ES2529266B2 - Conversor de energía térmica por emisión radiante con efecto voltaico - Google Patents

Abstract

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.

Description

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Conversor de energia termica por emision radiante con efecto voltaico Sector de la tecnica

La aplicacion principal de la invencion es la conversion de energia termica en energia electrica mediante un nuevo mecanismo: la emision radiante de energia termica con efecto voltaico inducido. La emision radiante se produce desde la superficie de un acumulador de calor hacia un fondo ambiental a temperatura inferior. La invencion guarda algunas similitudes con la generacion termo-foto- voltaica (TPV) pero la energia se genera por emision controlada de radiacion infrarroja desde el sistema y no a partir de la recepcion-absorcion de radiacion de origen termico.

Estado de la tecnica

Recientemente se observa un interes por desarrollar modos de extraccion de energia en escalas reducidas y potencias medias a partir de fuentes termicas en procesos industriales y productivos que alcanzan temperaturas tipicamente por debajo de ~1000°C. El aprovechamiento de la energia solar tambien se puede situar en este contexto, con o sin concentracion optica. Actualmente existen diferentes formas de producir energia electrica de fuentes termicas con mayor o menor fortuna en terminos de eficiencia y coste. Entre las tecnologias de conversion termo-voltaica que no requieren de partes moviles y mas maduras en sus prestaciones, podemos enunciar 1) la generacion termoelectrica basada en el efecto Seebeck y 2) la generacion electrica termo-fotovoltaica (“Thermo-Photo- Voltaics’). En el documento US2008251111A1 se describe un generador de energia termoelectrica basado en una termopila convencional pero situada dentro de una camara aislada que puede recibir radiacion solar; a traves de una ventana. Un mecanismo de disipacion termica (activo o pasivo) permite la diferencia de temperaturas para que funcione el generador termoelectrico. En

US2012067391A1, se divulga un sistema de generacion de energia solar termoelectrica que incluye productos para techos, como tejas, con zonas reflectantes de calor solar y zonas de absorcion de calor solar; y entre sus posibles ordenamientos se dan estructuras en forma de damero. En esta

configuracion y escala, al menos la mitad de la energla solar es desaprovechada. Las tecnologias termoelectricas actualmente alcanzan rendimientos finales en torno al 2-5%. Su aplicacion se ve limitada ademas de por la eficiencia de conversion por su coste que, en parte se origina por el uso de cantidades 5 significativas de materiales semiconductores. La mejora de los materiales pudiera dar lugar en el futuro a mejores prestaciones en la relacion eficiencia/coste. Por otro lado, la generacion electrica termo-foto-voltaica (o TPV) es de mas reciente desarrollo. En esencia consiste en un foco termico a temperatura elevada (tipicamente >1000°C) que actua como emisor de radiacion infrarroja finalmente 10 aprovechable en una celula fotovoltaica convencional. Tras el emisor termico primario se coloca un filtro optico que deja pasar radiacion solo en una banda espectral donde la celula fotovoltaica es altamente eficiente (tipicamente de GaSb) y situada al final del dispositivo. El resto de la radiacion se recicla devolviendose al foco termico. Los resultados experimentales de eficiencia 15 obtenidos mas recientemente en TPV solar se situan por debajo del 2% lo que la hace poco atractiva en el corto plazo, al ser incluso mas cara que la tecnologia termoelectrica 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 20 costes en el contexto de la conversion TPV. En terminos generales se puede mencionar que el uso de altas temperaturas hace que sea dificil controlar las perdidas y requiere de tecnologias y materiales con elevados costes. El desarrollo de nuevos conceptos de disefio como por ejemplo, lo que se denomina Micro- TermoFotoVoltaica (pTPV) podria cambiar el panorama en un futuro (ver por 25 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 maduracion tecnologica para establecer su potencial real.

En este contexto, pero a un nivel de desarrollo inferior, se ha propuesto el uso de antenas opticas rectificadoras (rectenas) para captar energia radiante 30 electromagnetica 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 conversion elevada ha sido demostrada con anterioridad en el rango de frecuencia de los Gigahercios, es decir para frecuencias de oscilacion dos

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ordenes de magnitud menores que en el rango optico (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 optico de frecuencias y la dificultad de fabricacion en esas escalas con calidad suficiente, parece de momento frenar estas propuestas en el sentido de obtener una eficiencia de conversion razonable.

Desde el punto de vista de la captacion de energia electromagnetica, las antenas y/o resonadores opticos pueden ser mucho mas eficientes si actuan en una banda espectral limitada y en una unica polarizacion. Esto choca con el planteamiento habitual de captar el maximo de radiacion visible e infrarroja procedente de fuentes termicas, por ejemplo del sol, ya que las fuentes de radiacion termicas emiten de forma despolarizada y con una distribucion espectral muy extendida como se sigue del modelo de emision termica 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 emision termica mediante la estructuracion de la superficie del emisor. Asi por ejemplo bajo el termino de FSS (Superficies Selectivas en Frecuencia) encontramos formas de estructurar la capa mas superficial de un substrato, a traves por ejemplo de agujeros y mesetas de formas variadas y/o depositando multicapas de diferentes materiales para conseguir que la absorcion o emisividad termica se produzca de manera eficiente solo 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 generacion de electricidad termo-foto-voltaica (TPV) con superficies selectivas en frecuencia (FSS) como emisores termicos selectivos en una banda espectral limitada desde un foco caliente, cumpliendo a la vez como filtro optico que recicla la energia en el contexto de generacion TPV y situar antenas opticas rectificadoras en el infrarrojo como elemento final de conversion fotovoltaica. En teoria esto permite trabajar a temperaturas mas bajas

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y ahorrar costes de production al no depender de tecnologias fotovoltaicas convencionales que deben funcionar a altas temperaturas en el emisor (tipicamente GaSb a X~2 pm) y tambien permite simplificar el sistema de filtrado y reciclado optico de la radiation por medio del uso directo de las superficies selectivas en el substrato emisor. Sin embargo, como ya se ha mencionado, esta pendiente aun del desarrollo de antenas opticas rectificadoras eficientes.

La invention que aqui se presenta va mas alia, cambiando el paradigma de tener una emision termica controlada y a continuation un receptor-detector de esa radiation para la conversion final.

Description de la invention

La invention propone un esquema que recuerda algo al termo-foto-voltaico pero basado en un nuevo mecanismo que denominaremos de forma generica Emision Termica Voltaica o TEV (Thermal Emission Voltaics). El fenomeno consiste en que la emision de radiation termica por parte de una estructura genera un efecto voltaico y/o corriente electrica medible de manera inversa a como lo haria un dispositivo foto-termo-electrico al absorber radiation. Este planteamiento simplifica mucho el diseno y puede ser igual de efectivo que si se absorbe la radiation para producir energia electrica como se plantea clasicamente.

En contraste con la reception de radiation termica de fuentes naturales (como el sol) en las que el espectro esta muy distribuido y despolarizado, en la invention la emision de radiation se hace en una banda espectral y angular controlada al modo de la description hecha para las FSS, pero ahora, el dispositivo de generation de energia esta en contacto fisico con la estructura de emision termica y la conversion de energia se produce al emitir la radiation y no al recibirla como se plantea de forma convencional.

El principio de actuation en la conversion de energia no es la captation si no la emision de radiation desde un resonador optico a temperatura elevada (T2) hacia su fondo ambiental que esta a una temperatura inferior (T1). Desde un punto de vista termodinamico, el elemento resonador esta a una temperatura elevada (foco 2 a T2) y el fondo ambiental esta a una temperatura inferior (foco 1 a T1 < T2) y por ello es posible la extraction de trabajo W en la transferencia de calor del foco 1

(sistema) al foco 2 (ambiente) sin violar el segundo principio de la termodinamica (verfigura 1).

En un esquema general de la invencion (ver figura 2) la energia termica (14) de una fuente primaria se transmite a un acumulador de calor (101). Si la energia 5 captada procede del sol (concentrada o no) una superficie espectralmente selectiva (100) se encarga de absorber toda la energia del espectro solar, pero con una emisividad termica tan baja que apenas reemite de vuelta la energia por el mecanismo radiativo. El conjunto del sistema (13) esta aislado termicamente del ambiente, por ejemplo a traves de un cerramiento en vacio con ventanas para 10 dejar pasar las radiaciones adecuadas. El acumulador de calor (101) transfiere su energia a la estructura acoplada emisor-generador (11). La sub-estructura emisora (110) en frecuencias infrarrojas (12) permite enfriar el acumulador (101) por el mecanismo radiativo hacia el ambiente. En el proceso de emision radiante (12) se induce un efecto voltaico en la subestructura generadora (111). En la 15 presente memoria, el termino "resonador” es equivalente al termino “emisor”.

La ventaja de usar mecanismos de generacion TEV con estructuras resonantes, es que no hace falta filtrar la radiacion termica como si se hace en generacion TPV. Las propiedades de emision de la antena y/o resonador hacen posible que solo la radiacion termica que se emite (12) es la que genera trabajo. Es decir, se 20 cumple a la vez con la funcion de filtrado optico del TPV y de reciclado de energia termica, y se realiza a una temperatura significativamente inferior a la habitual en TPV. El potencial para la reduction de costes es por tanto muy significativo. La eficiencia conversora tiene como techo superior el limite termodinamico, es decir, el relativo al contraste de temperaturas entre la superficie emisora (T2) y el fondo 25 ambiental (T1), por tanto 77= I-T1/T2 (eficiencia de Carnot). Para una temperatura de trabajo del acumulador termico de unos 300°C y un fondo a 25°C viene a ser de r|~50%.

El mecanismo preferente de transferencia de calor hacia el ambiente debe ser mediante radiacion termica y concentrada a traves de la subestructura emisora 30 (110). La presencia de otras formas de transferencia de energia al ambiente como

por conduction termica Neva, en principio, a una mayor dificultad en el diseno de un sistema conversor de energia que funcione por varios mecanismos, pero

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tampoco es descartable. Tipicamente, el conjunto o parte del sistema (13) debe estar situado en vacio o rodeado de un sistema aislante para evitar las perdidas por conduccion termica.

En el modo de realizacion preferente, la emision termica de radiacion por parte de la subestructura emisora (110), enfria localmente el substrato generando micro gradientes de temperatura distribuidos a lo largo de la superficie y de forma periodica a escala micrometrica. Estos gradientes son aprovechables por el efecto termoelectrico (como mecanismo TEV) para generar energla electrica (ver Figuras 3, 4 y 5). En los dispositivos de generacion termoelectrica habituales, los gradientes de temperatura aparecen siempre normales a la superficie. El planteamiento de la invencion en este contexto es usar gradientes termicos en paralelo pero no como en los detectores de termopilas conocidos en los que el gradiente se da entre un area milimetrica de la superficie de absorcion y el perimetro de esa area que esta en contacto con el substrato. Mas bien a traves de la estructuracion de la superficie de manera que la radiacion se emite/absorbe en escalas micro-nano y de manera periodica sobre la superficie. La invencion plantea el uso de tecnologias de capa delgada, simplificando la fabricacion y reduciendo costes. Actualmente, los mejores valores del parametro termoelectrico ZT (del que depende la eficiencia termoelectrica) se han conseguido en materiales en capa delgada nanoestructurada, alcanzando valores en el entorno de ZT=8 y por ello susceptible de alcanzar eficiencias finales de conversion mayores del 20% para gradientes termicos de 200-300°C (ver por ejemplo Jen- Kan Yu et al Nature nanotechnology (2010) v5 p.718-21).

Modo de realizacion de la invencion

En una realizacion preferente ilustrada en las figuras 3A y 3B, la subestructura generadora se corresponde con un circuito termoelectrico (111) extendido en capa delgada a modo de termopila donde las uniones de termopar frias (1112) se colocan en contacto termico con resonadores opticos (1101) que por emision de radiacion termica (12) provoca un enfriamiento local y con ello un gradiente termico con respecto a las uniones contiguas de termopar o uniones “calientes” (1111). Como regia general, las uniones frias deben estar aisladas del substrato acumulador de calor (101), por ejemplo a traves de una capa de material de baja

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conductividad termica (113) (por ejemplo, oxido de silicio poroso de 1 pm); y la union caliente (1111) debe estar en contacto con el acumulador de calor (101). El material del substrata acumulador (101) ha de ser preferiblemente metalico para favorecer una elevada conductividad termica pero cubierto con una capa aislante electrica para soportar el circuito termoelectrico generador. Los materiales termoelectricos deben cubrir toda la superficie del substrata a modo de un damero (figura 3B) de manera que la emisividad termica de esa superficie sea baja. Unos codes electricos (1110) adecuados y finos (menores de ~500 nm de ancho) de esa estructura damerica permiten que la corriente electrica fluya de manera zigzagueante cubriendo la generation de energia en toda la superficie.

Como elementos resonadores (1101) se propone de manera preferente el uso de galletas micrometricas que actuan por resonancia plasmonica. Como se ilustra en la literatura (I. Puscasu et al Applied Physics Letters (2008) v.92 o en R.T. Kristensen et al Journal of Applied Physics (2004), v.95) se puede usar un sandwich de dos capas de oro o de aluminio de entre 30 y 70 nm de espesor que embuten un dielectrico transparente en la banda espectral de 3 a 12 pm como pueda ser el sulfuro de zinc (ZnS), el seleniuro de zinc (ZnSe), Silicio amorfo (Si), etc... El espesor del material dielectrico debe ser de entre 300 nm aproximadamente. La extension lateral de la galleta ha de situarse entre 1 y 2 pm (lado o diametro) y su forma no es muy crltica. La longitud de onda de emision maxima (A.x) y el tarnaho lateral de la galleta D se relacionan aproximadamente con la expresion D~2n/A.x donde n es el indice de refraction del dielectrico para esa longitud de onda. Con otros metales se pueden conformar otros tipos de sistemas resonantes tipo antenas o mas parecidos al sistema plasmonico mencionado pero con espesores de dielectrico de aproximadamente un cuarto de longitud de onda de emision (ver por ejemplo Ginn J. et al Optics Express (2010) v.18, p.4557-63).

Para realizar el circuito termoelectrico mencionado, o subestructura generadora (111) se pueden usar pares de materiales como Ni-Cr, Bi-Sb, aleaciones de Bi-Te u otros pares de materiales termoelectricos con valor elevado del parametro ZT. En este sentido, es preferible estructurar las capas conductoras con nano- agujeros repartidos mas o menos periodicamente de manera que se reduzca la

conductividad termica debida a fonones, sin afectar apenas a la conductividad electrica debida a electrones y huecos (ver por ejemplo Jen-Kan Yu et al Nature nanotechnology (2010) v5 p.718-21). El periodo o distancia entre nano-agujeros debera estar tipicamente en el rango de 10 a 100 nm. La forma de los agujeros no 5 es muy importante pero debe su tamano debe ser una fraccion del periodo entre 1/1 Oy 1/2 del mismo.

En caso de aplicacion a la conversion de energla solar, sobre la otra cara del substrato que se encarga de recibir la energla termica, se ha de colocar una superficie selectiva (100) de manera que absorba la radiacion del espectro solar, 10 pero que apenas emita en el infrarrojo por encima de 1-2.5 pm. Se conocen estructuras superficiales que permiten este comportamiento. Por ejemplo a traves de capas de oxidos metalicos rellenas con particulas metalicas nanometricas que permiten tener esta propiedad de absorcion/emision selectiva (ver por ejemplo C.G. Granqvist "Spectrally Selective Surfaces for Heating and cooling 15 applications", SPIE tutorials texts (1989)).

En otra realizacion, el elemento resonante son antenas opticas. A su vez estas actuan de manera termoelectrica (figuras 4 y 5). En este caso no hay separacion fisica entre la estructura resonante y la estructura generadora. Se trata de antenas opticas en la que los brazos de la antena (en forma de dipolo, pajarita 20 (1113-1114), espiral, etc...) estan hechos de materiales diferentes. A la vez que

conforman una estructura resonante, tambien definen un par termoelectrico que funciona por efecto Seebeck. Como termopar es capaz de generar una diferencia de potencial entre las ramas de la antena por gradiente de temperatura entre su nucleo (1117) (donde se concentra el efecto de la resonancia de la onda 25 electromagnetica) y los extremos de los brazos (1116). Tanto si se absorbe como

si se emite radiacion se genera un gradiente termico y por ello una respuesta electrica. La radiacion emitida sin embargo solo se produce en el rango espectral y de polarizacion donde la antena funciona de manera eficiente. Para poder extraer una corriente electrica util es necesario cerrar el circuito electrico. Un 30 arreglo en serie de antenas termoelectricas aumenta la fuerza electromotriz en

llnea y tambien la extension de la superficie emisora donde la energla es

recolectada tal como se ilustra en las figuras 4 y 5).

Una celda funcional (112) es la union de un elemento resonador/emisor (1101, o los brazos de una antena (1113-1114)) con un elemento generador (entre los que se incluyen uniones de termopar frias (1112), nucleos (1117) y/o elementos rectificadores de corriente alterna a frecuencias opticas (1105)). Para todas las 5 realizaciones, la posicion de los resonadores debe ocupar el interior de celdas funcionales (112) y estas se distribuyen de manera contigua y periodica a lo largo de la superficie del acumulador (101).El periodo (o tamano de celda funcional) debe ser proximo a un valor efectivo A que, a su vez, es un factor reducido de la longitud de onda en la que se desea emitir radiacion con mas fuerza, tlpicamente 10 a una longitud de onda en vacio de A,x~3-8 pm. La distancia entre elementos resonadores (A~a~b) se establece de manera aproximada a traves de la ecuacion A,a,b~0.71^x/[(ns)2+(na)2]1/2 donde ns y na son indices de refraccion efectivos del substrato y del ambiente. En las figuras el periodo A se enuncia tambien como a y b, pudiendo ser estos valores ligeramente diferentes atendiendo a propiedades de 15 anisotropia.

Ha de considerarse sin embargo, que el mecanismo termoelectrico no es el unico que recoge la invencion. El concepto clave de la invencion es que la agitacion termica de las cargas electricas de las estructuras resonantes en superficie promueve la emision de radiacion infrarroja como forma de transferir energia al 20 ambiente. En realizaciones donde se usan antenas opticas, esto implica necesariamente una oscilacion de corriente en el nucleo de la antena para poder emitir radiacion de forma eficiente. A su vez esta corriente alterna (AC) es susceptible de ser rectificada y asi obtener una corriente continua (DC) aprovechable, por ejemplo a traves de rectificadores metal-oxido-metal (MOM) 25 1105.

Descripcion de las figuras Figura 1

Esquema termodinamico de generation de energia en un sistema mediante la transferencia de calor (Q2) de un foco a una temperatura elevada (T2) a un foco a 30 temperatura inferior (T1). La energia extraida 0 trabajo es W=Q2- Q1.

Figura 2

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Esquema descriptive) de la invencion aplicada a la captation primaria de energia solar (14). Una superficie espectralmente selectiva (100) absorbe toda la radiacion solar y comunica la energia termica al substrata acumulador (101) que eleva su temperatura. La otra cara del acumulador (101) transfiere energia por radiacion termica (12) a un fondo ambiental a menor temperatura y al hacerlo genera energia por medio de una estructura funcional emisora-generadora (11).

Figura 3

Esquema de realizacion con un conjunto de elementos resonadores (1101) que emiten radiacion termica (12) acoplados con un circuito de generation

termoelectrica (subestructura generadora (111)) de manera que se da un

gradiente de temperaturas entre conexiones termoelectricas (1112) y (1111). El arreglo tiene periodicidad A(=a,b) en paralelo a la superficie, al igual que el arreglo o la distribution de gradientes termicos sobre la propia superficie provocados por los elementos resonantes.

Figura 4

Esquema de realizacion con un conjunto de antenas opticas como elementos

resonadores (112) que emiten radiacion termica acoplados con un circuito

termoelectrico similar al de la Figura 3. Bajo este esquema se contempla tambien situar en los nucleos de las antenas (1117) elementos rectificadores 1105de corriente alterna a frecuencias opticas (por ejemplo con diodos metal dielectrico- metal)

Figura 5

Esquema de realizacion similar al de la figura 4 pero en un arreglo periodico en dos dimensiones. La corriente se genera en un arreglo de conexiones electricas en paralelo y en serie para contribuir a una potencia electrica adecuada. La corriente fluye como se indica por las flechas (142).

Aplicacion industrial

La aplicacion fundamental es la conversion de energia termica en energia electrica, preferentemente en la conversion de energia solar a termica y de ahi a electrica por medio de mecanismos TEV, es decir por emision de radiacion termica con efecto voltaico inducido. La invencion tambien se puede utilizar para realizar detectores de radiacion.