Термоэлектрический генератор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Термоэлектрический генератор, содержащий по меньшей мере одну термопару,первый материал которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и один -переход, при этом первый материал и -область перехода электрически связаны между собой и термически соединены с нагревателем через первый проводник, а второй материал через второй проводник электрически связан с -областью перехода, вторые концы материалов термопары соединены с теплопроводником через выходные проводники, отличающийся тем, что содержит прозрачную панель с зеркалами, установленными на ее концах перпендикулярно поверхности, первую резонансную структуру, выполненную из части первого проводника, не контактирующей с -областью перехода, в виде электрически связанных микрорезонаторов, и вторую резонансную структуру, аналогичную первой, выполненную из части второго проводника, не контактирующей с -областью перехода, оптически связанные с прозрачной панелью и зеркалами, причем резонансные структуры расположены в пространстве так, чтобы их выходные сигналы были в противофазе, а -область и -область имеют разные степени легирования и оптически связаны с прозрачной панелью и зеркалами. 94292013.08.30 2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что первые и вторые резонансные структуры имеют длину не более 0,5, где- резонансная длина волны падающего электромагнитного излучения. 3. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что геометрические размеры микрорезонаторов первых и вторых резонансных структур заданы интервалом от 0,51 до 0,52, где 1 и 2 - нижняя и верхняя границы диапазона длин волн принимаемого электромагнитного излучения. 4. Термоэлектрический генератор излучения по п. 1, отличающийся тем, что область перехода легирована с концентрацией в 10 раз меньшей, чем -область.(56) 1. Заявка РФ 2011 112441 . 2. Патент РФ 2419919 2 (прототип). 3. Кульбачинский В.А., Кытин В.Г., Бланк В.Д. и др. Термоэлектрические свойства нанокомпозитов теллурида висмута с фуллеренами // Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45. - Вып. 9. - С. 1241-1245. 4. Гаджиалиев М.М., Пирмагомедов З.Ш. Термоэдс полупроводникового гетероперехода // Физика и техника полупроводников. - 2003. - Т. 37. - Вып. 11. - С. 1334-1336. Полезная модель относится к областям термоэлектричества и гелиоэнергетики, в частности к устройствам преобразования солнечного излучения в электричество с концентраторами излучения, и может быть использовано при создании высокоэффективных автономных малогабаритных источников электроэнергии. Известен термоэлектрический модуль 1, содержащий несколько электрически последовательно подключенных термоэлектрических элементов, которые состоят соответственно по меньшей мере из одного -слоя и по меньшей мере одного -слоя из термоэлектрического материала с образованием по меньшей мере одного образующегося вдоль пограничного слоя перехода, при этом параллельно пограничному слою между горячей и холодной стороной каждого термоэлектрического элемента может быть приложен или же снят температурный градиент, причем модуль имеет подложку с несколькими электрически и термически проводящими областями, которые термически и электрически отделяют друг от друга изолирующие области, и каждый термический элемент имеет направленный наружу -слой и направленный наружу на противолежащей стороне -слой, а направленный наружу -слой термоэлектрического элемента постоянно соединен с электрической проводимостью только с одним, направленным наружу -слоем соседнего термоэлектрического элемента, и, соответственно, два соседних термоэлектрических элемента на их холодной стороне посредством термически и электрически проводящего слоя с хорошей адгезией к подложке соединены электрически с одной из электрически и термически проводящих областей подложки. Описанное устройство имеет низкую эффективность преобразования тепловой энергии в электричество, так как, например, при выборе -слоя и -слоя с одинаковыми концентрациями легирующих примесей, разность потенциалов, прикладываемая к переходу,будет незначительной. Также в этом устройстве не используется энергия электромагнитных полей для генерации электричества. Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является термоэлектрический элемент 2, содержащий по меньшей мере одну термопару, первый материал которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и один переход, при этом первый материал через первый проводник селективно контактирует с -областью 2-перехода, а второй материал через второй проводник селективно контактирует с областью перехода, соединенного по меньшей мере с одним истоком тепла, с которым соединена термопара, связанная со стоком тепла (пп. 13, 14). Данное устройство имеет невысокую эффективность преобразования тепловой энергии в электричество, обусловленную потерями электромагнитного излучения (особенно в инфракрасной области спектра), которое отражается от внешней поверхности устройства,излучается в окружающую среду и не используется для генерации электричества. Техническая задача - увеличение эффективности одновременного преобразования тепловой энергии и электромагнитного излучения в электричество. Поставленная техническая задача решается тем, что термоэлектрический генератор,содержащий по меньшей мере одну термопару, первый материал которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и один переход, при этом первый материал и-область перехода электрически связаны между собой и термически соединены с нагревателем через первый проводник, а второй материал через второй проводник электрически связан с -областью перехода, вторые концы материалов термопары соединены с теплопроводником через выходные проводники, содержит прозрачную панель с зеркалами, установленными на ее концах перпендикулярно поверхности, первую резонансную структуру, выполненную из части первого проводника, не контактирующей с -областью перехода, в виде электрически связанных микрорезонаторов, и вторую резонансную структуру, аналогичную первой, выполненную из части второго проводника, не контактирующей с -областью перехода, оптически связанные с прозрачной панелью и зеркалами, причем резонансные структуры расположены в пространстве так, чтобы их выходные сигналы были в противофазе, а -область и -область имеют разные степени легирования и оптически связаны с прозрачной панелью и зеркалами. Для эффективного решения поставленной технической задачи первые и вторые резонансные структуры имеют длину не более 0,5, где- резонансная длина волны падающего электромагнитного излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи геометрические размеры микрорезонаторов первых и вторых резонансных структур заданы интервалом от 0,51 до 0,52, где 1 и 2 - нижняя и верхняя границы диапазона длин волн принимаемого электромагнитного излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи -область перехода легирована с концентрацией в 10 раз меньшей, чем -область. Совокупность указанных признаков позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электричество за счет увеличения градиента температуры внутри -перехода с использованием для этого энергии электромагнитных волн окружающей среды, солнца и теплового излучения основных компонентов термоэлектрического элемента. Сущность полезной модели поясняется на фигурах. Термоэлектрический генератор содержит прозрачную панель 9 с зеркалами 14, установленными на ее концах перпендикулярно поверхности, по меньшей мере одну термопару,первый материал 1 которой является полупроводником с положительным коэффициентом Зеебека, а второй материал 2 - полупроводником с отрицательным коэффициентом Зеебека, и один переход 3, при этом первый материал 1 и -область 5 перехода 3 электрически связаны между собой и термически соединены с нагревателем 8 через первый проводник 6, а второй материал 2 через второй проводник 7 электрически связан с областью 4 перехода 3, вторые концы материалов 1, 2 термопары соединены с теплопроводником 10 через выходные проводники 11 первую резонансную структуру 12, выполненную из части первого проводника 1, не контактирующей с -областью 5 -перехода 3, и вторую резонансную структуру 13, выполненную из части второго проводника 2, не контактирующей с -областью 4 перехода 3, и состоящие из электрически 3 94292013.08.30 связанных микрорезонаторов 15. Первая резонансная структура 12, вторая резонансная структура 13, -область 5 и -область 4 оптически связаны с прозрачной панелью 9 и зеркалами 14, причем резонансные структуры 12, 13 расположены в пространстве так, чтобы их выходные сигналы были в противофазе, а -область 4 и -область 5 имеют разные степени легирования. В конкретном исполнении первый 1 и второй 2 материалы выполнены из термоэлектриков 23 путем спрессовывания и спекания при температуре 395 С под давлением с легирующими примесями, как в 3. Изготовление перехода 3 осуществлялось сплавлением дырочного германия с арсенидом галлия, имеющим электронную проводимость,как в 4. Первый проводник 6 выполнен из никеля и термокомпрессией соединен с -переходом 3 через предварительно напыленные слои золота и германия. Второй проводник 7 выполнен из сплава и термокомпрессией соединен с переходом 3. Первый 1 и второй 2 материалы соединены термокомпрессией с первым 6 и вторым 7 проводниками через предварительно напыленные слои золота и никеля. Нагреватель 8 это слой черного никеля, выполненный по стандартной технологии на первом проводнике 6. Прозрачная панель 9 выполнена из силикатного стекла, и перпендикулярно к ней на концах установлены зеркала 14, имеющих на внутренних поверхностях отражающий слой из алюминия. Теплопроводник 10 - это пластина керамики с высокой теплопроводностью. Выходные проводники 11 выполнены из никеля и соединены с первым 1 и вторым 2 материалами аналогично как первый проводник 6. Первая 12 и вторая 13 резонансные структуры выполнены методами фотолитографии в виде электрически связанных микрорезонаторов 15. Термоэлектрический генератор работает следующим образом. Входное электромагнитное излучение, например солнечное, поступает в середине дня в виде прямых лучейчерез прозрачную панель 9 на нагреватель 8 и повышает его температуру (фиг. 1). Тепловая энергия от нагревателя 8 за счет теплопередачи поступает на первый проводник 6 и первую резонансную систему 12, создавая тем самым градиент температуры в -переходе 3 и первом материале 1 соответственно (фиг. 2). Этот градиент температуры создает в первом материале 1 термоЭДС с положительным коэффициентом Зеебека, которая смещает переход 3 в обратном направлении. После этого к входному электромагнитному излучению в виде прямых лучейдобавляется рассеянное тепловое излучение(лучи ) нагревателя 8, которые вместе с рассеянным излучением окружающей среды поглощаются первой 12 и второй 13 резонансными структурами, преобразующими его в электрические токи соответствующих частот. Так как сопротивление обратно смещенного перехода 3 существенно превышает сопротивление легированных -области 4 и области 5, то большая часть электрического напряжения выделяется на переходе 3,вызывая его локальный нагрев и тем самым увеличивая градиент температуры -перехода 3 по отношению к -области 4 и -области 5. В результате этого происходит термогенерация дополнительных электрических зарядов, увеличивающая термоЭДС на -переходе 3. Одновременно за счет теплопередачи по переходу 3 происходит нагревание его -области 4 и второго проводника 7, связанного с ней. В тоже время, за счет энергии лучей , ,происходит нагревание второй резонансной системы 13. Поэтому во втором материале 2 аналогично как и в первом материале 1 возникает термоЭДС с отрицательным коэффициентом Зеебека. Общая термоЭДС термоэлектрического генератора равна их сумме, так как они соединены последовательно. В утренние и вечерние часы светового дня к прямым лучамдобавляются лучии , отраженные от зеркал 14, и тем самым обеспечивается поддерживание выходной термоЭДС на одном уровне в течение всего светового дня. Тепловая и световая энергия, поступающая в устройство от естественных и искусственных источников, рассеивается в окружающую среду теплопроводником 10, а в случае необходимости может быть использована, например, для обогрева помещений и т.д. 4 94292013.08.30 В предлагаемой полезной модели за счет преобразования электромагнитного и теплового излучений резонансными структурами 12, 13 в токи соответствующих частот, которые локально нагревают переход 3, обеспечивая повышение градиентов температуры на нем и на втором материале 2, что увеличивает выходную термоЭДС. Более того, существенная разность концентраций легирующих примесей в - и -областях также позволяет повысить термоЭДС на переходе 3 при прочих равных условиях. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5