RO129493B1 - Microgenerator termoelectric - Google Patents

Description

Invenția se referă la un microgenerator termoelectric, utilizat în domeniul monitorizării medicale a parametrilor fiziologici, alimentarea sistemelor wireless și alimentarea sistemelor micro-electromecanice, pentru care sunt necesare puteri cuprinse între 1 și 10 pW.

Se cunoaște, din documentul US 20090025772 A1, o soluție care se referă la un modul termoelectric folosit pentru generarea de energie electrică, având ca sursă de căldură un gaz fierbinte. Modulul cuprinde un prim și un al doilea strat din sticlă ceramică, fiecare având una sau mai multe cavități de-o parte și de alta, iar în fiecare cavitate se găsesc electrozi din pastă din argint, care sunt în contact cu una sau mai multe perechi de materiale de tip „n” și „p”. Atunci când o parte a modulului este pus în contact cu o sursă termică de gaz fierbinte, iar cealaltă parte este în contact cu o sursă rece, perechile de materiale de tip „n” și „p” transformă energia termică în energie electrică. Substratul din sticlă ceramică a fost ales deoarece la temperaturi cuprinse între 20°C și 700°C are coeficientul de dilatare termică foarte apropiat de cel al materialelor de tip „n” și „p”.

Materialul de tip „p” poate fi un oxid cum este, de exemplu, Ca₃Co₄O₉, iar materialul de tip „n” este, de exemplu, Ca₀₉₅Sm₀₀₅MnO₃. în formula generală AMO, A reprezintă un cation cum ar fi, de exemplu, Ca⁺², M reprezintă un alt cation cum ar fi, de exemplu, Ti⁺⁴(Sm în exemplul dat), iar O este un oxid ionizat. Alți oxizi metalici cunoscuți din stadiul tehnicii sunt Ca Ti O₃, Sr Ti O₃, Ba Ti O₃, La Mn O₃, Mg Si O₃.

Se cunosc microgeneratoare termoelectrice bazate pe Bi₂ Te₃ semiconductor de tip „n” și Sb₂ Te₃ semiconductor de tip „p”, care prezintă dezavantajele că sunt toxice și nu pot opera la temperaturi înalte, din cauza descompunerii, topirii sau vaporizării.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în utilizarea unor materiale termoelectrice realizate din oxizi semiconductori care permit operarea atât la temperaturi joase, cât și la temperaturi înalte, și care, la depășirea accidentală a temperaturilor de operare, nu prezintă toxicitate pentru mediul înconjurător.

Microgeneratorul termoelectric, conform invenției, este alcătuit din niște semiconductori de tip „n” și din niște semiconductori de tip „p”, constituiți din oxizi, prevăzuți cu cuplaje electrice, iar semiconductorii sunt amplasați pe o placă suport din sticlo-textolit, și sunt constituiți sub forma unor pastile cu rol de termocuplu, ce au formula chimică Ca_{0 92}La_{0 08}MnO₃, și din alte pastile, ce au formula chimică Ca₃Co₄O₉, unde fiecare semiconductor are formă de disc cu diametrul d = 3,8 mm și grosimea g=1,8 mm, iar cuplajele electrice sunt realizate prin niște conectori din argint, serigrafiați, utilizați pentru înserierea termocuplelor, și prin alți conectori din argint, serigrafiați, utilizați pentru măsurarea tensiunilor generate de microgeneratorul termoelectric.

Pentru domeniul de temperaturi 5...21°C, tensiunea electrică generată de microgeneratorul termoelectric are valori de 2000...11000 pV, rezultând un coeficient Seebeck per cuplu de 330 pV/K și o rezistență internă de 2...6 Ω, iar pentru domeniul de temperaturi 5...35°C, domeniul de puteri generate de microgeneratorul termoelectric este de 1...9,5 pW.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- dimensiuni și masă reduse;

- structură simplă și compactă;

- capacitate de operare la temperaturi ridicate 300...1000°K;

- sunt surse de putere flexibile, care nu depind de modul de poziționare;

- sunt silențioase și eficiente în funcționare (peste 100000 ore de operare în regim constant);

- potfi folosite ca surse de energie electrică pentru zonele unde electricitatea lipsește;

- deoarece nu au părți mecanice în mișcare, întreținerea pentru o bună funcționare este minimă față de alte surse de energie electrică;

- este ecologică față de mediul înconjurător.

RO 129493 Β1

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1...3, ce 1 reprezintă:

- fig. 1, vedere în spațiu a microgeneratorului termoelectric; 3

- fig. 2, graficul variației de tensiune în funcție de rezistența de sarcină, la diverse diferențe de temperatură la care a fost supus microgeneratorul termoelectric; 5

- fig. 3, graficul variației de putere electrică în funcție de diferențele de temperatură la care a fost supus microgeneratorul termoelectric. 7

Microgeneratorul termoelectric, conform invenției, este alcătuit dintr-o placă suport din sticlo-textolit 1 și niște semiconductori sub forma unor pastile 2 și 2', cu rol de termocuplu, ce 9 au formula chimică Ca_{0 92}La₀₀₈MnO₃, și din alte pastile 3 și 3', ce au formula chimică Ca₃Co₄O₉, unde fiecare semiconductor are formă de disc cu diametrul d = 3,8 mm și grosimea 11 g = 1,8 mm, iar cuplajele electrice sunt realizate prin niște conectori din argint 4 și 4', serigrafiați, utilizați pentru înserierea termocuplelor, și prin alți conectori din argint 5 și 5', 13 serigrafiați, utilizați pentru măsurarea tensiunilor generate de microgeneratorul termoelectric.

Principiul de funcționare al microgeneratorului termoelectric este bazat pe efectul 15 Seebeck, în care purtătorii de sarcină dintr-un material sunt transportați sub influența unui flux de căldură ce îl parcurge. 17

Materialele termoelectrice utilizate pentru termocuple sunt materiale oxidice, semiconductor de tip „n” Ca₀₉₂La₀₈MnO₃ și semiconductor de tip „p” Ca₃Co₄O₉, care 19 funcționează până la temperaturi de 1000°K.

Claims (7)

1 Revendicare

3 Microgenerator termoelectric, alcătuit din niște semiconductori de tip „n” și din niște semiconductori de tip „p”, constituiți din oxizi, prevăzuți cu cuplaje electrice, caracterizat prin

5 aceea că semiconductorii sunt amplasați pe o placă suport din sticlo-textolit (1), și sunt constituiți sub forma unor pastile (2 și 2') cu rol de termocuplu, ce au formula chimică

7 Ca₀₉₂La₀₀₈MnO₃, și din alte pastile (3 și 3') cu formula chimică Ca₃Co₄O₉, unde fiecare semiconductor are formă de disc cu diametrul d = 3,

8 mm și grosimea g = 1,8 mm, iar

9 cuplajele electrice sunt realizate prin niște conectori din argint (4 și 4'), serigrafiați, utilizați pentru înserierea termocuplelor, și prin alți conectori din argint (5 și 5'), serigrafiați, utilizați

11 pentru măsurarea tensiunilor generate de microgeneratorul termoelectric.