Dispositivo de conversión de energía híbrido.

Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica para convertir energía solar y mecánica en energía eléctrica, que presenta múltiples capas superpuestas, incluyendo una capa fotovoltaica

(2, 3, 12, 13) y un sustrato piezoeléctrico (7, 9), caracterizada porque dicho sustrato comprende un polímero piezoeléctrico.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2011/051829.

Solicitante: University of Bolton.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: Deane Road Bolton, Lancashire BL3 5AB REINO UNIDO.

Inventor/es: HADIMANI,MAGUNDAPPA L, SIORES,ELIAS, PREKAS,KLEANTHIS, VATANSEVER,DERMAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L31/058

PDF original: ES-2529252_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo de conversión de energía híbrido.

Campo técnico de la invención La presente invención se refiere a materiales y estructuras piezoeléctricos y fotovoltaicos híbridos, y a sistemas de conversión de energía y circuitos para estos materiales y estructuras. 5

Antecedentes de la invención La disponibilidad de materiales fotovoltaicos y piezoeléctricos flexibles, junto con la presión creciente para obtener energía de fuentes renovables, hace que el uso tanto de tecnologías piezoeléctricas como de tecnologías fotovoltaicas, simultáneamente y/o en el mismo emplazamiento, sea una posibilidad cada vez más atractiva. Es posible desarrollar una estructura híbrida que incluya ambas tecnologías para cosechar energía tanto de la energía solar como de fuentes 10 de energía mecánica, como la lluvia, el viento, las olas o las mareas. Puede utilizarse un polímero piezoeléctrico flexible para recoger energía mecánica y al mismo tiempo puede actuar como un material sustrato para células fotovoltaicas orgánicas.

El documento WO 2009/070706 describe el uso de células solares orgánicas flexibles para césped artificial con el fin de generar energía solar. El uso de un sistema de este tipo estaría limitado por la disponibilidad de luz solar en 15 determinados períodos del día. La estructura especificada en la patente arriba indicada no puede utilizar energía mecánica.

El documento US 7.705.523 B2 describe un dispositivo híbrido que utiliza células solares sensibles a colorantes y nanobarras piezoeléctricas de óxido de zinc (ZnO) para convertir tanto energía solar como energía mecánica en energía eléctrica. La estructura híbrida solo puede ser desarrollada en forma de fibras, pero no como películas o láminas. Las 20 películas o láminas pueden ser deseables en determinadas aplicaciones, por ejemplo para la recogida de energía donde la energía mecánica del agua o del viento se convierte en electricidad. La estructura híbrida descrita en el documento US 7.705.523 B2 no se puede modificar para acomodar otros tipos de células solares menos costosas, tales como células solares orgánicas o células solares de silicio amorfo. Además, la estructura es muy compleja, presentando una estructura jerárquica que incluye túbulos con nanobarras radiantes. Es deseable disponer de una estructura simplificada 25 tanto para posibilitar métodos de producción más simples como para permitir el uso de dichas tecnologías piezoeléctricas-fotovoltaicas híbridas a diferentes escalas y en diferentes formas estructurales, por ejemplo en forma de películas o láminas, y también en forma de fibras.

El documento US 2010/0231046 A1 da a conocer un sistema de generación de energía híbrido para una acera inteligente que implica una disposición de células solares sobre un sustrato piezoeléctrico, preferentemente un material 30 cerámico.

D CHOI y col., NANOTECHNOLOGY 21 (2010) , 405503, describen una estructura para la recogida de energía híbrida flexible que incluye una capa de células solares orgánicas cubriendo una capa piezoeléctrica de ZnO sobre un sustrato de plástico PES.

Así, un objetivo de realizaciones de la presente invención es proporcionar un método mejorado para almacenar, 35 consumir y/o generar energía eléctrica recogida tanto de fuentes solares como de fuentes mecánicas. Otro objetivo de realizaciones de la invención es proporcionar un sistema de generación de energía mejorado para cosechar tanto energía solar como energía mecánica con el fin de utilizarla con dicho método. Un objetivo más de realizaciones de la presente invención es proporcionar una estructura híbrida que tiene características piezoeléctricas y fotovoltaicas para utilizarla en dicho sistema. Y otro objetivo de realizaciones de la invención es proporcionar un método para producir 40 dicha estructura.

Sumario de la invención De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica para convertir energía solar y mecánica en energía eléctrica, que tiene múltiples capas superpuestas, incluyendo una capa fotovoltaica y un sustrato piezoeléctrico que comprende un polímero piezoeléctrico. 45

Una estructura híbrida de este tipo podría funcionar recogiendo energía de múltiples fuentes renovables mediante un único sistema de captura de energía de múltiples fuentes. Esto puede conducir a sistemas de captura de energía que recogen energía con mayor eficacia, o que son más rentables, robustos, ligeros o desplegables que otros sistemas de captura de energía de una sola fuente comparables.

Ventajosamente, el sustrato piezoeléctrico está interpuesto directamente entre un electrodo superior y un electrodo 50 inferior.

Preferentemente, la capa fotovoltaica está interpuesta entre una capa de ánodo exterior y una capa de cátodo interior. El sustrato piezoeléctrico y los electrodos superior e inferior pueden estar separados de la capa fotovoltaica, el cátodo y el ánodo mediante una capa aislante. Ventajosamente, la capa fotovoltaica comprende adicionalmente una subcapa exterior de un polímero bloqueador de electrones (extractor de huecos) transparente y una subcapa interior de polímeros donadores de electrones y aceptores de electrones (donadores-aceptores) .

La capa de polímero bloqueador de electrones puede comprender poli (3, 4-etilendioxitiofeno) y poliestireno-sulfonato (PEDOT:PSS) o puede comprender politetrafluoroetileno (PTFE) .

La capa de polímero donador-aceptor de electrones puede comprender poli (3-hexiltiofeno) y [6, 6]-fenil-C61-butanoato 5 de metilo (P3HT + PCBM) , o puede comprender poli (p-fenilenvinileno) y poli (2-metoxi-5-propiloxisulfonato-1, 4-fenilenvinileno) (PPV + MPS-PPV) , o puede comprender poli[2-metoxi-5- (2â?-etilhexiloxi) -1, 4-fenilenvinileno] y [6, 6]-fenil-C61-butanoato de metilo (MEHPPV + PCBM) , o puede comprender poli[2-metoxi-5- (3â?, 7â?-dimetiloctiloxil) ]-1, 4-fenilenovinileno y [6, 6]-fenil-C61-butanoato de metilo (MDMOPPV + PCBM) , o puede comprender poli (p-fenilenvinileno) y fullereno (PPV + C60) , o puede comprender poli (3-octiltiofeno) y 6, 6]-fenil-C61-butanoato de metilo (P3OT + PCBM) , o 10 puede consistir en [6, 6]-fenil-C61-butanoato de metilo y poli[2, 6- (4, 4-bis- (2-etilhexil) -4H-ciclopenta[2, 1-b;3, 4-bâ?]ditiofeno) -alt-4, 7- (2, 1, 3-benzotiadiazol) ] (PCBM + PCDTBT) , o puede comprender poli[N-dodecil-2, 5-bis (2â?-tienil) pirrol- (2, 1, 3-benzotiadiazol) ] y [6, 6]-fenil-C61-butanoato de metilo (PTPTB + PCBM) .

La capa de polímero donador-aceptor de electrones puede contener nanotubos de carbono dispersos. Preferentemente, las capas de ánodo y cátodo son metálicas, teniendo la capa de ánodo una función de trabajo mayor que la capa de 15 cátodo. Ventajosamente, el material de la capa de ánodo está distribuido de modo que sólo cubre parcialmente la capa fotovoltaica. Preferentemente, el material de la capa de ánodo presenta una distribución rala en forma de retículo o en estructura de peine. Ventajosamente, la capa de ánodo puede ser de cobre. Preferentemente, la capa de cátodo puede ser de aluminio.

En una realización preferente de la presente invención, la estructura puede comprender un cuerpo alargado 20 esencialmente cilíndrico con dichas capas superpuestas concéntricamente. El cuerpo esencialmente cilíndrico puede consistir en una fibra. La estructura puede comprender múltiples fibras de este tipo tejidas, trenzadas o dispuestas de otro modo en forma de un tejido o cordón.

En otra realización preferente, la estructura puede comprender un cuerpo plano con dichas capas superpuestas esencialmente en paralelo con el mismo. El cuerpo plano puede ser una lámina o película. 25

Preferentemente, los electrodos... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica para convertir energía solar y mecánica en energía eléctrica, que presenta múltiples capas superpuestas, incluyendo una capa fotovoltaica (2, 3, 12, 13) y un sustrato piezoeléctrico (7, 9) , caracterizada porque dicho sustrato comprende un polímero piezoeléctrico.

2. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según la reivindicación 1, caracterizada porque el sustrato piezoeléctrico 5 está interpuesto entre un electrodo superior (6) y un electrodo inferior (8) .

3. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa fotovoltaica está interpuesta entre una capa de ánodo exterior (1, 14) y una capa de cátodo interior (4, 11) .

4. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque 10 la capa fotovoltaica comprende una subcapa exterior de un polímero bloqueador de electrones (extractor de huecos) transparente (2, 13) y una subcapa interior de polímeros donadores de electrones y aceptores de electrones (donadores-aceptores) (3, 12) .

5. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un cuerpo alargado esencialmente cilíndrico con dichas capas superpuestas concéntricamente. 15

6. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque comprende un cuerpo plano con dichas capas superpuestas esencialmente en paralelo con el mismo.

7. Estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el sustrato piezoeléctrico comprende partículas cerámicas piezoeléctricas dispersas.

8. Método para formar una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica, que incluye los pasos de proporcionar un 20 sustrato piezoeléctrico (7, 9) que comprende un polímero piezoeléctrico y superponer una capa fotovoltaica (2, 3, 12, 13) sobre el sustrato.

9. Método para formar una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según la reivindicación 8, caracterizado porque incluye el paso de depositar un electrodo superior (6) y un electrodo inferior (8) sobre el sustrato piezoeléctrico antes de superponer la capa fotovoltaica. 25

10. Método para formar una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque incluye el paso de superponer una capa aislante (5, 10) sobre el sustrato antes de superponer la capa fotovoltaica.

11. Método para formar una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la superposición de la capa fotovoltaica incluye los pasos de sobreponer una capa de 30 cátodo (4, 11) , sobreponer una capa que comprende polímeros donadores de electrones y aceptores de electrones (3, 12) sobre la capa de cátodo, depositar una capa de un polímero bloqueador de electrones (extractor de huecos) transparente (2, 13) sobre la capa de polímero donador-aceptor de electrones y depositar una capa de ánodo (1, 14) sobre la capa de polímero bloqueador de electrones transparente.

12. Método para formar una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, 35 caracterizado porque el paso de proporcionar el sustrato piezoeléctrico incluye la formación de dicho sustrato mediante un proceso de extrusión.

13. Sistema de conversión de energía para convertir energía solar y mecánica en energía eléctrica, que comprende: una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7; un primer circuito (15) conectado a un electrodo superior (6) y un electrodo inferior (8) del sustrato piezoeléctrico; y un 40 segundo circuito (14) conectado con un ánodo (1) y un cátodo (4) de la capa fotovoltaica.

14. Método para generar, almacenar, distribuir o consumir energía eléctrica, que incluye: la utilización de un sistema de conversión de energía según la reivindicación 13 para convertir energía mecánica o solar en energía eléctrica; y la conexión del primer circuito o el segundo circuito, o ambos, a un circuito de distribución de electricidad, a una red de distribución de electricidad, a un dispositivo de carga eléctrica o a un dispositivo 45 de almacenamiento de energía.

15. Sistema de conversión de energía para convertir energía solar y mecánica en energía eléctrica, que comprende: una estructura piezoeléctrica-fotovoltaica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que incluye un elemento fotovoltaico (21) y un elemento piezoeléctrico (22) ; un primer circuito conectado al elemento piezoeléctrico; y un segundo circuito conectado al elemento fotovoltaico, estando conectados el 50 primer circuito o el segundo circuito o ambos a un convertidor CC-CC (26, 27, 31, 32, 33) .