ИЗЛУЧАЮЩАЯ МИКРОЩЕЛЕВАЯ ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ПРОЗРАЧНЫМ ЭМИТТЕРОМ
EMITTING MICRO-SLIT THERMOPHOTOVOLTAIC SYSTEM WITH TRANSPARENT EMITTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Тематически изобретение относится к преобразованию энергии и, в частности, к излучающим термофотоэлектрическим модулям с микронным зазором, оснащенными приложением, регулирующим давление, для поддержания микронного зазора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Технологические разработки направлены на то, чтобы усовершенствовать все аспекты использования и производства энергии. Очевидны преимущества от суперэффективных технологий и разработок для производства электроэнергии. С этой целью разработана суперэффективная технология по преобразованию тепловой энергии в электроэнергию. Например, способ и устройство микронного зазора при наличии субмикронного зазора для термофотоэлектрической крупномасштабной системы раскрыты в патенте США №8791357, выданном 29 июля 2014 года Брауну и др. Технология, ставшая предметом рассмотрения патента США №8791357, представляет собой систему преобразования энергии, использующую усиление передачи энергии в ближней зоне термофотоэлектрических ячеек (PV) посредством передачи энергии проводимостью от нагретого корпуса эмиттеру при прямом физическом контакте между эмиттером и корпусом посредством материала, применяемым в качестве теплового интерфейса. Дополнительные примеры использования усиления передачи энергии в ближней зоне термофотоэлектрических (PV) ячеек раскрыты в патенте США №6 232 546, выданном 15 мая 2001 г. ДиМаттео и др., и в патентной заявке США PGPUB №.2009/0277488, поданной 12 ноября 2009 г. Гриффом и др. В настоящее время по этой заявке выдан патент США №8076569.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Тематически данная технология широко применима к различным системам преобразования энергии, таким как термоэлектрические системы или системы аккумулирования энергии с использованием квантовых точек, термоэлектронная эмиссия, преобразование ширины запрещенной дальней энергетической зоны, фотоэлектрическое преобразование энергии и другие виды преобразований энергии, известные сейчас и разработанные позже. Хотя в качестве иллюстрации ниже речь идет о термофотоэлектрическом преобразовании энергии, специалист в данной области техники оценит широкие возможности по применению данной технологии. Преимуществом данной технологии является возможность использования и производства энергии с применением твердотельной системы. Твердотельная система включает эмиттер, расположенный на определенном расстоянии от фотоэлектрического элемента. Излучаемая энергия, передаваемая от корпуса к эмиттеру, преобразуется в электрическую энергию.
[0004] Для одного варианта реализации изобретения, предлагаемая технология применяется для узла термофотоэлектрической панели, содержащей теплоотвод. По крайней мере, один термофотоэлектрический модуль крепится к теплоотводу. Каждый термофотоэлектрический модуль содержит узел эмиттера, фотоэлектрический узел, отделенный от узла эмиттера зазором, и крепежный элемент, служащий для поддержания постоянного зазора. Предпочтительно, чтобы зазор представлял собой субмикронный зазор. Эмиттер может крепиться к теплоотводу или же слой, применяемый для прикладывания усилия, который установлен на эмиттере, соединяется с теплоотводом. Базовая подложка, находящаяся между фотоэлектрическим узлом и теплоотводом, также может соединяться со слоем, служащим для прикладывания усилия. Базовая подложка может выбираться с учетом ее высокой теплопроводности. Кроме того, базовую подложку можно обрабатывать или добавлять в нее слои для улучшения теплопроводящих свойств. Узел термофотоэлектрической панели может также содержать корпус, внутренняя поверхность которого оказывает определяющее влияние на внутренность, где теплоотвод консольно закреплен во внутреннем пространстве, что приводит к формированию пространства между по, меньшей мере, одним термофотоэлектрическим модулем и внутренней поверхностью. В корпусе, как правило, поддерживается вакуум и, в свою очередь, вакуумируется зазор. Типичный уровень вакуума составляет от 0,1 до 10 миллиторр. Теплоотвод может быть монолитным или состоять из нескольких частей для формирования проходов, служащих для протекания прокачиваемого через них охлаждающего флюида. По меньшей мере, одна распорка, обычно несколько, установлена на фотоэлектрическом элементе и/или на эмиттере для поддержания нужного зазора.
[0005] Для другого варианта реализации предлагаемой технологии узел термофотоэлектрической панели содержит корпус, внутренняя поверхность которого формирует внутреннюю часть, содержащую теплоотвод. Один или большее число термофотоэлектрических модулей соединяются с теплоотводом. Во внутренней части корпуса имеется пространство между фотоэлектрическим (и) модулем (и) и внутренней поверхностью, таким образом, энергия, излучаемая корпусом и/или поступающая в корпус направляется на термофотоэлектрический (ие) модуль (и) и, термофотоэлектрический (ие) модуль (и) абсорбирует энергию и, в свою очередь, излучает ее через зазор для преобразования в электричество. В одном варианте реализации изобретения теплоотвод может быть консольно закреплен в корпусе. В качестве альтернативы один или несколько теплоизолирующих элементов могут окружать или устанавливаться на теплоотводе, чтобы предотвратить контакт между термофотоэлектрическим модулем и теплоотводом.
[0006] Еще один вариант реализации рассматриваемой технологии содержит узел термофотоэлектрической панели, содержащий корпус, имеющий внутреннюю поверхность, образующую внутреннюю часть, которая содержит теплоотвод. Один или несколько термофотоэлектрических модулей соединяются с теплоотводом. Внутренняя поверхность содержит пространство между термофотоэлектрическим модулем (модулями) и внутренней поверхностью, так что энергия, излучаемая корпусом и/или поступающая в корпус, излучается в термофотоэлектрический (ие) модуль (модули) и, в свою очередь, термофотоэлектрический (ие) модуль (модули) абсорбирует энергию для выработки электроэнергии. Термофотоэлектрический модуль (и) могут содержать узел эмиттера, фотоэлектрический узел отделяется зазором от эмиттера, а сам зазор поддерживается с помощью крепежного средства, создающего усилие. Для улучшения теплопроводности и/или для структурной поддержки, между фотоэлектрическим узлом и теплоотводом может располагаться базовая подложка.
[0007] Еще один вариант реализации предлагаемой технологии состоит в формировании узла термофотоэлектрической панели с зазором, которая содержит теплоотвод и, по меньшей мере, один термофотоэлектрический модуль, установленный на теплоотводе. Термофотоэлектрический модуль содержит фотоэлектрический элемент, отделенный от узла эмиттера микронным зазором. Узел эмиттера содержит эмиттер и создает усилие для фотоэлектрического элемента в целях поддержания микронного зазора. Предпочтительно, эмиттер прикручен, привинчен и/или прижат к теплоотводу. Узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором может также использовать слой, служащий для создания усилия, смонтированный на эмиттере и прикрепленный болтами к теплоотводу. Слой, служащий для создания усилия, может быть объединен с эмиттером или служить эмиттером.
[0008] Корпус может использоваться для защиты и передачи энергии эмиттеру. Теплоотвод может быть консольно закреплен в корпусе для формирования пространства между, по, меньшей мере, одним термофотоэлектрическим модулем и внутренней поверхностью. Предпочтительно, в корпусе поддерживается вакуум и, в свою очередь, вакуумируется микронный зазор. Теплоотвод может быть монолитным и охлаждаться прокачиваемым через него флюидом. По меньшей мере, одна распорка может находиться между фотоэлектрическим элементом и элементом эмиттера для поддержания микронного зазора. Термофотоэлектрический модуль может содержать слой термического интерфейса, находящийся между фотоэлектрическим элементом и теплоотводом.
[0009] Другой вариант реализации предлагаемой технологии связан с формированием узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором, который содержит корпус, имеющий внутреннюю поверхность, определяющую его внутреннюю часть. Теплоотвод консольно закреплен во внутренней части корпуса. По крайней мере, один термофотоэлектрический модуль крепится на теплоотводе. По меньшей мере, один термофотоэлектрический модуль содержит фотоэлектрический элемент, отделенный от эмиттера микронным зазором. Во внутренней части корпуса имеется пространство между, по крайней мере, одним термофотоэлектрическим модулем и внутренней поверхностью, благодаря чему поступающая в корпус энергия излучается в сторону эмиттера. В результате эмиттер поглощает энергию через микронный зазор для преобразования в электричество с помощью фотоэлектрического элемента. Эмиттер может также создавать усилие по отношению к фотоэлектрическому элементу для поддержания микронного зазора. Например, эмиттер прикрепляется болтами к теплоотводу. В качестве альтернативы, слой, создающий усилие, устанавливается на эмиттер и крепится болтами к теплоотводу.
[0010] Еще один вариант реализации предлагаемой технологии связан с формированием узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором, который содержит корпус, имеющий внутреннюю поверхность, определяющую его внутреннюю часть. Теплоотвод консольно закреплен во внутренней части корпуса. По крайней мере, один термофотоэлектрический модуль крепится на теплоотводе. По меньшей мере, один термофотоэлектрический модуль содержит фотоэлектрический элемент, отделенный от эмиттера микронным зазором. Внутренняя часть включает пространство между, по меньшей мере, одним термофотоэлектрическим модулем и внутренней поверхностью, таким образом, поступающая в корпус энергия, излучается в сторону эмиттера. В результате эмиттер абсорбирует энергию, чтобы тем самым излучать энергию через микронный зазор для преобразования в электричество с помощью фотоэлектрического элемента.
[0011] Следует принять во внимание, что альтернативная схема преобразования энергии может принести выгоду при использовании, полностью или частично, предлагаемой технологии. Например, без ограничения, данную технологию могут применять термоэлектрическая система или система аккумулирования энергии с использованием квантовых точек. Следует учесть, что данная технология может реализовываться и применяться многими способами, включая, без ограничения, процесс, устройство, систему, приспособление и способ, как для известных приложений, так и для приложений, которые будут разработаны позднее. Эти и другие уникальные особенности системы, описанной в данном документе, станут более очевидными из нижеследующего описания и прилагаемых фигур.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
[0012] Для того, чтобы рядовые специалисты в области техники, к которой относится описываемая система, легче представляли процесс ее формирования и применения, приводятся ссылки на следующие фигуры.
[0013] На Фиг. 1 проиллюстрирован перспективный вид узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0014] На Фиг. 2А проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0015] На Фиг. 2В проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей другого узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0016] На Фиг. 3 проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0017] На Фиг. 4 в целях демонстрации функциональных возможностей проиллюстрирован частичный разрез узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0018] На Фиг. 5 проиллюстрирован вид в перспективе другого узла термофотоэлектрической панели в частично собранном состоянии для демонстрации компонентов в соответствии с технологией изобретения.
[0019] На Фиг. 6 проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей для теплоотвода, который характерен для предшествующего уровня техники.
[0020] На Фиг. 7 проиллюстрирован продольный вид в разрезе, демонстрирующий охлаждающие отсеки теплоотвода в соответствии с технологией изобретения.
[0021] На Фиг. 8 проиллюстрирован альтернативный продольный вид в разрезе, иллюстрирующий впускной коллектор теплоотвода в соответствии с описанием изобретения.
[0022] На Фиг. 9 проиллюстрирован вид в разрезе, демонстрирующий охлаждающие отсеки теплоотвода в соответствии с технологией изобретения.
[0023] На Фиг. 10 проиллюстрирован вид в разрезе, демонстрирующий другой теплоотвод в соответствии с технологией изобретения.
[0024] На Фиг. 11 проиллюстрирован вид в разрезе эмиттера в соответствии с технологией изобретения.
[0025] На Фиг. 12А проиллюстрировано изображение, демонстрирующее в качестве примера визуальное изображение неравномерного зазора в соответствии с технологией изобретения.
[0026] На Фиг. 12В проиллюстрировано изображение, демонстрирующее в качестве примера визуальное изображение равномерного зазора в соответствии с технологией изобретения.
[0027] На Фиг. 13А-Е проиллюстрировано несколько схематичных видов в разрезе различных возможных этапов изготовления тонкопленочного эмиттера в соответствии с технологией изобретения.
[0028] На Фиг. 13F проиллюстрирован схематический вид в разрезе другого варианта реализации тонкопленочного эмиттера в соответствии с технологией изобретения.
[0029] На Фиг. 14 проиллюстрировано графическое изображение оптимизированного эмиттера с переходом между высоким уровнем передачи и высоким уровнем поглощения, которые расположены в запрещенной зоне фотоэлектрического элемента в соответствии с технологией изобретения.
[0030] На Фиг. 15 проиллюстрировано промышленное приложение для стекловаренной печи, где используются узлы термофотоэлектрических панелей с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0031] На Фиг. 16А проиллюстрирован вид в перспективе другого узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором в соответствии с технологией изобретения.
[0032] На Фиг. 16 В проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей дистального конца для узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором, проиллюстрированного на Фиг. 16А.
[0033] На Фиг. 16С проиллюстрирован вид в разрезе угловой электрической перемычки микронного зазора для узла термофотоэлектрической панели, проиллюстрированной на Фиг. 16А.
[0034] На Фиг. 16D проиллюстрирован вид в разрезе электрической шины для узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором, проиллюстрированной на Фиг. 16А.
[0035] На Фиг. 16Е проиллюстрирован вид в перспективе теплоотвода для узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором, проиллюстрированной на Фиг. 16А.
[0036] На Фиг. 16F проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей теплоотвода, проиллюстрированного на Фиг. 16Е.
[0037] На Фиг. 16G проиллюстрирован вид сверху ребристой плиты теплоотвода, проиллюстрированного на Фиг. 16Е.
[0038] На Фиг. 16Н проиллюстрирован детальный вид конца ребристой плиты теплоотвода, проиллюстрированного на Фиг. 16Е.
[0039] На Фиг. 16I проиллюстрирован вид в разрезе теплоотвода, проиллюстрированного на Фиг. 16Е.
[0040] На Фиг. 17А проиллюстрирован вид сверху в перспективе другого термофотоэлектрического (TPV) модуля в соответствии с описанием изобретения.
[0041] На Фиг. 17 В проиллюстрирован вид снизу в перспективе модуля TPV, проиллюстрированного на Фиг. 17А.
[0042] На Фиг. 17С проиллюстрирован вид в разрезе монтажного узла модуля TPV, проиллюстрированного на Фиг. 17А и 17В.
[0043] На Фиг. 18 проиллюстрирована серия поперечных разрезов различных возможных этапов для изготовления распорок, имеющих наноразмеры, на прозрачной или другой подложке в соответствии с технологией изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0044] Представленная технология позволяет разрешить большое число проблем, характерных для предшествующего уровня техники, которые связаны с узлами преобразования энергии. И хотя приведенное ниже описание относится к узлам термофотоэлектрических панелей с микронным зазором, приведенных для иллюстрации, данная технология в равной степени применима и к другим подходам, таким как системы аккумулирования энергии с использованием квантовых точек, узлы, работающие на основе термоэлектронной эмиссии, узлы, основанные на принципах преобразования ширины запрещенной дальней энергетической зоны, фотоэлектрические ячейки и другие подобные варианты.
[0045] Преимущества и другие особенности технологии, представленной в данном документе, станут очевиднее для специалистов, обладающих обычной квалификацией в данной области, если они ознакомятся с нижеследующим подробным описанием некоторых предпочтительных вариантов реализации изобретения в сочетании с фигурами, на которых представлены типичные варианты реализации настоящей технологии. Нижеследующее описание относится только к фигурам, а термины, такие как, «вверх», «вниз», «влево» и «вправо», не должны истолковываться буквально, поскольку ориентация устройств, созданных на основе рассматриваемой технологии, может быть различной.
[0046] Обратимся теперь к Фиг. 1, на котором проиллюстрирован узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором, который имеет, как правило, ссылочный номер 100. Узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 содержит множество термофотоэлектрических модулей 150 (Фиг. 2А, обозначены для простоты только некоторые из них) для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 частично помещается в горячую среду, например, на пути передачи тепла от промышленного процесса. Узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 может просто проходить в отверстие, образованное в стенке 10, для получения доступа к источнику нагрева. Узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 содержит продолговатой формы корпус 102, поддерживаемый узлом опорного кронштейна 120. Узел опорного кронштейна 120 соединяется с опорной поверхностью 12, таким образом, часть корпуса 102, проходит через стенку 10, находясь в зоне воздействия тепла. Через узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 пропускается теплоноситель с низкой температурой, через впускные и выпускные охлаждающие трубки 104. Охлаждающие трубки 104 соединяются с системой охлаждения (не проиллюстрирована), через которую пропускается теплоноситель с низкой температурой. Линии охлаждения могут содержать предохранительную арматуру, регулирующую давление (не проиллюстрирована), для устранения возможного избыточного давления. Кроме того, корпус 102 имеет вакуумное соединение 106 для поддержания вакуума в корпусе 102. Вакуумное соединение 106 также содержит предохранительную арматуру 108, обеспечивающую сброс давления. Предохранительная арматура 108 имеет изолирующий колпачок 110, удерживаемый на месте вакуумом, и/или дополнительное устройство, такое как пластина, закрепленная на шарнирной опоре, или съемная насадка (не проиллюстрирована). В случае утечки хладагента или быстрого формирования пара в корпусе 102, выходящий пар смещает колпачок 110 для выхода пара.
[0047] С помощью дополнительной ссылки на Фиг. 2А можно просматривать вид с пространственным разделением деталей узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100. Термофотоэлектрические модули 150 крепятся к теплоотводу 170. Термофотоэлектрические модули 150 устанавливаются в направлении дистального конца 172 теплоотвода 170 на противоположных верхней и нижней поверхностях 174. Боковая стенка 173 проходит между верхней и нижней поверхностями 174. Теплоотвод 170 может быть монолитным или изготавливаться из множества компонентов для образования множества охлаждающих ходов в процессе взаимодействия флюида с охлаждающими трубами 104. Когда охлаждающая система подает теплоноситель с низкой температурой через трубки 104 и ходы теплоотвода 170, термофотоэлектрические модули 150 охлаждаются.
[0048] Предпочтительно, чтобы теплоотвод 170 был изготовлен из материала, такого как металл (например, алюминий, медь или сталь) или теплопроводящей керамики, которая является материалом с высокой теплопроводностью, служащим для охлаждения термофотоэлектрических модулей 150. В одном варианте реализации изобретения узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 содержит двадцать четыре термофотоэлектрических модуля 150, которые представляют собой квадраты размером, приблизительно, 6 см на 6 см. Теплоотвод 170 имеет длину, приблизительно, равную 55 дюймов, ширину - 4 дюйма и толщину - 1 дюйм.
[0049] Высокотемпературный корпус 102 вмещает теплоотвод 170. Корпус 102 может быть металлическим, кварцевым, керамическим, например, из карбида кремния, или же состоять из других материалов. Корпус 102 может формироваться выдавливанием или изостатическим прессованием, а затем спеканием материала, такого как карбид кремния. Корпус 102 может быть непрозрачным и полностью поглощать тепло из окружающей среды. После нагревания корпус 102 затем излучает инфракрасную энергию, которая направлена на термофотоэлектрические модули 150. Корпус 102 может быть, в качестве альтернативы, прозрачным для света или полупрозрачным, при этом некоторая энергия затрачивается на нагрев корпуса, и часть энергии передается вовне. Таким образом, термофотоэлектрические модули 150 получают энергию благодаря энергетической экспозиции корпуса и от окружающей среды. Корпус 102 также может быть прозрачным, при этом окружающая энергия передается через него в направлении термофотоэлектрических модулей 150. Для другого варианта реализации изобретения в корпусе 102 имеется одно или несколько окон или элементов, которые изменяют уровень прозрачности, светопрозрачности или непрозрачности в разных частях корпуса 102.
[0050] Теплоотвод 170 консольно закреплен во внутренней части корпуса 112 (как проиллюстрировано на Фиг. 4) для минимизации теплопроводности между термофотоэлектрическими модулями 150 и корпусом 102. Корпус 102 и/или теплоотвод 170 могут содержать один или несколько бамперов, колец или выступов для предотвращения повреждений при случайном контакте с корпусом, например, при сборке. В качестве альтернативны, теплоотвод 170 не заделывается одним концом, а один или несколько элементов поддерживают теплоотвод 170 в корпусе 102 и/или настраивают положение теплоотвода 170 внутри корпуса 102. Предпочтительно, опорные элементы не проводят тепло для минимизации теплопроводности между термофотоэлектрическими модулями 150 и/или теплоотводом 170 и корпусом 102.
[0051] Например, еще один теплоотвод 270 проиллюстрирован на Фиг. 5 в частично собранном состоянии. Как станет понятно специалистам в данной области техники, теплоотвод 270 и термофотоэлектрические модули 250 используют аналогичные принципы для описанного выше узла термофотоэлектрической панели 100. Соответственно, для обозначения одинаковых элементов используются одинаковые номера позиций, которым предшествует цифра «2» вместо цифры «1». Основное различие заключается в наличии элементов, которые не проводят тепло 273, которые укладываются вокруг теплоотвода 270 в одном или нескольких местах. В одном варианте реализации изобретения элементы, не проводящие тепла, 273 представлены кварцевыми дисками. Большое число альтернативных решений, таких как, бамперы, выступы, стойки, зазоры, жесткие рамки, кольца и тому подобные, могут применяться в различных комбинациях. Узел термофотоэлектрической панели 100 может содержать перегородку 275 для ограничения излучаемого света для подлежащей освещению области. Перегородка 275 может быть отражающей и/или дополнительно поддерживать теплоотвод 270.
[0052] Дополнительно ссылаясь на Фиг. 2А, можно заметить, что теплоотвод 170 имеет проксимальный конец 114, который соединяется с узлом опорного кронштейна 120 с помощью опорных стержней 122. Опорные стержни 122 идут от опорного кронштейна 120. Теплоотвод 170 скользит между опорными стержнями 122 и удерживается на месте болтами 124 (проиллюстрирован только один из теплоотводов для упрощения изображения), которые проходят через отверстия 126 в стержнях 122, попадая в резьбовые отверстия 176 в теплоотводе 170. Предпочтительно, каждый опорный стержень 122 приварен к опорному кронштейну 120 и два опорных стержня 122 вместе поддерживают консольно закрепленный вес теплоотвода 170.
[0053] Корпус 102 имеет проксимальный хомут или фланец 116, который соединяется с кронштейном 118 болтами 127, проходящими через проходные отверстия во фланцевом кронштейне 118. Предпочтительно, чтобы между проксимальным концом 114 корпуса 102 и кронштейном 118 использовались высокотемпературная уплотняющая прокладка (не проиллюстрирована). Корпус 102 присоединен к вакуумному соединению 106, таким образом, вакуумируется внутренняя часть 112 корпуса и, в свою очередь, термофотоэлектрические модули 150 находятся в вакууме. Опорный кронштейн 120 также содержит электрический канал или соединение 128. Электрическое соединение 128 передает электричество из термофотоэлектрических модулей 150 в оборудование, преобразующее энергию в электричество, такое как, инверторы, которые по мере необходимости могут быть расположены удаленно.
[0054] При обращении к Фиг. 2 В можно наблюдать вид с пространственным разделением деталей другого узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 200 в соответствии с описанием изобретения. Аналогичные элементы, уже описанные ранее в связи с другими вариантами реализации изобретения, обозначаются одинаковыми номерами ссылок. Многие элементы, по существу, те же, что и для описанных ранее вариантов реализации изобретения, и, таким образом, далее здесь не описываются. Основное отличие в данном случае заключается в способе консольного размещения теплоотвода 270 в корпусе 202.
[0055] Теплоотвод 270 поддерживается нижней рамой 223. Нижняя рама 223 и теплоотвод 270, предпочтительно, соединяются болтами. Верхняя поверхность 274 теплоотвода 270 имеет вертикальный L-образный кронштейн 225, который крепится к опорному кронштейну 220 для стабилизации в дальнейшем и для поддержки теплоотвода 270 в нужном положении. Предполагается, что теплоотвод 270 может контактировать только с нижней рамой 223 и L-образным кронштейном 225, так что между проксимальным концом теплоотвода 270 и кронштейном 218 образуется зазор, что содействует соединению объектов.
[0056] Обратимся теперь к Фиг. 3, где проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей для термофотоэлектрического модуля 150. Все термофотоэлектрические модули 150, предпочтительно, одинаковы, однако каждый из них может иметь отличия в зависимости от целей применения и места размещения термофотоэлектрического модуля 150 вдоль теплоотвода 170. Следует отметить, что фигуры здесь приведены для иллюстративных целей, а масштаб и толщина различных компонентов могут изменяться в процессе изготовления.
[0057] Термофотоэлектрический модуль 150 содержит узел фотоэлектрических элементов 151 с фотоэлектрическим элементом 152 и эмиттерным узлом 156 с эмиттером 158. Для наглядности следует отметить, что эмиттерный узел 156 находится под слоем прикладывания усилия 190, а слой прикладывания усилия 190 проиллюстрирован как полупрозрачный. Фотоэлектрический элемент 152 и эмиттер 158 разделены при сборке микронным зазором. Микронный зазор поддерживается распорками субмикронного размера (явно не проиллюстрированы). Например, в патенте США №8829335, выданном 9 сентября 2014 г. Гриффу и патенте США №8633373, который выдан Гриффу и др. 21 января 2014 года, иллюстрируются распорки для поддержки микронных зазоров в фотоэлектрических ячейках. Подобные распорки теперь известны, разработаны и могут использоваться в данной технологии. Поскольку корпус 102 поддерживается под вакуумом, микронный зазор вакуумируется.
[0058] Базовая подложка 160 расположена между термофотоэлектрическим модулем 150 и теплоотводом 170 для улучшения охлаждения термофотоэлектрического модуля 150 со стороны теплоотвода 170. Базовая подложка 160 образует четыре расположенных по углам монтажных отверстия 162, выровненных по отношению к резьбовым отверстиям 164, которые образованы в теплоотводе 170 таким образом, чтобы болты 166 фиксировали базовую подложку 160 на месте. Базовая подложка 160 может содержать наложенные на нее слои, которые характеризуются свойствами теплового интерфейса. Предпочтительно, чтобы базовая подложка имела высокую удельную теплопроводность и высокую боковую теплопроводность для улучшения теплопроводимости, а также определенные модификации (например, наличие шероховатостей на поверхности или текстуры или размещение материала термического интерфейса выше или ниже базовой подложки) для уменьшения термического сопротивления интерфейса на поверхностях.
[0059] Известно, что болты являются одним видом крепежного средства. Предполагается, что любой тип крепежной детали может быть заменен на указанные здесь крепежные детали. Например, без ограничения, крепежные детали могут быть выбраны из болтов, заклепок, скоб, зажимов, связующего материала и т.п., а также их комбинаций. Крепежные детали могут быть механически жесткими при использовании или иметь механически совместимые характеристики. Механически совместимые свойства, преимущественно, предотвращают концентрации усилий, которые приводят к повреждению компонентов. Базовая подложка 160 также может быть приварена к теплоотводу 170.
[0060] Предпочтительно, базовая подложка 160 содержит внедренный материал с высокой теплопроводностью, образующий интерфейсы с низким тепловым контактным сопротивлением между ним и узлом фотоэлектрических элементов 151 и между ним и теплоотводом 170. Как альтернатива, термофотоэлектрический модуль 150 и даже фотоэлектрический элемент 152 может непосредственно контактировать с теплоотводом 170 путем приваривания или другим образом. Узел 151 фотоэлектрических элементов и фотоэлектрический элемент 152 могут иметь квадратную, треугольную, круглую или любую желаемую форму. Аналогично, эмиттерный узел 156, эмиттер 158 и базовая подложка 160 могут иметь различные формы.
[0061] Базовая подложка 160 также облегчает электрическое соединение с блоком 151 фотоэлектрических элементов, имея канавку 168 для штырьковой панели 140. Штырьковая панель 140 имеет ряд штырьков 142, которые проходят через ряд отверстий 146 для контакта с узлом фотоэлектрических элементов 151, в формировании которого участвуют соответствующие электрические прокладки (не проиллюстрированы). Штырьки 142 могут быть механически совместимыми, например, совмещенными с пружинами. Штырьковая панель 140 также содержит проводящую прокладку 144, находящуюся в электрическом соединении со штырьками 142. По существу, проводящая прокладка 144 находится в электрическом соединении с узлом фотоэлектрических элементов 151.
[0062] Боковая стенка 176 теплоотвода 170 образует продольную канавку 177, через которую проходят провода 184. Канавка 177, предпочтительно, закрыта крышкой (не проиллюстрирована). Провода 184 проходят по боковой стенке 176 теплоотвода 170 от электрического соединителя 128 (проиллюстрирован на Фиг. 2А). По одному проводу 184 проходит к каждому термофотоэлектрическому модулю 150. В одном варианте реализации изобретения двадцать четыре провода проходят от электрического соединителя 128, причем самые наружные провода проходят вверх и вниз, соответственно, для каждого термофотоэлектрического модуля 150.
[0063] Так, например, для 3-го и 4-го термофотоэлектрического модуля 150 от дистального конца 172 было бы четыре провода 184. Два из проводов 184 проходят к 1-му и 2-му термофотоэлектрическому модулю 150 с дистального конца 172, один провод поворачивает вверх для соединения к третьим термофотоэлектрическим модулем 150, а один поворачивает вниз для соединения с 4-м термофотоэлектрическим модулем 150. Провода 184 могут быть дискретными или изготовлены в виде сборки, например, гибкой печатной сборки, в которой провода 184 литографически изготавливаются в виде гибкого плоского кабеля.
[0064] Теплоотвод 170 также образует множество слотов 186, через которые проходят электрические площадки 188, соответственно. Каждая площадка 188 может быть изготовлена из золота, меди или любого электропроводящего материала. Когда провода 184 проходят к термофотоэлектрическим модулям 150, провода 184 соединяются с площадками 188. В свою очередь, площадки 188 электрически соединены с проводящими прокладками 144. Таким образом, электрически непрерывное соединение формируется от электрического соединителя 128 к фотоэлектрическому элементу 152.
[0065] Узел эмиттера 156 практически закрывает узел фотоэлектрических элементов 151. Узел эмиттера 156, предпочтительно, прикладывает усилие для поддержания микронного зазора между фотогальваническим элементом 152 и эмиттером 158. Узел 156 эмиттера содержит слой прикладывания усилия 190, находящийся в верхней части эмиттера 158 для прикладывания усилия. Слой прикладывания усилия 190 формирует четыре отверстия 192 для винтов 194, которые соединяются с резьбовыми отверстиями 196 в базовой подложке 160. Таким образом, к винтам 194 по сравнению с болтами 166 можно применять относительно небольшой вращающий момент.
[0066] В альтернативном варианте реализации изобретения в базовой подложке 160 отсутствуют резьбовые отверстия 196. Вместо этого базовая подложка 160 образует отверстия с зазором, и винты 194 соединяются с гайками. Гайки снабжены пружинами, пружины прижимаются к нижней части базовой подложки 160. Пружины обеспечивают упругую деформацию, вследствие чего усилие, создаваемое при закручивании винтов, не создает чрезмерно больших нагрузок, которые могли бы повредить один или несколько слоев термофотоэлектрического модуля 150. Слой прикладывания усилия 190 формируется из такого материала, который не оказывает воздействия на функционирование эмиттера 158. Как правило, слой прикладывания усилия 190 покрывает эмиттер 158.
[0067] В качестве альтернативы, отсутствует слой прикладывания усилий. Вместо этого эмиттер 158 достаточно прочен, отверстия для винтов формируются таким образом, что винты, проходящие через отверстия для винтов, поддерживают компоненты в необходимом положении. Для другого варианта реализации изобретения термофотоэлектрический модуль герметично присоединен таким образом, что под вакуумом находится только внутренняя часть термофотоэлектрического модуля. Например, термофотоэлектрический модуль может быть герметически присоединен, причем стенки герметичного уплотнения обеспечивают усилие, требуемое для поддержания микронного зазора. Устройство герметичного присоединения также устраняет необходимость использовать отдельные крепежные детали, именно оно формируется усилие, необходимое для поддержания термофотоэлектрических модулей 150. Например, стенки герметичного устройства присоединения могут формировать удерживающее усилие, требуемое для поддержания микронного зазора.
[0068] Обратившись теперь к Фиг. 4 можно отметить, что в процессе работы узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 закрепляется или помещается в горячую и/или сильно излучающую среду, которая содержит энергетическую составляющую, которую желательно преобразовать в электрическую энергию. Корпус 102 может быть изготовлен для поглощения и/или передачи энергии окружающей среды и, таким образом, нагревается и/или подвергается облучению, вследствие чего энергия излучается на термофотоэлектрические модули 150 из корпуса 102 (обозначен стрелками «а») и/или из окружающей среды (показано стрелками «b»). Поскольку корпус 102 находится под вакуумом и не соприкасается с термофотоэлектрическими модулями 150, минимальная, если таковая имеется, энергия переходит из окружающей среды в термофотоэлектрические модули 150 посредством проводимости или конвекции.
[0069] Вследствие наличия пространства 132 между корпусом 102 и термофотоэлектрическими модулями 150, нет необходимости в том, чтобы внутренняя поверхность корпуса была плоской или физически прочной для поддержки равномерного и немалого усилия к набору модулей, которое, в противном случае, пришлось бы прилагать относительно внутренней поверхности корпуса. Наличие пространства 132 между корпусом 102 и слоем прикладывания усилия 190 или эмиттером 158, в возможном варианте, также устраняет необходимость в применении между ними материалов термического интерфейса. Пространство 132 уменьшает напряжения, возникающие вследствие контакта корпуса 102 с термофотоэлектрическими модулями 150.
[0070] Слой прикладывания усилия 190 является надежным механизмом по прикладыванию усилия, требуемого для поддержки микронного зазора, таким образом, фотоэлектрический элемент 152 может нормально функционировать, когда эмиттер 158 облучается энергией, поступающей из корпуса 102 и/или окружающей среды. Под воздействием поступающей энергии эмиттер 158 поглощает входящую энергию и нагревается (то есть узел 156 эмиттера является горячей стороной). Нагретый эмиттер 158 повторно излучает энергию через микронный зазор в фотоэлектрический элемент 152.
[0071] Вкуумированный микронный зазор минимизирует конвективный и молекулярный перенос тепла от эмиттера 158 к фотоэлектрическому элементу 152, в то время как кратковременные каналы передачи энергии поддерживают высокоэффективный перенос энергии между эмиттером 158 и фотоэлектрическим элементом 152. Каждый термофотоэлектрический модуль 150 охлаждается жидкостным охладителем теплоотвода 170 (т.е. узел фотоэлектрических элементов 151 является холодной стороной). Фотоэлектрический элемент 152 преобразует переданную энергию в электрическую.
[0072] Мощность, вырабатываемая термофотоэлектрическими модулями 150, переносится электрическими штырьками 142, прокладками 144, площадками 188, проводами 184, электрическим соединителем 128 и различными соединениями, если это необходимо, к условным механизмам электрической мощности. Компьютерный контроллер (не проиллюстрирован) может контролировать, изменять функционирование и модифицировать систему преобразования энергии. Компьютерный контроллер также содержит возможность направления предупреждений операторам и/или поддержки автоматического разрешения для условий, которые могли бы повредить узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100, создать некомфортные условия для операторов и/или негативно воздействовать на окружающую среду. Например, компьютерный контроллер может изменять глубину вставки или полностью удалять корпус из горячей окружающей среды.
[0073] В одном варианте реализации изобретения узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 содержит корпус, расположенный на линейном исполнительном механизме (не проиллюстрирован) для точного контроля глубины погружения в горячую и/или сильно излучающую среду. Например, опорная поверхность 12 может быть просто частью колесной тележки. В качестве альтернативы, опорная поверхность может быть смонтирована на неподвижно закрепленной детали (не показана), которая направляется рельсами и/или реечно-шарнирным механизмом для позиционирования приспособления и, таким образом, узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100 может быть моторизованным или управляться в ручном режиме.
[0074] В альтернативном варианте реализации изобретения корпус локально закреплен в горячей среде. Теплоотвод 170 и, следовательно, термофотоэлектрические модули 150 могут находиться на аналогичном или другом линейном исполнительном механизме для точного управления глубиной погружения в корпус 102. Кроме того, внешний корпус (не проиллюстрирован) может быть установлен в горячей среде или прикреплен к опорному кронштейну 120 для перемещения вместе с ним. Внешний корпус очень похож по форме на корпус 102, разве немного больше, что позволит окружать и, таким образом, в горячей среде защищать корпус 102.
[0075] В другом варианте реализации изобретения теплоотвод 170 может иметь иную форму, таким образом, теплоотвод 170 имеет более двух сторон, причем на каждой стороне располагаются термофотоэлектрические модули 150. Например, теплоотвод может быть треугольным, квадратным, пятиугольным, шестиугольным, восьмиугольным и т.д. В качестве примера см. Фиг. 16A-D, описанные ниже.
[0076] Обратимся теперь к Фиг. 6, где проиллюстрирован вид с пространственным разделением деталей теплоотвода 370 для уже известного уровня техники. Теплоотвод 370 содержит множество охлаждающих отсеков 371 как часть жидкостного контура с впускным отверстием 373 и выпускным отверстием 375. Каждый охлаждающий отсек 371 содержит штырьковые пластины 377, которые облегчают теплообмен с охлаждающей жидкостью. Например, штырьковые пластины 377 могут иметь ребра и/или стержни, которые образуют каналы потока, что увеличивает зону контакта с поверхностью.
[0077] Обращаясь теперь к Фиг. 7 и 9, заметим, что проиллюстрированы различные виды секций теплоотвода 170. Теплоотвод 170 содержит множество охлаждающих отсеков 171 с находящимися в них охлаждающими ребрами или стержнями 175. Охлаждающие отсеки 171 расположены под каждым модулем 150. Впускные и выпускные охлаждающие трубки 104 поддерживают циркуляцию охлаждающего флюида в охлаждающих отсеках 171.
[0078] Охлаждающий флюид поступает в охлаждающие отсеки 171 из впускного коллектора 179 через входной слот 180. Охлаждающий флюид проходит из охлаждающих отсеков 171 в выпускной коллектор 181 через выпускные слоты 183. Как проиллюстрировано на Фиг. 7, площадь впускных слотов 180 увеличивается от отсека 171 до отсека 171 вдоль дистального направления к дистальному концу 172. Слоты 180 могут увеличиваться по длине и/или высоте, чтобы обеспечить увеличение площади/потока. Данное увеличение площади поперечного сечения входных слотов 180, при котором охлаждающие отсеки 171 прогрессивно изменяются при переходе от проксимального к дистальному местоположению, формирует оптимальный баланс по охлаждению, который поддерживается для всех охлаждающих отсеков 171, и, следовательно, для всех модулей 150. В результате модули 150 эффективно охлаждаются, что приводит к оптимизации при эффективном производстве электроэнергии. В качестве альтернативы, длина входных слотов 180 может изменяться вместо или в дополнение к ширине, чтобы позволяет выполнять настройку процесса охлаждения по длине теплоотвода 170. Форма и размер входных слотов 180 также могут изменяться с учетом локальных изменений в требованиях по охлаждению, поскольку тепло и/или излучение могут неравномерно воздействовать на узел термофотоэлектрической панели 100. На Фиг. 8 проиллюстрирована альтернативная конфигурация слота 180'.
[0079] Обратимся теперь к Фиг. 10, где проиллюстрирован вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий иной теплоотвод 470 в соответствии с описанием изобретения. Теплоотвод 470 содержит трубу или втулку 485, вставленную во впускной коллектор 477. Втулка 485 образует слоты 487, которые отличаются по размеру, что позволяет изменять размеры входных слотов 480 от отсека 471 до отсека 471 вдоль дистального направления. Большие входные слоты 487, расположенные ближе к дальнему концу втулки 485 формируют увеличенный поток для охлаждающих отсеков 471, расположенных ближе к дистальному концу. Опять же, форма и размер входных слотов 487 могут изменяться по желанию, например, для реализации локальных изменений к требованиям по охлаждению, поскольку тепло может неравномерно передаваться узлу термофотоэлектрической панели 100.
[0080] На Фиг. 11 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе эмиттера 558 в соответствии с описанием изобретения. Эмиттер 558 является примерным тонкопленочным эмиттером для включения в узлы термофотоэлектрических панелей с микронным зазором, которые описаны здесь и в других приложениях. Эмиттер 558 содержит подложку 560, изготовленную из оптически прозрачного материала, такого как кварцевое стекло, кварц или сапфир. Для вариантов, где используется более низкая температура, могут применяться дополнительные материалы, такие как стекло.
[0081] Подложка 560 содержит первую поверхность 562 и вторую поверхность 564, которая противоположна первой поверхности 562. Вторая поверхность 564 обращена к фотоэлектрическому узлу (не проиллюстрирован). Для поддержки зазора в фотоэлектрическом узле вторая поверхность 564 формирует большое число распорок 566. Как проиллюстрировано, подложка 560 может быть сделана относительно большой толщины, что обеспечивает большую прочность конструкции, улучшенную плоскостность и приводит к однородному распределению усилий в зазоре. Для одного варианта реализации изобретения подложка 560 имеет приблизительно 4 мм толщины «t», с шагом «s» между распорками 566, которые составляют около 100 мкм в диаметре «d» и 0,15 мкм в высоту «h».
[0082] Для одного варианта реализации изобретения вторая поверхность 564 имеет тонкий слой 568 нанесенного на нее оптически непрозрачного материала. Для одного варианта реализации изобретения тонкий слой 568 представляет собой углерод. Для другого варианта реализации тонкий слой 568 является материалом с высоким показателем преломления, таким как кремний. Тонкий слой 568 служит для поглощения инфракрасного света, испускаемого горячим источником тепла, излучающим энергию на фотоэлектрический элемент для дальнейшего ее поглощения. Короче говоря, оптически прозрачная подложка 560 с тонким слоем 568 находится между источником тепла (не проиллюстрирован) и фотоэлектрическим узлом, который может преобразовывать инфракрасное излучение в электрический ток. Предпочтительно, по меньшей мере, чтобы одна размерность зазора была меньше, чем длины волн инфракрасного излучения.
[0083] Толщина тонкого слоя 568 должна быть выбрана с учетом поглощения большей части или всего испускаемого источником тепла инфракрасного излучения, но толщина тонкого слоя 568 должна быть достаточно мала для ограничения теплопроводности в горизонтальном направлении и через средство для формирования зазора 566. Толщина тонкого слоя 568 функционирует как тепловой резистор, ограничивая тепловой поток в горизонтальном направлении через тонкий слой 568. Для предпочтительного варианта реализации изобретения оптически прозрачная подложка 560 вообще прозрачна для инфракрасного излучения и обладает высокой термостойкостью, и формируется из материалов, пригодных для нахождения в высокотемпературной среде, таких как кварц, диоксид кремния и сапфир. Такое свойство, как высокий уровень термостойкости по всей толщине для оптически прозрачной подложки 560 в сочетании с геометрически ограниченной высокой термостойкостью в горизонтальном направлении тонкого слоя 568 объединяются, что приводит к ограничению переноса тепловой энергии через средство для формирования зазора 566. Для одного варианта реализации изобретения тонкий слой 568 имеет толщину не менее 100 нанометров и, предпочтительно, толщину в несколько микрон, что обеспечивает достаточное поглощение инфракрасного излучения.
[0084] В другом варианте реализации изобретения в применяемых термофотоэлектрических панелях с микронным зазором тонкий слой 568 содержит другой слой 570. Этот другой слой 570 состоит из материалов с высоким уровнем поглощения инфракрасного излучения и высоким показателем преломления, таких как, аморфный кремний и поликристаллический кремний. Для еще одного варианта реализации изобретения тонкий слой 568 может быть устранен, используется только другой слой 570, поскольку другой слой 570 имеет достаточно высокий уровень поглощения. Как следует из обзора рассматриваемой технологии, на первую поверхность 562 могут наноситься различные покрытия. Например, для повышения эффективности могут использоваться антиотражающие покрытия, слои фильтра, альтернативные поглощающие или отражающие слои и тому подобные комбинации, приводящие к повышению эффективности при работе узла. Кроме того, вторичные и третичные слои или излучатели могут дополнительно использоваться на любой из поверхностей 562, 564, 568, 570. Сама подложка 560 может быть многослойной структурой. По существу, два или более слоев плавленого кварца могут служить покрытием при желании, а, при необходимости, согласованы с дополнительными слоями, сформированными с помощью нано-структур, таких как, без ограничения, распорки, и слои могут формировать сандвич-структуру в любой комбинации.
[0085] Распорки или средства формирования зазора 566 могут представлять собой физические распорки малого поперечного размера. Каждое подобное устройство 566 отделяется от ближайшей распорки на достаточно большое расстояние, что позволяет минимизировать проводимость тепла от тонкого слоя 568 к фотоэлектрическому элементу. Однако расстояние между распорками 566 должно быть все же достаточно малым для минимизации вероятности того, что тонкий слой 568 имеет непосредственный физический контакт с фотоэлектрическим элементом в зонах, находящихся между распорками 566.
[0086] Средством для формирования зазора 566 могут служить диски микронного размера, штыри, стойки, трубки, пирамиды и тому подобные образования. Распорки 566, предпочтительно, состоят из механически прочного, термостойкого материала, такого как оксид кремния. Распорка 566 может размещаться или внедряться, а в некоторых случаях, формировать шаблон на второй поверхности 564 прозрачной подложки 560 перед нанесением тонкого слоя 568. Если тонкий слой является плоским и не имеет шаблонов, распорки 566 также могут наноситься на внешнюю поверхность тонкого слоя 568 и/или на поверхность фотоэлектрического элемента. Распорки 566 могут также выполняться вместе с тонким слоем 568. Распорки 566 также могут формироваться путем осаждения теплоизолирующего материала в лунки, сформированные на подложке, тогда распорки располагаются над поверхностью подложки 564.
[0087] Обратимся теперь к Фиг. 12А и 12В, где проиллюстрированы два подхода к визуализации контроля состояния зазора. На Фиг. 12А проиллюстрировано изображение 600, представляющее визуальное изображение неравномерного зазора, а на Фиг. 12В проиллюстрировано изображение 602, которое представляет визуальное изображение равномерного зазора. При наличии прозрачного эмиттера эффективен метод визуального контроля зазора. Для узла, где эмиттер располагается проксимально ко второй поверхности, например, к поверхности фотоэлектрического элемента, шаблон из полос 601 виден невооруженным глазом. Множество полос указывает на наличие относительно большого и/или неровного зазора (например, изображение 600) по сравнению с вариантом узла, когда имеется минимальный или неравномерный зазор (например, изображение 602).
[0088] Преимущественно, полосы позволяют не только быстро и легко проверять высокое качество зазора ближней зоны, но и выполнять настройку в реальном времени. Техник может отрегулировать натяжение крепежного средства и другие средства при использовании шаблона из полос в качестве обратной связи при выполнении настроек. Размер зазора и его равномерность также можно измерять с помощью оптического инструмента, такого как инструмент для измерения толщины тонкой пленки в ультрафиолетовом излучении. В любом случае, просматривая полосы, можно выполнить корректировки, что приведет улучшению размера зазора и его равномерности.
[0089] На Фиг. 13А-Е проиллюстрирована серия изображений поперечных разрезов для различных возможных этапов изготовления тонкопленочного эмиттера в соответствии с технологией изобретения. На Фиг. 13А проиллюстрирован способ изготовления, который начинается с относительно толстой подложки 700, изготовленной из теплоизоляционного материала, такого как кварц или плавленый кварца. Предпочтительно, полируют одну или обе стороны. Субстрат 700 может быть прозрачным для излучения в запрещенной зоне (например, от 1 до 2,2 мкм) для конкретного фотоэлектрического элемента (например, InGaAs) и служить абсорбентом для излучения в области, находящейся ниже запрещенной зоны (например, от 2,2 до 10 микрон). Таким образом, значительная радиационная экспозиция в области, находящейся ниже запрещенной зоны, будет приводить к значительному нагреву эмиттера.
[0090] Как проиллюстрировано на Фиг. 13В, множество распорок 702 сформировано путем фотолитографии и травления. Типичная геометрия распорок характеризуется такими размерами: от 10 до 100 микрон в диаметре при высоте от 0,10 до 0,20 мкм. Как проиллюстрировано на Фиг. 13С, слой углерода 704 наносится на подложку 700. При работе углеродный слой 704 поглощает приходящее излучение, которое не поглощается подложкой 700. В результате температура может достигать 1000°С. Для одного варианта реализации изобретения толщина углеродного слоя 704 может составлять от 0,1 до 5 мкм.
[0091] Обратившись теперь к Фиг. 13D, заметим, что слой кремния 706 осажден на углеродном слое. Слой кремния 706 не является обязательным, но может обеспечить возможность по согласованию степени преломления с фотоэлектрическим элементом (например, InGaAs) для повышения эффективности передачи энергии в ближней зоне. Согласование степеней преломления характеризуется тем, что показатель преломления одного материала приближается к показателю преломления другого материала, поэтому, когда такие два элемента (например, слой 706 и фотоэлектрический элемент) с практически одинаковыми показателями преломления расположены рядом друг с другом, излучаемая энергия переходит от одного слоя к другому - с минимальным отражением или преломлением. Толщина кремниевого слоя 706 может быть близка к толщине углеродного слоя 704.
[0092] Необязательно, углеродный слой 704 и/или кремниевый слой 706 могут отсутствовать только в области распорок устройств 702, как проиллюстрировано на Фиг. 13Е. В результате распорки 702 эффективно проходят через один или несколько верхних слоев 704, 706. Для другого варианта реализации, дополнительная область 708, находящаяся вокруг распорок 702, не имеет кремниевого слоя 706 и/или углеродного слоя 704, как это проиллюстрировано для варианта реализации изобретения на Фиг. 13F. Распорки 702 также могут иметь иную структуру и/или изготавливаться из материала подложки, такой как оксид кремния или предполагается использование легирования, если потребуется. Для другого варианта реализации изобретения распорки 702 находятся выше дополнительного слоя (слоев) и не покрываются слоем (слоями) во время производственного процесса. Для другого варианта реализации изобретения подложка 700 первоначально осаждается непрозрачным слоем для облегчения обработки стандартным оборудованием, которое используется при изготовлении полупроводников и применяет технологию прерывания. В другом методе применяется расположенный сзади непрозрачный слой, который затем удаляется, когда нужда в нем отпадает. Предполагается, что каждая из структур, проиллюстрированная на Фиг. 13 В-Е, может представлять законченные узлы, так же и структуры, которые проиллюстрированы на Фиг. 13F.
[0093] Для другого способа изготовления подложки 700, как проиллюстрировано на Фиг. 13F, подложка 700 имеет защитное покрытие (не проиллюстрировано), которое наносится на одну из поверхностей. Защитное покрытие разработано методом фотолитографии, в результате чего формируется шаблон отверстий. Отверстия имеют размеры, которые приблизительно соответствуют желательным горизонтальным размерам распорок 702. Путем формирования отверстий в слое защитного покрытия в глубине отверстий открывается часть подложки 700.
[0094] Материал для распорки, такой как, оксид кремния, осаждается по всей поверхности подложки, покрытой защитным покрытием, и материал распорки частично или полностью заполняет отверстия в слое защитного покрытия, чтобы войти в физический контакт с подложкой 700, которая обнажается в глубине отверстий, находящихся в слое защитного покрытия. В поперечном сечении, отверстия в слое защитного покрытия могут иметь круглую или любую иную двумерную форму, например, овал, треугольник, квадрат и т.д., даже если распорки могут сужаться к узкому плоскому окончанию, точке или иным образом изменять форму. Термический процесс может применяться для поддержки хорошего механического связывания между распоркой и подложкой 700 в глубинах отверстий. Путем отслаивания удаляется слой защитного покрытия и большая часть слоя из материала распорки, оставляя находящиеся снизу распорки 702 прикрепленными к подложке 700. Затем могут, при необходимости, применяться один или несколько дополнительных слоев 704, 706.
[0095] Для одного варианта реализации изобретения подложка 700 покрывается осажденным материалом распорки, который, как известно, имеет свойство увеличиваться в объеме при окислении или дальнейшей обработке, увеличивающей объем материала. Таким материалом, обладающим свойством объемного увеличения в результате термического окисления, может служить кремний, который при окислении становится оксидом кремния. В качестве альтернативы, подложка 700 может содержать тонкий слой окисляемого материала, такого как кремний, присоединенный к ней или выращенный на ней. На следующем этапе маскирующий слой, такой как нитрид кремния, осаждается на неокисленный материал распорки. При помощи фотолитографии в маскирующем слое формируются шаблоны отверстий, размеры которых приблизительно соответствуют желательным горизонтальным размерам распорок 702. В результате в дне отверстий обнажается часть неокисленного материала распорки.
[0096] Затем подложку подвергают термическому окислению, которое приводит к окислению неокисленного материала распорки на дне отверстий, тем самым увеличивая объем материала распорки в окисленном состоянии. При увеличенном объеме окисленный материал распорки вблизи отверстий выталкивает маскирующий материал, находящийся по краям отверстий. Маскирующий материал и материал распорки, будучи достаточно тонким и/или прозрачным для внутриполосного ИК-излучения, может быть оставлен на месте, а выталкиваемый наверх маскирующий материал становится опорной поверхностью распорки. Для другого варианта реализации изобретения, маскирующий материал устраняется, а окисленный материал распорки становится опорной поверхностью распорки. Для еще одного альтернативного варианта реализации изобретения, как маскирующий материал, так и неокисленный материал распорки удаляются, и в качестве опорной поверхности распорок остается только окисленный материал распорок.
[0097] Еще раз обратимся к Фиг. 13F, где представлены вышеупомянутые варианты реализации изобретения, когда распорка формируется на подложке, усиленное за счет технологических этапов, которые приводят к формированию изолирующего желобка 708 вокруг распорки. Для одного варианта реализации изобретения изоляционный желобок 708 имеет кольцеобразную форму с глубиной от 10 до 40 мкм и шириной кольцеобразной формы от 5 до 100 мкм. Желобок 708 образован вокруг распорки 702 для усиления тепловой изоляции распорки 702, так что относительно меньшая тепловая энергия передается посредством проводимости по высоте распорки 702 от эмиттера к фотоэлектрическому узлу. Как отмечено выше, форма распорки 702 также может изменяться от проксимального к дистальному концу для уменьшения передачи тепловой энергии, например, иметь форму пирамиды. Желобок 708 также может иметь нижний конец 710, который опускается вниз в подложку 700.
[0098] На Фиг. 14 проиллюстрировано графическое изображение 800 оптимизированного эмиттера с точкой перехода 806 между высокой передачей и высоким поглощением, расположенной в запрещенной зоне фотоэлектрического элемента. Такой эмиттер может применяться для изготовления эмиттера, настроенного на максимизацию эффективности работы фотоэлектрического элемента. Эмиттер изготовлен для того, чтобы, в основном, пропускать фотоны с энергиями, превышающими запрещенную зону («АВ») фотоэлектрического элемента, когда поглощение и преобразование в электрическую энергию высоко эффективны (например, в диапазоне 802). Нежелательно иметь падающее на элемент PV излучение/энергии ниже запрещенной зоны («ВВ»). Следовательно, эмиттер с фильтром поглощает ВВ-фотоны и нагревается (например, в диапазоне 804). Поскольку эмиттер не полностью пропускает АВ-фотоны, поглощаемые АВ-фотоны также способствуют нагреву эмиттера. Будучи нагрет до достаточно высокой температуры, эмиттер затем излучает фотоны АВ, которые эффективно преобразуются в электричество с помощью фотоэлектрического элемента или чипа (PV). Если коротко, то фотоны АВ, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны, в основном, проходят через эмиттер для преобразования фотоэлектрическим элементом с высокой эффективностью, а фотоны ВВ с энергиями ниже запрещенной зоны поглощаются эмиттером, который нагревается и излучает дополнительные фотоны АВ, энергии которых выше ширины запрещенной зоны.
[0099] Элемент PV, поглощающий все длины волн, испускаемые черным телом или другим источником излучения, является недостаточно оптимальным в работе. Как правило, только длины длин запрещенной зоны (АВ) легко преобразуются в электрическую мощность, тогда как длины волн с полосой пропускания (ВВ) поглощаются PV как тепло и не преобразуются в электрическую энергию. Для другого варианта реализации для улучшения преобразования между источником излучения и PV находится селективный слой. Селективный слой может быть эмиттером или отдельной структурой.
[0100] Для одного варианта реализации изобретения применяется плавленый кремний для обеспечения приближения к желаемым свойствам эмиттера. Поглощенная энергия ВВ нагревает эмиттер, вблизи черного тела эмиттера происходит переизлучение. Предпочтительно, фильтр и PV разделены ближней зоной (то есть субволновым) зазором, так что переизлученная энергия от эмиттера проходит с уменьшенным сопротивлением к PV. В результате энергия ВВ, отраженная от расположенного сзади отражателя PV (например, золотого слоя), также пропускается с низким сопротивлением в зазор ближней зоны к эмиттеру, что также добавляет эмиттеру энергию нагрева для улучшенного переизлучения.
[0101] При дальнейшей оптимизации, идеальный эмиттер содержит пленки и/или структуры, которые облегчают дополнительный второй переход между эффективно передающими и эффективно поглощающими или идеально отражающими для фотонов с энергиями, превышающими те, которые могут быть преобразованы фотоэлектрическим элементом. Оптимальное размещение в энергетическом спектре этого второго перехода, находящегося над запрещенной зоной, зависит от нескольких факторов, включая, без ограничения: отражательную способность фотоэлектрического элемента; спектральный отклик фотоэлектрического элемента; энергетический баланс между эмиттером и фотоэлектрическим элементом; и оптическое поглощение в пределах тела PV.
[0102] Наличие этого второго перехода, находящегося над запрещенной зоной, помогает преобразовать избыточную энергию, находящуюся вне запрещенной зоны, которой обладают чрезвычайно высокоэнергетичные фотоны, в тепловую энергию, которая нагревает эмиттер. Нагрев эмиттера приводит к испусканию тепловой энергии в виде АВ-фотонов для преобразования энергии, которое реализуется PV.
[0103] Предлагаемая технология не ограничивается каким-либо конкретным применением или технологической областью. Например, приведенные здесь описания применимы, в равной степени, как к термоэлектронике, системам использования точечной квантовой энергии, фотоэлементам, технологии преобразования ширины запрещенной дальней энергетической зоны и тому подобным, которые теперь известны и разовьются позднее. Предполагается, что данная технология будет в равной степени применима к преобразованиям энергии, связанным с утилизацией тепла, первичным производством энергии, солнечной энергетикой и переносами энергии, наряду с другими областями и приложениями, такими как использование фотоэлектрических элементов. Рассмотренная технология также может объединяться или интегрироваться с известными механизмами преобразования энергии для обеспечения надстроечного цикла или утилизационного цикла, а также для эффективного обеспечения комбинированной системы по преобразованию тепла и мощности (ПТМ).
[0104] Для примера, рассмотрим одну особенно полезную область применения технологии. Отработанное тепло является огромным и, в значительной степени, неиспользованным источником недорогой энергии. Более половины энергии, производимой в мире, вылетает в атмосферу в виде отработанного тепла. По прогнозам, глобальное потребление энергии увеличится почти на 50% к 2040 году, а спрос на электроэнергию, как ожидается, вырастет почти на 70% за тот же период времени, а проблемы с утилизацией тепла усугубляются. Рассмотренная технология позволяет решить эту проблему. Типичный диапазон температур для отработанного промышленного тепла находится в пределах от 600°С до 1400°С.
[0105] Рассмотренная технология поддерживает компактный модульный дизайн системы, который легко модифицируется для использования в потоках отработанного тепла существующей промышленной инфраструктуры без ущерба для вышестоящих процессов. Благодаря своей компактности узлы термофотоэлектрических панелей с микронными зазорами в соответствии с описанной технологией являются идеальными устройствами для установки в производственные мощности крупнейших в мире отраслей промышленности, таких как разведка нефти и газа, нефтехимия и химическая переработка, а также как производство стекла, стали и цемента. Узлы термофотоэлектрических панелей с микронными зазорами могут обеспечивать промышленные установки электричеством на местах, снижая энергопотребление и энергозатраты.
[0106] Обратимся теперь к Фиг. 15, где проиллюстрировано промышленное приложение для стеклоплавильной печи 300, содержащее узлы термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100 в соответствии с предлагаемой технологией. Приложение 300 содержит узел печной трубы 302 для переноса горячих выхлопных газов. Печная труба 302 показана частично в поперечном сечении для иллюстрации находящихся в ней узлов термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100. Как описано выше, узлы термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100 устанавливаются через отверстия в стенках 304 узла печной трубы 302. Приподнятая дорожка 306 имеет двойное назначение для системы поддержки трубопровода. Расположенная выше уровня земли дорожка 306 может поддерживать вспомогательные линии, такие как система для охлаждающей жидкости, подающая охлаждающую жидкость по трубопроводам 308 для узлов 100. Дорожка 306 также поддерживает вакуумные линии, линии мониторинга, диагностические линии, линии связи, электрические линии и тому подобное оборудование. Пользователи могут контролировать и/или управлять узлами термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100 с одного или большего количества рабочих мест 310. Рабочие места 310 имеют экраны 312, которые облегчают оперативный обзор и взаимодействие с узлами термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100. В качестве альтернативы, узлы термофотоэлектрических панелей с микронным зазором 100 могут контролироваться и/или управляться дистанционно.
[0107] Подобное преобразование тепла в электроэнергию, использующее среду отработанного тепла, базируется на специфической для производства комбинации температур отработанных газов, смешанного их состава и удельного массового расхода. Печь, используемая для производства стекла, обычно формирует отработавшие газы в диапазоне температур от 800 до 1400°С при тепловой мощности 17 мБТЕ в час. На каждую печную трубу можно поместить до 20 или более наборов узлов термофотоэлектрических панелей 100, а при наличии двух печных труб на каждой печи выходная мощность каждой стеклоплавильной печи может составлять от 200 кВт до 1 МВт или более. Такая мощность компенсировала бы ежегодные расходы на электроэнергию, которые составляют до 600000 долл. США при средней промышленной стоимости электроэнергии в США - 0,07 долл. США за киловатт-час. Результат подобной экономии значительно больше в регионах с дорогостоящей электроэнергией, таких как Калифорния (13,6 центов/кВт-ч), Германия (15,5 центов/кВт-ч) и Италия (26 центов/кВт-ч).
[0108] Обратимся теперь к Фиг. 19, где проиллюстрирован в перспективе вид сзади портативного диагностического инструмента 1300 в соответствии с предлагаемой технологией. Портативный диагностический прибор 1300 может легко оценить производство электроэнергии, поступающей из среды отработанного тепла. Портативный диагностический прибор 1300 содержит на монтажной системе 1302 узел термофотоэлектрической панели 100. Монтажная система 1302 может быть легко поставлена традиционными способами, предпочтительно без процессов разборки или сборки. Для другого варианта реализации изобретения портативная диагностическая система частично разбирается для отгрузки. Для еще одного варианта реализации изобретения выступающие компоненты можно развернуть в вертикальные положения с помощью вмонтированных петель для погрузки. Монтажная система 1302 легко перемещается в нужное место для селективной установки узла термофотоэлектрических панелей в среду, содержащую отработанное тепло. Блок управления 1304 также находится на монтажной системе и применяется для контроля функционирования узла термофотоэлектрических панелей 100.
[0109] Монтажная система 1302 содержит базовую конструкцию 1306, предназначенную для монтажа компонентов. Запорные шарнирные ролики 1308 на базовой конструкции 1306 позволяют катить диагностический инструмент 1300 и легко фиксируют его на месте. Базовая конструкция 1306 имеет рельсовую систему 1310 для избирательного осевого перемещения узла термофотоэлектрической панели 100. Предпочтительно, также регулировать и высоту узла термофотоэлектрической панели 100. Базовая конструкция 1306 также содержит вакуумную систему для поддержки вакуума в узле термофотоэлектрической панели 100. Поскольку вакуумная система имеет значительный вес, вакуумная система может быть размещена или перемещаться, исполняя роль противовеса при расширении узла термофотоэлектрической панели. Базовая конструкция 1306 содержит блок хранения 1320 для хранения расходных материалов для обслуживания, сервисных инструментов, защитных костюмов и экранов, противоожоговых наборов медикаментов и т.п.
[0110] Базовая конструкция 1306 также содержит охлаждающий блок для подачи охлаждающей жидкости к узлу термофотоэлектрической панели 100. В качестве альтернативы, охлаждение может реализовываться при помощи внешних источников, которые обеспечиваются инфраструктурой (например, вода, водопровод, ОВК, охлаждающие башни и тому подобное), или природными источниками (например, геотермальное охлаждение, реки, ручьи, океаны, воздух и т.п.). Портативный диагностический прибор 1300 содержит электрические и другие соединительные устройства, кабели, шланги и разъемы, необходимые для быстрого и простого подключения при взаимодействии с внутренними инженерными сетями на месте. Для одного варианта реализации изобретения бортовая система охлаждения содержит большой резервуар для охлаждающей жидкости, насос и теплообменник. Таким образом, система охлаждения имеет значительный вес, который размещается или перемещается, функционируя в качестве противовеса при расширении узла термофотоэлектрической панели. Другие компоненты портативного диагностического блока 1300 также могут использоваться в качестве противовеса.
[0111] Портативный диагностический прибор 1300 также содержит инвертор 1312. Инвертор 1312 может отсоединяться и состыковываться с переносным диагностическим прибором 1300 с помощью специально разработанного кабельного соединения. Аналогично, блок управления 1304 и другие компоненты могут быть съемными. Вследствие того, что количество компонентов портативного диагностического прибора 1300 можно уменьшать, блок можно задействовать в самых разнообразных средах. Измеренные общий размер, высота и/или вес также могут быть меняться в широких пределах.
[0112] Блок управления 1304 управляет узлом термофотоэлектрической панели 100 и других компонентов портативного диагностического инструмента 1300, таких как рельсовая система 1310 при его моторизации. Блок управления 1304 имеет визуальное предупреждение «светлый стек» или «индикатор стека» или «световой индикатор» 1314 и видеооборудование для записи/мониторинга 1316. В зависимости от потребностей блок управления 1304 также может иметь блок резервного питания (ИБП), модуль для сбора данных модуль и модуль удаленного доступа для работы через приложение смартфона и тому подобные устройства.
[0113] Для одного варианта реализации изобретения блок управления 1304 представляет собой специализированную аппаратную конструкцию для конкретного приложения. Блок управления 1304 обычно содержит блок центрального процессора, содержащий один или несколько микропроцессоров, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), механизмы и структуры для выполнения операций ввода/вывода (не проиллюстрированы), носитель данных, такой как магнитный жесткий диск (и), устройство для чтения и/или записи на съемный машиночитаемый носитель и операционную систему, обеспечивающую работу центрального процессора. Согласно одному варианту реализации изобретения жесткий диск блока управления 1304 выполняет загрузку и хранение операционной системы, других приложений или систем, которые должны выполняться, поиск и обмен информацией между жестким диском и ОЗУ и т.п. Для одного варианта реализации изобретения прикладные программы находятся на жестком диске для выполнения функций в соответствии с предлагаемой технологией. Для другого варианта реализации изобретения блок управления 1304 имеет браузер для доступа к приложению, размещенному в распределенной вычислительной сети, такой как локальная сеть или Интернет. Блок управления 1304 также может использовать съемный носитель, информация с которого считывается компьютером, носитель, такой как носитель CD или DVD, который вставляется для считывания и/или записи на него информации. Для других вариантов реализации изобретения управление осуществляется с помощью простого программируемого логического контроллера (ПЛК) при возможностях связи (или без этой возможности) для КАС ДУ (комплексная автоматизированная система диспетчерского управления).
[0114] Блок управления 1304 имеет устройство(а) ввода, известное специалистам в данной области техники, которое может использоваться для предоставления входных сигналов для управления программами приложений и другими программами, такими как операционная система, исполняемая блоком управления 1304. Для иллюстративных вариантов реализации изобретения, устройство ввода, предпочтительно, содержит переключатель, бегунок, мышь, шаровой манипулятор, скользящую указку или джойстик, микрофон или другое подобное устройство (например, клавиатуру, имеющую интегрально установленную скользящую указку или мышь), посредством которой пользователь, такой как потребитель, может вводить управляющие сигналы и другие команды. Хотя использование клавиатуры и/или сенсорного экрана в качестве устройства ввода далее не описано, при реализации описанного изобретения в качестве устройства ввода используется любая из клавиатур и сенсорных экранов, которые известны специалистам в данной области техники, где имеются управляющие сигналы или команды для реализации взаимодействия с пользователем и программа приложений, построенная на методологии, где реализованы дискретные команды, поступающие с клавиатуры или сенсорного экрана.
[0115] Блок управления 1304 содержит дисплей (и), который могут быть оценены специалистами в данной области техники. Дисплей может быть любым устройством, известным специалистам в данной области техники для отображения изображений, который реагирует на выходы сигналов компьютеров 14, 16. Подобные устройства содержат, но не ограничиваются ими, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), жидкокристаллические дисплеи (ЖК), плазменные экраны и тому подобное оборудование. Хотя упрощенная диаграмма и проиллюстрирована на Фиг. 19, подобная иллюстрация не должна истолковываться как ограничивающая настоящее описание для проиллюстрированного варианта реализации изобретения. Следует признать, что сигналы, выводимые из блока управления 1304, могут исходить из любого из устройств, включая видеоплаты или карты PCI или AGP, установленные в корпусе блока управления 1304, которые функционально связаны с микропроцессорами и дисплеями блока управления 1304.
[0116] В процессе эксплуатации портативный диагностический блок 1300 содержит узел термофотоэлектрической панели, поэтому могут проверяться различные места на пригодность для постоянной установки термофотоэлектрической панели с целью выработки электроэнергии из тепла. Для одного варианта реализации изобретения требуются четыре соединения (например, 208 30-амперная силовая цепь; 208 30-ампернаяп силовая цепь для подключения инвертора к сети, 110 силовая цепь для системы мониторинга; и источник воды). Все соединения и оборудование не имеют номинальной мощности и соответствуют требованиям UL. Например, в среде с отработанным теплом несколько местоположений могут быть пригодны для производства электроэнергии. Доступ в эти различные местоположения может быть создан (например, путем формирования нескольких отверстий для установки термофотоэлектрической панели). Один или несколько портативных диагностических модулей 1300 могут быть направлены на место и настроены для каждого из возможных местоположений в течение определенного периода времени. Портативные диагностические устройства 1300 собирают все необходимые данные для анализа пригодности и прибыльности местоположения, чтобы принять обоснованное решение относительно количества и места для размещения постоянно установленных узлов термофотоэлектрических панелей. Блок управления может также, частично или полностью, использоваться при монтаже на постоянной основе. Например, во время контроля функционирования узлов термофотоэлектрических панелей блок управления 1304 может использовать моторизованную рельсовую систему для автоматического извлечения узла термофотоэлектрической панели из среды отработанного тепла, когда реализуется заданное условие, например, условие перегрева, которое может привести к отказу системы охлаждения. Блок управления управляет скоростями ввода в среду отработанного тепла и извлечения из этой среды узла термофотоэлектрической панели, что позволяет регулировать величину теплового удара в зависимости от профиля теплового удара, для которого предназначен данный узел термофотоэлектрической панели.
[0117] Предусмотрено, что моторизованная рельсовая система также может использоваться для управления вводом постоянных узлов термофотоэлектрических панелей в зону нагрева. Моторизованный привод может быть линейным исполнительным механизмом, приводимым в действие направляющим винтом или шариковым винтом или трапециевидной резьбой, хотя может использоваться любой тип рельса (например, круглый, магнитный, зубчатая рейка и шестерня и т.д.). Приводным механизмом может служить любой из подобных типов, такой как гидравлический цилиндр, пневматический привод, пневматический двигатель, шестерни с ручным приводом и тому подобные устройства.
[0118] Блок управления может также рассылать оповещения назначенным получателям на основе настраиваемых параметров с помощью Интернета, телефона, сотовой связи, Bluetooth или аналогичного протокола связи. Как это свойственно для динамических системных элементов управления, блок управления может принимать входные сигналы от множества датчиков для контроля температур (например, окружающей среды, блока управления, печи, охлаждающей воды, двигателя вакуумной системы, внутренних компонентов системы, инвертора и т.п.), давлений (например, вакуума в системе, давления окружающей среды, давления охлаждающей жидкости и тому подобное), скорости потоков (например, откачки воздуха, охлаждающей воды) и любые другие цифровые или аналоговые датчики, которые используются специалистами в области управления системой. Для одного варианта реализации изобретения блок управления содержит программируемый логический контроллер (ПЛК), который использует термопары, датчики температурного сопротивления (ДТС), сигналы тока (0-20 мА, 4-20 мА и т.д.), сигналы напряжения (0-10 В постоянного тока, только для одного примера), последовательную коммуникацию для любого протокола (например, RS-232, RS-485, USB, MODBUS и т.д.) и реле ввода/вывода для триггерной системы. Типичная система может содержать инвертор для непосредственной подачи питания в сеть, причем выработка электроэнергии может контролироваться напрямую с помощью аппаратного и программного обеспечения сторонних производителей (как правило, встроенных в инвертор) или посредством вышеупомянутых сигналов с помощью таких приборов, как датчик эффекта Холла для контроля постоянного тока.
[0119] Для других вариантов реализации изобретения электроэнергия генерируется в районах, не охваченных электросетью, и с использованием баланса систем сохраняется в аккумуляторных батареях, таких как контроллер заряда (с отслеживанием максимальной мощности или без него) и банк аккумуляторных батарей. Эти системы могут использовать свою собственную мощность для работы, а не полагаться на источники бесперебойного питания (ИБП) или сеть электропитания питания. Средства для хранения электроэнергии могут служить частью переносного диагностического блока или быть отдельным узлом.
[0120] Портативный диагностический блок также может служить для тестирования и оценки различных средств в реальных условиях. Например, различные конфигурации могут работать по-разному в различных средах. Портативный диагностический блок может иметь различные термофотоэлектрические панели и сравнивать их характеристики в реальных условиях. Для другого варианта реализации изобретения система охлаждения используется в качестве нагревателя или предварительного нагревателя флюида, предназначенного для другого применения. Также предполагается, что портативный диагностический блок может содержать несколько узлов термофотоэлектрических панелей. Некоторые компоненты могут быть модульными, например, два портативных диагностических блока могут иметь единый блок управления и тому подобное.
[0121] Обратимся теперь к Фиг. 16А, где проиллюстрирован вид в перспективе другого узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900 в соответствии с описанием изобретения. Как будет понятно специалистам в данной области техники, узел термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900 использует принципы, аналогичные описанным выше для узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 100. Соответственно, используются одинаковые ссылочные позиции, которым предшествует цифра «9» вместо цифры «1», если это возможно, для обозначения подобных элементов. Следующее описание служит для обозначения различий.
[0122] Отличие узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900 от других узлов термофотоэлектрических панелей заключается в том, что теплоотвод 970 является четырехсторонним. Для одного варианта реализации изобретения теплоотвод 970 содержит расположенные на нем сорок восемь модулей 950 TPV, по двенадцать - с каждой стороны. Теплоотвод 970 содержит охлаждающую пластину 971 (как проиллюстрировано на Фиг. 16В, 16F и 16G), с каждой стороны расположены по двенадцать модулей TPV 950. Следует отметить, что теплоотвод 970 поворачивается приблизительно на 45°. 45-градусная ориентация гарантирует, что модули со всех четырех сторон теплоотвода получают излучение от окружающей среды, несмотря на плотную упаковку нескольких узлов 900. Корпус 902 выполнен в полупрозрачном виде для иллюстрации, но может быть прозрачным, непрозрачным, полупрозрачным или светопрозрачным.
[0123] Обратимся теперь к Фиг. 16В, где проиллюстрирован частично разобранный вид дистального конца 972 теплоотвода 970 узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900. В частности, один модуль 950 TPV проиллюстрирован отсоединенным от теплоотвода 970. Модуль 950 TPV имеет относительно более толстую базовую подложку 960 для усиления жесткости, а также перемещены монтажные отверстия 962 для болтов 966. Следует отметить, что количество монтажных отверстий 962 удваивается для размещения дополнительных болтов 966. Слой прикладывания усилия 990 также имеет другую форму, причем установочные болты 994 более плотно расположены в четырех углах формы, в целом имеющей квадратный вид. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различия, отмеченные в модуле 950 TPV, могут быть применены к модулям TPV, расположенным на двухстороннем теплоотводе или теплоотводе с другим количеством сторон, поскольку конструкция модуля TPV не зависит от дизайна теплоотвода.
[0124] Еще одно отличие четырехстороннего узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900 заключается в том, что электрические соединения встроены в теплоотвод 970, как проиллюстрировано на Фиг. 16B-D. Теплоотвод 970 формирует продолговатые слоты 907 вдоль соответствующих краевых углов 909. Как проиллюстрировано в поперечном сечении на Фиг. 16D, шины 911 укладываются в слоты 907 для передачи напряжения от модулей 950 TPV.
[0125] Обратимся теперь к Фиг. 16С, где проиллюстрирован вид в разрезе угловой электрической перемычки 913 узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900. Угловые электрические перемычки 913 электрически соединяют модули TPV 950. Для одного варианта реализации изобретения угловые электрические перемычки 913 соединяют четыре модуля 950 TPV в одной точке, находящейся по длине теплоотвода 970. Угловые электрические перемычки 913 различными способами могут формировать другие комбинации модулей TPV 950, так же как выполняется формирование группы из двенадцати модулей. Шины 911 и угловые электрические перемычки 913, предпочтительно, выполняются из металла, и оба устройства могут применяться как при низком напряжении (например, 10 В), так и при высоком напряжении (например, 50 В).
[0126] Обратимся теперь к Фиг. 16Е, где проиллюстрирован вид в перспективе теплоотвода 970 узла термофотоэлектрической панели с микронным зазором 900. Теплоотвод 970 имеет интегральную заднюю пластину 983 с двумя относительно большими отверстиями 985 для входа и выхода флюида. Большие отверстия 985 предназначены для большего расхода и более низкого перепада давлений охлаждающего флюида. Предпочтительно, теплоотвод 970 изготовлен из алюминиевого сплава, меди, стали и тому подобных материалов, обладающих свойством высокой проводимости тепла.
[0127] При дополнительной ссылке на Фиг. 16F, можно увидеть частично разобранный вид теплоотвода 970. Теплоотвод 970 содержит четырехсторонний корпус 981 с реберными пластинами 987 с каждой стороны. Под каждой реберной пластиной 987 корпус 981 формирует большую потоковую область 989, которая при взаимодействии с флюидом сообщается с отверстиями 985. Ребра 991 проходят от реберных пластин 987 в потоковые области 989, что облегчает охлаждение теплоотвода 970, как лучше проиллюстрировано на Фиг. 16G и 161. Ребра 991, как правило, представляют собой множество удлиненных гребней, образующих между собой параллельные каналы. Концы 993 ребер 991 образуют конфигурацию гоночного трека, как лучше проиллюстрировано на Фиг. 16Н.
[0128] Обратимся теперь к Фиг. 17А, где проиллюстрирован вид сверху в перспективе для другого термофотоэлектрического модуля (TPV) 1050 в соответствии с описанием данного изобретения. Как будет понятно специалистам в соответствующей области техники, модуль TPV 1050 сформирован на аналогичных принципах, что и описанные выше модули TPV 150, 950. Соответственно, там, где это возможно, для обозначения одинаковых элементов в качестве ссылочных позиций используются те же позиции, только им предшествуют «10» вместо «1» или «9».
[0129] Отличие модуля TPV 1050 заключается в том, что изменились форма слоя прикладывания усилия 1090 и расположение крепежных болтов 1094. Слой прикладывания усилия 1090 является, по существу, квадратным, но имеет четыре увеличенных угла 1091. Крепежные болты 1094 расположены, по существу, симметрично в радиальных направлениях, что сокращает отрыв углового зазора и приводит к равномерному распределению давления на тепловых интерфейсах для улучшенного охлаждения. Для показанного варианта реализации изобретения крепежные болты 1094 собраны в пары, на противоположных направлениях, в каждом углу 1091.
[0130] Обратимся теперь к Фиг. 17В, где проиллюстрирован вид в перспективе снизу модуля TPV1050. Модуль TPV 1050 содержит монтажные узлы 1021, которые соединяются с крепежными болтами 1094. Базовая подложка 1060 образует пазы 1061, вследствие чего монтажные узлы 1021 не препятствуют наличию хорошего контакта с теплоотводом. Базовая подложка 1060 может также содержать установочные штифты 1067 для позиционирования на теплоотводе, а также области углублений 1068 для электрических соединений и т.п.
[0131] Один из монтажных узлов 1021 проиллюстрирован в разобранном виде. Каждый монтажный узел 1021 содержит установочный болт 1094, гайку 1023 и пружину 1025. Гайка 1023 и паз 1061 имеют такую форму, что гайка захватывается пазом при повороте крепежного болта 1094. На Фиг. 17С проиллюстрирован поперечный разрез собранного монтажного узла 1021. Паз 1061 имеет внешнюю часть 1063, имеющую соответствующий размер для удержания гайки 1023 при заданной ориентации. Паз 1061 также имеет внутреннюю часть 1065, которая является относительно более узкой в радиальном направлении. При сборке пружина 1025 удерживается во внутренней части 1065 гайкой 1023, которая находится во внешней части 1063. Болт 1094 проходит через пружину 1025 и резьбовым соединением объединяется с гайкой 1023. Внешняя часть 1063 имеет достаточную глубину, поэтому болт 1094 не выступает. Кроме того, достаточная глубина позволяет регулировать болты 1094 и, в свою очередь, зазоры в модуле TPV 1050 после установки TPV на радиаторе. Усилие, прикладываемое слоем 1090, поддерживается при сжатии пружин 1025, работающих против натяжения, обеспечиваемого болтами 1094 и гайками 1023.
[0132] Обратимся теперь к Фиг. 18, где проиллюстрирована серия поперечных разрезов для различных возможных этапов изготовления «а-l» при производстве наноразмерных распорок на прозрачной или другой подложке в соответствии с технологией изобретения. Для одного варианта реализации изобретения подложка представляет собой прозрачный эмиттер для термофотоэлектрического модуля. Этапы «а-l» могут выполняться с применением известных микролитографических процессов, обычных в полупроводниковой промышленности. На этапе а предусмотрена обнаженная подложка 1100. Обнаженная подложка 1110 покрыта слоем фоторезиста 1102 на этапе b. Слой фоторезиста 1102 выполнен с шаблоном, поэтому на этапе с формируется множество отверстий 1104. Отверстия 1104 могут иметь любой размер и форму.
[0133] На этапе d осаждается слой оксида 1106. Вследствие наличия отверстий 1104 части распорок или полностью эти устройства 1108, состоящие из оксидного слоя 1106 располагаются непосредственно на подложке 1100. При снятии слоя фоторезиста 1102 с оксидным слоем 1106 на нем, на подложке 1100 останутся только оксидные распорки 1108, что и проиллюстрировано на этапе е.
[0134] На этапе f металлической маскирующий слой 1110 наносится поверх распорок 1108 и подложки 1100. Для формирования шаблона слоя металлической маски 1110, на него наносится фоторезист 1112, как проиллюстрировано на этапе g. Как только фоторезист 1112 сформирован в нужном шаблоне для формирования фоторезиста с шаблоном 1112' (этап h) с отверстиями 1114, слой металлической маски 1110 протравливается с помощью того же шаблона для формирования слоя металлической маски в форме 1110', как проиллюстрировано на этапе i. В результате отверстия 1114 формируются через фоторезист 1112' и слой металлической маски 1110 вплоть до подложки 1100. Слой металлической маски может выполняться из любого достаточно прочного маскирующего материала, такого как толстый фоторезист. Слой металлической маски должен быть устойчивым относительно травления и других необходимых этапов обработки, применяемых для формирования подложки 1100, который могут быть довольно агрессивными. Для одного варианта реализации изобретения подложка 1100 представляет собой расплавленный кремнезем, который травится с применением метода реактивного ионного травления (РИТ).
[0135] После удаления фоторезиста 1112' (этап j) подложка 1100 может быть протравлена в тех местах, где находятся отверстия 1114 для образования выемок 1116 в подложке 1100, как показано на этапе к. Как только устраняется слой 1110 металлической маски, как проиллюстрировано на этапе 1, формируется подложка 1100 с распорками 1108, окруженная желобками 1116 для улучшения термостойкости распорок.
[0136] Специалистам в данной области техники будет понятно, что функции нескольких элементов могут в альтернативных вариантах реализации изобретения выполняться с помощью меньшего количества элементов или одним элементом. Аналогичным образом, для некоторых вариантов реализации изобретения любой функциональный элемент может выполнять меньшие операций или иные операции, чем описанные для проиллюстрированного варианта реализации изобретения. Кроме того, функциональные элементы (например, теплоотводы, охлаждающие трубки, фланцы, электрические соединители, интерфейсные слои, болты и т.п.), показанные в качестве иллюстрации, могут содержаться в других функциональных элементах в условиях конкретной реализации изобретения.
[0137] Все патенты, патентные заявки и другие ссылки, приведенные в настоящем документе, настоящим включены в их полном объеме путем ссылки. Хотя предметная технология была описана в отношении предпочтительных вариантов реализации изобретения, специалисты в данной области легко поймут, что различные изменения и/или модификации могут быть внесены в рассматриваемую технологию без отхода от сущности или объема изобретения, как определено в прилагаемых требованиях. Например, отмечается, что энергия, передаваемая эмиттеру, может излучаться из корпуса, или корпус может просто пропускать фотоны окружающей среды. Кроме того, формула изобретения могут быть переписана таким образом, что часть пунктов формулы будет изложена в других пунктах, а также каждый пункт формулы может зависеть от любых, некоторых или всех пунктов формулы в режиме множественной зависимости, даже если это первоначально не было заявлено.