Elemento termoeléctrico.
Generador termoeléctrico con:
- al menos un elemento termoeléctrico,
con al menos un par termoeléctrico y una zona pn (3), presentando el par termoeléctrico un primer material (1) con un coeficiente Seebeck positivo y un segundo material (2) con un coeficiente Seebeck negativo, y estando el primer material (1) conectado selectivamente mediante un conductor (6) con el lado p (4) de la zona pn (3) y el segundo material (2) conectado selectivamente mediante un conductor (7) con el lado n (5) de la zona pn (3),
- al menos una fuente de calor (9) y
- al menos un disipador térmico (10),
estando el par termoeléctrico del elemento termoeléctrico para la generación de una tensión termoeléctrica acoplado con la al menos una fuente de calor (9) y el al menos un disipador de calor (10) y en la cual la tensión termoeléctrica polariza la zona pn (3) eléctricamente por medio de los conductores (6, 7) en el sentido de bloqueo.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08011099.
Solicitante: SPAN, GERHARD.
Nacionalidad solicitante: Austria.
Dirección: HIMMELREICHWEG 4 6112 WATTENS AUSTRIA.
Inventor/es: SPAN,GERHARD.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/04 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › adaptados como dispositivos de conversión fotovoltaica [PV] (ensayos de los mismos durante la fabricación H01L 21/66; ensayos de los mismos después de la fabricación H02S 50/10).
- H01L35/08 H01L […] › H01L 35/00 Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión de materiales diferentes, es decir, que presentan el efecto Seebeck o el efecto Peltier, con o sin otros efectos termoeléctricos o termomagnéticos; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › Uniones no amovibles, p. ej. obtenidas por cementación, sinterizacióm, soldadura.
- H01L35/32 H01L 35/00 […] › caracterizados por la estructura o la configuración de la célula o del termopar que constituye el dispositivo.
PDF original: ES-2531161_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Elemento termoeléctrico La presente invención se refiere a un generador termoeléctrico con un elemento termoeléctrico con al menos un par termoeléctrico y una zona pn, presentando el par termoeléctrico un primer material con un coeficiente Seebeck positivo y un segundo material con un coeficiente Seebeck negativo.
El estado actual de la técnica se descompone en diferentes campos, que presentan distintas etapas de desarrollo.
El efecto termoeléctrico ya se conoce desde hace más de 100 años. Existe un amplio espectro de materiales que pueden ser usados para la transformación directa de una diferencia de temperaturas en corriente eléctrica (generador termoeléctrico) o para el enfriamiento al conectar una fuente externa de tensión (refrigerador termoeléctrico) . La conversión técnica del efecto generador se basaba hasta ahora siempre en una estructura básica común (figura 6) . Dos metales diferentes o dos semiconductores dopados diferentes (n-y p-) son conectados, en el caso normal en el extremo caliente por medio de un conductor metálico, y en el otro extremo, normalmente frío, es posible entonces tomar la corriente. La energía para la superación de las diferencias en el potencial electrostático entre los materiales en los puntos de contacto se obtiene del calor ambiente (efecto Peltier) .
Para conseguir una transformación a ser posible, efectiva, del gradiente térmico en corriente eléctrica, los elementos termoeléctricos se ensamblan de tal manera para obtener un módulo, que los diferentes elementos están conectados en serie eléctricamente, pero térmicamente en paralelo. Estos módulos se pueden agrupar nuevamente en unidades mayores (figura 7) . Un dispositivo de este tipo se desprende, por ejemplo, del documento EP 339 715 A1.
La selección de los materiales usados se hace desde el punto de vista del mayor grado de eficiencia posible en el intervalo de temperatura pretendido. Por lo general, el grado de eficiencia es caracterizado mediante el factor de mérito Z = S2/Ï?κ (S â? coeficiente Seebeck o fuerza térmica diferencial absoluta, factor de mérito Z = S2/Ï?κ. Un grado de eficiencia elevado se consigue con un material de un elevado coeficiente Seebeck con una simultánea resistencia específica y conductividad térmica reducida.
En este caso, los elementos termoeléctricos que se basan en pares de bloques de materiales del tipo n-y p-están desarrollados al máximo, pero al cabo de 50 años de desarrollo apenas presentaron avances. Tales elementos termoeléctricos se consiguen como producto desde hace decenas de años y se usan, primordialmente, para el enfriamiento (enfriamiento termoeléctrico, módulos de Peltier) .
La ventaja esencial de este estado actual de la técnica es los procedimientos de fabricación son conocidos desde hace decenios y han sido perfeccionados.
Desventajas:
La propiedades importantes de un material para la termoelectricidad (S â? coeficiente Seebeck, Ï?â? resistencia específica, κ.. conductividad térmica) sólo pueden ser influenciados independientemente uno de otro en un grado muy restringido.
La curva del gradiente térmico no tiene ninguna influencia sobre el grado de eficiencia, por que en los elementos termoeléctricos convencionales, debido a la relación lineal entre fuerza térmica y diferencia de temperaturas solamente tiene importancia la diferencia total de temperaturas entre el lado caliente y el lado frío. La densidad de potencia es demasiado reducida para poder realizar potencias mayores de manera técnica y económicamente sensata.
Otra rama de desarrollo muy prometedora en la zona límite de la termoelasticidad y efecto termoiónico es transitada por Eneco, Inc. en Salt Lake City, Utah, USA (Yan R. Kucherov y Peter L. Hagelstein) con el perfeccionamiento de un convertidor termoiónico y un diodo térmico.
Un convertidor termoiónico (figura 8) se compone de una placa metálica calentada y una placa metálica enfriada, separadas por un vacío y un circuito de corriente externo. Mediante la temperatura más elevada en la placa metálica caliente, más electrones tienen allí suficiente energía para superar la barrera de potencial en el sentido a la placa metálica que en el sentido contrario. Con ello se puede ganar corriente a partir de la diferencia de temperaturas. No obstante, debido a la elevada barrera de potencial se produce este proceso solamente a temperaturas muy elevadas.
Los diodos térmicos tienen los mismos componentes funcionales, si bien el vacío es reemplazado por un semiconductor. Una estructura esquemática de un diodo térmico del tipo n de Eneco, Inc. se muestra en la figura 9.
El semiconductor asegura en lugar del vacío una barrera de potencial más reducida, motivo por el cual el diodo térmico también funciona a temperaturas más bajas.
Con una disposición correcta de otras barreras de potencial entre colector y semiconductor GaP se previene el flujo 5 de retorno de electrones. De esta manera se acumulan electrones y es posible conseguir una mayor tensión de trabajo.
Ventajas de este estado de la técnica:
El grado de eficiencia de la transformación de calor en corriente es mayor.
Contrariamente a los elementos termoeléctricos de clase genérica, los diodos térmicos pueden ser conectados en serie sin con ello afectar la eficiencia. Con ello es más sencillo alcanzar la eficiencia máxima teórica. Desventajas de este estado de la técnica:
Esta estructura funciona solamente con electrones, para huecos no existen diodos térmicos, por este motivo el circuito de corriente debe ser cerrado por medio de un conductor eléctrico por el cual también fluye calor y, de este modo, reduce el grado de eficiencia.
El efecto aprovechado se produce solamente cuando los espesores de las barreras se encuentran en el intervalo de las longitudes de difusión y, con ello, en algunos 100 nanómetros (en el InSb usado 1, 5 micrómetros) . A altas temperaturas, la difusión de materiales es mayor, por ello las barreras de potencial se redondean con el tiempo y las longitudes para mantener el efecto ya no se sostienen. Por este motivo, las temperaturas útiles para la generación de electricidad están muy limitadas hacia arriba.
Para aprovechar la generación de pares de electrón-hueco, en los elementos termoeléctricos conocidos se puede aprovechar una zona pn con gradiente térmico (AT 410 492 B) .
En la estructura mostrada en la figura 10 se producen pares de electrón-hueco en el extremo caliente, gracias a que mediante la deriva de portadores de carga, debido al gradiente térmico el equilibrio térmico entre generación y recombinación se desplaza a favor de la generación. La zona pn es en este caso una parte de la estructura total que no puede estar separada constructivamente del lugar del gradiente térmico.
Ventajas de este estado de la técnica: 35 Las temperaturas de trabajo pueden ser extremadamente elevadas, según sea el material.
Estructura sencilla similar a una célula solar.
Desventajas de este estado de la técnica:
No es posible evitar completamente la recombinación de portadores de carga, con lo cual disminuye el grado de eficiencia.
Para el transporte de los portadores de carga se requieren capas gruesas que hacen necesarios métodos constructivos más exigentes.
El documento DE 101 36 667 A1 muestra la integración de un diodo en un brazo de un elemento de Peltier.
Del documento GB 953 339 A1 surge una unión constructiva de un elemento de Peltier con un diodo.
El objetivo de la invención es crear un generador termoeléctrico perfeccionado.
Este objetivo se consigue mediante un generador termoeléctrico con las características de la reivindicación 1.
La idea fundamental novedosa consiste en usar una zona pn (por ejemplo un diodo) como centro de generación de electrones y huecos como ampliación de un par termoeléctrico conocido.
Sin la generación de pares de electrón-hueco, el par termoeléctrico actúa sólo como bomba portadora de carga 60 cuyas características están determinadas por la selección del material. Las dimensiones y otras características externas sólo tienen una influencia limitada. Mediante la generación de nuevos pares de electrón-hueco, estos límites se evitan y son posibles eficiencias ostensiblemente mayores.
Con la aplicación del elemento termoeléctrico según la invención en un generador termoeléctrico con las
características de la reivindicación 1, la idea inventiva consiste en que la tensión termoeléctrica de un par termoeléctrico generada por una diferencia de temperatura es usada para polarizar en sentido hacia atrás (sentido de bloqueo)... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Generador termoeléctrico con: -al menos un elemento termoeléctrico, con al menos un par termoeléctrico y una zona pn (3) , presentando el par termoeléctrico un primer material (1) con un coeficiente Seebeck positivo y un segundo material (2) con un coeficiente Seebeck negativo, y estando el primer material (1) conectado selectivamente mediante un conductor (6) con el lado p (4) de la zona pn (3) y el segundo material (2) conectado selectivamente mediante un conductor (7) con el lado n (5) de la zona pn (3) , -al menos una fuente de calor (9) y -al menos un disipador térmico (10) , estando el par termoeléctrico del elemento termoeléctrico para la generación de una tensión termoeléctrica acoplado con la al menos una fuente de calor (9) y el al menos un disipador de calor (10) y en la cual la tensión termoeléctrica polariza la zona pn (3) eléctricamente por medio de los conductores (6, 7) en el sentido de bloqueo.
2. Generador termoeléctrico según la reivindicación 1, caracterizado por que el primer material (1) es un 15 semiconductor dopado p.
3. Generador termoeléctrico según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el segundo material (2) es un semiconductor dopado n.
4. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la zona pn (3) está configurada en un diodo (8) .
5. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el par termoeléctrico y la zona pn (3) se componen de materiales diferentes. 25
6. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el par termoeléctrico y la zona pn (3) están dispuestos separados espacialmente entre sí.
7. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el par termoeléctrico y la 30 zona pn (3) solamente están conectados entre sí mediante los conductores (6, 7) .
8. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la zona pn (3) está configurada texturizada para el aumento de la superficie interna.
9. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la zona pn (3) está dopada.
10. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la zona pn (3) presenta defectos cristalinos. 40
11. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Thermopaars verschieden vom Querschnitt des pn-Ã?bergangs (3) ist.
12. Generador termoeléctrico según la reivindicación 1, caracterizado por que la zona pn (3) está acoplada a al 45 menos una fuente de calor (9) .
13. Generador termoeléctrico según la reivindicación 12, caracterizado por que la temperatura de la zona pn (Tpn) es diferente de la temperatura (Thot) del lado caliente del par termoeléctrico.
14. Generador termoeléctrico según una de las reivindicaciones 1, 12 o 13, caracterizado por que la zona pn (3) está acoplada con al menos un disipador térmico (10) .
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