Conversor de energía térmica por emisión radiante con efecto voltaico.

Conversor de energía térmica por emisión radiante con efecto voltaico.

La invención permite, por contraste con el estado de la técnica, la generación de energía eléctrica aprovechable al emitir térmicamente radiación infrarroja desde un emisor-generador, en vez de producir energía a partir de la radiación absorbida en un receptor-generador. La energía térmica se obtiene de diferentes fuentes, entre ellas la solar. La diferencia de temperaturas entre el emisor y el fondo o ambiente, permite que la invención funcione bajo los principios termodinámicos básicos. Se consigue un mayor control del flujo de energía térmica a través de superficies selectivas y resonadores ópticos distribuidos en distancias y escalas micrométricas. El uso de estructuras planas sobre un substrato simplifica su aplicación final.

Conversor de energía térmica por emisión radiante con efecto voltaico Sector de la técnica

La aplicación principal de la invención es la conversión de energía térmica en energía eléctrica mediante un nuevo mecanismo: la emisión radiante de energía térmica con efecto voltaico inducido. La emisión radiante se produce desde la superficie de un acumulador de calor hacia un fondo ambiental a temperatura inferior. La invención guarda algunas similitudes con la generación termo-foto- voltaica (TPV) pero la energía se genera por emisión controlada de radiación infrarroja desde el sistema y no a partir de la recepción-absorción de radiación de origen térmico.

Estado de la técnica

Recientemente se observa un interés por desarrollar modos de extracción de energía en escalas reducidas y potencias medias a partir de fuentes térmicas en procesos industriales y productivos que alcanzan temperaturas típicamente por debajo de ~1000°C. El aprovechamiento de la energía solar también se puede situar en este contexto, con o sin concentración óptica. Actualmente existen diferentes formas de producir energía eléctrica de fuentes térmicas con mayor o menor fortuna en términos de eficiencia y coste. Entre las tecnologías de conversión termo-voltaica que no requieren de partes móviles y más maduras en sus prestaciones, podemos enunciar 1) la generación termoeléctrica basada en el efecto Seebeck y 2) la generación eléctrica termo-fotovoltaica ("Thermo-Photo- Voltaics). Las tecnologías termoeléctricas actualmente alcanzan rendimientos finales en torno al 2-5%. Su aplicación se ve limitada además de por la eficiencia de conversión por su coste que, en parte se origina por el uso de cantidades significativas de materiales semiconductores. La mejora de los materiales pudiera dar lugar en el futuro a mejores prestaciones en la relación eficiencia/coste. Por otro lado, la generación eléctrica termo-foto-voltaica (o TPV) es de más reciente desarrollo. En esencia consiste en un foco térmico a temperatura elevada (típicamente >1000°C) que actúa como emisor de radiación infrarroja finalmente aprovechable en una célula fotovoltaica convencional. Tras el emisor térmico

primario se coloca un filtro óptico que deja pasar radiación sólo en una banda espectral dónde la célula fotovoltaica es altamente eficiente (típicamente de GaSb) y situada al final del dispositivo. El resto de la radiación se recicla devolviéndose al foco térmico. Los resultados experimentales de eficiencia obtenidos más recientemente en TPV solar se sitúan por debajo del 2% lo que la hace poco atractiva en el corto plazo, al ser incluso más cara que la tecnología termoeléctrica con rendimientos similares (ver por ejemplo en A. Datas Medina, Tesis Doctoral (2011) Desarrollos de sistemas termofotovoltaicos solares). Existen diversos problemas a resolver para obtener mejores rendimientos y costes en el contexto de la conversión TPV. En términos generales se puede mencionar que el uso de altas temperaturas hace que sea difícil controlar las pérdidas y requiere de tecnologías y materiales con elevados costes. El desarrollo de nuevos conceptos de diseño como por ejemplo, lo que se denomina Micro- TermoFotoVoltaica (pTPV) podría cambiar el panorama en un futuro (ver por ejemplo US2012/0060883, US2011/0315195 o en R.S. DiMatteo et al Applied Physics Letters (2001) v79, p1894-96). En cualquier caso se necesita de una cierta maduración tecnológica para establecer su potencial real.

En este contexto, pero a un nivel de desarrollo inferior, se ha propuesto el uso de antenas ópticas rectificadoras (redeñas) para captar energía radiante electromagnética de todo tipo (ver por ejemplo US8115683, GB2484526 o en Grover S. y Model G. IEEE Journal of Photovoltaics (2011) v1, p.78-83). Una eficiencia de conversión elevada ha sido demostrada con anterioridad en el rango de frecuencia de los Gigahercios, es decir para frecuencias de oscilación dos órdenes de magnitud menores que en el rango óptico (visible-infrarrojo). Sin embargo, las diferentes propiedades de los materiales en el visible e infrarrojo, las dificultades para obtener rectificadores de corriente que trabajen en el rango óptico de frecuencias y la dificultad de fabricación en esas escalas con calidad suficiente, parece de momento frenar estas propuestas en el sentido de obtener una eficiencia de conversión razonable.

Desde el punto de vista de la captación de energía electromagnética, las antenas y/o resonadores ópticos pueden ser mucho más eficientes si actúan en una banda espectral limitada y en una única polarización. Esto choca con el planteamiento

habitual de captar el máximo de radiación visible e infrarroja procedente de fuentes térmicas, por ejemplo del sol, ya que las fuentes de radiación térmicas emiten de forma despolarizada y con una distribución espectral muy extendida como se sigue del modelo de emisión térmica de Planck.

Se conoce que la emisividad de una superficie es igual a su absortancia tanto espectral como angularmente distribuida (ley de Kirchhoff) y a una temperatura dada. En este sentido, recientemente se han hecho propuestas y desarrollos para el control espectral y angular de la emisión térmica mediante la estructuración de la superficie del emisor. Así por ejemplo bajo el término de FSS (Superficies Selectivas en Frecuencia) encontramos formas de estructurar la capa más superficial de un substrato, a través por ejemplo de agujeros y mesetas de formas variadas y/o depositando multicapas de diferentes materiales para conseguir que la absorción o emisividad térmica se produzca de manera eficiente sólo en determinadas bandas espectrales y angulares y llevar a cero la emisividad en el resto (ver por ejemplo WO2012056806 o en P. Bouchon et al Optics Letters (2012) v.37, p.1038-1040 o en I. Puscasu et al Applied Physics Letters (2008) v.92 o en R.T. Kristensen et al Journal of Applied Physics (2004), v.95,...).

De esta forma es posible plantear la generación de electricidad termo-foto-voltaica (TPV) con superficies selectivas en frecuencia (FSS) como emisores térmicos selectivos en una banda espectral limitada desde un foco caliente, cumpliendo a la vez como filtro óptico que recicla la energía en el contexto de generación TPV y situar antenas ópticas rectificadoras en el infrarrojo como elemento final de conversión fotovoltaica. En teoría esto permite trabajar a temperaturas más bajas y ahorrar costes de producción al no depender de tecnologías fotovoltaicas convencionales que deben funcionar a altas temperaturas en el emisor (típicamente GaSb a X~2 pm) y también permite simplificar el sistema de filtrado y reciclado óptico de la radiación por medio del uso directo de las superficies selectivas en el substrato emisor. Sin embargo, como ya se ha mencionado, está pendiente aún del desarrollo de antenas ópticas rectificadoras eficientes.

La invención que aquí se presenta va más allá, cambiando el paradigma de tener una emisión térmica controlada y a continuación un receptor-detector de esa radiación para la conversión final.

Descripción de la invención

La invención propone un esquema que recuerda algo al termo-foto-voltaico pero basado en un nuevo mecanismo que denominaremos de forma genérica Emisión Térmica Voltaica o TEV (Thermal Emission Voltaics). El fenómeno consiste en que la emisión de radiación térmica por parte de una estructura genera un efecto voltaico y/o corriente eléctrica medióle de manera inversa a como lo haría un dispositivo foto-termo-eléctrico al absorber radiación. Este planteamiento simplifica mucho el diseño y puede ser igual de efectivo que si se absorbe la radiación para producir energía eléctrica como se plantea clásicamente.

En contraste con la recepción de radiación térmica de fuentes naturales (como el sol) en las que el espectro está muy distribuido y despolarizado, en la invención la emisión de radiación se hace en una banda espectral y angular controlada al modo de la descripción hecha para las FSS, pero ahora, el dispositivo de generación de energía está en contacto físico con la estructura de emisión térmica y la conversión de energía se produce al emitir la radiación y no al recibirla como se plantea de forma convencional.

El principio de actuación en la conversión de energía no es la captación si no la emisión de radiación desde un resonador óptico a temperatura elevada (T2) hacia su fondo ambiental que está a una temperatura inferior (Ti). Desde un punto de vista termodinámico, el elemento resonador está a una temperatura elevada (foco 2 a T2) y el fondo ambiental está a una temperatura inferior (foco 1 a Ti < T2) y por ello es posible la extracción de trabajo W en la transferencia de calor...

1. Un sistema para producir energía eléctrica mediante la emisión de radiación térmica con efecto voltaico inducido que comprende:

-un sustrato acumulador de calor (101) que recibe energía térmica (14) de una fuente primaria y la almacena manteniéndose a una temperatura T2, donde T2 > T1, siendo Ti la temperatura de fondo ambiental donde se encuentra el sustrato acumulador de calor (101);

- una estructura acoplada emisor-generador (11) que consta de:

a) una subestructura emisora (110) en contacto térmico con el susodicho sustrato acumulador de calor (101), que emite radiación térmica infrarroja (12), en el intervalo de longitudes de onda 3 - 12 pm y, preferentemente, en el intervalo 3 - 8 pm;

b) una subestructura generadora (111) formada por elementos generadores que incluyen uniones de termopar frías (1112), núcleos (1117) y/o elementos rectificadores de corriente alterna a frecuencias ópticas (1105) asociados a resonadores ópticos (1101) en parejas de resonador-generador y conformando cada pareja una celda funcional (112);

en donde cada celda funcional (112) se une eléctricamente a una celda funcional contigua conformando un circuito del que se puede extraer la energía generada y donde el conjunto del sistema o parte de él está aislado térmicamente del ambiente.

2. Un sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque, el acumulador de calor (101) tiene una superficie espectralmente selectiva (100) que absorbe la radiación del sol directa e indirecta y sin emitir radiación térmica o infrarroja.

3. Un sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el aislamiento térmico se realiza mediante vacío.

4. Un sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque la subestructura generadora (111) se extiende sobre la superficie del sustrato acumulador de calor (101) y las celdas funcionales (112) se repiten de forma periódica y contigua en una dimensión o en dos dimensiones.

5. Un sistema según la reivindicación 1 en el que los elementos rectificadores (1105) son diodos metal-dieléctrico-metal o MOM.

6. Un sistema según la reivindicación 4 caracterizado porque los elementos 10 generadores de electricidad conforman un circuito termoeléctrico donde la unión

de termopar fría (1112) se sitúa en contacto térmico con los resonadores ópticos (1101) y la unión caliente (1111) en contacto térmico con el acumulador de calor (101).

7. Un sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque los resonadores

ópticos (1101) son antenas ópticas en las que los brazos de la antena (1113, 1114) pueden tener forma de dipolo, pajarita, o espiral, siendo cada brazo de un material distinto.