用于将电磁辐射转换为电能的系统及方法技术方案

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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于将电磁辐射转换为电能的系统及方法本申请要求申请号为61/569,205、申请日为2011年12月9日的美国临时申请的优先权，在此引用至本文中作为一个整体以供参考。背景
本专利技术的实施例大体上涉及从电磁辐射中获取能量的结构及方法，并且，更具体地，涉及用于从例如红外光、近红外光及可见光谱中获取能量以及从毫米波及太赫兹(THz)波中获取能量的纳米结构及相关方法和系统。专利技术背景如今世界非常需要便宜的可再生能源。讽刺的是，以阳光和热量形式的可用能源很充足，但是需要将其转换为电能形式方可用来支持社会需要。现今使用的绝大多数电能都是从有关热量转换的过程中得来。以核能、煤、柴油及天然气为动力的发电厂，均将所储存的能量转换为热量用以转换成电能。这些发电厂中的过程方法是低效率的，通常产生的余热(或废热)比转换的电能更多。以低成本将获取的热源转换为可用电能，这是迫切需要的。在这一点上，低成本的涡轮机相关的技术方案已得到认可。而将热量转换为电能的新技术方案的存在面临着比较成熟的环境。由于需求及定价环境，新技术开始进入这一领域。这些新技术包括热光伏(TPV)、热电(TE)及有机朗肯循环(ORC)。TPV技术在热转换上曾进展艰难，因为光伏(PV)转换的是红外光(IR)及近红外光中的短波辐射而不是长波。将长波能量应用至光伏(PV)电池的新微米间隙方法，仍需要更适合该长波辐射入射的转换技术。PV电池带隙仅对高能光子起作用，因为低能光子没有能量越过该带隙并最终被吸收，从而在PV电池中产生热量。热电效应仅能够以低效率将热量转换为电能。至今热电技术(TE)不能够有所突破，在能量转换中提供足够的功率。尽管如此，TE仍应用于余热的自动循环再用，这表示非常需要采用可替代热源来进行电转换的技术。有机郎肯循环(ORC)技术通过将涡轮机与热交换器连接在一起来获取余热，在其系统内每个热交换器具有较低沸点的液体。这些系统体积庞大并且具有大量活动部件。这些系统也受液体特性限制，并最终受工作空间内附加系统的时间、空间及临界效果的限制。
技术实现思路
成对的纳米天线及二极管阵列的表面的技术在获取能量应用上表现出很大的优势。在余热回收领域，这些系统是理想的，因为它们没有活动部件，它们制造成本低并能够调整至目标源的频谱。将系统的收集元件调整至目标源的频谱特性，这一能力使其不仅在余热应用上，而且在一般的获取热量，甚至最后在获取太阳能上也是理想的。为便于讨论这些系统中的收集器阵列组件，将其称为纳米天线电磁收集器(NEC)。本专利技术的一个实施例是一种能量获取系统。该系统的组件的基础在专利号为7,792,644和6,534,784B2的美国专利以及公开号为2010/0284086和2006/0283539的美国专利申请文件中可以得到，这些文件每个都在此引用至本文中作为一个整体以供参考。该主要实施例包括谐振元件，其调整至可用辐射能的范围内的频率。通常，这些频率的频率范围是从红外光的约10太赫兹(THz)至超过1000太赫兹(THz)(可见光)。这些谐振元件由导电材料构成并与转换元件连接，从而构成谐振及转换元件对，该转换元件用于将谐振元件内激发的电能转换为直流电。这些谐振及转换元件对排列成阵列，该阵列嵌入至基底中且相互连接，从而形成源，例如，用于需要电源供电运行的电路或其他设备或装置。在一个实施例中，谐振元件通过阻抗平衡技术来连接至转换元件，如共面带状传输线(CPS)或其他装置或技术来平衡元件间的阻抗。还可以采用的其他匹配阻抗的方法，将在下文中详细探讨。本专利技术还包括一种导电材料的接地层，设定在产生谐振间隙的谐振元件四分之一波长的距离，将未吸收的辐射反射回谐振元件。该实施例中的所有组件、元件及基底都由金属及使它们能以低成本制造的方式如卷对卷工艺制造的材料构成。根据本专利技术的另一实施例，提供了另一种能量获取系统。该系统包括接地层、基底、以及谐振元件和转换元件。在该系统中，谐振元件的频率调整至红外线(IR)或红外线(IR)和近红外线(nearIR)的频率，使得系统能够获取从热源辐射出的能量。热量获取环境的特定属性可以指定耐高温基底材料具有有限弹力，以适应卷对卷的制造工艺。这一系统可用于任何热电转换的应用中如燃煤电厂中的余热，或甚至代替发电设备中的涡轮机。根据本专利技术的另一实施例，提供了另一种能量获取系统。该系统包括接地层、基底、以及谐振元件和转换元件。在该系统中，谐振元件的频率调整至红外线(IR)或红外线(IR)和近红外线(nearIR)的频率，使得系统能够从热源获取能量。在该实施例中，NEC系统与传统的TPV系统相互连接，用作它们的收集器，用于将入射的长波能量转换为电能。在该实施例中，TPV系统由于NEC系统层在其光谱型中转换入射的发出辐射能的能力而得到大大改善。在本实施例的一种形式中，由于NEC系统设为获取宽频谱，所以不需要设置滤波层。在其他实施例中，过滤掉一些入射光谱能量并将其反射回发射器，这可能会有一些好处。无论如何，NEC层彻底降低了TPV滤波器上的材料要求，带来了显著优势。根据本专利技术的另一实施例，提供了另一种能量获取系统。该系统包括接地层、基底、以及谐振元件和转换元件。在该系统中，谐振元件的频率调整至红外线(IR)或红外线(IR)和近红外线(nearIR)的频率，使得系统能够获取从热源辐射出的能量。在该实施例中，NEC系统与传统的微米间隙TPV(MTPV)系统相互连接，用作它们的收集器，用于将入射的长波能量转换为电能。附图说明图1是示意图，表示根据本专利技术实施例的具有共面带及二极管的天线。图2是根据本专利技术实施例的示范性天线、基底及接地层的剖面图。图3是根据本专利技术实施例的连接天线段的示范性转换结构的剖面图。图4是示范性母线的示意图，示出了根据本专利技术实施例的一个阵列的互连元件。图5是示意图，示出了具有共面带的天线，该天线由多个转换结构连接，以减少阻抗/电阻。图6是示意图，示出了根据本专利技术实施例的示范性微米间隙热光伏装置(MTPV)，其具有获取能量的NEC层。图7表示根据本专利技术实施例在TPV装置内使用NEC获取材料。图8是根据本专利技术实施例的示范性整体系统框图的示意图，该系统利用NEC薄膜向装置或设备供电。图9是根据本专利技术实施例的示范性热源和用于获取热量的NEC薄膜的示意图。图10是连接谐振结构段的示范性二极管区域的剖面图，其是由与天线同种材料制成的单独层。图11是连接谐振结构段的示范性二极管区域的剖面图，其是由与天线不同材料制成的单独层。具体实施方式以下描述是为了使本领域技术人员能够制造并使用本专利技术，并且是在专利申请及其要求的情况下提供。对于那些本领域技术人员而言，对所描述的实施例进行各种修改是简单显而易见的，并且在此描述的通用原理也可以应用至其他实施例中。因此，本专利技术并不局限于实施例所示，而是给予与本文所描述的原理及特征相符的最宽的保护范围。图1是示意图，表示根据本专利技术一种实施例的具有共面带及二极管的天线。参照图1，根据本实施例的谐振结构包括谐振结构组件101和102(在此也称作谐振结构元件)。在一实施例中，该谐振结构是天线或纳米天线。谐振结构组件101和102经由共面带105连接至转换结构103。转换结构103将谐振结构组件101和102激发出的电能转换为直流电。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将电磁辐射转换为电能的系统，其包括：谐振结构元件，将其调整至在包括在电磁辐射的频率范围内的谐振频率处谐振，其中，电能由在谐振元件内存在的电磁辐射激发，所述电磁辐射具有在谐振频率处或接近谐振频率的频率；以及转换结构，将激发的电能转换为直流电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.09 US 61/569,2051.一种将电磁辐射转换为电能的系统，其包括：多个谐振结构元件的子阵列，其中各个子阵列包括多个谐振结构元件，其中各个谐振结构元件被调整至在包括在电磁辐射的频率范围内的不同谐振频率处谐振，其中在各个子阵列中的被调整至特定频率的所述谐振结构元件的数量与近似黑体辐射源频谱分布的直方图一致，其中，电能由在谐振元件内存在的电磁辐射激发，所述电磁辐射具有在谐振频率处或接近谐振频率的频率；与各个谐振结构元件相关联的转换结构，将激发的电能转换为直流电；以及母线，所述母线将各个子阵列中的所述谐振结构元件与另一谐振结构元件串联，并将各个子阵列与另一子阵列并联，以形成一个电源为负载提供电力。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接至谐振元件及转换结构的共面带，所述共面带为各个谐振结构元件及其相关联的所述转换结构之间提供阻抗匹配。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述转换结构是MIIM二极管。4.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个谐振结构与至少一个额外的转换结构相关联。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述转换结构包括至少一个二极管；以及其中，所述二极管及所述谐振元件各包括至少一个层，使得所述谐振元件及所述二极管可用同样的工序来制造。6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，每个谐振结构元件具有多个与其相关联的转换结构，所述相关联的转换结构并联至所述相关联的谐振结构元件。7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括接地层，所述接地层将未被所述谐振结构吸收的辐射反射回谐振结构。8.一种将电磁辐射转换为电能的系统，其包括：多个纳米天线，所述纳米天线用来获取电磁辐射的频谱范围内的能量并将所获取的辐射转换为电能，其中所述纳米天线指定为获取所述电磁辐射的频谱范围内任意特定频率的能量，所述纳米天线的数量与电磁辐射的频谱分布直方图一致；以及母线，以收集由纳米天线子阵列产生并经过转换的电能并向负载供电。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述纳米天线设置为在电磁辐射频谱中心部位提供更大的覆盖范围。10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述纳米天线设置为，提供近似于电磁辐射频谱分布的电磁辐射频谱的覆盖范围。11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，每个纳米天线包括：谐振元件对，其包括第一谐振元件，将其调整至在包括在电磁辐射的频率范围内的第一谐振频率处谐振；以及第二谐振元件，将其调整至在包括在电磁辐射的频率范围内的第二谐振频率处谐振；其中，电能由在所述第一谐振元件内存在的电磁辐射激发，所述电磁辐射具有在第一谐振频率处或接近第一谐振频率的频率，以及电能由在第二谐振元件内存在的电磁辐射激发，所述电磁辐射具有在第二谐振频率处或接近第二谐振频率的频率；连接至所述第一谐振元件的第一共面带；连接至所述第二谐振元件的第二共面带；以及连接至所述第一和第二共面带的转换结构，用于将每个谐振元件对的每个第一和第二谐振元件中激发的电能转换为直流电。12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述纳米天线被整合至薄膜内。13.根据权利要求8所述的系统，进一步包括电气能源网，所述纳米天线将电力源供应至所述电气能源网。14.根据权利要求8所述的系统，进一步包括接地层，所述接地层将未被所述天线阵列吸收的辐射反射回所述纳米天线。15.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统是TPV系统，所述TPV系统包括热源和收集器，其中所述收集器包括多个纳米天线。16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述收集器是...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕特里克·K·布拉迪，
申请(专利权)人：赤波能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US