MX2011004783A - Calor y energia solares/termicos combinados para edificios residenciales e industriales. - Google Patents
Calor y energia solares/termicos combinados para edificios residenciales e industriales.Info
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Abstract
Un generador de energía solar (100) tiene elementos termo-eléctricos adyacentes a y por debajo de celdas solares. Luz solar concentrada es provista. Un sumidero de calor (104), el cual puede ser variable en temperatura o eficiencia, está en contacto con la unión fría (108) del dispositivo termo-eléctrico (103). La resistividad térmica se diseña en relación al flujo de energía, con lo cual el dispositivo termo-eléctrico (103) desarrolla un gradiente de varios cientos de Kelvin. De preferencia la celda solar comprende un semi-conductor de energía de espacio de banda alto. El generador (100) mantiene eficiencia relativamente consistente sobre un rango de temperaturas de unión fría (108). Altas eficiencias se logran usando materiales termo-eléctricos nano-compuestos. Dispersar uniformemente pero de manera delgada los segmentos termo-eléctricos en una matriz de material altamente aislante reduce la cantidad de material requerido para los segmentos sin sacrificar el desempeño. Una construcción unitaria de la celda solar y elementos termo-eléctricos proporciona ventajas adicionales.
Description
CALOR Y ENERGÍA SOLARES/TÉRMICOS COMBINADOS PARA
EDIFICIOS RESIDENCIALES E INDUSTRIALES
Campo de la Invención
La presente invención se refiere a dispositivos de energía solar y métodos para convertir energía solar en formas útiles de energía.
Antecedentes de la Invención
Existe una necesidad reconocida por . mucho tiempo y continua por fuentes de energía renovables efectivas en costos. Con esta meta, esfuerzos significativos se han hecho para desarrollar generadores de energía solar efectivos en costos para cosechar energía solar. El objetivo principal de estos esfuerzos ha sido hacer paneles solares de alta eficiencia y bajo costo.
Paneles solares son dispositivos fotovoltaicos diseñados para convertir energía solar directamente a electricidad. Tecnología de paneles solares básica se basa en uniones p-n. La diferencia en concentración portadora de carga entre regiones dopadas p y n de un material semiconductor ocasiona que los portadores de carga se difundan, con ello creando un campo eléctrico estático dentro del semi-conductor. El semi-conductor tiene una energía de espacio de banda la cual es la diferencia de energía entre el mínimo de su banda de conducción y el máximo de su banda de valencia. En muchos semi -conductores es la energía de
espacio de banda que descansa dentro de límites del espectro de radiación solar. Fotones con energía mayor que la energía de espacio de banda pueden ser absorbidos por el semi -conductor y elevar portadores de carga de su banda de valencia a su banda de conducción. Los portadores excitados fluyen como resultado del campo eléctrico y proporcionan energía eléctrica.
Paneles solares en uso actual pueden ser ampliamente divididos en tecnologías de silicio cristalino y de película delgada. Silicio cristalino es un absorbente de luz relativamente pobre y requiere un grosor comparativamente grande (varios cientos de mieras) de material en comparación con materiales tales como Telururo de Cadmio (CdTe) y Arsenuro de Galio (GaAs) usados en tecnologías de película delgada. Actualmente, paneles solares de silicio cristalino proporcionan mayores eficiencias que paneles solares de película delgada, pero son mas costosos de hacer. Buenas eficiencias de conversión para paneles solares comercialmente disponibles en este momento están en el rango de 14-19%. Mayores eficiencias de conversión son posibles.
Una máxima eficiencia para convertir radiación solar no concentrada hacia energía eléctrica usando un panel solar de una sola unión a temperatura ambiente es alrededor de 31% de acuerdo con el bien conocido límite Shockley-Queissar . Este límite también toma en cuenta una tasa termodinámicamente no evitable de recombinación de portador y una desigualdad entre la energía de espacio de banda del semi -conductor y el espectro de energía
solar .
La desigualdad se refiere a la cuantización de energía en luz. Longitudes de onda de luz con energía por debajo de la energía de espacio de banda no pueden excitar portadores de carga. Longitudes de onda de luz con energía por encima de la energía de espacio de banda pueden excitar portadores, pero la energía en exceso de la energía de espacio de banda es rápidamente convertida a calor. Energías de espacio de banda alrededor de 1.3 eV proporcionan la eficiencia teórica mas alta para un panel solar de una sola unión a temperatura ambiente.
El límite Shockley-Queissar para un panel solar de una sola unión puede ser excedido mediante proporcionar múltiples uniones. Un panel solar multi-uniones típico comprende un apilamiento en capas de dos o mas materiales semi-conductores teniendo diferentes energías de espacio de banda. La capa mas superior tiene la mayor energía de espacio de banda. Idealmente, la capa mas superior absorbe la porción del espectro con energía igual a o mayor que la energía de espacio de banda de capa superior mientras pasa longitudes de onda mayores para uso por las capas debajo.
Transparencia óptica para la estructura en capas generalmente requiere que todas las capas tengan estructura de cristal y constantes de rejilla similares. Una constante de rejilla describe la separación de las ubicaciones de átomos en una estructura de cristal. Desigualdad en las constantes de
re illa entre diferentes capas tiende a crear dislocaciones y significativamente deteriora la eficiencia de un panel solar multi-uniones .
Aunque la elección de materiales para paneles solares multi-uniones está restringida, muchas combinaciones adecuadas se han encontrado y muestran superar el desempeño de celdas de una sola unión. Mediante dividir de manera adecuada al espectro de absorción, excelentes resultados han sido obtenidos con celdas de dos, tres, y cuatro uniones. Por ejemplo, una celda de dos uniones comprendiendo InGaP (1.9 eV) y GaAs (1.4 eV) mantuvieron una eficiencia récord de cerca de 30% en los 1990' s. Celdas de tres uniones comprendiendo GalnP (1.85 eV) , capa de GaAs (1.42 eV) y Ge (0.67 eV) han sido usadas para demostrar eficiencias cercanas a 40%.
Otra manera de mejorar eficiencias de paneles solares es mediante concentrar luz solar sobre la superficie del panel solar. A parte del beneficio obvio de proporcionar mas luz por unidad de área, la luz directa provista por un concentrador (a diferencia de la luz difusa recibida por un panel directamente expuesto al sol) permite para una mayor eficiencia. 41% es el límite teórico para una celda de una sola unión y 55% para una celda de dos uniones. Para luz solar directa, la energía de espacio de banda óptima a temperatura ambiente es 1.1 eV. Para una celda de dos uniones en la configuración en serie estándar, un par de 0.77 eV, 1.55 eV es el óptimo aproximado. Para tres
uniones, 0.61 eV, 1.15 eV, y 1.82 eV se aproxima al ideal según se reporta por M. A. Green en Third-Generation Photovoltaics : Advanced Solar Energy Conversión, pp. 60-63 (Springer: Heidel-berg, 2003) .
Una mejora adicional para acrecentar la eficiencia de conversión eléctrica involucra derivar energía eléctrica a partir de la energía en exceso absorbida cuando un electrón se excita por un fotón con energía en exceso de la energía de espacio de banda. Inicialmente, esta energía es retenida por los portadores, resultando en "portadores calientes" . Hay dos maneras fundamentales para usar los portadores calientes para acrecentar la eficiencia de producción de energía eléctrica. Una manera produce un voltaje acrecentado y la otra produce una corriente acrecentada. La primera requiere que los portadores sean extraídos antes de que se enfríen, mientras que la segunda requiere que los portadores calientes tengan suficiente energía para producir un segundo par de agujeros de electrones a través de ionización de impacto. Para que cualquiera de los procesos sea efectivo, debe llevarse a cabo a una tasa competitiva con la tasa de enfriamiento de portador, la cual es por si misma muy rápida.
La tasa de enfriamiento de portador puede reducirse mayormente mediante producir los portadores dentro de un material nano-compuesto que altera la dinámica de relajación a través de efectos cuánticos. Materiales nano-compuestos incluyen pozos cuánticos, cables cuánticos, y puntos cuánticos. Estas estructu-
ras confinan a los portadores a regiones de espacio que son mas pequeñas que o comparables con la longitud de onda deBroglie de portador o el radio Bohr de excitones en el volumen de semiconductor. Puntos cuánticos son los mas efectivos en este respecto.
Puntos cuánticos consistiendo de cristales muy pequeños de un semi-conductor (v.gr., Arsenuro de Indio y Galio) dentro de una matriz de otro semi-conductor (v.gr., Arsenuro de Galio) pueden hacer mas lento el enfriamiento de portador al punto donde ionización de impacto se vuelve significativa. Ionización de impacto cuando un portador caliente da algo de su energía para excitar un segundo portador a partir de la banda de valencia a la banda de conducción mientras que por si mismo retiene energía suficiente para permanecer en la banda de conducción. Ionización de impacto también se puede lograr por puntos cuánticos consistiendo de cristales de semi -conductor muy pequeños dispersos en una matriz de polímero semi-conductor orgánico.
Extracción de portador caliente puede lograrse mediante ordenar los puntos cuánticos en arreglo tridimensional separado de manera cercana con separación suficientemente cercana para acoplamiento electrónico fuerte y que ocurra la formación de mini-bandas. Las mini -bandas permiten transporte de electrones de gran rango. Las mini-bandas proporcionan transporte suficientemente rápido para que la corriente de portador caliente sea tomada a un potencial por encima del potencial de banda de
conducción normal. Para entender este mecanismo, puede ayudar notar que la energía de portador caliente se esparce entre todos los portadores en la banda de conducción en una escala de tiempo mas corta que la escala de tiempo sobre la cual la energía se esparce hacia equilibrio térmico en otras maneras. Por ende la corriente de portador entera está "caliente" .
Para evitar confusión con los mecanismos anteriores, vale la pena mencionar que hay otro uso para pozos cuánticos para acrecentar las eficiencias de paneles solares. Los pozos cuánticos pueden usarse para ajustar y afinar de manera fina las energías de espacio de banda de los semi-conductores dentro de los cuales se incorporan. Esto permite que las energías de espacio de banda de semi-conductor se adapten para concordar mejor con el espectro solar y proporciona flexibilidad para seleccionar materiales.
Aun adicionalmente , nano-cristales dentro de un compuesto semi -conductor tienen energías de espacio de banda altamente dependientes de tamaño. Estos pueden usarse para hacer disponibles a portadores de carga estados de energía intermedios a las bandas de valencia y conducción de los materiales de matriz. Estas bandas intermedias permiten que el compuesto logre conversión eléctrica de fotones con energía por debajo de las energías de espacio de banda de los semi-conductores de matriz a través de un proceso de dos pasos de cargas de excitación a partir de una banda de valencia a las bandas intermedias y a
partir de las bandas intermedias a una banda de conducción.
Muchas de las mejoras estructurales anteriores son solamente económicas en conjunto con concentración solar. Concentradores solares comercialmente disponibles proporcionan energía solar con concentraciones de 500. Aunque tal concentración alta justifica el uso de materiales semi -conductores de alta ingeniería, introduce el problema de administrar calor intenso. El calentamiento es muy perjudicial al desempeño del panel solar.
Las eficiencias máximas teóricas mencionadas anterior-mente disminuyen con temperaturas en incremento. Todos los paneles solares sufren eficiencia disminuida con temperatura en incremento. De acuerdo con la Administración Aeronáutica y Espacial Nacional (NASA) de los Estados Unidos, como se reporta en la patente US 7,148,417, un panel solar de silicio típico pierde alrededor de .45% de potencia por grado centígrado de temperatura en incremento. Por encima de 250°C, los paneles solares de silicio esencialmente no producen energía. Paneles solares de GaAS pasan un tanto mejor, perdiendo solamente alrededor de .21% de potencia por grado Celsius. Paneles solares de película delgada multi-uniones generalmente pasan aun peor debido a que el grosor de capa generalmente se iguala cuidadosamente para igualar las corrientes producidas por cada capa. Aun una desigualdad de 5% puede perjudicar severamente la operación de paneles solares multi-uniones. M. A. Green en Third Generation Photovoltaics : Advanced Solar Energy Conversión, p. 63 (Springer:
Heidelberg, 2003). La solución de rutina a este problema es proporcionar enfriamiento.
Paneles solares han sido usados para proporcionar agua caliente para uso doméstico además de electricidad. Como se menciona por la solicitud de patente US 2004/0055631, usar al panel solar en esta manera requiere operar al panel solar a una temperatura de por lo menos alrededor de 60°C, lo cual significativamente compromete la eficiencia de producción eléctrica de la celda. La solución propuesta por esa solicitud es hacer al panel solar a una porción del espectro de energía solar con energía debajo de una energía de espacio de banda de semi -conductor . El panel solar es aislado de los elementos de calentamiento, los cuales utilizan una porción del espectro de energía solar que no podría convertirse por el panel solar. La solución dice ser mas eficiente en espacio que la alternativa de usar colectores de energía solar separados para producción de electricidad y calentamiento de agua. Otra manera para generar agua caliente es tomar calor a partir del sistema de colección solar. Cuando altos grados de concentración solar se usan, el calor de desecho puede ser considerable.
Compendio
La invención proporciona generadores de energía solar y métodos asociados. Un aspecto de la invención es un generador de energía solar que comprende un panel solar y un dispositivo termo-eléctrico adyacente a y por debajo del panel solar. La
unión caliente del dispositivo termo-eléctrico está en acoplamiento térmico cercano con el lado inferior del panel solar. Un sumidero de calor se coloca en contacto con la unión fría del dispositivo termo-eléctrico para enfriarlo. El dispositivo termo-eléctrico tiene patas tipo n y p que comprenden uno o mas segmentos de material semi-conductor dopado. Por lo menos uno de los segmentos se forma de un material nano-compuesto en el cual confinamiento cuántico de portadores sustancialmente reduce la conductividad térmica del segmento.
En general, no es deseable colocar un dispositivo termo-eléctrico entre un panel solar y un sumidero de calor. Es tanto mas simple y mas eficiente en energía enfriar el panel solar directamente. La presente invención crea una excepción a la regla general. En primer lugar, la invención mitiga la pérdida de eficiencia de conversión de energía introducida por el dispositivo termo-eléctrico mediante usar materiales actualmente desarrollados para el dispositivo termo-eléctrico que mayormente mejoran el desempeño de tales dispositivos. Segundo, el inventor reconoce que en algunas situaciones un sumidero de calor adecuado para mantener al panel solar a una temperatura deseada no puede proporcionarse en una manera práctica. En esas situaciones, un mayor grado de calentamiento puede ser inevitable. Donde el único sumidero de calor disponible es inadecuado para efectivamente mantener la temperatura de un panel solar dentro de un rango de temperaturas de operación estrecho, la presente invención puede
desempeñarse mejor ya que el dispositivo termo-eléctrico puede mantener la eficiencia de conversión eléctrica solar alta aun cuando el generador solar se calienta debido al sub-desempeño del sumidero de calor. La invención también es útil en que el panel solar puede proporcionar desempeño de arranque frío para lo que es esencialmente un generador termo-eléctrico energizado por calor solar.
En un método de acuerdo con la invención, un panel solar se configura para recibir luz solar concentrada y un dispositivo termo-eléctrico se configura para tomar calor a partir de un panel solar y transferirlo a un sumidero de calor. En la mañana y en otros momentos cuando no ha habido mucha luz solar, el panel solar produce mas energía que el dispositivo termo-eléctrico. En días soleados, se permite que el panel solar se caliente en un alto grado. Conforme el panel solar se caliente, progresivamente produce menos electricidad mientras que el dispositivo termo-eléctrico produce progresivamente mas electricidad. Se permite que el panel solar se caliente a altas temperaturas. Se puede permitir que el panel solar alcance temperaturas a las cuales el dispositivo termoeléctrico es el modo dominante de generación de electricidad.
Otro aspecto de la invención es un generador de energía solar que comprende un dispositivo fotovoltaico y un dispositivo termo-eléctrico de construcción unitaria. Ya sea el dispositivo fotovoltaico comprende capas de material semi-conductor puestas
sobre componentes del dispositivo termo-eléctrico o el dispositivo termo-eléctrico comprende capas de material semi-conductor puestas sobre componentes del dispositivo fotovoltaico . Esta construcción unitaria reduce requerimientos de material y permite la unión caliente del dispositivo termo-eléctrico para calentarse rápidamente a temperaturas a las cuales la conversión de energía termo-eléctrica es eficiente.
Un aspecto adicional de la invención también se refiere a un generador de energía solar que comprende un dispositivo fotovoltaico y el dispositivo termo-eléctrico en donde el dispositivo termo-eléctrico está adyacente a y por debajo del panel solar con la unión caliente en acoplamiento térmico cercano con el lado inferior del panel solar. El dispositivo termoeléctrico tiene patas tipo n y p que comprenden uno o mas segmentos del material semi-conductor dopado. El dispositivo termo-eléctrico se conforma con la superficie del panel solar y abarca aproximadamente la misma área. Las patas del dispositivo termo-eléctrico se dispersan de manera delgada en una matriz de material altamente térmicamente aislante seleccionado a partir del grupo que consiste en vacío, gas y un aerogel. Las patas ocupan menos que 10% del área de sección transversal y el aislamiento ocupa mas de 90%. Esta configuración mayormente reduce la cantidad de material semi -conductor requerida para las patas, la cual es particularmente importante si materiales nano-compuestos se usan. Debido a que las patas están dispersas de
manera uniforme con respecto a la superficie de panel solar, muy pequeñas, y separadas de manera cercana, y debido a que las patas son muy cortas, las patas enfrían de manera efectiva al panel solar a pesar de su densidad espacial baja y conductividad térmica baja.
El propósito primario de este compendio es presentar algunos conceptos principales de la presente divulgación en una manera simplificada que facilitará el entendimiento de la descripción mas detallada y reivindicaciones que siguen. Este compendio no puede ser comprehensivo y cubrir cada idea y detalle que se pudieran considerar inventivos o servir para delinear lo que es inventivo. Otras ideas y detalles y maneras para generalizar y aplicar los conceptos anteriores serán transportados por la siguiente descripción, los dibujos, y esta divulgación como un todo. El enunciado final de lo que el inventor está reclamando se reserva para las reivindicaciones que siguen. Esas reivindicaciones pueden ser enmendadas durante el curso ordinario de trámite de patente.
Breve Descripción de los Dibujos
Los dibujos acompañantes usan números de referencia de acuerdo con ciertas convenciones. Números de referencia idénticos apareciendo en diferentes figuras indican que el mismo elemento está siendo mostrado en diferentes posiciones, usos, o perspectivas. Donde los dos números de referencia son diferentes pero idénticos en sus dos dígitos menos significativos, una relación
aun es indicada: los objetos de referencia están relacionados como siendo del mismo género o relacionados como especie y género. Los propios dibujos y el contexto de la descripción clarificarán cuales relaciones aplican y si observaciones acerca de un elemento son de la misma manera aplicables a elementos relacionados. Letras posteriores se usan para distinguir elementos repetidos dentro de un solo dibujo o ejemplo.
La figura 1 es una ilustración esquemática de un generador de energía solar ejemplar 100 operando con sumidero de calor y luz solar.
La figura 2 es una ilustración esquemática de un panel solar y dispositivo termo-eléctrico ejemplares de construcción integral .
La figura 3 es un esquema que ilustra segmentación en el diseño de un dispositivo termo-eléctrico.
La figura 4 es un trazo mostrando las cifras termoeléctricas de mérito como una función de temperatura para varios materiales semi-conductores .
La figura 5 es un trazo que muestra las cifras termoeléctricas de mérito de un nano-compuesto de p-Si/p-SiGe.
La figura 6 proporciona un diagrama de máquina de estado finito de un generador de energía solar 100 operando en una manera preferida.
La figura 7 corresponde a una sección transversal a través de la línea A-A' de la figura 2, e ilustra las patas de un
dispositivo termo-eléctrico ampliamente, uniformemente, y finamente distribuidas en una matriz altamente térmicamente aislante .
La figura 8 ilustra un sistema de calentamiento de agua caliente y generación de energía doméstico ejemplar empleando conceptos a partir de cada una de las figuras anteriores.
Descripción Detallada
La figura 1 proporciona una ilustración esquemática de un generador de energía solar 100 ejemplar que produce electricidad a partir de luz solar 109. El generador de energía solar 100 comprende un sistema de concentración solar opcional 101, un panel solar 102, y un dispositivo termo-eléctrico 103. El generador 100 requiere un sumidero de calor 104 para operar. El sumidero de calor 104 puede ser provisto como parte del generador de energía solar 100. El generador 100 produce energía a partir de tanto el panel solar 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103. Estas fuentes son generalmente llevadas al mismo voltaje, combinadas, y acopladas a una carga.
El sistema de concentración solar 101 puede ser cualquier dispositivo adecuado que funciona para concentrar luz solar. El sistema de concentración solar 101 puede proporcionar un grado bajo, medio, o grande de concentración solar. Un bajo grado sería un factor de concentración, f, en el rango de alrededor de 2 a alrededor de 10. Un grado medio de concentración estaría en el rango de alrededor de 10 a alrededor de 100. Un
factor de concentración por encima de 100 se consideraría alto. En ausencia de concentración solar, f es 1.
Radiación solar es incidente sobre la superficie de la tierra con una concentración que hace pico en alrededor de 1.3 kW/m2. Este valor es en ocasiones usado como unidad de densidad de flujo de energía solar "1 sol" . Un sistema de concentración solar 101 con un factor de concentración, f, ilumina la superficie superior 105 del panel solar 102 con una densidad de energía haciendo pico en alrededor de f*1.3 kW/m2 (f soles). La concen-tración actual de luz solar provista por el sistema de concentración solar 101 en cualquier momento dado puede variar de acuerdo con factores tales como la posición del sol en el cielo, pero cada sistema de concentración solar puede esperarse teniendo un factor de concentración máxima mas o menos bien definido representando su capacidad y una máxima intensidad de luz solar que puede esperarse que entregue .
La concentración solar puede lograrse con arreglos de espejos reflectores y/o lentes refractivos. La preferencia aquí es para los sistemas mas simples que aun proporcionan alta concentración solar. División de espectro no se requiere. El sistema de concentración solar 101 puede comprender un rastreador solar para ajustar el posicionamiento para mantener el enfoque conforme el sol se mueve. El sistema de concentración solar 101 puede tener un sistema de enfriamiento para evitar que sus componentes se calienten excesivamente bajo luz intensa. El
sistema 101 puede comprender un manojo de fibras ópticas, con lo cual el sistema de concentración solar 101 puede colocarse de manera remota de los otros componentes del generador de energía solar 100. En este respecto, deberá apreciarse que referencias a una "parte superior" y una "parte inferior" del panel solar 102 no son vistas como limitaciones acerca de donde se coloca el panel. El sistema 101 puede comprender una cámara de espejos o elementos similares para volver a reflejar luz reflejada a partir de la superficie 105 o emitida a partir del panel solar 102.
El panel solar 102 puede, y generalmente comprende, una pluralidad de celdas solares individuales conectadas en serie o en paralelo. Celdas solares son dispositivos fotovoltaicos adecuados para generar electricidad a partir de radiación solar. Un panel solar puede estar comprendido por un arreglo de paneles solares mas pequeños. El panel solar 102 puede ser de tal un tipo, provisto que cada uno de los paneles mas pequeños tenga un dispositivo termo-eléctrico 103. La relación entre el panel solar 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103, en términos de su adjunción y transferencia de calor, se repetiría para cada elemento separado del arreglo. Una construcción unitaria del panel solar 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103 se entendería para significar unitario con respecto a cada elemento en el arreglo.
El panel solar 102 (o cada unidad en el arreglo) es delgado, dándole solamente dos lados principales. Estos pueden
ser referidos como frontal y trasero o superior e inferior. La superficie frontal o superior 105 es la que mira a la luz. La superficie superior 105 y la superficie inferior 106 son sustancialmente conformes, a pesar de cualquier protuberancia. Tienen áreas superficiales brutas aproximadamente iguales.
El panel solar 102 puede comprender cualquier tipo de celda fotovoltaica adecuada para el ambiente de uso. Los ejemplos discutidos en la sección de antecedentes son aplicables en un sentido amplio, aunque adaptaciones para funcionamiento fotovol-taico a alta temperatura se prefieren. La necesidad por durabilidad de alta temperatura y la habilidad para soportar ciclado térmico también estrecha las elecciones prácticas. El generador de energía solar 100 se diseña con la intención de que energía solar caliente al panel solar 102 a altas temperaturas, tales como 475K, 575K, 675K, o superiores. El desarrollo de altas temperaturas es alentado para proporcionar una fuente de calor de alta temperatura para el dispositivo termo-eléctrico 103.
El panel solar 102 de preferencia se adapta para desempeño fotovoltaico a altas temperaturas. Paneles solares adaptados para operación solamente bajo condiciones ambientales incluyen paneles solares de silicio de un solo cristal en volumen y paneles solares de película delgada multi-uniones conectados en serie comercialmente disponibles. Cualquier tipo rápidamente pierde eficiencia con temperaturas en incremento.
Adaptar al panel solar 102 para operación a alta
temperatura generalmente comprende seleccionar materiales semiconductores de energía de espacio de banda alto. GaN (3.2 eV) , SiC, GaP (2.26 eV) son ejemplos de semi-conductores con energías de espacio de banda alto que pueden usarse para formar celdas solares adaptadas a altas temperaturas. Diseños sensibles a temperatura, tales como el diseño muíti-uniones en serie común, son ya sea evitados o afinados a una temperatura muy alta.
Un panel solar 102 adaptado para desempeño a alta temperatura comprende por lo menos una unión de semi-conductor, la mas superior en una configuración en capas, teniendo una energía de espacio de banda mayor que la que sería seleccionada para operación a temperaturas ambientales. Semi-conductores de energía de espacio de banda mayor utilizan menos del espectro solar que semi-conductores de energía de espacio de banda menor, sin embargo, semi-conductores de energía de espacio de banda mayor pierden menos de su eficiencia con temperaturas en incremento que semi-conductores de energía de espacio de banda menor. Celdas solares de energía de espacio de banda alta sacrifican desempeño a temperatura ambiente para retener mas desempeño a altas temperaturas.
Las energías de espacio de banda óptimas referidas en la sección de antecedentes no son aquellas mas preferibles para la presente aplicación. La energía de espacio de banda ideal es dependiente de aplicación, pero una selección adecuada puede hacerse con base en teoría o experimento. En un panel solar de
una sola unión, una energía de espacio de banda mayor que 1.6 indicaría adaptación a uso a alta temperatura y por encima de 1.8 eV mas definitivamente. En un dispositivo de unión dual una energía de espacio de banda de capa superior de 2.0 eV es indicativa, con 2.2 eV siéndolo aun mas.
Un panel solar de un solo cristal o película delgada de GaAs de una sola unión es mejor adecuado para operación a alta temperatura que la mayoría de los paneles solares, pero no se adapta a operación a alta temperatura. La energía de espacio de banda de GaAs (1.4 eV) es alta en comparación con aquella de silicio, haciéndolo menos sensible a temperatura que el silicio. Como los términos serán usados en esta divulgación, GaAs se adapta a operación a temperatura media, pero no a operación a alta temperatura.
En la presente divulgación una alta temperatura es por lo menos 475K. Operación con la temperatura del panel solar 102 haciendo pico en exceso de 675 Kelvin es típica para un generador de energía solar 100 para facilitar generación de electricidad a través del dispositivo termo-eléctrico 103. Adaptación a operación a tales altas temperaturas no significa que el panel solar 102 no tendrá desempeño disminuido a 475 Kelvin en comparación con desempeño a una temperatura ambiental de 300 Kelvin. Casi cualquier (o cada uno) panel solar experimentará una disminución en la eficiencia con temperatura en incremento. Adaptación a altas temperaturas comprende sacrificar el desempeño
a temperaturas ambientales para mejorar el desempeño a altas temperaturas .
Una buena indicación de adaptación a alta temperatura en un panel solar multi-uniones conectado en serie es la salida de corriente relativa de las varias uniones como una función de la temperatura. Las uniones usualmente se conectan en serie y se igualan en corriente. Igualación de corriente comprende ajustar los grosores de capa de unión hasta que cada unión produce casi la misma corriente. Cuando las corrientes no se igualan, el resultado es altamente perjudicial al desempeño. Debido a que el grado al cual la temperatura afecta la corriente varía ampliamente entre las diferentes uniones usadas en dispositivos de capas múltiples, igualación de corriente debe hacerse para una temperatura particular. La temperatura a la cual cada capa produce la misma cantidad de corriente bajo iluminación solar es la temperatura a la cual el panel solar se adapta para operar. Estos comentarios acerca de igualación de corriente se aplican a dispositivos muíti -unión conectados en serie. La necesidad por igualación de corriente puede evitarse por conexión en paralelo. Conexión en paralelo generalmente no se usa en paneles solares multi-capas debido a la complejidad de las estructuras que requiere su implementación. Un compromiso para la presente aplicación sería usar conexión en paralelo pero limitar el máximo número de uniones a dos .
El panel solar 102 tiene una baja resistencia a
transferir calor a través de su grosor en comparación con el dispositivo termo-eléctrico 103. Si el panel solar 102 es demasiado grueso o tiene una conductividad térmica inadecuada para su grosor, un gradiente de temperatura significativo se desarrolla entre su superficie superior 105 y su superficie inferior 106. Algún gradiente de temperatura es necesario para transmitir calor al dispositivo termo-eléctrico 103, pero en un diseño preferido este gradiente será muy pequeño. Un gradiente grande no reduciría la producción de energía de estado estable por el dispositivo termo-eléctrico 103, pero resultaría en temperaturas innecesariamente altas en el panel solar 102.
Dependiendo del grado de concentración solar usado por el generador de energía solar 100, puede ser importante considerar resistencia térmica al diseñar el panel solar 102. A concentraciones solares bajas, materiales ordinarios probablemente son adecuados aunque cuidado debe tomarse de que los sustratos y materiales de respaldo provistos con el panel solar 102 no se introduzcan excesivamente con resistencia térmica.
Una capacidad calorífica baja para el panel solar 102 es generalmente ventajosa, pero hay ventajas en tener una alta capacidad calorífica. Una alta capacidad calorífica reduce fluctuaciones de temperatura y tasas de cambio de temperatura, lo cual reduce el esfuerzo sobre los materiales y mejora la durabilidad. Mas allá de la preocupación de durabilidad, la cual puede definir una capacidad calorífica requerida mínima, las
consideraciones son mas complejas.
Las ventajas de una alta capacidad calorífica, tales como una placa de metal pudiera proporcionar sin introducir resistencia térmica excesiva, incluyen estabilidad a temperatura y mas producción de energía fotoeléctrica a bajas temperaturas.
Aunque alta capacidad calorífica significa que tanto altas y bajas temperaturas toman mas tiempo en irse, los transitorios asociados con ir de baja a alta temperatura corresponden con la disponibilidad de luz mientras que transitorios asociados con ir de alta a baja temperatura se asocian con la luz solar habiendo sido perdida. El resultado neto es mas luz en promedio a bajas temperaturas y menos luz en promedio a altas temperaturas. Si el panel solar 102 fuera la única consideración, alta capacidad calorífica sería benéfica.
Las consideraciones se invierten para el dispositivo termo-eléctrico 103. El dispositivo termo-eléctrico 103 proporciona la mayor eficiencia cuando el panel solar 102 ha llegado a la máxima temperatura en estado estable. Si todos estos componentes rápidamente alcanzan esa condición cuando sale el sol, la producción de energía a partir del dispositivo termo-eléctrico
103 se maximizará. Si el periodo de calentamiento es largo, mucho calor será transferido a través del dispositivo termo-eléctrico 103 a un diferencial de temperaturas menor, y por ende con una menor eficiencia de conversión termo-eléctrica. De manera similar calor almacenado por el panel solar 102 será transferido durante
el enfriamiento en lugar de cuando el diferencial de temperaturas está aún en su máximo .
Dadas las consideraciones anteriores, la capacidad calorífica en y alrededor del panel solar 102 es una cuestión que involucra varias consideraciones, las cuales son independientes con otras elecciones de diseño. Adaptaciones para ya sea bajar o incrementar la capacidad calorífica pueden garantizarse de acuerdo con la aplicación.
Capacidad calorífica incrementada puede ser provista en la interfaz entre el panel solar 102 y el dispositivo termoeléctrico 103 o por encima de la superficie 105. Una cubierta transparente sobre la superficie 105 teniendo buen contacto térmico con la superficie 105 se preferiría para la ventaja de no incrementar la resistencia térmica entre el panel solar 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103, pero esa ventaja debe ponderarse contra cualquier pérdida en la generación foto-eléctrica debido a absorción de luz por esta capa de cubierta.
Cualquier estructura que no interfiere excesivamente con transporte de calor entre el panel solar 102 y la unión caliente 107 puede usarse para proporcionar capacidad calorífica adicional, si tal capacidad calorífica adicional se desea. Estructuras adecuadas incluyen capas de metal. Metales tienen una combinación favorable de alta capacidad calorífica y alta conductividad térmica.
Un dispositivo termo-eléctrico como el término se usa
en la presente es un dispositivo que comprende una unión caliente y una unión fría y funcional para generar electricidad directamente a partir de energía térmica cuando la unión caliente se mantiene a una temperatura por encima de aquella de la unión fría. El dispositivo termo-eléctrico 103 comprende regiones de semi-conductor dopado p y n. Concentraciones portadoras de carga dentro de estas regiones dependen de la temperatura. Cuando un gradiente de temperatura se aplica a partir de la unión caliente 107 a la unión fría 108, el gradiente de temperatura atraviesa estas regiones y por ende crea gradientes portadores de carga. Los gradientes portadores de carga resultan en un flujo de electricidad .
La figura 3 proporciona un ejemplo 203 para el dispositivo termo-eléctrico 103. El dispositivo termo-eléctrico 203 comprende una pata p 219, la cual comprende por lo menos un segmento semi -conductor dopado n, una pata n 220, la cual comprende por lo menos un segmento de una región semi-conductora dopada n. Las patas 219 y 220 abarcan un espacio entre una unión caliente 207 una unión fría 208. Aislamiento eléctrico 222 aisla las patas. Interconexiones de metal 218 son provistas adyacentes o dentro de la unión caliente 207. Contactos óhmicos conectan a cada una de las patas 219 y 220 con el metal de la interconexión 218, con lo cual la pata p 219, la interconexión de metal 218, y la pata n 220 proporcionan una unión p-i-n. La unión p-i-n crea campos eléctricos a través de las patas 219 y 220. En la unión
fría 208, las patas 219 y 220 tienen contactos óhmicos con puntas 221a y 222b. Estas puntas están eléctricamente aisladas entre sí aunque pueden ser parte de una sola capa de interconexión de metal, una capa de interconexión siendo un patrón de metal en una matriz plana de dieléctrico.
Cuando la unión caliente 207 se mantiene a una temperatura mayor que la unión fría 208, gradientes de portador de carga se forman en las patas ocasionando que los electrones fluyan hacia abajo de la pata p 219 y agujeros (efectivamente) hacia abajo de la pata n 220. La diferencia de potenciales entre las puntas varía dependiente del diferencial de temperaturas entre las uniones caliente y fría. El voltaje es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperaturas. La corriente eléctrica multiplicada por el voltaje da la potencia disponible provista por el dispositivo termo-eléctrico 203.
La eficiencia ideal con la cual tal un dispositivo convierte energía térmica a energía eléctrica es dada por fórmula bien conocidas que muestran dependencias sobre la diferencia de temperaturas entre las uniones caliente y fría, la geometría, y las propiedades de los materiales que componen las patas p y n. La eficiencia, n, es dada por:
Donde TH es la temperatura de unión caliente, Tc es la temperatura
de unión fría y M es dada por la fórmula:
donde ZT es una propiedad de material adimensional conocida como la cifra de mérito termo-eléctrica. Z es dada por
= ^ (3)
K
donde s es la resistividad eléctrica, ? es la resistividad térmica, y S es el coeficiente de Seebeck. T es una temperatura promedio. Las fórmulas presentes se simplifican mediante tratar ZT como una constante. Una formulación mas detallada tendría que tomar en cuenta por la variación dependiente de temperatura de ZT a través de cada una de las patas 219 y 220, y el hecho de que el material semi -conductor no es el mismo para cada pata, o necesariamente dentro de cada pata. Esto no debe detraer de los puntos hechos mas adelante.
El primer término en la ecuación (1) es la eficiencia de Carnot . La eficiencia de Carnot es una consecuencia de la entropía y no puede evitarse por cualquier tipo de dispositivo para convertir energía térmica a energía eléctrica. El segundo término en la ecuación (1) muestra la separación entre el dispositivo termo-eléctrico y un dispositivo ideal . La mayor dependencia de este término es la dependencia sobre ZT, con valores mayores siendo mejores. Hasta recientemente, los mejores valores de ZT fueron alrededor de 1.0 y limitaban la eficiencia de dispositivos termo-eléctricos a alrededor de 20% de la
eficiencia de Carnot .
La figura 4 muestra las cifras de mérito de varios materiales semi-conductores sobre un rango de temperaturas. Se puede observar a partir de esta figura que diferentes materiales semi-conductores son efectivos sobre diferentes rangos de temperatura. Esto complica la selección de materiales semiconductores, debido a que el dispositivo termo-eléctrico 103 tiene la intención de operar con el gradiente de temperaturas corriendo a través de las patas 219 y 220: se espera que la temperatura varíe mayormente sobre las longitudes de las patas. Altas temperaturas ocurrirán en las patas superiores 219 y 220 y bajas temperaturas en los fondos. Un material que podría proporcionar una buena cifra de mérito puede dar pobre desempeño en el fondo y viceversa.
La figura 3 ilustra la solución preferida y una selección preferida de materiales. La solución es hacer cada una de alas patas 219 y 220 a partir de una pluralidad de segmentos, cada segmento correspondiente a un material semi-conductor diferente. Los segmentos inferiores 219c y 220c, se seleccionan para tener buenas cifras de mérito a menores temperaturas, y los segmentos superiores 219a y 220a se seleccionan para tener altas cifras de mérito a altas temperaturas.
Las cifras de mérito de muchos materiales semiconductores, incluyendo aquellas mostradas en la figura 4, pueden mejorarse mayormente mediante introducir confinamiento cuántico
de portadores. El efecto principal sobre tal confinamiento cuántico es una reducción sustancial en la conductividad térmica. La cifra de mérito puede casi duplicarse en muchos casos. La figura 5 proporciona un resultado ejemplar para comparación con la figura 4. Confinamiento cuántico es provisto por estructuras de nano-escala formadas en la matriz de semi-conductor. Para el compuesto de la figura 5 , las nano-estructuras son partículas de cristal de p-SiGe de tamaños mixtos en el rango de 1-200 nm. Estructura de nano-escala incluye pozos cuánticos, cables cuánticos, y puntos cuánticos. Puntos cuánticos proporcionan el mayor beneficio. Estas estructuras de nano-escala son estructuras compuestas: los puntos son cristales pequeños de un segundo material semi-conductor, seleccionado de manera adecuada, formado en la matriz de otro semi-conductor . Materiales adecuados para la nano-estructura pueden encontrarse para cada uno de los materiales de matriz. Algunos ejemplos adicionales incluyen Bi0.3Sb1-7Te.3.
Una técnica para formar los puntos cuánticos es alternar entre depositar unas cuantas capas de los materiales de matriz y depositar unas cuantas capas comprendiendo al material de matriz junto con pozos del segundo material. Detalles de técnicas adecuadas están en el dominio público. Los materiales y métodos que han sido descritos por trabajadores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) se recomiendan. Aquellos no familiares con estos materiales y métodos pueden encontrarlos descritos en varias publicaciones incluyendo la patente US
6,444,896 y las publicaciones de patente US 2006/0118158, 2008/0202575, 2009/0068465. Estas patentes y publicaciones de patente se incorporan en la presente por referencia en su totalidad.
Parámetros que pueden afinarse para mejorar el resultado incluyen grosor de las estructuras de pozo cuántico, su separación, y las proporciones atómicas de las aleaciones. Segmentación como se muestra en la figura 3 permanece deseable para los nano-compuestos, aunque se notará que los compuestos tienen sus valores ZT pico en rangos de temperaturas cambiados a partir de aquellos para los materiales fuente. Ajustar la composición de la aleación de nano-estructura es una manera de cambiar las temperaturas a las cuales altos valores de ZT ocurren .
Dos parámetros están disponibles para balancear el flujo de calor y producción de energía de las patas 219 y 220. Un tipo de pata puede hacerse mas ancho que el otro; la anchura siendo entendida en el sentido de mayor área transversal. El otro modo de ajuste es colocar un pedestal bajo una o la otra pata tal que una pata pueda ser mas corta que la otra . Un pedestal es un segmento de pata hecho de un material térmicamente conductor tal como un metal .
La estructura del generador de energía solar 100 determina la magnitud de los gradientes de temperatura que se desarrollarán a través del dispositivo termo-eléctrico 103. Los
factores principales que determinan ese gradiente son el factor de concentración solar, f, y la resistividad térmica del generador termo-eléctrico 103. Esa resistividad térmica puede afinarse mediante ajustar la altura de las patas 219 y 220.
La concentración solar f, junto con la intensidad de la radiación solar determinan el flujo de calor requerido. El espectro solar entero al grado que sea práctico se concentrará y enfocará sobre la superficie del panel solar 102. Aunque algo de la energía será convertida a electricidad, la gran mayoría, típicamente 90% a 95% se volverá energía térmica. La configuración es para que todo el calor vaya en una dirección, hacia abajo, perpendicular a las superficies del panel solar 102. El dispositivo termo-eléctrico 103 se conforma con el panel solar 102. La densidad de flujo de energía a través del dispositivo termo-eléctrico 103 es casi la misma como aquella a través de la superficie inferior del panel solar 102.
El máximo en la tasa de flujo de calor a través del dispositivo termo-eléctrico 103 es dado por la intensidad pico de la radiación solar en la superficie de la Tierra, alrededor de 1.3 kW/m, multiplicada por el factor de concentración solar, f. Correcciones pueden hacerse para conversión de energía a electricidad por el panel solar 102 y pérdidas de calor parásitas (no pretendidas) , pero el resultado es aun aproximadamente la cantidad de flujo de calor por unidad de área que el dispositivo termo-eléctrico 103 debe diseñarse para transportar.
Una elección de diseño importante a considerar en este punto es el objetivo para el diferencial de temperaturas, ??, entre la unión caliente 207 y la unión fría 208. Diferencial de temperaturas mayor lleva a producción de energía termo-eléctrica mas eficiente, menores diferenciales de temperaturas llevan a un panel solar mas frío 102, y mas producción de energía fotovoltai-ca .
La preferencia aquí es elegir una ?? grande para entrar dentro del rango donde la eficiencia de conversión termoeléctrica es alta, y la sensibilidad de la producción de energía total a la temperatura de unión fría es baja. De preferencia, ?? es por lo menos 200°C, mas preferentemente por lo menos 300°C. Valores mayores tales como 500°C y 600°C pueden ser deseables en que la ?? permanece alta aun cuando el nivel de luz ha caído muy por debajo de su pico. La desventaja principal de pasar a diferenciales de temperaturas mayores y mayores es que las temperaturas pico se incrementan y materiales comienzan a deteriorarse y eventualmente fallar.
La altura de pata aproximada, h, para lograr un diferencial de temperaturas objetivo, ??, puede calcularse como sigue :
donde ? es una resistividad térmica promedio calculada de manera
adecuada para las patas 219 y 220. A partir de esta fórmula, se puede observar que alta resistividad térmica permite que las patas sean mas cortas. Un factor de concentración solar alto f mayormente reduce la altura requerida de las patas. Costos de materiales pueden ser una contribución significativa al costo total de este sistema, y reducir la cantidad requerida de material semi-conductor es muy ventajosa. La ecuación (4) muestra que un factor de concentración solar de 100 reduce el grosor requerido para el material semi -conductor en el dispositivo termo-eléctrico 103 por un factor de 100. Esto se compone con la ganancia de procesar 100 veces tanta luz solar por unidad de área. La reducción total en el requerimiento de material termoeléctrico es aproximadamente f cuadrada, 10,000 en este ejemplo. La concentración solar hace factible el uso de materiales que de otra manera serían muy costosos. Por esta razón, baja concentración solar se prefiere sobre ninguna concentración solar, concentración solar moderada es mas preferida, y alta concentración solar es aun mas preferida. Otra ventaja de la concentración solar es que facilita alcanzar el diferencial de temperaturas objetivo rápidamente; tiene un efecto similar a hacer menores las capacidades caloríficas.
De preferencia, todo el calor pasando de la unión caliente 207 a la unión fría 208 se desplaza a través de las patas 219 y 220. Cualquier calor desplazándose a través del aislamiento 222 no contribuye a la generación de energía termo-
eléctrica. Los materiales de las patas 219 y 220 no son por si mismos generalmente buenos aislantes, aun si son solamente semiconductores ordinarios. Cuando se hacen en nano-compuestos se vuelven aun mejores aislantes: nano-estructuras mejoran la cifra termo-eléctrica de mérito mediante incrementar la resistividad térmica mas que la conductividad térmica del material compuesto. Hay solamente unos cuantos tipos de materiales que son sustan-cialmente mejores aislantes. En particular, sustancialmente mejores aislantes son aire, vacío, y aerogeles. Aquí, "vacío" está abarcado dentro del término "materiales aislantes" .
El dispositivo termo-eléctrico 102 se conforma con el panel solar 102 para que drene calor uniformemente a partir de la parte trasera 106. Esto dicta el área de sección transversal para el dispositivo 103. La resistividad térmica ofrecida por el dispositivo termo-eléctrico 103 también se restringe. Si la resistividad térmica es demasiado baja, la diferencia de temperaturas deseada no se desarrollará. Si la resistividad térmica es demasiado alta, el panel solar 102 se calentará excesivamente .
Un concepto para reducir la cantidad de material semiconductor requerido para el dispositivo termo-eléctrico 10 y de hecho para cualquier dispositivo termo-eléctrico es aquel diseñado para proporcionar una flujo de calor predeterminado por unidad de área con un gradiente de temperatura predeterminado, se ilustra por la figura 7, la cual corresponde a una sección
transversal del dispositivo termo-eléctrico 203 a través del plano de la línea A-A' de la figura 2.
De acuerdo con este concepto, una mayoría del área de sección transversal (por lo menos 50%) , y volumen, de preferencia por lo menos 90%, se llena con un material aislante altamente efectivo, de preferencia un material seleccionado a partir del grupo que consiste en vacío, aire, aerogel . Esto reduce el área disponible para conducción de calor a través de las patas 219 y 220 a una minoría del área (menos del 50%) , de preferencia menos del 10%. Si el área de sección transversal de las patas 219 y 220 se reduce por 50%, la resistividad térmica entre la unión caliente 207 y la unión fría 208 es aproximadamente duplicada. Para mantener el diferencial de temperaturas de diseño y el flujo de calor las alturas de las patas, h, se dividen a la mitad. El ajuste se aplica a cada segmento si múltiples segmentos se usan.
Dividir a la mitad el área de sección transversal y dividir a la mitad la altura, h, reduce la cantidad de material requerido por 75%. Reducir el área de sección transversal por 90% y reducir la altura por 90% reduce la cantidad de material semi -conductor termo-eléctrico requerido por un factor de 100. Esto es una ventaja particularmente importante si se usan materiales costosos .
Para prevenir que gradientes de temperatura excesivos se desarrollen alrededor de la unión caliente 207, las patas 219 y 220 están separadas uniformemente y de manera cercana a través
de la matriz de aislamiento 222 a través del área entera del dispositivo termo-eléctrico 203. Separación cercana puede mantenerse mientras que se reduce la fracción del área ocupada por las patas 219 y 220 mediante incrementar el número de patas conforme sus tamaños se reducen. Deberá apreciarse que hay innumerables maneras de cumplir estas restricciones geométricas. Por ejemplo, las patas 219 y 220 pueden tener secciones transversales que son alargadas como cables.
Conforme el porcentaje del área ocupada por el aislamiento 222 se vuelve mayor, pérdida de calor a través del aislamiento se vuelve mas significativa y eventualmente superará el beneficio de reducción adicional en el área de semi-conductor y uso de material . Limitaciones sobre el procesamiento del material también pueden poner un límite, así como cambiar propiedades eléctricas con dimensiones, incluyendo las propiedades que cambian de manera no intencional conforme intentos se hacen para configurar estructuras progresivamente mas pequeñas. Sin embargo, la estructura ilustrada por la figura 7 es un hábilitador al uso de compuestos de nano-pozo que se hacen por proceso que comprende pasos separados para depositar cada una de muchas capas de grosor de nanómetros . Ser capaces de usar patas mas cortas 219 y 220 reduce el número de pasos de proceso.
Un sumidero de calor 104 puede ser cualquier cosa que sea funcional para continuamente tomar calor a partir de la unión fría 108 a tal una tasa que el generador de energía solar 100
pueda llegar a operación de estado estable bajo sol completo continuo. El sumidero de calor 104 puede comprender un cuerpo fijo de material, un cuerpo de agua por ejemplo, o comprender un intercambiador de calor que transfiere calor a partir de la unión fría 108 a un flujo esencialmente no exhaustible, como en el caso de un intercambiador de calor con aletas y una corriente estable de aire. Aunque el generador solar 100 no se limita con respecto al tipo de sumidero de calor 104, tiene utilidad particular para una cierta clase de sumidero de calor.
Una tal clase de sumidero de calor es un sistema parcialmente cerrado de tal capacidad limitada que tome calor que bajo sol completo continuo el sumidero de calor 104 se caliente significativamente por el generador de energía solar 100. Significancia en este contexto significa un cambio sustancial en las temperaturas consecuentes dentro del generador solar 100. Por ejemplo, un cambio significativo ocasionaría que la unión fría 108 se vuelva por lo menos 40°C mas caliente, y un cambio mas significativo ocasionaría que la unión fría 108 se vuelva por lo menos 100°C mas caliente. Tales cambios afectarán temperaturas de estado estable a través del generador de energía solar 100. Cualquier cambio en la temperatura del sumidero de calor 104 que ocasiona que la temperatura del panel solar 102 se eleve por 40°C o mas es significativa debido a la reducción en eficiencia que esto ocasionaría si materiales de panel solar ordinarios se usaran. En este respecto un cambio de 100°C sería muy significa-
ti o .
Cuando la capacidad del sumidero de calor 104 es tan limitada que cambios de temperatura de estas magnitudes son rutina, el generador de energía solar 100 puede proporcionar una mejora valiosa en comparación con un sistema de co-generación térmica solar convencional, el cual carecería del dispositivo termo-eléctrico 103 o un diseño que alienta calentamiento mas que unos grados por encima de la temperatura de agua caliente deseada. El generador de energía solar 100 se diseña para que el dispositivo termo-eléctrico 103 sea el modo predominante de generación de energía eléctrica. El generador 100 permanece altamente funcional en la cara de cambios de temperatura que socavarían la eficiencia de un panel solar convencional.
De manera acorde, de acuerdo con un método de la invención, el generador de energía solar 100 se conecta a un sumidero de calor 104 que está por naturaleza limitado en efectividad o variable en su temperatura, con lo cual el generador de energía solar 100 operará con la temperatura de la unión fría 108 variando por 40 Kelvin o mas, opcionalmente 100 Kelvin o mas. El método comprende desarrollar un gradiente de temperatura grande a través del dispositivo termoeléctrico 103, con lo cual el dispositivo termo-eléctrico 103 es el modo predominante de generación de electricidad, produciendo mas potencia que el panel solar 102. El gradiente de temperatura grande es traído mediante exponer al panel solar 102 a luz solar
con un factor de concentración solar, f, suficientemente alto. Lo que constituye un factor de concentración solar suficientemente alto depende de la resistividad térmica del dispositivo termoeléctrico 103, la cual se selecciona para permitir que el gradiente deseado sea generado con el factor de concentración solar f que es provisto por o se puede lograr con el sistema de concentración solar 101. La ventaja del método es que proporciona generación de energía con una eficiencia que tiene una baja sensibilidad a fluctuaciones en el desempeño del sumidero de calor y la temperatura de la unión fría.
Un sumidero de calor 104 teniendo capacidad limitada podría ser un sistema de agua caliente doméstico, dependiendo de la cantidad de agua que contiene en relación con la capacidad del generador 100. Si el generador de energía solar es meramente un sistema de calentamiento suplementario con el cual el agua caliente permanece a una temperatura esencialmente constante, el sumidero de calor 104 será eficiente y un generador térmico solar ordinario muy seguramente serviría mejor. Por otro lado, si la temperatura de agua caliente varía entre 50°C y 95°C, o 25°C y 95°C, en el curso necesario de su funcionamiento como el sumidero de calor, que es un sumidero de calor de capacidad limitada.
Otros tipos de sumideros de calor que pueden motivar el uso del generador solar 100 incluyen aquellos que varían ampliamente en la temperatura por su propia cuenta, ya sea en términos de temperatura de sumidero de calor o coeficiente de
transferencia de calor. Por ejemplo, el sumidero de calor 104 podría ser un sistema de enfriamiento de un vehículo. Cuando el motor del vehículo se detiene el generador solar 100 puede servir para mantener al refrigerante, proporcionando arranques fáciles en días fríos y reduciendo emisiones de arranque en frío. Otro uso potencial sería calentamiento de cabina mientras el motor no está corriendo, y con ello evitar la necesidad de marchar en vacío al motor. Si suficiente enfriamiento puede ser provisto para prevenir sobre-calentamiento, mediante correr el abanico de motor de ejemplo, un aire acondicionado puede ser energizado con el motor apagado.
Cuando el vehículo está corriendo, el generador solar 100 puede proporcionar potencia auxiliar y por ende mejorar la eficiencia del vehículo. Si no hay peligro de sobre-calentamiento, correr un abanico de motor puede ser suficiente. Estos usos se hacen con un sumidero de calor que es altamente variable y puede exceder 100 °C de temperatura. El generador de energía solar 100 típicamente operará de manera eficiente con un sumidero de calor en el rango de temperaturas de 100°C a 200°C.
Para prevenir sobre-calentamiento, medios pueden ser provistos para hacer lento o parar al generador de energía solar 100. Un rastreador solar sería un medio adecuado, si uno se usa. Un sistema de rastreo puede orientar al colector alejándose del sol si eso se vuelve deseable para prevenir sobre-calentamiento . Si el sistema de concentración solar 101 proporciona un factor de
concentración solar, f, controlable ese factor puede reducirse. En general, sin embargo, se prefiere que el sistema de concentración solar 101 proporcione tanta luz al panel solar 102 como sea capaz de proporcionar.
Otra aplicación que puede involucrar un vehículo usa flujo de aire para enfriamiento. En este e emplo, el sumidero de calor 104 es un intercambiador de calor que transfiere calor a partir de la unión fría 108 al ambiente. Tal un sumidero de calor puede tener un desempeño que depende de la temperatura ambiente y si el vehículo está moviéndose o detenido.
Dependiendo de los tamaños relativos del generador solar 100 y el sumidero de calor 104, el sumidero de calor 104 puede ser inadecuado para mantener una temperatura suficientemente constante para mantener a un panel solar convencional en un modo de operación eficiente. El generador de energía solar 100 puede hacer con mucho menos enfriamiento según se compara con un dispositivo similar usando solamente un panel solar. El generador de energía solar 100 puede diseñarse para operar de manera eficiente sobre un rango amplio de temperaturas de sumidero de calor. Diseñar para un gradiente de temperatura alto a través del dispositivo termo-eléctrico 103 cambia la generación de energía al dispositivo termo-eléctrico 103 y reduce la dependencia sobre el panel solar 102.
El funcionamiento efectivo del panel solar 102 puede estar limitado a periodos de calentamiento durante los cuales el
dispositivo termo-eléctrico 103 no ha desarrollado el gradiente de temperatura que requiere para operar de manera eficiente. El generador de energía solar 100 podría usarse para impulsar un vehículo o como parte de un sistema de tracción híbrido. En tal un sistema, es ventajoso tener la energía eléctrica tan pronto como sale el sol .
El generador termo-eléctrico 103 produce su corriente a un voltaje que varía con la diferencia de temperaturas entre la unión caliente 107 y la unión fría 108. El generador de energía solar 100 recibe cantidades variables de luz durante el curso de cualquier día dado, con lo cual el flujo de calor, gradiente de temperatura y voltaje resultante necesariamente variarán sustancialmente . Por lo tanto, se prefiere que el generador de energía solar 100 sea provisto con un sistema eléctrico incluyendo un regulador de voltaje para tomar la corriente a partir del dispositivo termo-eléctrico 103 al voltaje que es suministrado y emitir esa corriente a un voltaje constante.
El panel solar 102 proporciona potencia por separado del generador termo-eléctrico 103. Generalmente será deseado combinar la salida del panel solar 102 con aquella del generador solar 103 para formar una sola fuente. Esto se logra mediante proporcionar al generador de energía solar 100 con componentes eléctricos para combinar e igualar los voltajes de estas dos fuentes .
Opcionalmente , el generador de energía solar 100
incluye un sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Este sistema de almacenamiento puede comprender baterías y/o capacitores. Otra opción que puede ser útil es un acoplamiento estándar para enchufarse al generador de energía solar 100. Un transforma-dor también puede incluirse para convertir la corriente directa hacia corriente alternante con una frecuencia y un voltaje estándar.
Cuando el generador de energía solar 100 está operando, el sistema de concentración solar 101 concentra luz solar 109 sobre la superficie 105 del panel solar 102. El panel solar 102 absorbe la mayoría de esta luz solar (radiación) y a partir de ella produce energía eléctrica con una eficiencia que disminuye con temperatura en incremento. La mayoría de la radiación absorbida se convierte a energía térmica.
La superficie inferior 106 del panel solar 102 topa con el dispositivo termo-eléctrico 103. El dispositivo termoeléctrico 103 comprende unión caliente 107 y unión fría 108. La unión caliente 107 está próxima a y en contacto térmico cercano con la superficie inferior 106 del panel solar 102. En este arreglo el dispositivo termo-eléctrico 103 proporciona la trayectoria primaria para la cual el panel solar 102 da su calor. Si es necesario, el panel solar 102 puede contenerse dentro de un espacio cubierto y/o aislado para reducir otras trayectorias de pérdida de calor. Mediante eliminar o reducir otras trayectorias de disipación de calor, la gran mayoría de la energía térmica
absorbida por el panel solar 102 puede dirigirse a través del dispositivo termo-eléctrico 103, con lo cual puede usarse para producción de energía eléctrica.
Algo de la radiación incidente se reflejará a partir del panel solar 102. Además, el panel solar 102 liberará energía a través de radiación. Reflectores pueden colocarse para re-dirigir esta luz emitida y reflejada para volver a reflejar la luz de regreso sobre la superficie 105. Estos reflectores pueden comprender una cámara de espejos sustancialmente a espacio sobre la superficie 105. Tales reflectores pueden proporcionar un incremento significativo en la eficiencia.
Calor a partir de la unión caliente 107 fluye a la unión fría 108. Una porción de la energía térmica transportada en esta manera se convierte a electricidad por el dispositivo termo-eléctrico 103. Por ende el generador de energía solar 100 genera electricidad en por lo menos dos lugares. La energía eléctrica a partir de estas fuentes puede transformarse y combinarse para proporcionar un suministro de energía unitario a un voltaje constante usando partes electrónicas separadas de o integradas hacia el generador de energía solar 100.
El sumidero de calor 104 toma energía de la unión fría 108. El sumidero de calor 104 puede ser altamente eficiente y mantener a la unión fría 108 a una temperatura esencialmente constante independientemente de la intensidad de la luz solar 109. Alternativamente, el sumidero de calor 104 puede ser
ineficiente con lo cual la temperatura de la unión fría 108 varía. La temperatura de la unión fría 107 varía de manera correspondiente, pues el diferencial de temperaturas se determina por la tasa de flujo de calor, la cual es sustancialmente independiente de la temperatura de unión fría. Cuando la temperatura de unión fría se eleva, la temperatura de unión caliente se eleva para concordar. La temperatura de unión caliente se eleva hasta que la entrada de calor hacia la celda solar 102 concuerde con la salida de calor a la unión caliente 108. Esta concordancia ocurre a aproximadamente el mismo diferencial de temperaturas independientemente de la temperatura de la unión fría. Por ende, un incremento en la temperatura de la unión fría pronto lleva a incrementos aproximadamente iguales en las temperaturas de la unión caliente 107 y el panel solar 102.
El desempeño del generador de energía solar 100 se ilustra por el diagrama de máquina de estado finita 239 en al figura 6. El generador 100 comienza en el estado inactivo 240. En el estado inactivo 240, todos los componentes del generador de energía solar 100 están a temperatura casi ambiente. En este respecto, deberá apreciarse que el objetivo principal de la presente aplicación es dispositivos para uso en aplicaciones terrestres. El estado inactivo 240 es típico para la noche.
El evento principal que ocasiona una salida del estado inactivo 240 es el sol saliendo. Este evento mueve al dispositivo 100 al estado de operación de baja temperatura 241. En el estado
de operación de baja temperatura 241, el panel solar 102 está produciendo energía cercana a su eficiencia pico, mientras que el dispositivo termo-eléctrico 103 proporciona poca o ninguna energía .
Cuando los niveles de luz permanecen bajos, el generador 100 permanece en el estado de operación de baja temperatura 241. Cuando los niveles de luz se incrementan, el generador 100 inmediatamente comienza a producir mas energía. Los niveles de luz incrementados rápidamente calientan al panel solar 102 y el generador 100 hace transición al estado de operación de temperatura media 242. La producción de energía por el dispositivo termo-eléctrico 103 generalmente superará la producción de energía por la celda solar 102 conforme el generador 100 se calienta al estado 242.
Conforme el panel solar 102 se calienta, el gradiente de temperatura a través del dispositivo termo-eléctrico 103 se incrementa. La eficiencia del panel solar 102 disminuye mientras la producción de energía por el dispositivo termo-eléctrico 103 se incrementa. De preferencia, en el estado de operación de temperatura media 242, conforme las temperaturas fluctúan, las pérdidas de eficiencia al panel solar 102 son balanceadas por ganancias de eficiencia por el dispositivo termo-eléctrico 103, y viceversa, con lo cual la eficiencia permanece en un rango estrecho aun conforme los niveles de luz y energía fluctúan. Opcionalmente , sin embargo, la eficiencia del panel solar 102 cae
durante este periodo a un rango en el cual producción de energía por el panel solar 102 es muy baja en comparación con producción de energía por el dispositivo termo-eléctrico 103, y la eficiencia global es sustancialmente aquella del dispositivo termoeléctrico 103, con lo cual se incrementa mayormente de manera monotónica con la temperatura.
Con luz solar completa persistente, el generador de energía solar 100 alcanza al estado estable de alta temperatura 243. La temperatura del panel solar 102 es alrededor de su máximo diseñado, aunque la temperatura del panel solar 102 también depende de aquella del sumidero de calor 104, la cual puede variar. El gradiente de temperatura a través del dispositivo termo-eléctrico 103 también está a aproximadamente el máximo diseñado, dependiendo de factores tales como la temporada y la hora del día. Entrada de luz está cerca de su máximo y la eficiencia del dispositivo termo-eléctrico 103 está cerca de su pico. La eficiencia del panel solar 102 se disminuye a un grado que es ya sea moderado o muy grande, dependiendo de si el panel solar 102 está adaptado para operación a alta temperatura. Aun con el panel solar 102 adaptado para operación a alta temperatura, sería típico para el dispositivo termo-eléctrico 103 producir 2, 3, o 4 veces tanta energía como el panel solar 102.
La eficiencia así como la producción de energía en el generador de energía solar 100 son típicamente mayores en el estado estable de alta temperatura 243. Consideraciones materia-
les probablemente son el factor que milita contra diseñar para aun mayores temperaturas y gradientes de temperatura y por ende tener acceso a mayores niveles de eficiencia.
Una rápida transición al estado estable de alta temperatura 243 cuando el sol completo se vuelve disponible generalmente proporcionará mayor eficiencia. Esta transición se hace lenta de acuerdo con la masa térmica del panel solar 102 y cualquier material usado para hacer contacto entre el panel solar 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103. Donde el panel 102 y el dispositivo termo-eléctrico 103 son fabricados por separado, pasta de soldadura o térmica puede usarse para asegurar un buen contacto. Un espacio de aire pequeño en la interfaz podría ocasionar que la temperatura del panel solar 102 se eleve significativamente por encima de aquella de la unión caliente 107, lo cual reduciría el desempeño del panel solar 102 sin proporcionar cualquier beneficio al dispositivo termo-eléctrico 103. Una descomposición mas severa en contacto podría resultar rápidamente en una excursión de temperatura dañina, particularmente si la concentración solar se vuelve factor. Tal una descomposición podría ocasionarse por una deformación de una de las superficies de contacto, la cual podría por si misma ser el resultado de ciclado de temperatura.
Un concepto que resuelve varios de estos problemas es provisto por un panel solar 202 y un dispositivo termo-eléctrico 203 teniendo una construcción unitaria. En tal una construcción,
el panel solar 202 y el dispositivo termo-eléctrico 203 son capas en una estructura compuesta similar a un circuito integrado. Las capas se forman una sobre la otra a través de una secuencia de pasos de proceso. Procesos para enmascarado, grabado, y deposición pueden combinarse en varias maneras para producir el resultado deseado. La mayoría de los pasos son, o pueden ser, los mismos como aquellos normalmente usados para formar los dispositivos 102 y 103 individualmente, particularmente con respecto al caso donde el panel solar 102 es una celda solar de película delgada y el dispositivo termo-eléctrico 103 comprende segmentos de nano-compuesto formados a través de muchos pasos de deposición de capas separados .
El proceso de hacer el dispositivo integrado 200 puede comenzar a partir de abajo a arriba o de arriba a abajo. Comenzando a partir de un punto donde el dispositivo termoeléctrico 203 se forma, la modificación principal es asegurar que la capa interconectada 207 sea plana y deposite una capa de sustrato de semi -conductor sobre la capa de interconexión en tal una manera que el sustrato no se deslamine fácilmente. Un enfoque es depositar una capa de metal sobre la capa de interconexión 207. Formar una celda solar de GaP sobre tal una capa de metal es un proceso convencional.
Alternativamente, la celda solar puede formarse primero. Una opción es usar un sustrato temporal, Ge por ejemplo, como una estructura sobre la cual construir la celda solar. Todas
o solo las capas inferiores de la celda solar 202 se forman sobre el sustrato de Ge. Entonces las capas comprendiendo al dispositivo termo-eléctrico 203 se construyen. Finalmente, el sustrato temporal se remueve, y si es necesario, la celda solar 202 dada procesamiento adicional para volverse completa.
La construcción integral proporciona una variedad de ventajas, incluyendo eficiencia termo-eléctrica mayor debido a menor masa térmica, excelente contacto térmico entre el panel solar 203 y la unión caliente 207, y una mejor habilidad para soportar ciclado térmico a través de una reducción en el número de capas, y la prevención de capas gruesas.
Una aplicación de ejemplo para el generador de energía solar es el sistema 900, el cual es un sistema combinado para calentamiento de agua caliente solar doméstico con co-generación de electricidad. El sistema 970 incluye al colector solar 971, el cual se diseña para instalación en techos. El colector 971 recolecta energía solar 109 y la transmite mediante el cable de fibra óptica 972 al generador de energía solar 900. El tamaño del colector 971 se elige en relación a la cantidad de energía que una residencia ordinaria usará para calentamiento de agua caliente. Un tamaño en el rango de alrededor de 1 a 10 metros cuadrados podría ser adecuado, típicamente en el rango de alrededor de 2 a alrededor de 6 metros cuadrados.
El generador de energía solar 900 se localiza dentro de un edificio 973, de preferencia siguiente al tanque de agua 974.
Tanques de agua están usualmente en un sótano 975 y de preferencia se evita el desperdicio de energía de agua caliente circulante a través de tuberías largas. Una ubicación en el ático 976 puede ser preferible para facilidad de instalación. Un tamaño adecuado para el tanque 974 estaría en el rango de 100 a 1,000 litros, mas típicamente en el rango de alrededor de 200 a alrededor de 600 litros.
El manojo de fibra óptica 972 brilla luz sobre la superficie del panel solar del generador de energía solar 900, de preferencia con un alto grado de concentración solar. Una intensidad en el rango de 50 a 250 soles sería preferida. A 100 soles, el panel solar estaría en el rango de 100 a 1,000 cm2. Una cámara de espejo comprendiendo espejos en el interior y rodeada por vidrio de cristales dobles aislados por vacío, atrapa calor y luz surgiendo del panel solar. En operación de estado estable con sol completo, el panel solar desarrolla su máximo gradiente de temperatura diseñado, el cual es 350 Kelvin.
El calor a partir del panel solar se transmite por un generador térmico-eléctrico al intercambiador de calor 978. El intercambiador de calor 978 forma parte de un ciclo 979 a través del cual agua se recircula entre el tanque 974 y el intercambiador de calor 978. Mediante colocar al generador de energía solar 900 cerca de la base del tanque el flujo de recirculación puede ser energizado termo-gravimétricamente . Alternativamente, una bomba eléctrica podría usarse.
El sistema de agua caliente comprendiendo al intercambiador de calor 978, el ciclo 979 y el tanque 974 proporcionan al sumidero de calor que es un sistema cerrado con una capacidad limitada para absorber calor. Fluctuaciones en demanda de usuario se acomodan en parte mediante permitir que la temperatura de agua varíe a través de un rango amplio. Un calentador de gas de respaldo puede respaldar al generador 900 para proporcionar una temperatura mínima de 50°C. El agua puede entonces ser permitida a calentarse a 95°C antes de tomar cualquier medida para liberar el calor en exceso. Una válvula de mezclado 980 se configura para ajustar automáticamente una relación de mezclado entre agua a partir del tanque 974 y un suministro de agua fría 981 para proporcionar agua ante demanda a una temperatura preestablecida. Si la temperatura de agua caliente alcanza su máximo calor permitido puede ser rendida mediante vaciar agua caliente o desenfocar al colector solar 971. Conforme el sumidero de calor se cicla de 50°C a 95°C, se espera que el panel solar se cicle de 400°C a 445°C. Este ciclado no se espera que afecte la producción de energía eléctrica.
Usando una celda solar de GaP de película delgada de una sola unión, y materiales termo-eléctricos convencionales, generación de energía a partir del panel solar a temperatura ambiente sería alrededor de 10%. Conforme el dispositivo 900 se incrementa a su temperatura de operación, la eficiencia de producción de panel solar disminuye a alrededor de 7%. Generación
a partir del dispositivo termo-eléctrico se incrementa con la temperatura. Si semi -conductores termo-eléctricos convencionales con 0.8 ZT se emplean, la eficiencia de dispositivo termoeléctrico se espera que alcance alrededor de 9% en estado estable, dando una eficiencia total de 16%. Si materiales nano-compuestos se usan para proporcionar 2.0 ZT, la eficiencia del dispositivo termo-eléctrico sola es 16% y la eficiencia total es 25%. Si la temperatura del panel solar cae 100°C, la eficiencia global cae solamente a 23%. La energía caería mas debido a que la caída de temperatura es ocasionada por luz disminuida. La eficiencia cae mas rápidamente a menores temperaturas, pero permanece alta sobre un rango sustancial de niveles de luz y temperaturas de tanque de agua. El diseño de alto diferencial de temperaturas, la adaptación del panel solar a desempeño a altas temperaturas, y el uso eficiente de semi -conductores que permiten el uso de materiales de alto ZT se combinan para proporcionar un sistema que es económico y eficiente.
Aplicación Industrial
La presente invención es útil para producción de energía verde .
Claims (17)
1. Un generador de energía solar (100) , que comprende: un panel solar (102) teniendo un lado superior (105) y un lado inferior (106) y siendo funcional para generar energía eléctrica a partir de luz solar (109) ; un dispositivo termo-eléctrico (103) adyacente a y por debajo del panel solar (102) , el dispositivo (103) comprendiendo una unión caliente (107) , una unión fría (108) , la unión caliente (107) en acoplamiento térmico cercano con el lado inferior (106) del panel solar (102) , el dispositivo termo-eléctrico (103) siendo funcional para generar energía eléctrica cuando la unión caliente (107) es mas caliente que la unión fría (108) ; y una o mas conexiones eléctricas para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del panel solar (102) y para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del dispositivo termo-eléctrico (103) ; en donde el dispositivo termo-eléctrico (103) comprende patas tipo n (219) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (107) a la unión fría (108) y patas tipo p (220) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (107) a la unión fría (108) ; las patas tipo n (219) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi-conductores dopados n; las patas tipo p (220) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi -conductores dopados p; y por lo menos uno de los segmentos se forma de un material nano-compuesto en el cual confinamiento cuántico de portadores sustancialmente reduce la conductividad térmica del segmento .
2. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 1, comprendiendo además un sistema concentrador solar (101) configurado para concentrar luz solar (109) sobre la parte superior del panel solar (102) , el sistema (101) teniendo un factor de concentración solar máxima, f.
3. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 2, en donde f es 100 o mas.
4. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 3, en donde el panel solar (102) comprende celdas solares de película delgada del tipo de película delgada de una sola unión o de unión dual, las celdas teniendo una unión mas superior de un material semi-conductor que tiene una energía de espacio de banda mayor que 1.8 eV en el caso de una sola unión o 2.0 eV en el caso de unión dual .
5. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 2, en donde el generador de energía (100) se configura en términos de f y la resistividad térmica del dispositivo termoeléctrico (103) para que el panel solar (102) se caliente a temperaturas en exceso de 675 K bajo la influencia de luz solar cuando opera a condiciones ambientales en la superficie de la Tierra, con la temperatura de la unión fría (108) mantenida por debajo de 100°C por un sumidero de calor (104) .
6. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 2, comprendiendo además: un sumidero de calor (104) en contacto con la unión fría (108); en donde el generador de energía (100) , incluyendo sin limitación f, el grosor y la conductividad térmica del dispositivo termo-eléctrico (103) , el tamaño y tipo del sumidero de calor (104) , y los materiales de construcción, están configurados, adaptados, y funcionales por diseño para operación continua del generador de energía (100) bajo condiciones ambientales y cielos soleados en la superficie de la Tierra para elevar al panel solar (102) a una temperatura a la cual el dispositivo termo-eléctrico (103) produce por lo menos dos veces tanta energía como el panel solar (102) .
7. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 2, comprendiendo además: un sumidero de calor (104) en contacto con la unión fría (108); en donde el generador de energía (100) , incluyendo sin limitación f, el grosor y la conductividad térmica del dispositivo termo-eléctrico (103) , el tamaño y tipo del sumidero de calor (104) , y los materiales de construcción, son configurados, adaptados, y funcionales por diseño para operación continua del generador de potencia (100) bajo condiciones ambientales y cielos soleados en la superficie de la Tierra para elevar al panel solar (102) a una temperatura de por lo menos 575 K.
8. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 1, en donde por lo menos una de las patas tipo n (219) y tipo p (220) comprende dos segmentos (219a, 219b, 219c, 220a, 220b) de composición diferente, cada composición teniendo un rango de temperaturas de operación en el cual su cifra termoeléctrica de mérito es superior a aquella del otro.
9. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 1, comprendiendo además: un sumidero de calor (104) en contacto con la unión fría (108) ; en donde el sumidero de calor (104) comprendiendo tuberías de agua caliente (979) , un tanque de agua caliente (974), y un ciclo cerrado (974, 979, 978) a través del cual agua se recircula entre el tanque de agua caliente (974) y la unión fría (108) .
10. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 9, comprendiendo además: un colector solar (971) ; y una o mas fibras ópticas (972) configuradas para transmitir energía solar a partir del colector solar (971) al panel solar (102) ; en donde el panel solar (102) , el dispositivo termoeléctrico (103) , y el tanque de agua caliente (974) se localizan dentro de un edificio residencial o industrial (973) configurados para utilizar agua caliente a partir del tanque (974) .
11. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 10, comprendiendo además: un sistema de mezclado de agua (980) acoplado al tanque de agua caliente (974) y un suministro de agua fría (981) ; en donde el sistema de mezclado (980) se configura para tomar agua por separado a partir del tanque de agua caliente (974) y el suministro de agua fría (981) y para suministrar una mezcla de agua (982) tomada a partir de estas fuentes (974, 981) ; y el sistema de mezclado (980) se configura para ajusfar automáticamente una relación de mezclado entre agua a partir del tanque (974) y agua a partir del suministro de agua fría (981) según sea necesario para mantener al agua suministrada por el sistema de mezclado (982) por debajo de una temperatura máxima preseleccionada .
12. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 2, en donde el factor de concentración, f, es 10 o mas, con lo cual el sistema de concentración solar (101) proporciona mas de 10 kilovatios por metro cuadrado de radiación solar al panel solar (102) bajo cielos claros con el sol encima; en donde la unión caliente (107) del dispositivo termoeléctrico (103) está en acoplamiento térmico cercano con el lado trasero (106) del panel solar (102) , con el sistema estando configurado para transporte de calor a través del dispositivo termo-eléctrico (103) para ser la trayectoria principal para enfriar al panel solar (102) durante operación de estado estable; en donde el dispositivo termo-eléctrico (103) tiene un coeficiente de transferencia de calor entre su unión caliente y fría (108) menor que (f/100) kilovatios por m2 (área del panel solar (102) ) por Kelvin a temperatura ambiente, con lo cual el sistema se configura para operar con el panel solar (102) a temperaturas de estado estable 100 Kelvin o mas por encima de la temperatura de la unión fría (108) en días soleados.
13. El generador de energía solar (100) de la reivindicación 12, en donde f es 100 o mas.
14. El generador de energía solar (100, 200) de la reivindicación 1, en donde ya sea el generador (200) comprende capas de material semi-conductor puestas sobre componentes del dispositivo termo-eléctrico (203) o el dispositivo termoeléctrico (203) comprende capas de material semi-conductor puestas sobre componentes del dispositivo fotovoltaico (202) .
15. El generador de energía solar (100, 200) de la reivindicación 1, en donde: el dispositivo termo-eléctrico (203) tiene una sección transversal (A-A' ) paralela a la parte trasera (106) del panel solar (202) con un área aproximadamente igual a aquella de la parte trasera del panel solar (202) , la sección transversal cortando a través de las patas (219, 220) del dispositivo termoeléctrico (203) ; las patas (219, 220) ocupan menos de 10% del área de la sección transversal; y mas del 90% de la sección transversal teniendo una composición altamente térmicamente aislante (222) seleccionada a partir del grupo que consiste en vacío, gas, y un aerogel, la composición aislante llenando espacio entre las patas (219, 220) .
16. Un generador de energía solar (100, 200), que comprende : un panel solar (202) teniendo un lado superior (105) y un lado inferior (106) y siendo funcional para generar energía eléctrica a partir de luz solar (109) ; un dispositivo termo-eléctrico (203) adyacente a y por debajo del panel solar (202) , el dispositivo comprendiendo una unión caliente (127) , una unión fría (208) , la unión caliente (207) en acoplamiento térmico cercano con el lado inferior (106) del panel solar (202) , el dispositivo termo-eléctrico (203) siendo funcional para generar energía eléctrica cuando la unión caliente (207) es mas caliente que la unión fría (208) ; y una o mas conexiones eléctricas para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del panel solar (202) y para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del dispositivo termo-eléctrico (203) ; en donde el dispositivo termo-eléctrico (203) comprende patas tipo n (219) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (207) a la unión fría (208) y patas tipo p (220) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (207) a la unión fría (208) ; las patas tipo n (219) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi-conductores dopados n; las patas tipo p (220) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi-conductores dopados p; ya sea el panel solar (202) comprende capas de material semi-conductor puestas sobre componentes del dispositivo termoeléctrico (203) o el dispositivo termo-eléctrico (203) comprende capas de material semi -conductor puestas sobre componentes del dispositivo fotovoltaico .
17. Un generador de energía solar (100, 200), que comprende : un panel solar (202) teniendo un lado superior (105) y un lado inferior (106) y siendo funcional para generar energía eléctrica a partir de luz solar (109) ; un dispositivo termo-eléctrico (203) adyacente a y por debajo del panel solar (202) , el dispositivo comprendiendo una unión caliente (127) , una unión fría (208) , la unión caliente (207) en acoplamiento térmico cercano con el lado inferior (106) del panel solar (202), el dispositivo termo-eléctrico (203) siendo funcional para generar energía eléctrica cuando la unión caliente (207) es mas caliente que la unión fría (208) ; y una o mas conexiones eléctricas para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del panel solar (202) y para acoplarse eléctricamente a y tomar energía eléctrica a partir del dispositivo termo-eléctrico (203) ; en donde el dispositivo termo-eléctrico (203) comprende patas tipo n (219) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (207) a la unión fría (208) y patas tipo p (220) configuradas para conducir calor a partir de la unión caliente (207) a la unión fría (208) ; las patas tipo n (219) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi-conductores dopados n; las patas tipo p (220) comprenden uno o mas segmentos de materiales semi-conductores dopados p; el dispositivo termo-eléctrico (203) tiene una sección transversal (A-A' ) paralela a la parte trasera (106) del panel solar (202) con un área aproximadamente igual a aquella de la parte trasera (106) del panel solar (202) , la sección transversal cortando a través de las patas del dispositivo termo-eléctrico (203) ; las patas (219, 220) ocupan menos del 10% del área de la sección transversal; y mas del 90% de la sección transversal teniendo una composición altamente térmicamente aislante (222) seleccionada a partir del grupo que consiste en vacío, gas, y un aerogel, la composición aislante llenando espacio entre las patas (219, 220) .
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