本發(fā)明涉及一種熱電元件和一種熱電發(fā)電系統(tǒng)，更具體地涉及一種能夠?qū)⒐?，諸如太陽光線和遠(yuǎn)紅外光線的能量轉(zhuǎn)換為熱能和電能的熱電元件，以及一種使用該熱電元件的熱電發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

利用太陽光線的能量的裝置大致被分為將太陽光線直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，以及將太陽光線轉(zhuǎn)換成熱能的裝置。太陽能電池是前者的示例。后者的示例包括下列系統(tǒng)：

(a)利用太陽熱產(chǎn)生溫水和暖風(fēng)，并且利用太陽熱進行熱水供應(yīng)和空氣調(diào)節(jié)的太陽熱利用系統(tǒng)；和

(b)在利用太陽熱的熱電元件的兩端產(chǎn)生溫差，并且將溫差轉(zhuǎn)換為電能的熱電發(fā)電系統(tǒng)。

在這些裝置中，太陽能電池僅能夠獲得電力，并且太陽能電池不能有效地利用太陽能。太陽能熱水器具有相對高的太陽能利用效率。然而，由于產(chǎn)生的溫水比所需量更多，所以太陽能熱水器作為整體不能有效地利用太陽能。另外，太陽能熱水器不獲得電力。此外，使用太陽能蒸汽渦輪的熱發(fā)電需要大規(guī)模的設(shè)施。

相反，使用熱電元件的熱電發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)能夠獲得電力和溫水兩者，并且不需要大規(guī)模設(shè)施的優(yōu)點。因此，關(guān)于使用熱電元件的熱電發(fā)電系統(tǒng)，已經(jīng)做出了各種提議。

例如，非專利文獻(xiàn)1公開了使用置于真空容器內(nèi)的太陽能吸收器將太陽光線轉(zhuǎn)換為熱，并且通過熱電元件將熱轉(zhuǎn)換為電力的太陽能熱電發(fā)電機(steg)。該文獻(xiàn)中的steg實現(xiàn)4.6％的熱電轉(zhuǎn)換效率。

在該文獻(xiàn)中，使用bi2te3基熱電材料執(zhí)行熱電發(fā)電。然而，由于高溫側(cè)約為200℃，所以在熱電元件中不產(chǎn)生大的溫差，并且不能預(yù)期熱電轉(zhuǎn)換效率的顯著提高。此外，由于不利用未被轉(zhuǎn)換為電的熱，所以太陽能的利用效率低。

非專利文獻(xiàn)2公開了steg的熱電轉(zhuǎn)換效率的計算結(jié)果。該文獻(xiàn)估計，能夠通過使用由對光波長最優(yōu)化的長通濾波器組成的太陽能吸收器抑制高溫部分的輻射，并且在1000℃獲得15.9％的轉(zhuǎn)換效率。

然而，具有熱阻并且其截止波長受精確控制的長通濾波器不存在，并且上述估計無效。此外，為了獲得高熱電轉(zhuǎn)換效率，要求高溫部分的溫度升高；然而，問題的發(fā)生在于當(dāng)高溫部分的溫度升高時，輻射導(dǎo)致的熱損失增大。

專利文獻(xiàn)1公開了一種使用太陽光線加熱熱電元件的高溫側(cè)，并且使用具有湯姆遜效應(yīng)的熱電材料冷卻熱電元件的低溫側(cè)的發(fā)電機。

該專利文獻(xiàn)中的發(fā)電機移除通過熱電元件照射的熱，不將其通過利用湯姆遜效應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電力，因此太陽能的利用效率低。

專利文獻(xiàn)2公開了其中熱電元件被布置在水管的外部外圍表面上，并且太陽光線照射使用彎曲鏡表面主體的熱電元件的高溫側(cè)的供電設(shè)備。

在該專利文獻(xiàn)中公開的供電設(shè)備中，當(dāng)太陽光線的匯聚度低時，熱電元件的高溫側(cè)的溫度不升高，并且熱電轉(zhuǎn)換效率低。相反，當(dāng)匯聚度高時，不能防止高溫部分中的對流導(dǎo)致的熱損失，這是因為熱電元件未被置于真空容器中。此外，該供電設(shè)備也不具有防止由于輻射導(dǎo)致的熱損失的功能。

專利文獻(xiàn)3公開了一種太陽能熱水器，其中向溫水箱中的水在其中循環(huán)的循環(huán)通道提供太陽能熱收集面，使用太陽能熱由冷水產(chǎn)生溫水，通過使用熱電元件將冷水和溫水之間的溫差轉(zhuǎn)換為電力，并且使用所獲得的電力迫使溫水循環(huán)。

在專利文獻(xiàn)中公開的太陽能熱水器中，由于不是所有的熱都穿過熱電元件，所以僅產(chǎn)生少量的電力。

專利文獻(xiàn)4公開了一種其中太陽光線被匯聚的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，通過使太陽光線中的紅外光線通過波長選擇鏡入射在熱電元件上，并且使得其余光入射在太陽能電池上而發(fā)電，并且進一步利用來自熱電元件和太陽能電池的廢熱以供應(yīng)熱水。

在該專利文獻(xiàn)中，未描述熱水供應(yīng)系統(tǒng)的實驗結(jié)果。此外，在該專利文獻(xiàn)中的熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，熱電元件的溫度不升高，并且熱電元件的發(fā)電效率低。此外，由于來自太陽能電池和熱電元件的廢熱的溫度低，所以通過使用利用二氧化碳作為冷卻劑的熱泵，熱收集效率不令人滿意。此外，由于熱電元件和太陽能電池結(jié)合，所以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

專利文獻(xiàn)5公開了一種熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)容納能夠?qū)⑻柲軣嶙鳛榛瘜W(xué)能儲存在反應(yīng)器中的儲熱材料，并且通過熱電元件將反應(yīng)器中產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)換為電力。

由于該專利文獻(xiàn)中公開的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)使用儲熱材料的可逆反應(yīng)(例如，)執(zhí)行儲熱和放熱，所以系統(tǒng)具有熱電元件的高溫部分保持恒定，并且能夠穩(wěn)定地供應(yīng)電力的優(yōu)點。然而，在儲熱過程中導(dǎo)致能量損失，并且太陽能熱能的利用效率低。

此外，專利文獻(xiàn)6公開了一種使用光吸收器將太陽光線轉(zhuǎn)換為熱、通過熱電元件將熱轉(zhuǎn)換為電力，進一步使流體(例如，水)在熱電元件的低溫側(cè)上流動并且對流體加熱的方法。

如上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中所公開的，當(dāng)光吸收器和熱電元件結(jié)合時，太陽能的利用效率能夠被提高至特定程度。此外，當(dāng)通過各種方法回收從熱電元件的低溫側(cè)浪費的熱時，太陽能的利用效率被進一步提高。

相反，為了進一步提高太陽能的利用效率，優(yōu)選地，熱電元件的高溫部分的溫度被升高至更高。然而，根據(jù)上述方法，由于隨著高溫部分的溫度更高，輻射引起的熱損失升高，所以利用效率的提高具有限制。

[引用列表]

[專利文獻(xiàn)]

[專利文獻(xiàn)1]日本未審專利申請公開號2013-004753

[專利文獻(xiàn)2]日本未審專利申請公開號2012-222169

[專利文獻(xiàn)3]日本未審專利申請公開號2002-106964

[專利文獻(xiàn)4]日本未審專利申請公開號2010-190455

[專利文獻(xiàn)5]日本未審專利申請公開號2012-211753

[專利文獻(xiàn)6]日本未審專利申請公開號(pct申請的翻譯)2010-529395

[非專利文獻(xiàn)]

[非專利文獻(xiàn)1]d.kraemer等人的《自然材料》(naturematerials)10532(2011)

[非專利文獻(xiàn)2]l.l.baranowski等人的《能量環(huán)境科學(xué)》(energyenvironmentalscience)59055(2012)

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)⒐?，諸如太陽光線和遠(yuǎn)紅外光線的能量轉(zhuǎn)換為熱能和電能的熱電元件，以及一種使用該熱電元件的熱電發(fā)電系統(tǒng)。

此外，本發(fā)明的另一目的在于降低熱電元件和熱電發(fā)電系統(tǒng)中的輻射引起的廢熱損失和熱損失。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的熱電元件具有下列配置。

(1)熱電元件包括：

由熱電材料制成并且具有從一個端面穿透至另一端面的通孔的熱電構(gòu)件，

被插入通孔內(nèi)以使流體流動的管子，和

被設(shè)置至熱電構(gòu)件側(cè)面的均熱構(gòu)件。

(2)管子還用作熱電構(gòu)件的一個電極，并且

均熱構(gòu)件還用作熱電構(gòu)件的另一電極。

(3)均熱構(gòu)件的表面包括被施加了黑化處理的黑化面，以及被施加了鏡面拋光處理的鏡面。

根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電系統(tǒng)具有下列配置。

(1)熱電發(fā)電系統(tǒng)包括：

具有用于將光采集到內(nèi)部的采光窗的容器，

被容納在容器內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的熱電元件，

用于將流體饋送到管子內(nèi)的流體饋送器，以及

消耗由熱電元件產(chǎn)生的電力的電力消耗源。

(2)熱電元件被容納在容器內(nèi)，使得黑化面位于采光窗下面。

當(dāng)光，諸如太陽光線和遠(yuǎn)紅外光線照射熱電元件的黑化面時，光被黑化面吸收，并且被轉(zhuǎn)換為熱能。這種熱能被從黑化面?zhèn)鬟f至整個均熱構(gòu)件，并且基本均勻地加熱熱電元件的整個側(cè)面。因此在熱電元件的側(cè)面和通孔的內(nèi)表面之間出現(xiàn)溫差(即，電動勢)。

此外，雖然黑化面具有對光能的高吸收效率，但是輻射導(dǎo)致的熱損失大。相反，雖然鏡面具有對光能的低吸收效率，但是輻射導(dǎo)致的熱損失小。因此，當(dāng)黑化面在光接收面上形成，并且鏡面在均熱構(gòu)件的表面上的其余部分中形成時，輻射導(dǎo)致的熱損失能夠被限制為最小。

此外，當(dāng)使作為熱交換介質(zhì)的流體在被插入熱電元件的基本中心的管子內(nèi)流動，或者管子充滿化學(xué)儲熱材料時，能夠回收來自熱電元件的低溫側(cè)的廢熱。

附圖說明

圖1a是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的熱電元件的透視圖，并且圖1b是沿圖1a中的線a-a'觀察的截面圖；

圖2a是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的熱電元件的透視圖，并且圖2b是沿圖2a中的線a-a'觀察的截面圖；

圖3a是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的熱電元件的透視圖，并且圖3b是沿圖3a中的線b-b'觀察的截面圖；

圖4a是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的熱電元件的透視圖，并且圖4b是沿圖4a中的線b-b'觀察的截面圖；

圖5a是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的熱電元件的透視圖，并且圖5b是沿圖5a中的線b-b'觀察的截面圖；

圖6a和6b是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的熱電元件的透視圖；以及

圖7a是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的熱電元件的透視圖，并且圖7b是沿圖7a中的線b-b'觀察的截面圖。

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的熱電發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；

圖9示出入射能量和高溫部分的溫度tmax之間的關(guān)系；

圖10示出入射能量的輻射損失、高溫部分的溫度tmax和輻射損失率(其中tc＝353k)；

圖11示出對每個表面的反射率對波長的依賴性；以及

圖12示出輻射損失率qr/qin對黑化處理比率sb/st的依賴性(其中tc＝353k)。

具體實施方式

下面將詳細(xì)地描述本發(fā)明的一個實施例。

[1.熱電元件]

根據(jù)本發(fā)明的熱電元件具有下列配置。

(1)熱電元件包括：

由熱電材料制成并且具有從一個端面穿透至另一端面的通孔的熱電構(gòu)件，

被插入通孔內(nèi)以使流體流動的管子，和

被設(shè)置至熱電構(gòu)件側(cè)面的均熱構(gòu)件。

(2)管子還用作熱電構(gòu)件的一個電極，并且

均熱構(gòu)件還用作熱電構(gòu)件的另一電極。

(3)均熱構(gòu)件的表面包括被施加了黑化處理的黑化面，以及被施加了鏡面拋光處理的鏡面。

[1.1.熱電構(gòu)件]

[1.1.1.熱電材料]

熱電構(gòu)件由熱電材料制成。在本發(fā)明中，熱電材料的類型不特別受限，并且能夠根據(jù)對象使用各種材料。熱電材料也可以是p型熱電材料，或者也可以為n型熱電材料。此外，多個熱電構(gòu)件也能夠被安裝在一個管子上/管子之上。在這種情況下，多個熱電構(gòu)件也可以都為p型熱電材料或者n型熱電材料，或者也可以為兩者。

對于p型熱電材料，例如，能夠給出bi2te3基材料、pbte基材料、zn4sb3基材料、cosb3基材料、si-ge基材料、mn-si基材料和naco2o4基材料。

對于n型熱電材料，例如，能夠給出bi2te3基材料、pbte基材料、mg2si基材料、cosb3基材料、si-ge基材料、tinisn基材料和ba8ga16ge30基材料。

當(dāng)熱電構(gòu)件包括由p型熱電材料制成的一個或多個p型熱電構(gòu)件，以及由n型熱電材料制成的一個或多個n型熱電構(gòu)件時，優(yōu)選地，p型熱電構(gòu)件和n型熱電構(gòu)件被交替地安裝在管子上/管子之上，并且這些熱電構(gòu)件串聯(lián)地電連接。

當(dāng)光照射熱電構(gòu)件的側(cè)面時，該側(cè)面(外部外圍表面)變?yōu)楦邷夭糠?，并且通孔的?nèi)表面變?yōu)榈蜏夭糠?。因此，?dāng)p型熱電構(gòu)件和n型熱電構(gòu)件被交替地安裝在管子上/管子之上時，高溫部分和低溫部分被交替地連接，使得這些熱電構(gòu)件串聯(lián)地電連接。

[1.1.2.形狀]

熱電材料的形狀不特別受限，并且能夠根據(jù)對象使用各種材料。熱電構(gòu)件的形狀的示例包括下列形狀：

(a)其中通孔在圓柱體的中心形成的圓柱體形狀；和

(b)其中通孔在棱柱的中心形成的棱柱形狀。

尤其是，由于圓柱體形狀制造相對簡單，并且能夠易于使得溫度分布均勻，所以適合用作熱電構(gòu)件的形狀。

[1.1.3.通孔]

熱電構(gòu)件具有從一端面穿透至另一端面的通孔。對于通孔，也可以僅設(shè)置一個通孔，或者也可以設(shè)置兩個或者更多通孔。

優(yōu)選地，通孔在其中離側(cè)面(外部外圍表面)的距離盡可能地長，并且離側(cè)面地距離盡可能地一致的位置形成。

例如，當(dāng)熱電構(gòu)件的軸向方向中的截面(垂直于其中設(shè)置通孔的方向的截面)的輪廓為圓形，并且通孔的數(shù)目為1時，優(yōu)選地，通孔形成為圓形的中心和通孔的中心一致。

或者當(dāng)熱電構(gòu)件的軸向的截面是矩形并且通孔的數(shù)目為2或者更大時，優(yōu)選地，通孔被布置成與長邊平行，使得從長邊和/或短邊至每個通孔的最短距離基本一致。

[1.2.管子]

[1.2.1.流體]

管子被插入熱電構(gòu)件的通孔內(nèi)。管子被設(shè)置成使流體在其中流動。流體的示例包括下列流體：

(a)用于從熱電構(gòu)件的低溫側(cè)(通孔的內(nèi)表面)回收廢熱的熱交換介質(zhì)；和

(b)當(dāng)管子充滿如下文所述的化學(xué)儲熱材料時，用作化學(xué)儲熱材料的工作介質(zhì)。

流體的類型不特別受限，并且能夠根據(jù)對象選擇最佳的一種。流體的示例包括下列流體：

(1)液體，諸如水、油、有機溶劑和熔鹽；和

(2)氣體，諸如蒸汽、氫氣、二氧化碳和氨氣。

[1.2.2.管子的材料]

管子將來自熱電構(gòu)件的熱傳輸至流體(或者化學(xué)儲熱材料)，并且還用作熱電構(gòu)件的一個電極。因此，對于管子的材料，優(yōu)選具有下列特性的材料(a)不被液體腐蝕或者被流體溶解，(b)具有比熱電構(gòu)件更高的導(dǎo)熱率，(c)具有比熱電構(gòu)件更高的導(dǎo)電率，以及(d)具有對工作溫度的耐熱性。

只要滿足上述條件，管子的材料不特別受限。對于管子的材料，例如，能夠給出不銹鋼、銅合金和鋁合金。

[1.2.3.熱電構(gòu)件和管子的連接]

為了使管子用作電極，熱電構(gòu)件和管子需要被電連接。此外，為了降低熱電構(gòu)件和流體(或者化學(xué)儲熱材料)之間的熱傳遞損失，優(yōu)選地，熱電構(gòu)件和管子被熱連接。

只要滿足上述條件，則連接熱電構(gòu)件和管子的方法不特別受限。連接方法的示例包括下列方法：

(a)通過焊接或者銅焊結(jié)合熱電構(gòu)件和管子的方法；

(b)通過具有高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率的油脂填充熱電構(gòu)件和管子之間的間隙的方法；以及

(c)熱壓縮地結(jié)合熱電構(gòu)件和管子的方法。

[1.2.4.化學(xué)儲熱材料]

管子也可以被填充以化學(xué)儲熱材料。在這種情況下，“化學(xué)儲熱材料”的意思是當(dāng)結(jié)合工作介質(zhì)時產(chǎn)生熱，并且當(dāng)釋放工作介質(zhì)時吸熱的材料。

當(dāng)太陽光線照射熱電元件的外部外圍表面?zhèn)葧r，一部分太陽能熱被轉(zhuǎn)換為電能，并且殘留的熱被從通孔的內(nèi)表面輻射。此時，當(dāng)管子被填充以工作介質(zhì)與其結(jié)合的化學(xué)儲熱材料時，由來自熱電構(gòu)件的廢熱加熱化學(xué)儲熱材料。因此，從化學(xué)儲熱材料釋放工作介質(zhì)。即，來自熱電構(gòu)件的廢熱被作為化學(xué)能儲存在化學(xué)儲熱材料中。

相反，當(dāng)工作介質(zhì)在夜間或者多云天氣下供應(yīng)到管子中時，工作介質(zhì)被結(jié)合至化學(xué)儲熱材料，并且釋放熱。因此，在熱電構(gòu)件的內(nèi)表面?zhèn)?高溫部分)和外部外圍表面?zhèn)?低溫部分)之間實現(xiàn)溫差。即，化學(xué)儲熱材料所具有的化學(xué)能被轉(zhuǎn)換為電能。

在本發(fā)明中，化學(xué)儲熱材料的類型不特別受限，并且能夠根據(jù)對象使用最佳材料?；瘜W(xué)儲熱材料的示例包括下列材料：

(a)使用水、油、有機溶劑、熔鹽等等作為工作介質(zhì)的化學(xué)儲熱材料(例如，mgo、cao、mgcl2、cacl2、na2s、h2so4、sro和bao)；

(b)使用氫氣作為工作介質(zhì)的化學(xué)儲熱材料(例如，貯氫合金)；

(c)使用二氧化碳作為工作介質(zhì)的化學(xué)儲熱材料(例如，mgo、cao和li4sio4)；以及

(d)使用氨氣作為工作介質(zhì)的化學(xué)儲熱材料(例如，氨絡(luò)合物，諸如fecl2·nh3)。

[1.3.均熱構(gòu)件]

[1.3.1.材料]

均熱構(gòu)件被設(shè)置至熱電構(gòu)件的側(cè)面(除了通孔在其上形成的端面之外的表面)。設(shè)置均熱構(gòu)件以便均勻地加熱熱電構(gòu)件的側(cè)面。由于熱電構(gòu)件通常具有低導(dǎo)熱率，所以當(dāng)光直接地照射熱電構(gòu)件的表面時，僅光接收面被局部加熱。相反，當(dāng)均熱構(gòu)件被設(shè)置至熱電構(gòu)件的側(cè)面并且光照射均熱構(gòu)件的表面時，在光接收面上吸收的熱也被傳遞至除了光接收面之外的表面。因此，熱電構(gòu)件的側(cè)面能夠被均勻地加熱。

在這種情況下，“光接收面”的意思是0.01w/cm²或者更高的光能被入射在其上的表面。

可以自由地設(shè)置均熱構(gòu)件的厚度。然而，當(dāng)均熱構(gòu)件太厚時，均熱構(gòu)件的表面的面積增大，并且輻射導(dǎo)致的熱損失增大該量。在圓筒的情況下，優(yōu)選等效于或者低于熱電構(gòu)件的半徑的厚度，并且更優(yōu)選等于或者低于熱電構(gòu)件的半徑的1/10的厚度。

此外，均熱構(gòu)件均勻地加熱熱電構(gòu)件的側(cè)面，并且同時還用作熱電構(gòu)件的其它電極。因此，對于均熱構(gòu)件的材料，優(yōu)選具有(a)高于熱電構(gòu)件導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱率，(b)高于熱電構(gòu)件導(dǎo)電率的導(dǎo)電率，以及(c)對工作溫度的耐熱性的材料。

只要滿足上述條件，則均熱構(gòu)件的材料不特別受限。對于均熱構(gòu)件的材料，例如，能夠給出不銹鋼、銅合金、鋁合金、銀合金、鎳合金、碳材料和金合金。

均熱構(gòu)件也可以被設(shè)置至熱電構(gòu)件的整個側(cè)面或者也可以被設(shè)置至一部分。然而，當(dāng)熱電構(gòu)件的側(cè)面的暴露面積過分地增大時，側(cè)面的熱平衡劣化，并且發(fā)電效率劣化。因而，優(yōu)選地，均熱構(gòu)件的面積與熱電構(gòu)件的側(cè)面的面積的比率(下文稱為“覆蓋系數(shù)”)為90％或者更高。覆蓋系數(shù)優(yōu)選為95％或者更高，并且更優(yōu)選為99％或者更高。

[1.3.2.熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件的連接]

為了使均熱構(gòu)件用作電極，熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件需要被電連接。此外，為了降低熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件之間的熱傳遞損失，優(yōu)選地，熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件被熱連接。

只要滿足上述條件，則連接熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件的方法不特別受限。連接方法的示例包括下列方法：

(a)通過焊接或者銅焊結(jié)合熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件的方法；

(b)通過具有高導(dǎo)電率和高導(dǎo)熱率的油脂填充熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件之間的間隙的方法；以及

(c)熱壓縮地結(jié)合熱電構(gòu)件和均熱構(gòu)件的方法。

[1.3.3.黑化面和鏡面]

[a.定義]

均熱構(gòu)件的表面包括被施加了黑化處理的黑化面，以及被施加了鏡面拋光處理的鏡面。雖然黑化面具有對光能的高吸收效率，但是黑化面具有輻射導(dǎo)致的高熱損失。相反，雖然鏡面具有對光能的低吸收效率，但是鏡面具有輻射導(dǎo)致的低熱損失。因此，當(dāng)黑化面在光接收面上形成時，鏡面在均熱構(gòu)件的表面上的其余部分中形成，輻射導(dǎo)致的熱損失能夠被限制為最小。

在這種情況下，“黑化面”的意思是能夠?qū)⒕哂?00至1800nm的波長的光反射率限制為20％或者更低的表面。由于反射率低，所以光的吸收率提高，并且輻射導(dǎo)致的能量損失降低。反射率優(yōu)選為10％或者更低，并且更優(yōu)選為5％或者更低。

獲得這種黑化面的處理(黑化處理)的示例包括下列處理：

(1)將市售黑化漆施加至表面的處理；

(2)通過電解發(fā)色方法顯現(xiàn)黑色的處理；和

(3)通過氣相沉積或者濺射沉積各種金屬或者半導(dǎo)體吸收膜的處理。

“鏡面”的意思是能夠使具有500至1800nm的波長的光的反射率在平均全部波長上都為80％或者更多的表面。隨著反射率更高，輻射導(dǎo)致的能量損失降低。反射率優(yōu)選為90％或者更高。

獲得這種鏡面的處理(鏡面拋光處理)的示例包括下列處理：

(1)電鍍處理；

(2)通過濺射或者氣相沉積形成由ag、al、au等等制成的金屬膜；以及

(3)借助磨光的金屬光澤拋光。

[b.黑化處理比率]

黑化面在均熱構(gòu)件的光接收面上形成。光接收面的尺寸和形狀取決于熱電構(gòu)件的輪廓、光是否被匯聚、光照射方向等等而不同。優(yōu)選地，黑化面理想地與光接收面一致。然而，表面也可以稍微偏離。然而，當(dāng)黑化面和光接收面之間的間隙過分地增大時，能量損失增大。

此外，優(yōu)選地，均熱構(gòu)件的表面僅由黑化面和鏡面構(gòu)成。然而，也可包括除了黑化面和鏡面之外的表面(下文稱為“其它表面”)。然而，當(dāng)其它表面的面積過分地增大時，能量損失增大。

為了降低能量損失，優(yōu)選地，均熱構(gòu)件滿足下列公式(1)至(3)的關(guān)系。

st＝sb+sm+so---(1)

0<sb/st≤0.6---(2)

0≤so/st≤0.1---(3)

其中

st表示均熱構(gòu)件的表面的總面積，

sb表示黑化面的面積，

sm表示鏡面的面積，以及

so表示均熱構(gòu)件的表面內(nèi)的除了黑化面和鏡面之外的表面的面積。

公式(1)表達(dá)了均熱構(gòu)件的表面由黑化面、鏡面和其它表面構(gòu)成。

公式(2)中的“sb/st”表示黑化面的面積與均熱構(gòu)件的表面的總面積的比率(黑化處理比率)。此外，公式(2)表達(dá)了sb/st的容限。

當(dāng)光被匯聚時，光接收面的面積能夠被最小化。因而，優(yōu)選地，sb/st超過0。

相反，當(dāng)覆蓋系數(shù)為100％，并且平行光線照射均熱構(gòu)件時，光接收面的面積最多為st的50％。即，sb/st的最大值理論上為0.5，但是sb/st也可以大于0.5。然而，當(dāng)sb/st過分地大時，能量損失增大。優(yōu)選地，sb/st等于或者低于0.6。

公式(3)中的“so/st”表示其它表面的面積與均熱構(gòu)件的表面的總面積的比率。此外，公式(3)表達(dá)了so/st的容限。

由于其它表面無助于提高能量效率，所以當(dāng)該面積過分地增大時，能量損失增大。因而，優(yōu)選地，so/st在0或者更大至0.1或者更小的范圍內(nèi)。so/st優(yōu)選為0.05或者更小，并且更優(yōu)選為0.01或者更小。

[2.熱電元件的實施例]

[2.1.第一實施例]

圖1a是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的熱電元件的透視圖，并且圖1b是沿圖1a中的線a-a'觀察的截面圖。在圖1a和1b中，熱電元件10a包括熱電構(gòu)件12、管子14和均熱構(gòu)件16。在圖1a和1b中，為了使這些部分可見，使每個部分的一部分尺寸大于實際尺寸。在這方面，下文所述的圖2a至8也類似。

在該實施例中，熱電構(gòu)件12是圓柱體，并且具有從一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流體(熱交換介質(zhì)，諸如水)流動的管子14被插入通孔內(nèi)。管子14還用作熱電構(gòu)件12的一個電極，并且被熱和電地連接至熱電構(gòu)件12。

均熱構(gòu)件16被設(shè)置至熱電構(gòu)件12的整個側(cè)面(除了設(shè)置通孔的端面之外的整個表面)。均熱構(gòu)件16還用作熱電構(gòu)件12的其它電極，并且被熱和電地連接至熱電構(gòu)件12。

黑化面18在均熱構(gòu)件16的表面的光接收面?zhèn)壬闲纬?，并且鏡面20在非光接收面?zhèn)壬闲纬?。在該實施例中，由于假設(shè)平行的光照射圓柱體熱電構(gòu)件12的側(cè)面，所以sb/st＝0.5。

此外，用于連接負(fù)荷(未示出)的引線22被分別結(jié)合至管子14和均熱構(gòu)件16。

當(dāng)光照射按上文配置的熱電元件10a的黑化面18時，光被黑化面18吸收，并且被轉(zhuǎn)換為熱能。被黑化面18吸收的熱被傳遞至均熱構(gòu)件16。由于使用具有高導(dǎo)熱率的材料作為均熱構(gòu)件16，所以僅均熱構(gòu)件16的光接收面?zhèn)鹊臏囟壬撸欠枪饨邮彰鎮(zhèn)鹊臏囟炔簧?。因此，熱電?gòu)件12的側(cè)面(外部外圍表面)的溫度基本均勻地升高。

當(dāng)熱電構(gòu)件12的側(cè)面的溫度升高時，則熱電構(gòu)件12的側(cè)面附近的載流子(在p型熱電材料的情況下為空穴(h⁺)，并且在n型熱電材料的情況下為電子(e^-))被激勵。被激勵的載流子朝著熱電構(gòu)件12的內(nèi)表面?zhèn)葦U散。因此，當(dāng)管子14和均熱構(gòu)件16被連接至負(fù)荷時，則能夠提取電力。

此外，被黑化面18吸收但是未被轉(zhuǎn)換為電力的熱能通過熱電構(gòu)件16傳遞至管子14。因此，當(dāng)使低溫?zé)峤粨Q介質(zhì)在管子14內(nèi)流動時，能夠獲得被加熱的熱交換介質(zhì)(即，能夠回收來自熱電構(gòu)件12的廢熱)。例如，當(dāng)使用水作為熱交換介質(zhì)時，能夠與電力一起獲得溫水。

[2.2.第二實施例]

圖2a是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的熱電元件的透視圖，并且圖2b是沿圖2a中的線a-a'觀察的截面圖。在圖2a和2b中，熱電元件10b包括熱電構(gòu)件12、管子14和均熱構(gòu)件16。

在該實施例中，熱電構(gòu)件12為棱柱，并且具有從一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流體(熱交換介質(zhì)，諸如水)流動的管子14被插入通孔內(nèi)。

均熱構(gòu)件16被設(shè)置至熱電構(gòu)件12的整個側(cè)面(除了設(shè)置通孔的端面之外的整個表面)。黑化面18在均熱構(gòu)件16的表面的光接收面?zhèn)壬闲纬?，并且鏡面20在非光接收面?zhèn)壬闲纬?。在該實施例中，由于假設(shè)平行的光照射棱柱熱電構(gòu)件12的一個側(cè)面，所以sb/st＝0.25。

由于其它方面都類似于第一實施例，所以省略其說明。

[2.3.第三實施例]

圖3a是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的熱電元件的透視圖，并且圖3b是沿圖3a中的線b-b'觀察的截面圖。在圖3a和3b中，熱電構(gòu)件10c包括熱電構(gòu)件12a、12b、管子14和均熱構(gòu)件16a、16b、16c。

在該實施例中，熱電構(gòu)件12a由p型熱電材料制成，并且熱電構(gòu)件12b由n型熱電材料制成。熱電構(gòu)件12a、12b都是圓柱體，并且分別具有從一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流體(熱交換介質(zhì)，諸如水)流動的管子14被插入通孔內(nèi)。

通過將由絕緣材料制成的絕緣管14c插入由導(dǎo)電材料制成的導(dǎo)電管14a、14b之間而配置管子14。導(dǎo)電管14a、14b還用作電極，并且電和熱地連接至熱電構(gòu)件12a、12b。絕緣管14c被布置在熱電構(gòu)件12a、12b之間。

均熱構(gòu)件16a、16b被獨立地設(shè)置至熱電構(gòu)件12a、12b的相應(yīng)側(cè)的相應(yīng)非光接收面。熱電構(gòu)件12a的光接收面附近和熱電構(gòu)件12b的光接收面附近通過板狀均熱構(gòu)件16c耦合。均熱構(gòu)件16c還用作熱和電地連接熱電構(gòu)件12a的高溫部分與熱電構(gòu)件12b的高溫部分的電極。熱電構(gòu)件12a、12b被均熱構(gòu)件16c串聯(lián)連接。

黑化面18在均熱構(gòu)件16c的表面上形成。相反，鏡面20a、20b在均熱構(gòu)件16a、16b的相應(yīng)表面上形成。在該實施例中，由于假設(shè)被匯聚的光照射圓柱體熱電構(gòu)件12a、12b的相應(yīng)側(cè)面，所以sb/st<0.5。

此外，用于連接負(fù)荷(未示出)的引線22被分別結(jié)合至導(dǎo)電管14a、14b。

當(dāng)光照射按上文所述配置的熱電元件10c的黑化面18時，光被黑化面18吸收，并且被轉(zhuǎn)換為熱能。被黑化面18吸收的熱通過均熱構(gòu)件16a至16c傳遞至熱電構(gòu)件12a、12b的相應(yīng)側(cè)面。因此，熱電構(gòu)件12a、12b的相應(yīng)側(cè)面(外部外圍表面)的溫度基本均勻地升高。

當(dāng)熱電構(gòu)件12a的側(cè)面的溫度升高時，在熱電構(gòu)件12a的側(cè)面附近激勵空穴(h⁺)，并且被激勵的空穴朝著熱電構(gòu)件12a的內(nèi)表面?zhèn)葦U散。相反，當(dāng)熱電構(gòu)件12b的側(cè)面的溫度升高時，在熱電構(gòu)件12b的側(cè)面附近激勵電子(e^-)，并且被激勵的電子朝著熱電構(gòu)件12b的內(nèi)表面?zhèn)葦U散。因此，當(dāng)熱電構(gòu)件12a、12b的高溫部分被均熱構(gòu)件16c串聯(lián)地電連接，并且導(dǎo)電管14a、14b通過引線22分別連接至負(fù)荷時，則能夠提取電力。

此外，被黑化面18吸收但是未被轉(zhuǎn)換為電力的熱能通過熱電構(gòu)件12a、12b傳遞至管子14。因此，當(dāng)使低溫?zé)峤粨Q介質(zhì)在管子14內(nèi)流動時，能夠獲得被加熱的熱交換介質(zhì)(即，能夠回收來自熱電構(gòu)件12a、12b的廢熱)。

[2.4.第四實施例]

圖4a是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的熱電元件的透視圖，并且圖4b是沿圖4a中的線b-b'觀察的截面圖。在圖4a和4b中，熱電元件10d包括熱電構(gòu)件12a、12b、管子14和均熱構(gòu)件16。

在該實施例中，熱電構(gòu)件12a由p型熱電材料制成，并且熱電構(gòu)件12b由n型熱電材料制成。熱電構(gòu)件12a、12b都是圓柱體，并且分別具有從一端面穿透至另一端面的通孔。用于使流體(熱交換介質(zhì)，諸如水)流動的管子14被插入通孔內(nèi)。此外，由絕緣材料制成的圓柱體間隔體24被插入熱電構(gòu)件12a、12b之間。間隔體24的外徑基本等于熱電構(gòu)件12a、12b的外徑，并且其內(nèi)徑基本等于管子14的內(nèi)徑。

管子14由導(dǎo)電材料制成的兩個導(dǎo)電管14a、14b構(gòu)成。導(dǎo)電管14a、14b被間隔體24分離并且彼此絕緣。導(dǎo)電管14a、14b還用作電極，并且電和熱地連接至熱電構(gòu)件12a、12b。

均熱構(gòu)件16被分別設(shè)置至熱電構(gòu)件12a、12b的相應(yīng)側(cè)面的側(cè)面以及間隔體24的側(cè)面。黑化面18和鏡面20在均熱構(gòu)件16的表面上形成，所以sb/st<0.5。如圖4a和4b中所示，當(dāng)使用覆蓋熱電構(gòu)件12a、12b的側(cè)面和間隔體24的側(cè)面的單個均熱構(gòu)件16時，與圖3中相比，不僅零件的數(shù)目減少，而且也能夠降低熱電構(gòu)件12a、12b之間的電阻。

由于其余部分都類似于第三實施例，所以省略其說明。

[2.5.第五實施例]

圖5a是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的熱電元件的透視圖，并且圖5b是沿圖5a中的線b-b'觀察的截面圖。在圖5a和5b中，熱電元件10e包括熱電構(gòu)件12a至12d、管子14和均熱構(gòu)件16a、16b。

基本上通過以兩件串聯(lián)地連接圖4a、4b中所示的熱電元件10d構(gòu)成熱電元件10e。即，熱電構(gòu)件12a、12c由p型熱電材料制成，并且熱電構(gòu)件12b、12d由n型熱電材料制成。熱電構(gòu)件12a至12d都是圓柱體，并且分別具有從一端面穿透至另一端面的通孔。然而，為了促進熱電構(gòu)件12a、12b的高溫端與熱電構(gòu)件12c、12d的高溫端之間的絕緣，與前者相比，后者的外徑減小。

用于使流體(熱交換介質(zhì)，諸如水)流動的管子14被插入通孔內(nèi)。此外，由絕緣材料制成的圓柱體間隔體24a、24b被插入熱電構(gòu)件12a、12b之間以及熱電構(gòu)件12c、12d之間。

管子14由導(dǎo)電材料制成的三個導(dǎo)電管14a至14c構(gòu)成。導(dǎo)電管14a至14c互相分離，并且導(dǎo)電管14a、14b和導(dǎo)電管14b、14c被每個間隔體24a、24b絕緣。

均熱構(gòu)件16a被設(shè)置至熱電構(gòu)件12a、12b的側(cè)面以及間隔體24a的側(cè)面。類似地，均熱構(gòu)件16b被設(shè)置至熱電構(gòu)件12c、12d的側(cè)面以及間隔體24b的側(cè)面。雖然均熱構(gòu)件16a、16b的末端不接觸，但是相應(yīng)端延伸，使得當(dāng)從垂直于管子14的軸向方向的方向觀察兩端時，兩端互相重疊。其原因是為了防止光直接地照射導(dǎo)電管14b。

黑化面18a和鏡面20a在均熱構(gòu)件16a的表面上形成，使得sb/st<0.5。類似地，黑化面18b和鏡面20b在均熱構(gòu)件16b的表面上形成，使得sb/st<0.5。

由于其余部分都類似于第三實施例，所以省略其說明。

[2.6.第六實施例]

圖6a和6b是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的熱電元件的透視圖。在圖6a中，通過成一行側(cè)向地布置圖5a和5b中所示的熱電元件10e并且將每個熱電元件10e都串聯(lián)地彼此電連接而構(gòu)成熱電元件10f。熱電元件10e的n型熱電構(gòu)件和p型熱電構(gòu)件位于中心的布置與熱電元件10e的每個n型熱電構(gòu)件和每個p型熱電構(gòu)件都處于兩端的布置相反。在這種情況下，相鄰熱電元件10e的均熱構(gòu)件需要互相絕緣。即，相鄰熱電元件10e需要被分離，或者需要將絕緣材料填充在相鄰熱電元件10e之間的間隙中。

在圖6b中，通過成一行側(cè)向地布置圖5a和5b中所示的熱電元件10e并且將每個熱電元件10e都并聯(lián)地彼此電連接而構(gòu)成熱電元件10g。每個熱電元件10e的n型熱電構(gòu)件和p型熱電構(gòu)件的布置都相同。在這種情況下，不必要求相鄰熱電元件10e的均熱構(gòu)件互相絕緣。

如圖6a和6b中所示，當(dāng)熱電元件10e被成一行側(cè)向地布置時，黑化面18的總面積能夠增大。在這種情況下，如圖6a和6b中所示，每個熱電元件10e也可以被布置成更大直徑的部分相鄰?；蛘唠m然下文未示出，但是每個熱電元件10e也可以被布置成其較大直徑部分和其較小直徑部分被交替地排列成犬齒格紋圖案。在后一種情況下，通過每個熱電元件10e之間的間隙的光能夠減少。例如，在其中輻射熱被轉(zhuǎn)換為電力的情況下，按上文所述配置的熱電元件10f、10g是有效的。

由于其余部分都類似于第三實施例，所以省略其說明。

[2.7.第七實施例]

圖7a是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的熱電元件的透視圖，并且圖7b是沿圖7a中的線b-b'觀察的截面圖。在圖7a和7b中，熱電元件10h包括熱電構(gòu)件12、管子14、均熱構(gòu)件16和化學(xué)儲熱材料26。

在該實施例中，化學(xué)儲熱材料26被填充在管子14內(nèi)。在這方面，第七實施例與第一實施例不同。對于其余部分，由于第七實施例與第一實施例類似，所以省略說明。

當(dāng)光照射按上文所述配置的熱電元件10h的黑化面18時，未被轉(zhuǎn)換為電力的熱能被從熱電構(gòu)件12的內(nèi)表面?zhèn)劝l(fā)出，并且化學(xué)儲熱材料26被這種熱加熱。因此，工作介質(zhì)(例如，蒸汽)被從化學(xué)儲熱材料26放出。相反，當(dāng)工作介質(zhì)在其中光不照射黑化面18(例如，在夜間或者多云天氣下)的狀態(tài)下被供應(yīng)至管道14時，工作介質(zhì)被結(jié)合至化學(xué)儲熱材料26并且熱被釋放。能夠從熱電構(gòu)件12提取這種熱作為電力。

[3.熱電發(fā)電系統(tǒng)]

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的熱電發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。在圖8中，熱電發(fā)電系統(tǒng)30被配置如下：

(1)熱電發(fā)電系統(tǒng)30包括：

具有用于將光采集到內(nèi)部的采光窗42的容器40；

被容納在容器40內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的熱電元件10；

用于將流體饋送到管子14的流體饋送器(未示出)；和

消耗由熱電元件10產(chǎn)生的電力的電力消耗源(未示出)。

(2)熱電元件10被容納在容器40中，使得黑化面18位于采光窗42下面。

熱電發(fā)電系統(tǒng)30還可包括：

(a)用于匯聚光并且將所匯聚的光朝著采光窗42照射的聚光裝置44，和/或

(b)用于將熱電元件10的光接收面朝著光源指向的追蹤裝置(未示出)。

[3.1.容器]

容器40被設(shè)置成容納熱電元件10。熱電元件10的管子14的兩端都延伸至容器40外部。用于從外部將光采集到內(nèi)部的采光窗42被設(shè)置至容器40。熱電元件10被容納在容器40內(nèi)，使得黑化面18位于采光窗42下面。

空氣也可以存在于容器40中。然而，當(dāng)空氣存在于容器40中時，由于來自熱電元件10的高溫部分的對流的熱損失增大。因此，為了獲得高熱效率，優(yōu)選地，容器40為真空容器。真空容器也可以被密封，或者可以具有用于排空容器40內(nèi)部的真空泵。

[3.2.熱電元件]

[3.2.1.熱電元件的配置]

熱電元件10被容納在容器40中。一個熱電元件10也可以被容納在容器40中，或者也可以容納兩個或者更多熱電元件。由于上文描述了熱電元件10(10a至10h)的細(xì)節(jié)，所以省略說明。

[3.2.2.黑化處理比率、光接收面比率]

優(yōu)選地，熱電元件10滿足下列公式(1)至(5)的關(guān)系。

st＝sb+sm+so---(1)

0<sb/st≤0.6---(2)

0≤so/st≤0.1---(3)

0<sl/st≤0.5---(4)

sl/st≤sb/st≤sl/st+0.1---(5)

其中

st表示均熱構(gòu)件的表面的總面積，

sb表示黑化面的面積，

sm表示鏡面的面積，

so表示均熱構(gòu)件的表面內(nèi)的除了黑化面和鏡面之外的表面的面積，以及

sl表示熱電元件的光接收面的面積。

由于上文描述了這些公式中的公式(1)至(3)，所以省略它們的說明。

公式(4)中的“sl/st”表示光接收面的面積與均熱構(gòu)件16的表面的總面積的比率(光接收面積比率)。此外，公式(4)表達(dá)sl/st的容限。

如上所述，當(dāng)光被匯聚時，sl/st能夠被最小化。相反，當(dāng)覆蓋系數(shù)為100％并且平行光線照射均熱構(gòu)件16時，sl/st最多為0.5。因此，能夠在超過0至0.5或更少地范圍內(nèi)任意地選擇sl/st。

公式(5)表達(dá)了sb/st的容限。當(dāng)黑化處理比率(sb/st)小于光接收面比率(sl/st)時，一部分光被鏡面反射。因而，優(yōu)選地sl/st≤sb/st。

相反，當(dāng)與光接收面比率相比，黑化處理比率過分地更大時，從黑化面的輻射損失增大。因而，優(yōu)選地，sb/st≤sl/st+0.1。

[3.3.流體饋送器]

用于饋送流體的流體饋送器被連接至管子14。流體饋送器不特別受限，并且能夠根據(jù)流體的類型選擇最優(yōu)的一種。

例如，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電系統(tǒng)30被應(yīng)用于熱水供應(yīng)系統(tǒng)時，管子14被連接至饋送水箱和饋送水泵。當(dāng)在將冷水供應(yīng)到管子14中的同時，饋送水泵運行并且在熱電元件10中產(chǎn)生電力時，能夠從管子14提取溫水。

或者當(dāng)管子14充滿化學(xué)儲熱材料并且工作介質(zhì)為水(蒸汽)時，管子14被連接至蒸汽發(fā)生器和水箱。

[3.4.電力消耗源]

消耗由熱電元件10產(chǎn)生的電力的電力消耗源通過引線22連接至熱電元件10。電力消耗源不特別受限，并且能夠根據(jù)對象選擇最優(yōu)的一種。

電力消耗源的示例包括下列電力消耗源：

(a)用于將水饋送至管子14的饋送水泵；

(b)用于將熱電元件10的光接收面朝著光源指向的追蹤裝置；

(c)用于儲存電力的電池；以及

(d)辦公自動化設(shè)備、照明裝置、空調(diào)設(shè)備、家用電器或者工廠設(shè)施。

[3.5.聚光裝置]

聚光裝置44匯聚光(例如，太陽光線)，并且將被匯聚的光朝著采光窗42照射。對于聚光裝置44，例如，能夠給出菲涅爾透鏡、聚光鏡和凸透鏡。不是必要需要聚光裝置44。然而，當(dāng)使用聚光裝置44時，熱電元件10能夠產(chǎn)生大的溫差。

[3.6.追蹤裝置]

追蹤裝置被設(shè)置成將熱電元件10的光接收面朝著光源指向。為了實現(xiàn)高熱效率，優(yōu)選地，使光垂直地入射至光接收面。例如，當(dāng)光源在其中來自高溫熔爐的輻射熱(遠(yuǎn)紅外線)照射光接收表面的情況下被固定時，不需要追蹤裝置。相反，當(dāng)光的入射方向像太陽光線一樣時刻都在變化時，優(yōu)選地，使用追蹤裝置在太陽的方向上指向光接收面。

[4.效果]

均熱構(gòu)件被設(shè)置至根據(jù)本發(fā)明的熱電元件中的熱電構(gòu)件的側(cè)面。此外，黑化處理被施加至均熱構(gòu)件的表面內(nèi)的光接收面，并且鏡面拋光處理被施加至非光接收面。當(dāng)光，諸如太陽光線和遠(yuǎn)紅外線照射熱電元件的黑化面時，光被黑化面吸收，并且被轉(zhuǎn)換為熱能。由于這種熱能通過均熱構(gòu)件傳遞至熱電構(gòu)件，所以光接收面不被局部加熱，并且熱電構(gòu)件的整個側(cè)面被基本均勻地加熱。因此，在熱電構(gòu)件的側(cè)面和通孔的內(nèi)表面之間產(chǎn)生相對大的溫差(即，電動勢)。

此外，當(dāng)黑化面具有對光能的高吸收效率時，輻射導(dǎo)致的熱損失高。相反，當(dāng)鏡面具有對光能的低吸收效率時，輻射導(dǎo)致的熱損失小。因此，當(dāng)黑化面在光接收面上形成，并且鏡面在均熱構(gòu)件的表面的其余部分中形成時，輻射導(dǎo)致的熱損失能夠被限制為最小，并且能夠使熱在熱電構(gòu)件中高效地流動。

此外，當(dāng)使流體在被插入熱電構(gòu)件內(nèi)的管子中流動時，能夠回收并且利用通過熱電構(gòu)件傳遞而未被轉(zhuǎn)換為電能的熱。即，在本發(fā)明中，由于光能被用于電能和熱能，所以能量的利用效率高。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)具有利用太陽光線、工廠的廢熱等等的高能量利用效率的熱電電熱聯(lián)產(chǎn)混合系統(tǒng)。

[示例]

[1.熱電發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)]

[1.1.模型1]

生產(chǎn)圖8中所示的熱電發(fā)電系統(tǒng)30。使用旋轉(zhuǎn)泵保持容器40的內(nèi)部處于等于或者低于真空的10pa的程度。對于熱電構(gòu)件12，使用由cosb3基熱電材料制成的圓柱體構(gòu)件(外徑：12mm，內(nèi)徑：3mm，長度：7.5mm)。對于均熱材料16，使用鐵鎳合金，黑化處理和鏡面拋光處理被施加至光接收面和非光接收面。對于黑化處理，使用japansensorco.,ltd(日本傳感器有限公司)制造的黑化漆(jscno.3)。對于鏡面拋光處理，使用ag板。此外，sb/st＝0.5。

[1.2.模型2]

除了黑化處理被施加至均熱構(gòu)件6的全部表面之外，都以與類似于模型1的方式生產(chǎn)熱電發(fā)電系統(tǒng)。

[2.測試方法和結(jié)果]

[2.1.對入射光能量的依賴性]

光接收面被太陽光線照射，并且測量高溫部分的溫度tmax。匯聚比率為400至1600倍。圖9示出入射能量和熱電元件10的高溫部分的溫度(外部外圍溫度)tmax之間的關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)令人滿意地符合模擬結(jié)果。這意味著在對其施加黑化處理的熱電元件10的高溫部分的熱中，除了輻射引起的熱損失之外的熱都流動至熱電構(gòu)件12。

圖10示出入射能量的輻射損失、高溫部分的溫度tmax和輻射損失率(其中tc＝353k)。從圖10能夠看出，當(dāng)黑化處理被施加至均熱構(gòu)件16的一半表面，并且鏡面拋光處理被施加至剩余部分時，與黑化處理被施加至均熱構(gòu)件16的整個表面的情況相比，輻射導(dǎo)致的熱損失能夠被降低至一半的程度。即，如果入射能量相同，則高溫部分的溫度tmax升高，并且能夠獲得該量的更多電力。

[2.2.反射率]

圖11示出每個表面的反射率對波長的依賴性。通過使用由japansensor制造的黑化漆(jscno.3)使具有500至1800nm波長的光的平均反射率為5％，并且太陽光線能夠被基本吸收。相反，通過以ag電鍍鐵鎳合金的表面使具有500至1800nm波長的光的平均反射率超過90％，并且基本不存在輻射。因而，能夠通過向均熱構(gòu)件16的表面施加黑化處理和鏡面拋光處理將能量損失限制為最小。

[2.3.熱水供應(yīng)測試]

熱電元件10的光接收面被太陽光線照射，使得具有近似30℃的溫度的水在管子14內(nèi)流動，并且執(zhí)行發(fā)電。因此，從管子14的出口獲得具有50至80℃溫度的溫水。

[2.4.輻射損失率對黑化處理比率的依賴性]

使用模型計算輻射損失率qr/qin對黑化處理比率sb/st的依賴性(其中tc＝353k)。在計算時，假設(shè)光照射均熱構(gòu)件的表面的整個上半表面。圖12示出該結(jié)果。

當(dāng)sb/st＝0.5和sm/st＝0.5時，光接收面的面積sl(<st)等于黑化面的面積sb，并且除了光接收面之外的表面全部為鏡面sm。

在sb/st<1時，輻射損失降低效果出現(xiàn)并且隨著sb/st接近0.5，輻射損失率降低。即，能夠發(fā)現(xiàn)在任何形狀和任何聚光條件下，都能夠通過使光接收面的面積sl等于黑化面的面積sb，并且使其余表面為鏡面sm而使能量利用效率最大化。由于在包括聚光情況的正常情況下sl/st≤0.5，所以sb/st≤0.5理想地降低輻射損失率。然而，聚光表面可以通過元件等等的微調(diào)而位移，或者光也可以取決于聚光條件照射下半部熱電元件10。考慮到這些情況，實際上優(yōu)選sb/st≤0.6。

此外，例如，當(dāng)在追蹤太陽的同時匯聚并且使用太陽光線時，光接收面的位置由于在追蹤期間發(fā)生像差或者馬達(dá)運動而在特定范圍內(nèi)移動。因此，實際上將黑化面的面積sb設(shè)置為稍微大于光接收面的面積sl。因而，優(yōu)選sl/sb≤sb/st≤sl/st+0.1。在圖12中，由于sl/st＝0.5，所以即使sb/st＝sl/st+0.1(sb/st＝0.6)，qr的增大也能夠被限于sb/st＝sl/st(sb/st＝0.5)的1.2倍。

實際上，在該驗證中，確認(rèn)當(dāng)光被匯聚至約5mm的正方形時，光接收面的位置由于約1mm的像差以及追蹤裝置的馬達(dá)運動而移動約1mm。

在熱電構(gòu)件12的高溫部分中，由于電極連接等等，可以實現(xiàn)除了鏡面和黑化面之外的表面so。為了獲得高效率，優(yōu)選地，so被保持在所需最小范圍內(nèi)(0≤so/st≤0.1)。

“光接收面”被定義成0.01w/cm²或者更高光能入射在其上的表面。該值是當(dāng)使用具有10％的熱電轉(zhuǎn)換效率的熱電元件時，在10×10m²的面積上獲得1kw電力，并且以該值或者低于該值不獲得有利效果的條件下的值。順便提及，太陽光線約為0.1w/cm²。

[2.5.輻射損失率對導(dǎo)熱率的依賴性]

使用該模型計算輻射損失率qr/qin對熱電構(gòu)件12的導(dǎo)熱率的依賴性(其中tc＝353k)。在計算中，假設(shè)光照射均熱構(gòu)件的整個上半部。表1示出其結(jié)果。

[表1]

即使熱電構(gòu)件12的導(dǎo)熱率κ變化，sb/st＝0.5并且sm/st＝0.5時的(模型1、3、4的)qr也等于或者低于sb/st＝1.0并且sm/st＝0時的(模型2的)1/2，并且輻射損失能夠降低。因而，如果高溫部分的溫度tmax相同，則當(dāng)熱電構(gòu)件12的導(dǎo)熱率κ高(即，當(dāng)在熱電元件中流動的熱的量(qin-qr)高)時，輻射損失能夠降低。

已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實施例，然而，本發(fā)明不限于上述實施例，并且在不偏離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，允許各種變形。

根據(jù)本發(fā)明的熱電元件和熱電發(fā)電系統(tǒng)能夠被應(yīng)用于利用太陽光線以及工廠的廢熱等等的發(fā)電/熱水供應(yīng)系統(tǒng)。