Disposición termoeléctrica.

Disposición que comprende un generador termoeléctrico con un lado caliente que absorbe calor de una fuente de calor,

con un lado frío que emite calor a un disipador de calor y con conexiones eléctricas para emitir energía eléctrica con una tensión de salida, así como un circuito eléctrico con una tensión de entrada máxima admisible, cuyas entradas están conectadas a las conexiones eléctricas del generador termoeléctrico, caracterizada por que

- el generador termoeléctrico (1) comprende al menos un elemento termoeléctrico que se compone respectivamente de al menos una capa n (2) y al menos una capa p (3) de un material termoeléctrico formando al menos una transición pn (4) que se forma a lo largo de una capa límite, pudiendo aplicarse un gradiente de temperatura paralelo con respecto a la capa límite entre el lado caliente y el lado frío (5, 6) del generador termoeléctrico (1) y

- por que la capa n y la capa p (2, 3) del generador termoeléctrico (1) presentan un espesor (11) con el que se produce una saturación de la tensión de salida (S1, S2, S3) por debajo o al alcanzar la máxima tensión de entrada admisible del circuito eléctrico (9).

Disposición termoeléctrica La invención se refiere a una disposición que comprende un generador termoeléctrico con un lado caliente que absorbe calor de una fuente de calor, con un lado frío que emite calor a un disipador de calor y con conexiones eléctricas para emitir energía eléctrica con una tensión de salida, así como un circuito eléctrico con una tensión de entrada máxima admisible, cuyas entradas están conectadas a las conexiones eléctricas del generador termoeléctrico. Además, la invención se refiere a un procedimiento para la operación de una disposición de este tipo.

Un generador termoeléctrico, también denominado brevemente GTE, es un dispositivo que convierte energía térmica en energía eléctrica aprovechando el efecto termoeléctrico.

El efecto termoeléctrico que también se denomina efecto Seebeck describe el efecto recíproco reversible entre la temperatura y la electricidad. La tensión Seebeck está determinada por:

USeebeck =

** (Ver fórmula) **

** (Ver fórmula) **

con ÎT diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío α -coeficiente Seebeck o fuerza térmica El coeficiente Seebeck tiene la dimensión de una tensión eléctrica por diferencia de temperatura (V/K) . La magnitud del coeficiente Seebeck es determinante para la magnitud de la tensión Seebeck.

Un generador termoeléctrico se compone de diferentes materiales semiconductores con diferentes dopajes. Los materiales semiconductores usuales para generadores termoeléctricos son materiales semiconductores tales como especialmente Bi2Te3, Bi2Se3, SB2Te3, PbTe, SiGe o FeSi2 y sus aleaciones.

Un generador termoeléctrico convencional se compone de dos o varios pequeños cuadrados de un material semiconductor con dopaje p y con dopaje n, respectivamente, que están unidos entre ellos mediante puentes de metal arriba y abajo alternando. Los puentes de metal forman al mismo tiempo la superficie de contacto térmica y están aislados generalmente mediante una placa cerámica. Los diferentes paralelepípedos de material semiconductor con dopaje p y n no están conectados eléctricamente en serie. Las placas cerámicas presentan una distancia de aprox. 3mm a 5mm, entre las que están dispuestos los paralelepípedos, especialmente por soldadura indirecta. Una de las placas cerámicas forma el lado caliente y la placa cerámica opuesta forma el lado frío del generador termoeléctrico. El lado caliente absorbe calor de una fuente de calor, mientras que el lado frío emite calor a un disipador de calor. Estableciendo una diferencia de temperatura ÎT entre el lado caliente y el lado frío se genera la tensión Seebeck USeebeck en las conexiones del generador termoeléctrico.

Para incrementar el grado de acción de un generador termoeléctrico, en el documento EP1287566B1 se dan a conocer un elemento termoeléctrico y un módulo con varios elementos termoeléctricos conectados eléctricamente en serie. El elemento termoeléctrico presenta al menos una capa n y al menos una capa p de uno o varios semiconductores dopados, estando dispuestas las capa (s) n y la (s) capa (s) p formando al menos una transición pn. Al menos una capa n y al menos una capa p están puestas en contacto eléctrico selectivo y un gradiente de temperatura se aplica paralelamente (sentido x) con respecto a la capa límite entre al menos una capa n y una capa p. Al menos una transición está realizada sustancialmente a lo largo de la extensión total, preferentemente la más larga, de la (s) capa (s) n y de la (s) capa (s) p y por tanto sustancialmente a lo largo de su capa límite total.

Por el gradiente de temperatura a lo largo de la superficie límite pn de gran superficie resulta una diferencia de temperatura a lo largo de dicha transición pn formada de forma alargada entre dos extremos de un paquete de capas pn, que hace que el grado de acción del elemento termoeléctrico sea mayor que en los generadores termoeléctricos convencionales que no presentan ningún gradiente de temperatura a lo largo y dentro de la transición pn. Los elementos termoeléctricos están dispuestos en el módulo de forma térmicamente paralela entre dos placas. Las placas sirven para el acoplamiento térmico mejorado tanto en el lado frío como en el lado caliente. Preferentemente, están realizados como buenos termoconductores que especialmente se componen de materiales cerámicos, no electroconductivos. La descripción del documento EP1287566B1, especialmente la relativa a los elementos termoeléctricos (figura 3) y al módulo (figura 13) así como a los materiales semiconductores empleados se incluye expresamente en la presente solicitud.

Una disposición genérica se describe en el documento DE102008023806AI. La disposición está integrada en el sistema de gases de escape de un automóvil, en el que el llamado lado caliente del GTE se une de forma termoconductiva a un conducto que lleva gas del ramal de gas de escape, mientras que el lado frío del GTE está acoplado térmicamente por ejemplo a un conducto de refrigerante del sistema de refrigeración del motor del automóvil, que lleva un líquido refrigerante. Eléctricamente, el GTE está acoplado a través de un dispositivo de acoplamiento de tensión continua en forma de un transformador de tensión continua a la red de a bordo del

automóvil. La disposición formada por el GTE y el transformador de tensión continua mejora enormemente el grado de acción energético del automóvil. La integración de la disposición en el sistema de gases de escape del automóvil requiere sin embargo una nueva construcción del sistema de gases de escape. El sistema de gases de escape comprende un canal de gas de escape que presenta dos canales parciales de gas de escape que se extienden paralelamente, volviendo a reunirse corriente abajo los canales parciales de gas de escape. Uno de los dos canales parciales de gas de escape está acoplado térmicamente al generador termoeléctrico, existiendo en el canal de gas de escape al menos un elemento de conmutación para dirigir la corriente de gas de escape, de tal forma que en función de la posición de conmutación del elemento de conmutación, la corriente de gas de escape circula exclusivamente por el primer canal parcial de gas de escape, exclusivamente por el segundo canal parcial de gas de escape o proporcionalmente por ambos canales parciales de gas de escape. Además, está previsto un dispositivo de control para controlar el al menos un elemento de conmutación. La tensión de salida del generador termoeléctrico dispuesto en el canal parcial de gas de escape es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío del generador termoeléctrico. Para evitar daños del transformador de tensión continua conectado al generador termoeléctrico y de la red de a bordo del automóvil por una tensión de salida demasiado alta del generador termoeléctrico en determinadas situaciones de funcionamiento es necesario hacer pasar delante del generador termoeléctrico los gases de escape demasiado calientes. Mediante esta solución de derivación es posible realizar el generador termoeléctrico para potencias medias de motor y por tanto para temperaturas y corrientes de masa medias de gases de escape, que suponen la mayor parte del ciclo de marcha. Además, el transformador de tensión continua se puede concebir para el intervalo de potencias medio que es el más utilizado. Sin embargo, una desventaja esencial del estado de la técnica consiste en que el sistema de gases de escape debe presentar dos canales parciales de gas de escape que se extiendan paralelamente y además se han de incorporar elementos de conmutación controlados en el ramal de gases de escape.

Partiendo de este estado de la técnica, la invención tiene el objetivo de proporcionar una disposición del tipo mencionado anteriormente que de forma sustancialmente independiente de la magnitud de la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío del generador termoeléctrico se pueda conectar a una fuente de calor, especialmente a un sistema de gases de escape de una máquina de combustión interna, debiendo evitarse daños del circuito eléctrico conectado al generador termoeléctrico a causa de un exceso de la tensión de entrada máxima admisible sin cambios en la fuente de calor, especialmente en el sistema de gases de escape.

Este objetivo se consigue en una disposición del tipo mencionado al principio, porque el generador termoeléctrico comprende al menos un elemento termoeléctrico que se compone respectivamente de al menos una capa n y al menos una capa p de un material termoeléctrico formando al menos una transición pn que se forma a lo largo de una capa límite, pudiendo aplicarse un gradiente de temperatura... [Seguir leyendo]

1. Disposición que comprende un generador termoeléctrico con un lado caliente que absorbe calor de una fuente de calor, con un lado frío que emite calor a un disipador de calor y con conexiones eléctricas para emitir energía eléctrica con una tensión de salida, así como un circuito eléctrico con una tensión de entrada máxima admisible, cuyas entradas están conectadas a las conexiones eléctricas del generador termoeléctrico, caracterizada por que

- el generador termoeléctrico (1) comprende al menos un elemento termoeléctrico que se compone respectivamente de al menos una capa n (2) y al menos una capa p (3) de un material termoeléctrico formando al menos una transición pn (4) que se forma a lo largo de una capa límite, pudiendo aplicarse un gradiente de temperatura paralelo con respecto a la capa límite entre el lado caliente y el lado frío (5, 6) del generador termoeléctrico (1) y -por que la capa n y la capa p (2, 3) del generador termoeléctrico (1) presentan un espesor (11) con el que se produce una saturación de la tensión de salida (S1, S2, S3) por debajo o al alcanzar la máxima tensión de entrada admisible del circuito eléctrico (9) .

2. Disposición según la reivindicación 1, caracterizada por que la disposición comprende una fuente de calor que está acoplada térmicamente al lado caliente (5) del generador termoeléctrico (1) .

3. Disposición según la reivindicación 2, caracterizada por que la fuente de calor es parte integrante de un sistema de gases de escape de una máquina de combustión interna.

4. Disposición según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el circuito eléctrico (9) es un transformador de tensión continua.

5. Procedimiento para la operación de una disposición que comprende un generador termoeléctrico (1) con un lado caliente (5) que absorbe calor de una fuente de calor, con un lado frío (6) que emite calor a un disipador de calor y con conexiones eléctricas (8a, 8b) para emitir energía eléctrica con una tensión de salida (S1, S2, S3) , así como un circuito eléctrico (9) con una tensión de entrada máxima admisible, cuyas entradas están conectadas a las conexiones eléctricas (8a, 8b) del generador termoeléctrico (1) , caracterizada por que

- se forma una diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío (2, 3) del generador termoeléctrico (1) , en el que el lado caliente (5) absorbe calor de la fuente de calor y el lado frío (6) emite calor al disipador de calor, -aumentando la tensión de salida (S1, S2, S3) del generador termoeléctrico (1) en un primer intervalo de valores para la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío (2, 3) con valores crecientes hasta una tensión de salida máxima que es inferior o igual a la máxima tensión de entrada admisible del circuito eléctrico (9) -con valores crecientes no aumentando más la tensión de salida (S1, S2, S3) del generador termoeléctrico (1) en un segundo intervalo de valores para la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío (2, 3) y -siendo las diferencias de temperatura del segundo intervalo superiores a las diferencias de temperatura en el primer intervalo de valores.