ES2584105A1 - Convertidor híbrido termiónico-fotovoltaico - Google Patents
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Abstract
Convertidor híbrido termiónico-fotovoltaico para la conversión directa de calor en electricidad que comprende: un emisor de electrones y fotones fabricado en un material refractario (1), un colector de electrones (2) transparente a la radiación fotónica en la longitud de onda emitida por el emisor y una célula fotovoltaica (3), estando estos elementos dispuestos de manera que el emisor tiene una primera superficie (1.1) destinada a ser orientada hacia una fuente térmica y una segunda superficie opuesta a la primera (1.2) que emite electrones y fotones, el colector se sitúa frente a esta segunda superficie de manera que recibe los electrones emitidos por el emisor (1) y la célula (3) se sitúa tras el colector (2) de manera que recibe los fotones que atraviesan dicho colector.
Description
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DESCRIPCION
Convertidor hforido termionico-fotovoltaico SECTOR DE LA TECNICA
La invention pertenece al sector de la transformation directa de calor de alta temperatura en electricidad mediante dispositivos de estado solido.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Entre los convertidores de estado solido para la conversion del calor de muy a alta temperatura (superior a 1000°C) en electricidad destacan dos tipos de dispositivos: termofotovoltaicos y termionicos. Estos dispositivos se diferencian en el tipo de portadores de calor que utilizan: electrones (en el caso de los convertidores termionicos) o fotones (en el caso de los termofotovoltaicos). El problema fundamental de ambos dispositivos es que necesitan trabajar a temperaturas extremadamente elevadas para proporcionar suficiente densidad de potencia electrica.
En los ultimos anos se han propuesto variaciones de estos dos tipos de convertidores basicos con el fin de aumentar la densidad de potencia electrica generada por el dispositivo. Por ejemplo, en la solicitud US20110100430 se propone un convertidor de radiation lummica en electricidad que combina los efectos fotovoltaico y termionico. Aunque este dispositivo esta concebido para convertir la luz solar, podria usarse igualmente para convertir calor en forma de radiacion termica incandescente. El convertidor de acuerdo a la solicitud US20110100430 emplea una celula fotovoltaica para transformar directamente en electricidad los fotones mas energeticos de la radiacion y un convertidor termionico para transformar los fotones menos energeticos, no aprovechables por la celula fotovoltaica. Para ello, el catodo del convertidor termionico se situa tras la celula fotovoltaica y se calienta mediante la absorcion de los fotones menos energeticos de la radiacion incidente, no absorbidos por la celula fotovoltaica. Si el catodo alcanza una temperatura suficientemente alta, este emitira electrones hacia el anodo. El anodo, se dispone sobre la superficie no iluminada de la celula fotovoltaica, es decir entre la celula fotovoltaica y el catodo, y colecta los electrones emitidos por el catodo para cerrar el circuito. Este dispositivo es equivalente a una celula fotovoltaica de multi-union con la salvedad de que los fotones de baja energia se transforman en electricidad de forma indirecta mediante un efecto termionico, y no de
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forma directa mediante un efecto fotovoltaico. Debido a tratarse de una conversion indirecta (que requiere la generation intermedia de calor en el catodo), la eficiencia de conversion de los fotones menos energeticos es considerablemente menor. Ademas, la densidad de potencia alcanzable por el convertidor sigue estando limitada por la cantidad de fotones emitidos por la fuente de radiation termica (elemento externo al dispositivo). Para una temperatura y emisividad de fuente dada, este numero de fotones esta determinado por la ley de Plank e impone un limite a la transferencia de calor entre la fuente y el convertidor. Esto impone a su vez un limite a la potencia electrica producida por el convertidor. Una limitation similar ocurre en cualquier otro dispositivo termofotovoltaico (limitado por el numero de fotones) o termionico (limitado por el numero de electrones).
Por lo tanto, el objeto de esta invention es la de lograr un dispositivo capaz de extraer una mayor potencia de la fuente termica y al mismo tiempo realizar una conversion directa del calor en electricidad con el fin ultimo de aumentar la densidad de potencia electrica generada por el dispositivo.
RESUMEN DE LA INVENCION
El objeto de la presente invencion es el de proporcionar un convertidor termionico- fotovoltaico para la conversion directa del calor de alta temperatura en electricidad, que permita aumentar la densidad de potencia electrica extraida del foco termico.
Para ello, la invencion comprende un emisor (1), un colector (2) de electrones y una celula fotovoltaica (3). El emisor se calienta directamente mediante la fuente termica (luz solar, combustion, reaction nuclear, etc.) gracias a la radiacion recibida en una primera superficie (1.1). Consecuentemente, el emisor emite fotones (4) y electrones (5) simultaneamente por una segunda superficie opuesta a la primera (1.2). La emision de fotones depende de la temperatura y la emisividad de dicha superficie, mientras que la emision de electrones depende de la temperatura y de la funcion de trabajo. El colector (2) se encarga de colectar los electrones (5) y producir corriente electrica. Dicho colector debe ser trasparente, al menos parcialmente, para dejar paso a la radiacion lummica emitida por el emisor hacia la celula fotovoltaica (3). Dicha celula produce electricidad a partir de los fotones (4) emitidos por el emisor que no han sido absorbidos por el colector. La ventaja de este sistema hibrido, con respecto a US20110100430, es que se consigue extraer una mayor cantidad de calor de la fuente termica y por tanto es posible aumentar la densidad de potencia electrica. Esto se debe a que, a diferencia de US20110100430, se utilizan dos tipos de portadores termicos
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(electrones y fotones) para transferir la potencia calorifica de la fuente (en contacto mtimo con el emisor) al convertidor. Es importante destacar que en US20110100430, los electrones se generan de forma indirecta mediante la absorcion de fotones provenientes de la fuente termica. La clave es que en este caso los electrones y los fotones se emiten directamente de la fuente termica, y por tanto permiten extraer mucha mas potencia calorifica de esta. Ademas, y tambien a diferencia de US20110100430, los fotones y electrones provenientes de la fuente termica son trasformados directamente en electricidad por el convertidor: los fotones mediante un efecto fotovoltaico y los electrones mediante un efecto termionico. Ambos efectos permiten aumentar la densidad de potencia electrica y la eficiencia del dispositivo. En un ejemplo de realization el colector y la celula son dos elementos independientes, pero el colector tambien puede estar depositado sobre un sustrato y/o sobre la propia celula.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invention y para complementar esta description, se acompanan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo caracter es ilustrativo y no limitativo:
La Fig. 1 muestra un convertidor hibrido termionico-fotovoltaico de acuerdo a la invencion, con conexion independiente de cada elemento, en el que el colector (2) es en un elemento fisicamente separado del emisor (1) y de la celula fotovoltaica (3). El emisor (1) emite fotones (4) y electrones (5) hacia el colector (2). El colector absorbe los electrones y deja pasar los fotones a la celula fotovoltaica, donde estos se convierten en electricidad. El convertidor termionico se conecta al exterior mediante las terminales (6) y (7), mientras que la celula fotovoltaica se conecta al exterior mediante las terminales (8) y (9).
La Fig. 2 muestra otra posible realizacion en la que el colector se deposita directamente sobre la celula fotovoltaica, quedando ambos conectados electricamente.
La Fig. 3 muestra una realizacion similar a la anterior, a diferencia de que la corriente se extrae del dispositivo a traves de dos unicas terminales (6) y (9). En este caso, la corriente que circula entre el emisor (1) y el colector (2) debe de ser la misma que la que circula entre los terminales positivo (3.1) y negativo (3.2) de la celula fotovoltaica.
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DESCRIPCION DETALLADA
El emisor (1) comprende un material refractario. En una posible realization, el emisor puede fabricarse mediante metales de alto punto de fusion (superior a 1700°C) y una presion de vapor relativamente baja (<10-9 atm a la temperatura de trabajo), como por ejemplo tungsteno, molibdeno, tantalo o platino. Tambien se puede utilizar una atmosfera de cesio ionizado que ocupe el volumen existente entre el emisor y el colector, de forma que el cesio adsorbido en la superficie (1.2) reduzca considerablemente la funcion de trabajo de dicha superficie y se facilite la emision de electrones. En otra posible realizacion, el emisor (1) se fabrica utilizando un substrato refractario cuya unica finalidad es la de proporcionar soporte mecanico y trasferir el calor de la superficie (1.1) a la (1.2). Para ello se pueden emplear, por ejemplo, materiales como el carburo de silicio o el grafito. En este caso, en la superficie (1.2) del emisor se depositara una capa metalica para favorecer la emision de electrones. Al igual que en la primera realizacion, es ventajoso emplear una atmosfera de cesio para reducir la funcion de trabajo del emisor. Cuando la fuente termica empleada para calentar el emisor por su superficie (1.1) es radiation lummica, como por ejemplo luz solar, es ventajoso fabricar el emisor mediante un semiconductor, de forma que tenga lugar el efecto conocido como PETE ("photon enhanced thermionic emission", o emision termionica estimulada por fotones), y por lo tanto se facilite la emision termionica a temperaturas de emisor menores.
El colector (2) debe tener una funcion de trabajo reducida (del orden o menor que 1.5 eV) y menor que la del emisor (para favorecer la coleccion de los electrones emitidos por el emisor) y una transmitancia optica elevada (del orden o mayor al 70%, para permitir el paso de fotones del emisor a la celula fotovoltaica). Esta ultima caracteristica debe cumplirse al menos en un rango espectral coincidente con parte de la respuesta espectral de la celula fotovoltaica (3). Para fabricar este colector se puede utilizar una de las siguientes configuraciones: Primero, una capa metalica muy fina (10-100nm) depositada sobre un substrato (bien sea la celula misma u otro soporte, como un cristal de cuarzo). que permita el paso de luz y a la vez tenga un comportamiento metalico que permita la coleccion eficiente de los electrones. Segundo, una lamina en forma de malla metalica que permita el paso de luz y al mismo tiempo permita la coleccion de electrones, que son direccionados selectivamente hacia las lmeas metalicas de dicha malla. Tercero, semiconductores de ancho de banda elevado (> 1.4 eV) y con afinidad electronica reducida o incluso negativa (desde 0.5 eV a -2 eV), como por ejemplo GaN (bandgap de 3.2eV) adsorbido con cesio (que le confiere una afinidad electronica de 0.5eV). Estos materiales no absorben los fotones de baja energia y al mismo tiempo facilitan la coleccion de electrones debido a tener
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una funcion de trabajo reducida. Cuarto, oxidos transparentes conductores, como por ejemplo el oxido de indio-estano (ITO) o el oxido de tungsteno. Un experto en la materia reconocera sin embargo que existen multiples configuraciones posibles para el colector que van, desde una simple lamina o malla metalica, hasta la configuration arriba descrita.
La celula fotovoltaica (3) puede fabricarse empleando, al menos, un material semiconductor (por ejemplo Silicio, GaAs, Germanio, GaSb InGaAs, InGaAsSb, etc.) con el ancho de banda optimo para el espectro de emision lummica del emisor (dependiente de la temperatura de este) y formando al menos una union p/n (catodo/anodo) para realizar los contactos selectivos de electrones y huecos generados internamente en el material semiconductor. Dicha celula tendra al menos dos contactos electricos, uno positivo (catodo) y otro negativo (anodo) y podra incorporar en su superficie trasera (3.2) un espejo que devuelva al emisor aquellos fotones no absorbidos por la celula, de forma que se reduzca la cantidad de calor a disipar en dicha celula y a su vez se aumente la eficiencia del convertidor.
El colector (2) puede ser un elemento independiente (Fig.1), estar depositado directamente sobre la celula fotovoltaica (Fig.2 y Fig.3) o estar depositado sobre un sustrato trasparente (como por ejemplo un vidrio o cuarzo). En el ultimo caso, dicho sustrato podria, a su vez, colocarse sobre la celula fotovoltaica (Fig.2 y Fig.3) o colocarse de forma independiente, separado de dicha celula por vado o una atmosfera controlada (Fig.1). En cualquiera de los casos, el colector (anodo del convertidor termionico) podria conectarse electricamente al catodo de la celula fotovoltaica, quedando ambos elementos conectados en serie, de forma que la corriente se extrae del convertidor entre las terminales del emisor (6) (catodo del convertidor termionico) y el anodo de la celula fotovoltaica (9) (Fig.3). Igualmente, se pueden realizar conexiones independientes tanto al colector (7) (anodo del convertidor termionico) como al catodo de la celula fotovoltaica (8), para extraer la corriente por dos circuitos independientes (Fig.1 y Fig.2). La ventaja de esta ultima configuracion es que ambos dispositivos pueden polarizarse en sus respectivos puntos de maxima potencia de forma independiente. Por el contrario, en el caso de que solo existan dos terminales, es necesario un ajuste en corriente entre ambos dispositivos, lo cual impide, en la mayoria de los casos, la polarization de cada dispositivo en su punto de maxima potencia. La ventaja de una configuracion de dos terminales es que su fabrication resulta mas sencilla y por lo tanto tiene un mayor potencial de reduccion de costes.
Alternativamente a la incorporation de una atmosfera de cesio, el colector puede colocarse a una distancia micrometrica de la superficie (1.2) del emisor (1) para favorecer la
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trasferencia de electrones entre ambos elementos. En este caso, es ventajoso que exista vado entre emisor y colector y que el colector este depositado directamente en la superficie de la celula fotovoltaica, para de este modo aprovechar los fotones que se trasmiten del emisor al colector de forma evanescente (efectos tunel).
DESCRIPCION DE UNA REALIZACION PREFERIDA
En una realizacion preferida, el emisor (1) se fabrica en tungsteno. El volumen existente entre el emisor y el colector se rellena de un gas de cesio ionizado, de forma que la funcion de trabajo del tungsteno queda reducida mediante la adsorcion de cesio en la superficie, alcanzando un valor en el orden de los 1.7 eV. En este caso, se necesitara de una fuente de cesio externa para reponer el cesio consumido de la superficie del emisor.
El colector (2) es una fina lamina de oxido de tungsteno, depositada en un sustrato de cuarzo. El oxido de tungsteno, al ser adsorbido con el cesio existente en la atmosfera, alcanza funciones de trabajo del orden de 0.75 eV. El espesor de esta capa (entre 1 y 100nm) es suficientemente pequeno, para que la luz pueda atravesarla y alcanzar la celula fotovoltaica (3). El sustrato de cuarzo, que contiene el colector, se deposita directamente sobre la celula fotovoltaica empleando una silicona trasparente para garantizar la continuidad de mdice de refraccion entre el sustrato de cuarzo y la superficie de la celula fotovoltaica. En esta configuracion, la cara del sustrato de cuarzo que contiene el colector debe quedar orientada hacia el emisor.
La celula fotovoltaica (3) se fabrica partiendo de un sustrato de GaSb en el que se forma una union p/n. El GaSb permite absorber fotones con energias por encima de los 0.7 eV y por tanto se ajusta a los espectros de emision correspondientes a las temperaturas de trabajo del emisor (1), de entre 1000°C y 1800°C. La zona tipo-p (catodo) se situa en la capa frontal de dicha celula (3.1) para facilitar la eventual conexion entre el terminal positivo de la celula (3.1) y el colector (2) y de esta forma conectar en serie el convertidor termionico con el fotovoltaico. En su cara posterior (3.2) la celula fotovoltaica dispone de un reflector que devuelva los fotones no absorbidos por la celula al emisor. Este reflector puede fabricarse mediante una estructura de capas dielectricas o mediante un metal especular muy reflectante, como por ejemplo, el oro.
En esta configuracion se pueden realizar cuatro contactos electricos (Fig.1): en el emisor (6), el colector (7), el catodo (8) y el anodo de la celula fotovoltaica (9), de forma que la corriente
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se extrae del dispositivo a traves de dos circuitos independientes: uno formado por las terminales de emisor (6) y colector (7), y otro formado por las terminales de catodo (8) y anodo (9) de la celula fotovoltaica.
5 A la vista de esta description y figura, el experto en la materia podra entender que la invention ha sido descrita segun algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que multiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invencion tal y como ha sido reivindicada
Claims (7)
- 5101520253035REIVINDICACIONES1. Convertidor hforido termionico-fotovoltaico para la conversion directa de calor en electricidad que comprende: un emisor de electrones y fotones fabricado en un material refractario (1), un colector de electrones (2) transparente a la radiacion fotonica en la longitud de onda emitida por el emisor y una celula fotovoltaica (3), estando estos elementos dispuestos de manera que el emisor tiene una primera superficie(1.1) destinada a ser orientada hacia una fuente termica y una segunda superficie opuesta a la primera (1.2) que emite electrones y fotones, el colector se situa frente a esta segunda superficie de manera que recibe los electrones emitidos por el emisor (1) y la celula (3) se situa tras el colector (2) de manera que recibe los fotones que atraviesan dicho colector.
- 2. Convertidor segun la reivindicacion 1 caracterizado porque el colector (2) y la celula (3) son dos elementos independientes.
- 3. Convertidor segun la reivindicacion 1 caracterizado porque el colector (2) esta depositado sobre un sustrato y/o sobre la celula (3).
- 4. Convertidor segun las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque el colector (2) comprende una capa metalica de 10 a 100nm de espesor depositada sobre un substrato, una lamina en forma de malla, una capa de semiconductores de ancho de banda mayor que 1.4 eV y con afinidad electronica desde 0.5 eV a -2 eV y una capa de un oxido transparente conductor.
- 5. Convertidor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el espacio entre el emisor y el colector existe una atmosfera de gas de cesio ionizado.
- 6. Convertidor segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4 donde el colector (2) esta situado a una distancia micrometrica de la segunda superficie (1.2) del emisor (1).
- 7. Convertidor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende terminales de conexion del emisor (6), el colector (7), el catodo (8) y el anodo de la celula fotovoltaica (9), de forma que la corriente se puede extraer del dispositivo a traves de dos circuitos independientes: uno formado por las terminales9de emisor (6) y colector (7), y otro formado por las terminales de catodo (8) y anodo (9) de la celula fotovoltaica.
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| ES (1) | ES2584105B2 (es) |
| WO (1) | WO2017134321A1 (es) |
Citations (3)
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| US4528417A (en) * | 1984-02-15 | 1985-07-09 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Thermionic-photovoltaic energy converter |
| WO2010044891A2 (en) * | 2008-10-16 | 2010-04-22 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Photon enhanced thermionic emission |
| CN104659137A (zh) * | 2014-12-22 | 2015-05-27 | 电子科技大学 | 一种全固态光子增强热电子发射器件 |
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2016
- 2016-02-04 ES ES201630129A patent/ES2584105B2/es active Active
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2017
- 2017-01-23 WO PCT/ES2017/070035 patent/WO2017134321A1/es active Application Filing
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2017134321A1 (es) | 2017-08-10 |
| ES2584105B2 (es) | 2017-07-24 |
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