導路を生成する。この繋がりの各「繋ぎ目（ｌｉｎｋ）」に関して、対になった熱電脚部２８０４の両脚部が上面吸収器矩形２８０３の中心領域に接触し、当該対の各脚部が各隣接する底面吸収器矩形２８０６の外周領域に接触する。また、電気伝導リード線２８０７及び２８０８が描かれており、電気伝導リード線２８０７及び２８０８は、熱電変換器内及び／又は熱電変換器同士間を適切に電気結合することが出来、且つ変換器２８０４によって生成された電気エネルギーを抽出するために使用され得る。幾つかの実施形態では、リード線２８０７及び２８０８は、真空筐体の外側に位置する負荷に底面２８０５の第１区画２８０６を電気的に接続する第１のリード線と、真空筐体の外側に位置する前記負荷に底面２８０５の第２区画２８０６を電気的に接続する第２のリード線を含む。
【００６０】
幾つかの実施形態では、熱電脚部２８０４の各対に関して、脚部が長さＬ（例えば、図２８Ａにおいて縦方向の脚部の高さ）に沿って上面２８０１から底面２８０５へ延出する。ｐ型脚部は、第１区画の中心から少なくとも距離Ｌを置いて第１の底面矩形区画２８０６の外周領域に接触し、ｎ型脚部は、第２区画の中心から少なくとも距離Ｌを置いて第１区画に隣接する第２区画２８０６の外周領域に接触する。両脚部は、前記区画の外周縁から少なくとも距離Ｌ離れた位置にある矩形区画２８０３の中心領域で吸収器２８０１に接触する。
【００６１】
なお、矩形の上面及び底面部を使用しているが、外周部に囲まれた中心部を有する任意の他の適切な形状を使用してもよい（例えば、正方形、円形、楕円形、多角形、不規則形状、又はそれらの組み合わせ）。
【００６２】
幾つかの実施形態では、熱電変換器及び／又は変換器の脚部は、疎らに分布させることが出来る（例えば、太陽捕捉面又はバッキング構造体に対して）。熱電要素の疎らな分布は、熱電要素を介して高温端部から低温端部への熱除去の減少を支援することが出来る。図１及び図３に描写された熱電変換器要素の配置は、疎らに分布させた要素の模範的実施形態の幾つかを示している。
【００６３】
１つ以上の熱電変換器要素が太陽捕捉面に対して疎らに分布している幾つかの実施形態では、この疎密度は、変換器要素に関連する総断面積（ここでは「変換器面積」）に対する太陽捕捉面（ここでは「捕捉面積」）の相対比率によって測定される。捕捉面積は、太陽放射を浴びて発熱するのに利用可能なように露出された選択太陽捕捉面の総面積によって定義可能である。変換器面積は、（単一または複数の）熱電変換器要素の総有効断面積によって定義可能である。例えば、図１に関して、４つのｐ型及びｎ型要素の全てが均一な断面積を有して幾何学的に類似であると仮定すれば、「変換器面積」はｐ型又はｎ型要素の断面積の４倍として定義可能であり、各要素の断面は、当該要素と交差する捕捉面１ｂに平行な推定平面にある断面積によって定義される。一般に、変換器面積に対する捕捉面積の比が増加するほど、変換器要素の分布はより疎らになる、即ち、太陽捕捉面の総量に対して熱電変換器要素がより少なくなる。
【００６４】
本書に開示される様々な実施形態は、様々な捕捉面積対変換器面積の面積比を利用可能である。幾つかの実施形態では、太陽光発電機は、約１００、約１５０、２００、約４００、約５００、又は約６００以上の変換器面積に対する捕捉面積の比によって特徴付けられる。このような実施形態は、特に、太陽集光器を使用せずに太陽放射を捕捉するフラットパネル構成を有する太陽光熱電発電機とともに利用される場合に有利になり得る。幾つかの実施形態では、太陽光熱電発電機は、約２、５、１０、５０、１００、２００、又は３００超の変換器面積に対する捕捉面積の比を特徴とすることが出来る。このような実施形態は、特に、集光された太陽放射を捕捉する（即ち、太陽集光器を使用して入射太陽放射を太陽捕捉面上に集めて集光する）太陽光発電機とともに利用される場合に有利になり得る。幾つかの実施形態では、幾何的集光比Ｃによって入射太陽放射を吸収器上に集光させ、この集光比Ｃを乗じた変換器面積に対する捕捉面積の比は約１０、約５０、約１００、約２００、約４００、約５００、又は約６００超である。幾つかの実施形態、例えば、非トラッキング集光を特徴とする実施形態では、集光比Ｃは、約１．０、約２．０、約３．０、又は約５．０超、例えば約１．０〜約３．０の範囲でもよい。トラッキング集光（即ち、太陽の動きに応答して位置決めされる集光器）を特徴とする実施形態では、集光比Ｃは約１０、約５０、約１００、約１０００超、例えば、約１００〜約１０００の範囲でもよい。論じられる実施形態は論じられる特定の構成に有利であるが、当然のことながら、このような実施形態の範囲はこのような特定の構成に限定されない。
【００６５】
例として、図２３は、太陽熱電変換器の効率の典型的な計算の幾つかの例を示す。図２３（Ａ）は、異なる集光比に関する無次元性能指数ＺＴの関数として効率を示す。各集光比に対応して、最適集熱比（熱電脚部の総断面積に対する太陽吸収面の比）も存在する。当然のことながら、これらの脚部は様々な形状に配置してよく、その幾つかを図１及び図３に示す。脚部の一部をグループ化する場合もあれば、脚部を疎ら且つ均等に離間させる場合もあり、不規則的に離間させる場合もある。当然のことながら、これらの取り得る各形状において、吸収器表面における温度むらは小さく、好ましくは、１℃、又は５℃、又は１０℃、又は５０℃、又は１００℃以内に維持される。図２３（Ｃ）は、模擬条件（所与の集光、選択表面特性、等）に対する高温側温度を示す。これらの数値によれば、各集光率に対して、通常、最適な集熱比（脚部同士間の間隔及び脚部の断面積を決定する）、及び最適な高温表面温度が存在する。最適な高温側温度が存在する理由は次の通りである。即ち、高温表面温度が高過ぎると、表面からの放射損失が大き過ぎる。高温表面温度が低過ぎると、熱電デバイスの効率が低下する。当然のことながら、これらは単に例示の状況であり、様々に設計の自由度がある。例えば、集光を使用しても、熱電脚部の断面積を変化させることで、高温側温度を所定の温度に維持してもよい。
【００６６】
［集光器構成］
以下に開示される幾つかの実施形態は、１つ以上の集光器とともに使用するように構成された太陽光熱電発電機の構成を利用する。集光器とは、入射太陽放射を収集し、且つ当該太陽放射を集光させることが出来る１つ以上のデバイスのことである。集光器は、典型的には集光された太陽放射を太陽捕捉面等のターゲットに向かわせることも出来る。集光器が利用される幾つかの実施形態では、集光器は、熱電変換器の高温側端部をより効率的に加熱することにより、当該変換器前後のより高い温度差の生成を促進することが出来、その結果、変換器によって潜在的により高い電気出力を生じることが出来る。また、集光器は、集熱能力がより低い太陽光捕捉構造体（例えば、より大きな熱損失を示す可能性のあるより小さな太陽光捕捉面及び／又は捕捉構造体）とともに利用されながら太陽光発電機の性能を維持する可能性がある。図１、図３及び図４に関して記述される実施形態は、入射太陽放射（即ち、未集光）が利用される場合に使用されるよう構成可能であるが、このような実施形態は、本文に論じられる特徴をいくつでも使用しながら、集光器とともに利用することも出来る。同様に、太陽集光器に関連して明解に論じられる太陽光熱電発電機の設計の幾つかは、必ずしも上記の集光器を必要としない。
【００６７】
集光器の使用を含む太陽光熱電発電機の幾つかの実施形態は、図５Ａ〜図５Ｃに示す代表的デバイスによって説明される。図５Ａに示すように、太陽光発電機５１０は、集光器と、放射捕捉構造体と、熱電変換器要素と、バッキング構造体とを含むことが出来る。図５Ａに描かれる特定のデバイスに関して、集光器は、透過要素５１１、即ち、太陽放射を透過可能な要素によって具体化される。透過要素としては、イメージング又は非イメージングレンズ、又は太陽放射を集光且つ方向付け可能なその他の透過構造体が挙げられる。図５Ａに描かれているように、入射太陽放射５１７は、透過要素５１１によって、放射捕捉構造体の太陽捕捉構造体５１２に向かって集光された太陽放射５１８になる。本例では、集光器５１１は、放射捕捉構造体５１２を有する収束光学レンズからなり、放射捕捉構造体５１２は、集光された太陽放射を受けるように収束光学レンズの焦点近傍に位置決めされる。太陽放射の集光によって、入射太陽放射を利用する設計よりも小さな太陽捕捉面の使用が可能になる。このような太陽放射の捕捉によって放射捕捉構造体が加熱され、放射捕捉構造体が同様に熱電変換器５１６のｎ型及びｐ型要素５１４、５１５の熱的に結合された端部を加熱することが出来る。バッキング構造体は、電極と熱拡散器５１３の組み合わせ構造体として構成可能であり、これにより、ｎ型とｐ型要素５１４、５１５間の電気的結合と、変換器要素の反対端部の温度を下降させるヒートシンクへの熱的結合を行うことが出来る。
【００６８】
太陽光発電機のその他の実施形態を図５Ｂに描写する。太陽光発電機５２０に関して、一組の反射要素５２１、５２２が太陽集光器として機能する。反射要素は、放射を実質的に通過させるのではなく、放射を方向転換させるように機能することが出来る。ミラー及びその他のタイプの反射コーティングを有する構造体が反射要素として機能することが出来る。図５Ｂに示す特定の実施形態に関して、入射太陽放射５１７は、構造体５２４によって鏡面５２１に向かわされ、構造体５２４は本例では熱電変換器５２５低温側近傍に配置されている。構造体５２４は、任意で透明及び／又はフレーム状であるが、ミラーを支持し、下方の基板によって熱拡散がなされるように太陽放射を下方に向かわせることが出来る。放射反射要素５２１は、放射反射要素５２１に入射した放射を反射要素５２２へ反射し、反射要素５２２は、同様に、熱電変換器５２５の高温側端部を加熱するために放射捕捉面５２３に当該太陽放射を反射する。場合により、反射要素５２１は、湾曲した形状、例えば、放物型の反射面を有することが出来る。この形状により、反射光は反射要素５２２（例えば、反射要素５２１の曲率中心近傍に配置可能である）上で集光される。このような集光された太陽放射は、次に、場合によっては太陽放射を独自に集光することも可能な反射要素５２２によって、放射捕捉構造体５２３上に向かわせる。
【００６９】
集光器の他の代替手段を、図５Ｃが示す実施形態において利用する。太陽光発電機５３０は、入射太陽放射を集めて集光するための太陽光集光トランスミッタ５３１を含むことが出来る。太陽光集光トランスミッタ５３１は、放射捕捉構造体５３２に密結合され（即ち、接触している、又は僅かな隙間を有する、又は間に薄い材料を挟む）、集光された太陽放射を捕捉構造体に直接導くことが出来、結果的により効率的なエネルギー移動をもたらす可能性がある。捕捉構造体５３２とトランスミッタ５３１との直接接触が可能である。或いは、薄い断熱材（例えば、多孔質ガラス又はポリマー材料製）を構造体５３１と５３２の間に挟むことが出来る。また、図示の実施形態は、熱電変換器要素５３３と密熱結合しているため、当該デバイスを真空環境にカプセル化することなく実施可能である。更に、太陽光エネルギーの集光が高い（例えば、入射太陽放射の１０倍又は５０倍超）場合、対流損失はあまり重要ではない。しかし、当然のことながら、当該デバイスは真空環境においても利用可能である。
【００７０】
幾つかの実施形態は、熱電変換器が図５Ａ〜図５Ｃに描写された形状に替わる形状に配列された太陽電気発電機を対象とする。図６Ａに示すように、熱電変換器６１４は、ｎ型及びｐ型要素（脚部）６１４ａ、６１４ｂが２つの端部６０１を有するような経路に沿って整列されるように構成可能である。図６Ａに特に例示されているように、２つの脚部の端部６０１は、略直線的な範囲を画定する。ここでは、変換器要素は、ｐ型脚部６１４ａとｎ型脚部６１４ｂであり、各脚部は、長手（ここでは軸とも呼ぶ）方向を特徴とするが、湾曲形状などその他の脚部形状も利用可能である。本例では、ｐ型及びｎ型の脚部は、夫々の軸方向が互いに略平行な状態で共通の平面に配置される。より一般的には、このような軸方向を有する脚部は、互いにある角度で共通の平面に配置され、その角度としては、０°（即ち、平行）〜約１８０°未満、又は約４５°〜約１８０°、又は約９０°〜約１８０°に及ぶ。その他の実施形態では、３つ以上の脚部を異なる相対角度で結合可能である。図６Ａでは、脚部６１４ａ、６１４ｂは直線状に整列している。特に、脚部６１４ａ、６１４ｂは、垂直に向くように設置された図５Ａ〜図５Ｃに示す脚部に対して水平方向に配置することが出来る。このような構成により、多くの潜在的な利点がもたらされる。例えば、水平に向くように設置された脚部は、垂直に向くようにに配置された脚部と比較して、熱電変換器用のデバイスハウジング全体がより低い高さの外形を有することが出来るため、より強固な機械的構造が可能となる。上記のより低い外形形状は、太陽光発電機用フラットパネル形状の形成、及び／又は、本書に論じられるように、このような実施形態が更に真空環境を利用する場合にカプセル化の体積をより小さくするのに役立ち得る。
【００７１】
図６Ａに描写されるように、要素６１４ａ、６１４ｂは、熱電変換器６１４の両端部６０１間に位置する接合部６１７を共有している。ここで示す実施形態に関して、接合部６１７は、捕捉構造体として機能する集熱器６１６を含むが、当該接合部は、要素６１４ａ、６１４ｂ間を熱的且つ／又は電気的に結合するためのその他のタイプの要素を含むことも出来る。或いは、ｐ型及びｎ型要素６１４ａ、６１４ｂは、互いに物理的に接触して接合部を形成することが出来る。１つ以上の放射収集器を使用し、入射放射を収集且つ捕捉し、接合部を加熱するように集められた放射を熱電変換器に向かわせることが出来る。図６Ａの特定の場合に関して、レンズ６１１は、集められた太陽放射を集熱器６１６に向かわせ、集熱器６１６で発熱させることが出来る。集熱器６１６は接合部６１７と熱的に結合しているため、集熱器６１６は内部で発生した熱（又はその熱の少なくとも一部）を接合部に伝達し、このようにして接合部６１７を昇温させる。また、集熱器６１６は、本書において他の実施形態に関して記述するように、低放射率ではあるが太陽放射吸収器でもよい。このような集熱器の材料の一例としては、１層以上のカーボングラファイト層がある。更に、構造体６１２、６１３は、熱拡散器として機能し、要素６１４ａ、６１４ｂの結合端部をより低温に維持することが出来、熱電変換器６１４の発電を可能にする。
【００７２】
当然のことながら、捕捉構造体として様々な形状を採用することが出来、捕捉構造体は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、熱エネルギーを接合部に向かわせるための集熱器として機能することが出来る。幾つかの実施形態では、熱エネルギーが向かう接合部に対して相対的に大きな捕捉面を有する捕捉構造体を利用すると有利である可能性がある。図６Ｃは、太陽放射への露出によって熱伝導要素６３０に発生した熱を接合部６４０に伝達する熱電変換器６５０の接合部６４０に熱的に結合可能な熱伝導要素６３０としての捕捉構造体の一例を概略的に示す。熱伝導要素６３０は、太陽放射への露出に反応して発熱可能な放射捕捉部６３２を有するマッシュルーム形状を有する。その他の形状も利用可能である。接合部６４０に熱結合するように構成された熱伝導脚部６３４は、放射捕捉部６３２と接合部６４０間の熱路を提供する。接合面積よりも大きな太陽放射捕捉用捕捉面積を有する捕捉構造体のその他の例を採用することも出来る。
【００７３】
図６Ａに示すデバイス６１０は１つの熱電変換器を利用しているが、当然のことながら、その他の実施形態が複数の熱電変換器を利用することは可能である。そのような構成の一例は図６Ｂに示され、太陽光発電機６２０の２つの熱電変換器６１４、６１５を描写している。変換器６１４、６１５の夫々は、ｐ型脚部６１４ａ、６１５ｂ及びｎ型脚部６１４ｂ、６１５ａを有することが出来、対応するｐ及びｎ型脚部は熱的及び電気的に結合される。変換器６１４、６１５は熱導体６１６を含む共通の接合部６１８を共有する。本実施形態では、２つの変換器のｐ型及びｎ型脚部は、実質的に共通の平面に配置される。接合部６１８は、変換器６１５、６１４の端部６０２と６０３の間に位置する。集光器６１１は、太陽放射を熱導体、従って接合部６１８から変換器脚部６１４ａ、６１４ｂ、６１５ａ、６１５ｂの熱端部、即ち、変換器６１４、６１５の高温側端部に向かわせる。本例では、集光器は、収束光学レンズの主軸ＰＡが、ｐ型及びｎ型熱電脚部が配置される共通平面に略平行になるように熱電変換器６１５、６１４に対して位置決めされた収束光学レンズからなる。変換器６１４、６１５を積層して水平に置くことによって、外形が低く、より機械的に強固な太陽光発電機を設計しやすくなる。
【００７４】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに描写された様々な要素に関して、このような要素は、本発明の様々なその他の実施形態に関して記述されたような要素に関連するいずれの特徴又は変形も含み得る。従って、フラットパネル構成にデバイスを構成し、隔離（例えば、真空）環境にデバイス又はデバイスの一部をカプセル化し、且つ熱電変換器を空間的に分布する１つ以上の低放射率表面の使用は、例えば任意の組み合わせで実施可能である。
【００７５】
更に、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃに示す実施形態は、太陽光発電機の性能を向上させるための更なるコンポーネントを利用することが出来る。例えば、図６Ａに示すように、幾つかの実施形態では、太陽光トラッキング装置６６０が含まれ、１つ以上の太陽集光器要素６１１上に入射太陽放射を保持することが出来る。通常、太陽トラッキング装置は、太陽集光器６１１の１つ以上の要素を太陽の動きを追跡するように動かすための機構６６５を含み、太陽光捕捉の強化に役立てることが出来る。或いは、太陽光トラッキング装置は、太陽集光器を使用しないシステムにも使用可能である。このような場合、熱電モジュールは太陽光捕捉面を含むことが出来、トラッキング装置が、入射太陽放射の捕捉面への衝突を維持するように捕捉面を移動可能である。本書に論じられる実施形態の幾つかはトラッキングデバイスが無い状態で使用されるよう構成可能であるが、当然のことながら、太陽光トラッキングデバイスは、一般的に、明らかに禁止しない限り、本書に開示された任意の実施形態と併用して使用することが出来る。
【００７６】
本発明の他の実施形態は、１つ以上の太陽光捕捉構造体を加熱するように複数の領域で太陽放射を集めることが可能な複数の太陽光集光器を利用する太陽光発電機を対象とする。幾つかの実施形態は、図７に例示されたような複数の反射太陽光集光器を利用する。図示のように、複数の太陽光集光器７１０、７２０は、複数のトラフ７１１、７２１を形成するように構成された一組の鏡面７１３、７１５、７２３、７２５として具体化される。分離した熱電モジュール７１７、７２７は、トラフ７１１、７２１内に設置可能である。鏡面７１３、７１５、７２３、７２５は、太陽放射が各熱電モジュール７１７、７２７の捕捉面に衝突するように太陽放射をトラフ７１１、７２１内に反射可能である。この熱電変換器及び集光器の配置は、図に示した範囲を超えて拡張可能である。この場合、太陽光集光器７１０、７２０の２つの傾斜反射面７１５、７２３は、互いに対向しているが、熱電変換器７１７の放射捕捉面上に光エネルギーを集中させる。同様に、その他の熱電変換器の多くは、２つの集光器の２つの対向する反射面からの放射の反射によって、集められた太陽放射を受けることが出来る。このような構成を使用して、低レベルの太陽放射集光（例えば、入射太陽放射の１倍より大きく約４倍までの太陽束）を行うことが出来る。太陽と地球は相対移動するため、太陽光集光器は、相当量の太陽放射を絶えずトラフに集光可能であるように構成される。従って、これらの実施形態を使用する場合、太陽光トラッカーの使用を避けることが出来るが、その他の実施形態ではこのようなトラッカーが利用されてもよい。別の実施形態では、図７のＶ字型集光器を補助的な集光器として利用可能であり、太陽トラッキングデバイスを有する大型の太陽集光器を使用してＶ字型集光器上に太陽放射を投光する。更に、Ｖ字型の集光器は、バリア構造体によって包囲された隔離環境に嵌合するように縮小可能である。
【００７７】
図７に示す複数の熱電モジュールは、夫々真空環境に封入されたフラットパネルデバイスとして具体化される。当然のことながら、本書に開示される任意のデバイス又はデバイスの特徴を含むその他のモジュール構成を代わりに利用することが出来る。幾つかの実施形態では、モジュールには、上記の太陽光集光器が生成可能な太陽束にふさわしいもの（例えば、集光角によって入射太陽放射値の１〜約４倍の太陽放射束を使用して動作するモジュール）を選ぶことが出来る。また、当然のことながら、図７は２次元配置を描いているが、トラフは、各トラフをもっと窪ませて太陽電気モジュールの３次元分布を可能にする３次元配置で具体化されることも出来る。
【００７８】
複数の太陽光集光器を利用する太陽光発電機の他の実施形態は、異なる配置の異なる種類の太陽光集光器を使用して構成可能である。例えば、太陽光発電機８１０が図８Ａの斜視図及び８Ｂの部分断面図に描かれている。複数のレンズ構造体８２５として具体化される太陽光集光器のアセンブリ８２０は、入射太陽放射を捕捉するように機能する。各レンズ構造体８２５は、太陽放射を集めて熱電モジュール８３０に向かわせ、各レンズ構造体８２５に各モジュール８３０が与えられる。各モジュール８３０は、本出願に記述された任意の構成を含むあらゆる構成で具体化され得る。図８Ｂに描かれているように、各モジュール８３０は、図６Ａ及び図６Ｂに示すような水平に置かれた一組の熱電変換器として構成可能である。従って、レンズ構造体８２５は、モジュール８３０の対応する接合部上に太陽放射を向かわせるように構成可能である。モジュール８３０は、バッキング構造体８４０に結合可能であり、バッキング構造体８４０は、任意で、変換器の端部８３１を高温側端部８３２よりも低温に維持するヒートシンクとして構成可能である。図７に例示された実施形態のように、多数のレンズ構造体８２５を使用することによって、特定の場所に太陽放射を向かわせることが出来、太陽光トラッキングデバイスの必要性を軽減する可能性がある。
【００７９】
図７及び図８は複数の集光器を複数の熱電モジュールとともに使用する幾つかの例示的な実施形態を例示しているが、当然のことながら、集光器は、１つの熱電モジュールと共に使用されるようにも構成可能である。このような構成の一例を図９に示す。レンズ構造体９２０として例示される一組の太陽光集光器は、熱電モジュール９１０上に入射太陽放射を捕捉して集光するように使用することが出来、熱電モジュール９１０は、集光された太陽放射から電気を生成するように使用することが出来る。このようなモジュールは、図１に描かれたモジュールに関して記述された特徴（例えば、低放射率表面、フラットパネル形状、及び／又は真空環境）を幾つでも含むことが出来る。図９に描かれた特定の構成に関して、モジュール９１０は、捕捉構造体９１３に対して離間したｐ型脚部及びｎ型脚部９１５の集合体９１６を含むことが出来る。各レンズ構造体９２０は、捕捉構造の太陽集光面の一部９１１上に集光された太陽放射を向かわせるように構成可能であり、前記一部は脚部９１５の集合体９１６の近接位置に対応可能である。当然のことながら、本発明の実施形態に一致する図９に描かれたシステムの設計の変形を（図７及び図８の場合のように）採用可能である。例えば、太陽光集光器の異なる構成（例えば、適切に構成された反射面を有する）をレンズ構造体の代わりに採用出来る可能性がある。１つの集光器を図９に示すモジュールに対して使用することも出来る。このような場合、デバイスがトラッキングを利用していなければ、焦点／集光スポットは太陽を追跡するように移動可能である。前記一組に１つの熱電ユニットは、サイズが縮小されるために、より高い効率、従ってより低い放射損失を提供することが出来る。
【００８０】
図７〜図９に描かれた実施形態は、太陽集光器を有する様々な熱電モジュール構成の使用を示しているが、その他のモジュールデザインも可能である。代わりとなる別のモジュール設計及びその使用方法が図１０Ａ及び図１０Ｂに描かれている。図１０Ａに示すように、太陽光集光器１０１０は、フレネルレンズ又はその他の種類の回折要素として具体化され得るが、熱拡散器１０３０に熱的に結合され得る（又はより一般的には支持構造体に結合される）熱電モジュール１０２０上に集光された太陽放射を集めるように使用される。その他の種類の太陽光集光器の候補は、１つ以上のレンズ要素、反射要素、及び／又は回折要素の使用を含む。幾つかの実施形態では、熱電モジュール１０２０は、熱拡散器１０３０に取り外し可能に結合（例えば、機械的、熱的、且つ／又は電気的に）可能である。従って、モジュール１０２０は、このようなシステムのメンテナンス性を向上させるために熱拡散器と容易に取り換え可能である。
【００８１】
熱電モジュール１０２０のより詳細な図を図１０Ａの吹き出し１０２５内に示す。モジュール１０２０は、モジュール１０２０を隔離環境に封入するバリア構造体１０２１（この場合は電球状の構造体）を含み得る。隔離環境としては、大気圧に対する真空環境が挙げられ、或いは環境大気に対して低熱伝導率の雰囲気からなってよい。例としては、不活性ガス等の低熱容量を有するガスを使用することが挙げられる。バリア構造体１０２１に断熱材料を組み込み、熱電モジュールの高温端部からの熱損失を減少することも出来る。前記バリアは、太陽放射に対して少なくとも部分的に透過になるように構成されることが出来、当該バリアは、図１のカプセル化に関して記述された特徴を幾つでも含むことが出来る。図１０Ａに示す特定の構成に関して、バリア構造体１０２１は、電球状の筐体の少なくとも一部を形成するが、その他の幾何学的構成も考えられる。バリア構造体１０２１は、任意で、レンズ構造体１０２６を含むことが出来、レンズ構造体１０２６は、更に、バリア構造体１０２１に衝突する太陽放射を方向付け及び／又は集光可能である。筐体内では、放射捕捉構造体１０２３を熱電変換器の脚部１０２２に結合可能である。バリア構造体１０２１に衝突する太陽放射は、捕捉構造体に導かれ、発熱し、脚部１０２２の一端を比較的高温に維持することが出来る。変換器の脚部１０２２によって生成された電気は、電極１０２４を介して電気負荷に結合可能である。
【００８２】
図１０Ａに例示されたバリア構造体を使用する熱電モジュールは、多くの利点を提供することが出来る。当該モジュールは、体積を減少させる（例えば、より大きなフラットパネル形状の体積に対して）ようにコンパクトに構成され、真空環境の維持を容易にすることが出来る。太陽集光器（例えば、高い集光度、例えば、入射太陽放射の約１０倍超の集光度を与える太陽集光器）の使用によって、集熱のためのより小さな捕捉構造体の使用が可能になり、より小さな体積の使用が可能になる。上述のように、このようなコンパクトな構造としては、実際、モジュールが可能であり、当該モジュールの取り替えが容易になる。この態様は、多数のモジュールを含む構成において特に有利である。例えば、図８Ａ及び図８Ｂに描かれたシステムは、モジュール８３０の代わりに図１０Ａのカプセル化されたモジュール１０２０を利用することが出来る。これによって、１つのモジュールが壊れた場合のメンテナンスが容易になる。しかし、当然のことながら、図８Ａ及び図８Ｂのモジュール８３０をカプセル化された取り換え可能なモジュール構成に含むことも出来る。
【００８３】
当業者に明らかな変形例を含め、図１０Ａに示す実施形態の範囲を超えて様々な他の構成が考えられる。例えば、フレネルレンズ集光器は、図１０Ａに描かれた平らな構造体１０１０として、又は図１０Ｂに示す曲面１０１５を有する構造体として構成可能である。更に、その他の種類の回折要素など、フレネルレンズ以外の他の種類の集光器を使用することが出来る。図１０Ｃに示すように、太陽光電気デバイス１０６０は、図５Ｂに関して記述され示されたものと類似の、熱電モジュール１０２０に太陽放射を導く太陽集光器として２つの反射器１０４０、１０５０を利用することが出来る。熱拡散器１０７０は、ヒートシンクを提供するように周囲に熱的に繋がっている。更に、カプセル化された設計は、本書で論じられるように、太陽トラッカーを利用して、カプセル化された構造体の一部上に太陽放射を維持することが出来る。このような設計によって、カプセル化された構造体上で特定のレベルの集光太陽放射（例えば、入射太陽放射の少なくとも１０倍）を維持するのが容易になる。これらの変形等は全て本開示の範囲内である。
【００８４】
本書に論じられる様々な太陽光電気実施形態とともに使用するための別のモジュール化構成が図１１に描かれている。太陽放射を方向付け且つ集光する際に使用するための太陽集光器は、反射要素１１４０（例えば、放物面ミラー）を含むことが出来る。他の光学要素１１３０（例えば、収束レンズ）を使用して、入射太陽放射を反射要素１１４０の方へ導くことも可能である。反射要素１１４０は、同様に、熱電モジュール１１１０に入射する太陽放射を集光且つ方向付けすることが出来る。モジュール１１１０は、任意で筐体１１２０に封入されて大気圧に対する真空環境を提供することが出来るが、太陽放射を吸収するための１つ以上の表面を含み得る放射捕捉構造体１１３０を含むことが出来る。捕捉構造体は太陽放射へ露出されると発熱することが出来る。捕捉構造体は、反射要素１１４０によって反射される太陽放射の一部を受光するように構成可能な１つ以上の突起要素１１３５を含むことが出来、更に、太陽放射スペクトルの少なくとも一部を吸収することによって発熱するように構成可能である。例えば、図１１に描かれているように、突起要素１１３５は、捕捉構造体１１３０の平面１１３３に対して略垂直である。従って、放物面ミラーは、平面にのみ光を導くように構成される必要はなく、突起表面上に光を導くことも出来る。このような設計は、太陽光集光器の設計要件に柔軟性を与えることが出来、また捕捉構造体の発熱容量を増加することが出来るため、有利になり得る。突起要素によって、捕捉構造体が多くの角度及び方向（例えば、１つの平面では捕捉出来ない方向を含む）からの太陽放射を吸収可能になる。変換器の一端を捕捉構造体に熱的に結合し、且つ他端を熱拡散器１１５０に結合した状態で、１つ以上の熱電変換器１１６０を捕捉構造体１１３０に結合可能である。突起要素は、本出願で開示されたいずれかの捕捉構造体に従って構成及び設計可能である（例えば、金属、又は赤外光に対して高い選択的太陽吸収率及び／又は低放射率を有するその他の材料）。更に、突起要素を有するモジュールの設計は、図１０Ａ〜図１０Ｃに関して論じられた取り外し可能に結合可能なモジュールでもよい。
【００８５】
以下の例は、本発明の幾つかの実施形態を説明するために提供される。本例は、利用されるある特定の実施形態（単数又は複数）の範囲を限定することを目的とせず、また本発明の教示による熱電発電機の最適性能を示すことを必ずしも目的としていない。
【００８６】
図１３Ａは、熱電発電機のプロトタイプ、及びその性能を説明する。図１３Ａは、当該プロトタイプの概略図である。当該発電機は、一対のｐ型及びｎ型の市販の熱電要素からなる。この熱電要素は１ｍｍ以下の厚さを有するものを利用する。脚部の厚さとしては、２０ミクロン乃至５ｍｍが可能である。銅製の選択的吸収器が脚部の上部に取付けられ、電気的に相互接続するように機能する。実験装置が真空チャンバ内で試験される。照度１０００Ｗ／ｍ２未満の前記一組の脚部からの出力を図１３Ｂに示し、効率を図１３Ｃに示す。このプロトタイプは、平行版を使用せず、吸収器の背面の反射率を増加することを目的とはしなかった。これらの手段を講じることによって、本出願に開示されたものの中で、より高い効率を達成する可能性がある。
【００８７】
図１４Ａは、本発明の太陽熱電エネルギーと温水熱をコジェネレーションする場合に使用される太陽熱熱電（ＳＴＴＥ）変換器１４００の一実施形態を説明する。太陽放射は、ＳＴＴＥ変換器の例えば図１に示す放射捕捉構造体１２等の太陽光吸収器１４０２の選択的表面１４０１上に入射する。選択的表面は、太陽放射を吸収するが、熱放射をほとんど放射せず、太陽光吸収器が設計温度、例えば、１５０℃〜３００℃、又は３００℃〜５００℃の範囲まで昇温出来るようになる。熱電変換器１４１３は、ＳＴＴＥ変換器の冷温側１４１１の水又はその他の流体を運搬するパイプ又はプレート等の一組の導管１４１０から、ＳＴＴＥ変換器の高温側１４１２の太陽光吸収器１４０２を分離する。変換器１４１３は真空空間１４１４内に位置する。
【００８８】
図１４Ｂ、１４Ｃ、及び１４Ｄは、ＳＴＴＥ変換器システム１４００に使用可能な模範的な流体導管を図解する。具体的には、これらの図面は、熱電変換器を欠いているが熱電デバイスとともに使用可能である従来技術の太陽熱システムに使用される導管を図解しており、前記導管が、単なる流体運搬管ではなく、本来それらの上部にあるべき熱電デバイスを包含する。具体的には、従来技術の導管の吸収器材料は、本来、熱電デバイスの底面基板が熱運搬流体導管に熱的に連結されている図１に示すデバイス等の熱電デバイスによって置き換えられる。なお、導管及び外部ガラス管は円形である必要はなく、他の形状でもよい。例えば、図１４Ｂは、真空チャンバ１４２２を囲むガラス管ハウジング１４２０と、チャンバ１４２２内に位置する任意の熱吸収体１４２６（システム１４００では含まれなくてもよい）によって覆われた流体運搬ヒートパイプ１４２４と、ヒートパイプ端部の任意のコンデンサ１４２８とを含む真空管１４１０を図解する。図１４Ｃは、外部ガラス管ハウジング１４２０内の流体運搬内側管又はパイプ１４２４を含むハウジング１４３０内の導管１４１０の配列の一例を図解する。管１４２０、１４２０は太陽放射を受光しないのでガラス製である必要はないが、金属等の熱伝導材料から作られていてもよい。図１４Ｄは、地表面に対して角度をもって位置決めされ、且つ導管上方に位置する流体タンク１４３２に接続された複数の導管１４１０を図解する。
【００８９】
太陽光吸収器によって吸収された熱は一組の熱電変換器１４１３に伝達され、一組の熱電変換器１４１３で太陽光吸収器１４０２に蓄積された熱を集熱し、そこで熱から電気エネルギーへの変換が行われる。熱電変換器自体を介してＳＴＴＥ変換器の高温側１４１２からＳＴＴＥ変換器の低温側１４１１に伝達された熱は、温水加熱システム用の従来の太陽熱変換に関連する熱伝導水準に近づく。標準的な太陽光熱変換器より優れた発明的ＳＴＴＥ変換器の利益は、現在のエネルギー価格で１ワット当たり１〜２ドル未満で電力を生成する更なる太陽熱電エネルギー変換である。
【００９０】
これに対して、現在のＰＶセル価格は、設置費にもよるが、時価で１ワット当たり約４ドル〜７ドルで電力を生成する。本発明の好適な実施形態では、ＳＴＴＥ変換器の設置コストは、温水システムの設置コストと相俟って、設置コストを減少する。
【００９１】
熱エネルギー集中と太陽光エネルギー集中の組み合わせを使用して、太陽熱電変換器が最大効率に繋がる最高運転温度で機能するように調整することが出来る。最大運転温度は、使用される集光と利用可能な材料によって異なる。図２３Ａ〜図２３Ｃは、集光比によってどのように最大運転温度が変化するか、その一例を図解し、図１５は、幾つかの周知及び現在研究されている熱電変換器材料の温度の関数としてのＺＴをプロットした図である。これらすべての材料、及び現在利用可能な及び開発途中のその他の材料は、太陽コジェネレーションシステムに使用可能である。これらの材料の一例としては、ＳｉＧｅ（例えば、Ｓｉ８０Ｇｅ２０）、Ｂｉ２Ｔｅ３：Ｂｉ２Ｔｅ３−ｘＳｅｘ（ｎ型）／ＢｉｘＳｅ２−ｘＴｅ３（ｐ型）、及びＰｂＴｅ、スクッテルダイト（ＣｏＳｂ３）、Ｚｎ３Ｓｂ４、及びＡｇＰｂｍＳｂＴｅ２＋ｍ、及びＢｉ２Ｔｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３量子ドット超格子（ＱＤＳＬｓ）、ＰｂＴｅ／ＰｂＳｅＴｅ量子ドット超格子、及びＰｂＡｇＴｅがある。一般に、分節脚部（脚部に沿って分布した異なる材料を有する熱電脚部）又はカスケードデバイス（ある温度範囲で運転する各デバイスの積層体）形式の異なる材料の組み合わせを、太陽熱コジェネレーションシステムに使用することが出来る。
【００９２】
近年では、熱電材料のＺＴの改善において著しい成果が挙げられている。ほとんどの市販の熱電デバイスは、Ｂｉ２Ｔｅ３及びその最大ＺＴが約１である合金を基に形成される。ＺＴにおける一定の成果を図１５にまとめる。このような成果の中には、スクッテルダイト等の新しい材料、及び超格子等の既存の材料のナノ構造化の発見がある。半導体ナノ粒子圧縮成形体からなるナノ構造化バルク材料は、太陽熱コジェネレーション構成と互換性がある形状であり、更に、より高いＺＴを有し、経済的であるため、特に魅力的である。図１６は、ナノ構造化バルクＢｉ２Ｔｅ３合金のＺＴと市販のＢｉ２Ｔｅ３合金のＺＴの比較を示し、改善したＺＴを示している。このようなナノ構造化バルク材料は、図１７Ａに示す同材料（シリコン、ＳｉＧｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３等）のナノ粒子から圧縮成形可能であり、又は、図１７Ｂに示すように、一方の材料のナノ粒子がホストマトリクスを形成し他方の材料のナノ粒子がホストマトリクスの含有物を形成する異なる材料のナノ粒子圧縮成形体でもよい。圧縮成形は、ホットプレス又は直流電流誘起ホットプレスを使用して行ってもよい。図１８Ａは、湿式化学によって合成されたＢｉ２Ｔｅ３１８１０及びＢｉ２Ｓｅ３１８２０ナノ粒子のＴＥＭ画像を示し、図１８Ｂは、Ｂｉ２Ｔｅ３系合金のナノ粉末圧縮成形体の高解像度ＳＥＭ画像１８３０及びＴＥＭ画像１８４０を示す。ＴＥＭ画像１８４０は、Ｂｉ２Ｔｅ３系合金ナノ粉末のナノドメイン構造を証明する。
【００９３】
図１９（ａ）〜（ｅ）は、他の例としてのナノ構造化バルクＳｉＧｅの特性を示す。ナノ構造化ＳｉＧｅ合金粒子を、ボールミル技術を使用した機械的合金化によって調合する。この方法では、ボロン（Ｂ）粉末（９９．９９％、Ａｌｄｒｉｃｈ）を、ミル容器内のシリコン（Ｓｉ）（９９．９９％、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）（９９．９９％、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）塊に加える。次にそれらを一定時間挽き、平均サイズが約２０〜２００ｎｍの所望の合金化ナノ粉末を得る。機械的に調合されたナノ粉末は、次に、直流電流ホットプレス法を使用して異なる温度でプレスされ、グラファイト型で前記ナノ粉末を圧縮成形する。圧縮成形されたナノ構造化Ｓｉ８０Ｇｅ２０材料は、ランダムな配列で粒径が５〜５０ｎｍの多結晶粒によって構成され、例えば、図１９（ａ）〜図１９（ｅ）では５〜２０ｎｍであり、点線はナノ構造化ＳｉＧｅを示し、実線は、過去のＮＡＳＡのフライトで放射性同位体発電機（ＲＴＧ）として使用されたｐ型ＳｉＧｅを示す。図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、ＲＴＧサンプルの力率に匹敵する力率で、ナノ構造化ＳｉＧｅの電気輸送特性が維持され得ることを示す。しかし、ナノ構造化バルクサンプルの熱伝導率は、９００℃までの全温度範囲を通じて、ＲＴＧサンプルの熱伝導率よりもはるかに低く（図１９ｄ）、これは、ナノ構造化バルクサンプルＳｉ８０Ｇｅ２０において約１の最大ＺＴもたらす（図１９ｄ）。このような最大ＺＴ値は、スペースミッションで現在使用されているｐ型のＲＴＧのＳｉＧｅ合金の最大ＺＴ値から約１００％の改善であり、報告されている記録の最大ＺＴ値から６０％の改善である。ナノ構造化サンプルの熱伝導率の大幅な減少は、主に、ランダムナノ構造体の多数の界面でのフォノン散乱が増加したことによる。
【００９４】
太陽放射は、ＳＴＴＥ変換器の太陽光吸収器の選択的表面に入射する。選択的表面は、太陽放射を吸収するが熱放射をほとんど放出しないので、太陽光吸収器が熱を蓄積可能になる。熱電変換器要素は、ＳＴＴＥ変換器要素の冷温側の水又は油や溶融塩等の別の流体を運搬するパイプ等の一組の導管から、ＳＴＴＥ変換器要素の高温側の太陽光吸収器を分離する。
【００９５】
ＳＴＴＥ変換器の効率は、太陽光吸収器１４０２の選択的表面１４０１の性質に依存する。太陽放射は、波長約０．５μｍで最大になる。４μｍよりも長い波長は全太陽放射の１％未満を占めるに過ぎない。３００Ｋで表面から放出される放射の０．２％未満は、４μｍより短い波長を有する。太陽光吸収器の理想の選択的表面は、太陽放射の１００％を吸収し、蓄積した熱放射の０％放出するように設計される。即ち、太陽光吸収器の理想的な選択的表面は、４μｍ未満の波長で放射率１．０及び４μｍ超の波長で放射率０．０を有する。
【００９６】
市販の選択的吸収器の幾つかは、上述の要件に近い特性を有する。例えば、ＡＬＡＮＯＤ  Ｓｕｎｓｅｌｅｃｔ  Ｇｍｂｈ＆Ｃｏ．ＫＧは、遷移波長約２μｍで、太陽入射放射に対する吸収率０．９５及び選択的表面からの熱放射率０．０５の材料を提供する。熱電変換器１４１３によって分離された一組の内表面間の低放射率は、一組の熱電変換器１４１３の高温側１４１２から熱電変換器の冷温側１４１１に漏洩する熱放射を減少するために重要である。
【００９７】
太陽光吸収器は、一組の熱電変換器１４１３の一組の電気接点に接続されるべきである。銅箔基板上にパターン形成された太陽光吸収器は、高い横方向熱伝導率と、一組の熱電変換器に対する低抵抗電気接点を提供する。太陽光吸収器の選択的表面及び一組の熱電変換器１４１３の冷温側に対向する表面をコーティングする更なる金薄層、又は別の薄い金属層は、熱放射エネルギーに対する選択的表面の放射率を０．０２にまで減少することが出来る。更に、図１４Ａに示す高温側１４１２と冷温側１４１１との間の容積１４１４は真空にされて、対流による高温側から低温側への熱損失を制限する。
【００９８】
図２０Ａ〜図２０Ｃは、本発明の好適な実施形態による、現在又は将来の熱発電プラントで使用される太陽熱電エネルギー及び流体のコジェネレーションのための様々な二次元（２Ｄ）太陽光エネルギー束集中器２０１０及び三次元（３Ｄ）太陽光エネルギー束集中器２０２０を図解する。一実施形態では、熱電デバイスは、流体を加熱し、加熱した流体を使用して発電する太陽熱プラントと物理的且つ熱的に一体化している。熱電変換器は、２Ｄ及び３Ｄの太陽熱プラントと組み合わせてトッピングサイクルとして使用され、ランキン式及びスターリング式熱機関を駆動する。図２０Ａに示すヘリオスタット２０２２、図２０Ｂに示すディッシュ２０２４、及び図２０Ｃに示すトラフ２０２６等の２Ｄ及び３Ｄの太陽集光器を使用してもよい。太陽集光器のレベルにもよるが、太陽放射は選択的又は非選択的表面に収束させる。太陽光吸収面は、熱電デバイスに熱的に結合され、冷温側で遮断された熱を使用して、熱発電プラントで使用される流体を加熱し、機械的発電機関（ランキン式及びスターリング式）を駆動する。
【００９９】
図１４Ａに示す太陽光吸収器１４０２は、熱電変換器１４１３の高温側１４１２に熱的に結合される。熱電変換器１４１３の冷温側１４１１は、ランキン式又はスターリング式熱機関、又は熱機械的熱サイクルに基づく任意のポンプを駆動する導管１４１０内の流体と熱交換する。好適な実施形態では、熱機関は流体によって直接駆動される。スターリング式変換器では、流体は気体からなってもよい（液体が存在する場合、その流体は、内部に気体を含むスターリング式機関に熱を結合するためにのみ使用される）。スターリング式変換器では、太陽放射を吸収器上に集中させ、発生した熱はスターリング式機関内の気体を加熱するように伝達される。上述の熱電デバイスは、このようなスターリング式機関用のトッピングサイクルとして使用可能である。熱電デバイスの冷温側で遮断された熱は、異なる流体を介して気体に供給されるのではなく、気体に直接供給され得る。別の好適な実施形態では、熱変換器（図示せず）は、熱電変換器システム外部の媒体と熱交換し、その媒体は、例えば液体や気体であるが、熱機関を駆動するために使用される。当然のことながら、図１４Ａに図解される熱電発電機は限定ではない。本書に論じられるその他の熱電発電機の構成のいずれを使用してもよい。
【０１００】
図２１Ａは、本発明の好適な実施形態の太陽光熱電エネルギーと太陽光熱エネルギーのコジェネレーションに使用されるＳＴＴＥ変換器が密集した発電プラントで使用可能な一連のトラフコンセントレータ２０２６を図解する。真空管１４２０は、太陽光を当該管に反射させる反射トラフ２０２６を通過している。本発明の模範的な真空管の詳細は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｈｏｔｔ．ｃｏｍ／ｈｕｎｇａｒｙ／ｈｕｎｇａｒｉａｎ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｐｔｒ＿７０＿ｂｒｏｃｈｕｒｅ．ｐｄｆに掲載されており、この開示内容が参考として本明細書で援用される。上記に論じられた熱電発電機は、これらの管に熱的に結合され、好ましくは、例えば、図２２に示すように、熱電発電機の高温側に熱的に連結された吸収器とともに、以下に詳述されるように、真空管内部に位置する。
【０１０１】
前記管を通ってトラフから流出する流体は、約４００℃の温度を有する。高温の流体は、一例として、ランキン式熱機関又は蒸気サイクルを使用する発電機で電気を生成する。限定ではないが、水、油、及び溶融塩等の任意の適切な熱伝導流体を使用してよい。熱電変換器１４１３の高温側１４１２及び低温側１４１１は、一定の温度又は可変温度で動作可能である。
【０１０２】
図２２は、本発明の好適な実施形態のランキンサイクルを使用するポンプを駆動するために使用される太陽光熱電エネルギーと太陽光熱エネルギーのコジェネレーションに使用される図１４Ａに示すＳＴＴＥ変換器に類似の単独のＳＴＴＥ変換器１４００の側面図である。図２２は、発電用電気プラントに使用されるのと同じ流体を運搬するパイプ１４１０に沿って分布させた熱電変換器１４１３を示す。熱電変換器１４１３は、太陽の位置に対してパイプ１４１０の上方に形成される。熱電変換器１４１３は、パイプ１４１０を完全に又は部分的に被覆してもよい。パイプ１４１０は、扁平形状、円筒形、又はその他の合理的な幾何学的形状を有してよい。パイプ及び変換器は外殻又はハウジング１４２０内の真空に位置してよい。パイプ又はその他の導管の長さに沿って異なる熱電材料を使用し、パイプラインに沿って異なる流体温度を利用することが出来る。例えば、流体導管の入口側端部が、流体導管の出口側端部よりも高い流体と熱電変換器との間の温度差を有する。このように、流体導管の入口側端部と熱接触して使用される熱電変換器材料が、流体導管の出口側端部の熱電材料よりも、冷温側の温度をより低くする。熱電変換器１４１３は、真空レベルから大気圧にわたる圧力において効果的に動作可能であり、太陽光電気効率を２０％から２５％〜３０％に増加させる可能性がある。
【０１０３】
［平面熱電デバイスを有する管状モジュール］
図２９Ａ及び図２９Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、太陽光エネルギー生成モジュール２９００は、縦軸Ａに沿って延出する管状筐体２９０２（例えば、ガラス管）内の隔離（例えば、真空）環境内に平面熱電デバイス２９０１を含む。図示のように、管状筐体は、端部が先細りの円筒形であり、即ち、円形の断面を有する。しかし、様々な実施形態では、任意の細長い管形状を使用してもよい。幾つかの実施形態では、管は、略楕円形の断面を有する。他の実施形態では、断面は、正方形、矩形、多角形、不規則、又はその他の形状でもよい。管の１つ以上の端部は、先細り端部、先端が平滑な端部、先端が丸い端部（例えば、半球形部を含む）、又はその他の形状の端部でもよい。
【０１０４】
電気伝導リード線２９０７及び２９０８も描かれており、電気伝導リード線２９０７及び２９０８は、熱電変換器内及び／熱電変換器同士間を適切に電気結合可能であり、変換器２９０５が生成する電気エネルギーを抽出するために使用可能である。
【０１０５】
幾つかの実施形態では、熱電デバイス２９０１は、略平面構成に配置される。例えば、幾つかの実施形態では、デバイス２９０１の頂部と底部の主表面上の対応する２点間の距離は、デバイスの長さの１０％未満だけずれる。幾つかの実施形態では、デバイス２９０１は、当該デバイスの厚みの１０％未満の曲率を有する。フラットパネル形状の実施形態（上記で詳細に論じられた）に採用される熱電デバイスと同様、熱電デバイス２９０１は、頂部側（高温側）吸収器２９０３と、底部側（冷温側）支持構造体２９０４と、それらの間に配置された熱電変換器２９０５（図示のように、一組のｐ型及びｎ型脚部）を含む。幾つかの応用に関して、例えば、太陽光発電モジュール２９００を太陽光トラッキングシステム無しで使用する場合、太陽は一日及び一年を通じて空を横断するように移動するので、平面形状はより均一な加熱を示すため有利である。
【０１０６】
熱伝導要素２９０６は、支持構造体２９０４と真空筐体との間で延出し、支持構造体から真空筐体へ熱を移動させ、それによって熱電変換器２９０５の高温側と冷温側との間の温度差の維持を促進する。例えば、熱伝導要素２９０６は、支持構造体２９０４から真空筐体へ延出する金属（例えば、銅）や金属で被覆された部材などの任意の熱伝導材料を含むことが出来る。熱伝導要素２９０６は、例えば、図２９Ｂ及び図３０（Ａ）〜図３０（Ｅ）に示すように、筐体２９０２内で熱電デバイス２９０１を機械的に支持してもよい。図３０（Ｆ）に示すように、幾つかの実施形態では、熱伝導要素２９０６は、管状筐体の一部（図示のように、下半分）をほぼ充填する固形部材でもよく、流体流を許容しない。
【０１０７】
図示のように、熱伝導要素２９０６は、例えば、図２９Ｂ、図３０（Ａ）、図３０（Ｂ）、及び図３０（Ｆ）に示すように、管状筐体２９０２の一部に対して共形である湾曲部２９０６Ａを含む。「共形」とは、要素の部分が物理的に接触し、その形状を取ることを意味する。幾つかの実施形態では、熱伝導要素２９０６は、筐体２９０２の内表面上へ直接にコーティング（金属化）される部分を含むことができる。このようなコーティングは、電気的及び／又は熱的に隔離された部分を提供するように任意の適切な技術を使用して形成及び／又はパターン化され得る。ある技術は、材料層をめっき（例えば、電気めっき）又は蒸着（例えば、化学蒸着技術を使用して）し、次にリソグラフィー又はエッチング処理を使用して材料層をパターニングすることを含む。
【０１０８】
その他の実施形態では、熱伝導要素２９０６は、例えば図３０（Ｃ）、図３０（Ｄ）、及び図３０（Ｅ）に示すように、１つ以上の点又は領域で筐体に接触してもよい。例えば、１つ以上の「脚部（ｌｅｇ）」２９０６Ｂが、熱電デバイスから、筐体に接触する任意の平らな「足（ｆｏｏｔ）」部２９０６Ｃまで延出してもよい（例えば、図３０Ｄの右端の脚部及び図３０Ｅの両脚部）。足部は、筐体をコーティング又は金属化する領域を含んでもよい。脚部は何本存在してもよく、任意の適切な形状（例えば、薄い、厚い、先細り、不規則、等）を有してよい。幾つかの実施形態では、脚部は、長手軸Ａの方向に沿って延出し、それによってヒレ（ｆｉｎ）状の部材を形成してもよい。
【０１０９】
図３０（Ａ）〜図３０（Ｅ）は、模範的な熱伝導要素の形状を示す。図３０（Ａ）では、熱伝導要素２９０６は、筐体２９０２の底半分に対して共形の湾曲部を有する細長い半円筒形要素である。図３０（Ｂ）では、熱伝導要素２９０６は、熱電デバイス２９０１の一つの面に取付けられ、筐体２９０２の底半分に対して共形である湾曲部２９０６Ａを有する。図３０（Ｃ）では、熱伝導要素２９０６は、熱電デバイス２９０１から筐体２９０２に延出する３本の厚い脚部２９０６Ｂを含む。図３０（Ｄ）では、熱伝導要素２９０６は、熱電デバイス２９０１から筐体２９０２に延出する３本の薄い脚部２９０６Ｂを含む。右端の脚部は、筐体に接触する足部２９０６Ｃを含む。図３０（Ｅ）では、熱伝導要素２９０６は、熱電デバイス２９０１から筐体２９０２に延出する２本の薄い脚部２９０６Ｂを含む。脚部は全て、筐体に接触する足部２９０６Ｃを含む。
【０１１０】
幾つかの実施形態では、流体が熱伝導要素２９０６を通って、又はその近くを流れ、当該要素から熱を移動させてもよい。幾つかの実施形態では、１つ以上の熱伝導要素が筐体２９０２内の流体流導管２９０９を形成してもよい。流体流導管は、流体から高温側の頂部側吸収器２９０３を熱的及び／又は物理的に隔離するように封鎖（例えば、流体密封）してもよい。本書に記述したように、流体に伝達された熱は、発電や住宅暖房などを含む用途に合わせて流体から抽出されてよい。
【０１１１】
図３０（Ａ）〜図３０（Ｅ）は、模範的な流体流の構成を示す。図３０（Ａ）では、熱伝導要素２９０６は、細長い半円筒形の導管２９０９を形成する。図３０（Ｂ）では、熱伝導要素２９０６は、湾曲部２９０６Ａと熱電デバイス２９０１の底面とにより画定された流体流導管２９０９を形成する。図３０（Ｃ）では、２本の流体流導管２９０９は、３本の厚い脚部２９０６Ｂ内の対となる脚部間に形成される。図３０（Ｄ）では、２本の流体流導管２９０９は、３本の薄い脚部２９０６Ｂの内の対となる脚部間に形成される。図３０（Ｅ）では、１本の流体流導管２９０９が、一対の薄い脚部２９０６間に形成される。様々な実施形態において、その他の任意の流体流導管の形状が使用されてよい。一般に、導管２９０９は、熱伝導要素２９０６の一部によって部分的又は全体的に画定されてよい。その他の実施形態では、導管２９０９は、熱伝導要素２９０６及び／又は熱電デバイス２９０１の冷温側と直接的又は間接的に熱的に接触する別個の管でもよい。
【０１１２】
図３１Ａ及び図３１Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、熱伝導要素２９０６の少なくとも一部が、太陽放射を吸収器２９０３上に集光する（例えば、図３１Ａ及び図３１Ｂにおいて矢印型の光線によって示すように）１つ以上の集光要素を含んでよい。集光要素は、反射、屈折、及び／又は回折要素を含むことが出来る。
【０１１３】
図３１Ａを参照すると、熱伝導要素２９０６は、入射太陽放射を吸収器２９０３の頂面上に集光する反射側壁を有するトラフ状部３１０１を含む。トラフ状部３１０１は、平ら又は湾曲した側壁を有してよい。幾つかの実施形態では、トラフは、放物面状集光器又は複合放物面状集光器構成、又は当業者に既知のその他の任意の適切な集光器構成に形成してもよい。
【０１１４】
従って、熱伝導要素２９０６は、筐体の湾曲した内側表面に対して隣接するように位置し且つ略共形の第１の湾曲部を含む。熱伝導要素２９０６は、少なくとも１つの熱電変換器の少なくとも一側面に隣接するように位置する熱伝導要素の第２の反射部（トラフ状部３１０１の側壁）を含む集光要素を含む。これらの熱伝導要素２９０６の第１及び第２の部分は互いに直接的又は間接的に熱的に接続される。
【０１１５】
図３１Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、熱伝導要素２９０６は、筐体の湾曲した内側表面に対して隣接するように位置し且つ略共形の第１の反射湾曲部３１０２を含む。図示の形状では、支持構造体２９０４の面積が、放射吸収器２９０３の面積よりもかなり小さく（例えば、少なくとも２分の１小さい）、第１の反射湾曲部３１０２（即ち、上記例の湾曲部２９０６Ａと同様だが反射面を含む）によって反射される放射が、吸収器２９０３の背面３１０３の一部３１０５に入射し、支持構造体２９０４を越えて集光要素に当たるようにする。
【０１１６】
様々な実施形態において、熱伝導要素２９０６の反射部３１０１及び３１０２は、反射金属から作られても、反射金属層又は膜でコーティングされてもよい。
【０１１７】
図３２Ａ及び図３２Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、太陽エネルギー生成モジュール３２００は、管状筐体２９０２（例えば、ガラス管）内の隔離（例えば、真空）環境に平らな熱電デバイス２９０１を含む。図示のように、管状筐体は、端部が先細りの円筒形である。しかし、様々な実施形態において、任意の細長い管形状を使用してよい。幾つかの実施形態では、管は略円形又は楕円形の断面を有する。他の実施形態では、断面は正方形、矩形、多角形、不規則形、又はその他の形状でもよい。前記管の１以上の端部は、先細り端部、先端が平滑な端部、先端が丸い端部（例えば、半球形部を含む）、又はその他の形状の端部でもよい。
【０１１８】
熱電デバイス２９０１は、略平面構成に配置される。フラットパネル状の実施形態に採用される熱電デバイス（上記に詳述された）と同様、熱電デバイス２９０１は、頂部側（高温側）の吸収器２９０３と、底部側（冷温側）の支持構造体２９０４と、それらの間に配置される熱電変換器２９０５（図示のように、一対のｐ型及びｎ型脚部）と、を含む。
【０１１９】
ヒートパイプ３２０２等の図示の流体が充填された伝熱導管は、少なくとも部分的に真空筐体２９０２内で、支持構造体２９０４と熱接触するように位置し、支持構造体から流体へ熱を伝達するように機能する。流体は、水、又はその他の任意の適切な伝熱流体を含む。幾つかの実施形態では、ヒートパイプ３２０２は金属（例えば、銅）パイプである。他の実施形態では、ヒートパイプ３２０２は、ガラス（以下に詳述するように）、又はその他の材料から作られてもよい。実施形態によっては、支持構造体２９０４とヒートパイプ３２０２との間に、電気的には非伝導だが熱的には伝導の材料３２０４を含み、ヒートパイプ３２０２を電気的に絶縁してもよい。
【０１２０】
幾つかの実施形態では、ヒートパイプ３２０２は、筐体２９０２内で熱電デバイス２９０１を機械的に支持し、任意ではあるが、支持的熱伝導要素２９０６を省略してもよい。実施形態によっては、更に、上述した支持構造体との間で熱接触するタイプの１つ以上の熱伝導要素（図示せず）を含んでもよい。
【０１２１】
幾つかの実施形態では、真空筐体２９０２は、内側表面と、外側表面と、第１の端部３２０５Ａと、第２の端部３２０５Ｂとを有する長手軸に沿って延出する第１の細長い管を含んでもよい。流体が充填された伝熱導管、例えば、ヒートパイプ３２０２は、内側表面と外側表面とを有する第２の細長い管を含む。第２の細長い管は、少なくとも部分的に第１の細長い管の内部に配置される。第２の細長い管の端部３２０２Ａは、第１の細長い管の第１の端部３２０５Ａから第１の細長いガラス管の外部へ延出する。
【０１２２】
フラットパネル状の太陽モジュールに関して上述された方法とほぼ同じ方法で、ヒートパイプ３２０２は、熱電デバイス２９０１の冷温側支持表面２９０４のヒートシンクとして機能する。ヒートパイプ３２０２の端部３２０２Ａは、筐体２９０２の外部へ延出し、加熱用途、電気的又は機械的エネルギー生成用途、又はその他の用途に使用されるよう、流体から熱を抽出できるようにする。例えば、図示のように、筐体２９０２から延出するヒートパイプ３２０２の端部３２０２Ａは、末端に電球状復水器３２０３を有する。
【０１２３】
図３３は、熱抽出要素としての模範的なヒートパイプ３２０２の作用を図解する。支持構造体から熱を吸収することによって、又は直接パイプに衝突する入射太陽放射によってヒートパイプが加熱されると、パイプ内の液状媒体は、電球状復水器３２０３を含むパイプ端部の方へ移動する高温蒸気に変換される。電球状部内では、高温蒸気は膨張して冷たくなり、熱を電球状部周囲へ伝達する（図示のように、流体が充填されたタンク内の流体を加温する）。冷却された蒸気は、凝縮されて液体になり、電球状部を有するパイプ端部から流出し、このサイクルを繰り返す。幾つかの実施形態では、電球状復水器３２０３は、ヒートパイプ３２０２の他端よりも高い位置に置き、重力によって電球状復水器３２０３からの凝縮液体の移動を容易にする。
【０１２４】
図３４を参照すると、一実施形態において、電球状復水器３２０３は、温水パイプ又はタンク３４０１（例えば、建物の）と熱的に接触しており、電球状復水器３２０３内の流体が温水パイプ又はタンク内の水を加熱するように構成される。温水タンクは、建物内又は建物の外側に（例えば、建物の屋根に）位置してよい。図３５を参照すると、他の実施形態では、電球状復水器３２０３が省略され、筐体３２０２の外部に延出するヒートパイプ３２０２の端部３２０２Ａが建物３５０１の加熱パイプ（例えば、温水パイプ）を形成する。
【０１２５】
図３２Ａを参照すると、幾つかの実施形態では、筐体２９０２及びヒートパイプ３２０２は両方ともガラス製でよい。ヒートパイプ３２０２の端部３２０２Ａは、筐体３２０２の端部３２０５Ａの外に延出している。ガラス製ヒートパイプ３２０２が端部３２０５Ａを貫通する場合、筐体２９０２内の真空を維持する気密のガラスへのガラス封止を形成（例えば、ガラス管同士を溶融することによって）してもよい。幾つかの実施形態では、真空筐体２９０２はガラスへのガラス封止のみを使用して封止する。
【０１２６】
ガラスへのガラス封止は、図３７（以下に記述される）だけでなく、図３２Ａ、図３２Ｂ、図３４、及び図３５の構成を含む上述のいずれのデバイス構成において行われてもよい。
【０１２７】
ヒートパイプ又はその他の伝熱導管を特徴とする本書に記載の実施形態のいずれにおいても、熱電変換器（例えば、図１の参照番号１４及び図３２Ａの参照番号２９０５）を省略し、吸収器層からパイプ／導管内の流体へ直接的に熱を伝達させてもよい。更に、必要に応じて、熱電変換器を省略することに加えて、吸収器層（例えば、図１の参照番号１２及び図３２Ａの参照番号２９０３）も省略してよい。
【０１２８】
これらの実施形態では、ガラスからヒートパイプ／導管を作ることが好ましい。このように、これらの実施形態では、ヒートパイプは、伝熱流体を含む内部ガラス管からなり、内側ガラス管は外側のガラス製筐体管内に収納される。外側のガラス製筐体管と内側ガラスヒートパイプの間の空間を真空にする。図３２Ａ、図３２Ｂ、図３４、及び図３５に示すように、熱電変換機が省略される実施形態では、内側のガラス製ヒートパイプは、外側のガラス管の端部から突出し、上述のようにガラスへのガラス封止部のみが使用される。
【０１２９】
好ましくは、熱電変換器を省略する実施形態において、放射吸収器は、内側筐体表面と第２の管の外側表面の間の筐体内に存在する。上述の実施形態において、吸収器の正面は、発熱するように太陽放射に露出するように構成されており、吸収器の背面は第２の細長いガラス管に熱的に結合される。放射吸収器は、上述の実施形態に記載の平らなユニット等の、任意の適切な形状を有してよい。或いは、放射吸収器は、第２の細長いガラス管の外側面の形状に沿う湾曲した共形層又は箔を含んでもよい。共形層は、めっき、ＣＶＤ、スパッタリング等の任意の適切な蒸着法によって蒸着されてもよい。前記箔は、予め作成されて、前記管の周囲に巻き付けられてもよい。必要に応じて、放射吸収器は、第２の細長いガラス管の外側表面に直接接触してもよい。
【０１３０】
幾つかの他の実施形態では、熱伝導層又はコーティングが、ガラス製ヒートパイプの外側表面上に形成される。支持構造体及び熱電変換器を含む実施形態では、熱伝導層は、ヒートパイプと支持構造体２９０４を熱接触させる。熱電変換器と支持構造体の無い実施形態では、熱伝導層はヒートパイプと吸収器を熱接触させる。
【０１３１】
伝導材料の熱膨張率がガラスの熱膨張率とあまり一致しない場合（例えば、銅などの金属材料を使用する場合）、伝導コーティング及び吸収器の少なくとも一方は、ガラス製ヒートパイプ３２０２が熱膨張及び収縮する間の応力を緩和するように設計されてもよい。例えば、伝導コーティング及び吸収器の少なくとも一方は多数の個別の部分として形成されてもよい。
【０１３２】
様々な実施形態において、ヒートパイプ／導管は、銅パイプ、ガラスパイプ又は管（例えば上述のような）等を含む任意の適切な形状を成してもよい。パイプ／導管は、水又は油等の任意の適切な種類の伝熱流体によって充填されてもよい。加熱された流体は、住宅暖房や発電（例えば、蒸気タービン）等を含む様々な任意の用途に使用してよい。
【０１３３】
管状真空筐体内に配置された平面形状の熱電デバイスを特徴とする幾つかの実施形態を記述したが、その他の実施形態では、その他の形状を有する熱電デバイスを使用してもよい。例えば、図３６は、管状筐体２９０２内に配置された熱電デバイス２９０１が円筒形に形成された太陽光変換モジュール３６００を示す。吸収器２９０３及び支持構造体２９０４は、管状筐体２９０２の外形に沿う外側及び内側の同心的に湾曲した部材として夫々形成され、それらの間に熱電変換器２９０５が配置されている。吸収器２９０３に入射する太陽放射は外側の吸収器を加熱し、熱電変換器２９０５を介して内側の支持構造体２９０４へ温度差を形成する。幾つかの実施形態では、流体が充填された伝熱導管３６０１は、上述のように熱を取り去るように内側の支持構造体２９０４内に配置されてもよい。
【０１３４】
［外部熱電デバイスを有するヒートパイプ］
図３７を参照すると、太陽光変換モジュール３７００は、透明な真空管状筐体３７０１を含む。当該筐体は、少なくとも部分的に液体３７０３が充填された内部管３７０２を包含する。内部管の外側表面の少なくとも一部は、例えば、本書に記述された様々な吸収器の性質を有する吸収器層３７０４によって被覆される。吸収器層３７０４に入射する太陽放射は、内部管３７０２内の液体３７０３を加熱し、高温蒸気３７０５を形成し、高温蒸気３７０５は内部管３７０２の端部３７０２Ａに移動する。内部管３７０２の端部は熱電デバイス３７０６の高温側と熱接触してもよい。デバイス３７０６は、必要に応じて省略されてもよい。高温蒸気３７０５からの熱は、熱電デバイス３７０６の高温側に伝達されて、電力を生成するのに必要な温度勾配をもたらす。幾つかの実施形態では、熱電デバイス３７０６の冷温側は、デバイスの冷温側から熱を取り除く伝熱流体が充填された導管３７０７等のヒートシンクに熱接触してもよい。上述したように、流体に伝達される（又はデバイス３７０６から取り除かれる）熱は、例えば、加熱や発電などのために使用され得る。
【０１３５】
［変換性能］
図２４は、集光を用いないシステム用の温水システムを組み合わせた太陽光熱電発電機のモデリング結果の一例を示す。左側縦軸は発電効率を示し、右側縦軸は水の加熱効率を示す。これら効率の値は、温水温度、及び選択的吸収器の放射率、及びその他の性質に依存する。低（熱）放射率の表面を有すると、より高い効率に達することが出来る。例えば、０．０３及び０．０５の放射率値に関して、１〜１．５のＺＴ値に対して約４〜６％の発電効率及び約５０％〜約６０％の水加熱効率が達成可能である。図２５は、トラフ型太陽熱プラントにおいてパイプを流れる流体が受ける温度変化と同様の５０℃〜４００℃の間で変化する冷温側温度を組み合わせた太陽光熱電発電機のモデリング結果の一例を示す。例えば、上述の冷温側温度に関して、１〜１．５のＺＴ値に対して約３％〜約１０％の電気効率値及び約４５％〜約５５％の加熱効率値が達成可能である。ＺＴ値及びその他のパラメータにもよるが、熱電発電機は、更に３％〜１０％の電気を発電し、残りの熱を使って機械ベースの電力変換サイクルを駆動することが出来る。当然のことながら、これらは単に一例であって、各用途に関して、当該システムの最適化を実現し、発電の効率及びコストにおいて最大利得を実現することが出来る。
【０１３６】
本発明は、その特定の実施形態に関して記述されているが、当然のことながら、更に修正することが出来る。更に、本出願は、本発明が関連する技術分野において既知又は慣習的な方法の範囲内であり、且つ添付の請求項の範囲内にあるような本開示からの出発を含め、本発明のあらゆる変形、使用方法、又は適用方法を含むことを意図している。各実施形態の各特徴は、同一の実施形態及び／又は１つ以上の他の実施形態からの任意の１つ以上の特徴との任意の組み合わせによって使用してもよい。
【０１３７】
本明細書で言及した出版物、特許、及び特許出願の全ては、各出版物、特許、又は特許出願が参考として援用されるように具体的且つ個々に指示されたのと同じように参考として本明細書で援用される。
【０１３８】
２００８年５月２０日に出願された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００６４４１の開示内容全体が参考として本明細書で援用される。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【国際調査報告】
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