SE546085C2 - Strukturellt konstruktionselement med tunnfilmsteknik för elgenerering, elenergilagring och termoelektrisk temperaturreglering - Google Patents

Abstract

SAMMANFATTNINGAnordning bestående av ett strukturellt konstruktionselement (1) som med integrerade tunnfilmer (3) möjliggör elgenerering, elenergilagring och termoelektrisk temperaturreglering i samma integrerade enhet, att ingå i mobila och stationära anordningar utan krav på infrastruktur.Anordningen (1) har sammanbyggda funktioner som är analoga med ett uppladdningsbart tunnfilmsbaserat batteri (5') vars materialskikt är integrerade med en tunnfilmsbaserad solcells materialskikt (4') och vidare integrerad med ett tunnfilmsbaserat peltierelement (6') som tillsammans bildar ett integrerat strukturellt tempereraturreglerat konstruktionselement (1).Genom de integrerade gemensamma och näraliggande tunna materialskikten (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) och (52), kan extremt korta laddnings- och kylvägar erhållas, innebärande hög verkningsgrad, liten materialåtgång och låg vikt.Då anordningen saknar rörliga delar och peltierelementets reversibilitet kan ge anordningen lämplig arbetstemperatur i såväl varma som kalla miljöer, fås enkelhet, robusthet, låg miljöbelastning och lång livslängd under det att intermittent elektromagnetisk strålning såsom solljus (10) skapar användbar lagringsbar elektricitet och tempererade ytor,

Description

"STRUKTURELLT KONSTRUKTIONSELEMENT MED TUNNFILMSTEKNIK FÖR ELGENERERING, ELENERGILAGRING OCH TERMOELEKTRISK TEMPERATURREGLER|NG" BESKRIVNING ALLMÄN Föreliggande uppfinning avser en anordning bestående av ett strukturellt konstruktionselement ingående i mobila och stationära enheter, som med tunnfilmsteknik möjliggör en ny typ av elgenerering, elenergilagring och termoelektrisk temperaturreglering i samma integrerade enhet, De integrerade komponentfunktionerna i anordningen är analoga i sin omfattning med: ett solcellsblock med energiupptagning från elektromagnetiska området, ett batteriblock, för lagring av elenergi i matriser i tunna skikt, ett termoelektriskt block för reglering av temperatur i strukturen meddelst peltiereffekt, Laddning, kylning, vikt och miljöbelastning, är stora problem som hittills begränsat ett batteris användbarhet. ldag sker laddning av batterier oftast med kabel från nätet eller extern källa, vilket ofta kräver infrastruktur.

Moderna batterier klarar inte högre temperatur, utan de åldras snabbt med ökande temperatur, varför dess kapacitet i praktiken måste begränsas.

En tumregel är att batterilivslängden halveras för varje 10 dgC ökning. Därför har de flesta prestandabatterier i storlek för en laptop och uppåt, en separat fläkt för kylning.

För mindre batterier likt de i mobiltelefoner finns ej utrymme för kylning, innebärande att batteriet tillåts vara den komponent som först tappar i prestanda.

For elektrifierade farkoster måste för effektiv kylning ofta vätskebaserade kylmedel användas, vilket såväl ökar vikten som utrymmesbehovet. l praktiken cyklas inte ett batteri mer än till högst 70% för att klara acceptabel livslängd.

De idag dyra och svårutvunna grundämnena i batterier ger ofta en negativ miljöbelastning, varför en reducering av materialmängd hos dessa är i högsta grad önskvärd. Även en solcells kapacitet försämras vid högre temperaturer och bör därför temperaturregleras. vilket hittills har varit mycket svårt att göra på cellnivå.

Ovanstående problem är förknippade med höga kostnader, varför all eliminering eller minskning av problemen är till mycket stor teknisk, miljömässig och ekonomisk samhällsnytta.

Som exempel i ett fordon, ger en minskad batterivikt ett bidrag till att chassit kan göras mindre och lättare som i sin tur bidrar till mindre och lättare motor, vars lägre vikt ger fordonet ett mindre effektbehov, och därmed ett ännu mindre batteri än från början. Denna positiva spiral har dagens fordonstillverkare inte lyckets åstadkomma med dagens teknik.

Med föreliggande uppfinning ges möjlighet att bryta denna negativa spiral till en positiv.

Dagens teknik omfattar tre var för sig kända komponenter i nedanstående beskrivning, vars funktion i denna uppfinning har integrerats, effektiviserats och ersatts med tunnfilmsteknik och bildande . en ny unik komponent. Detta har skett genom att aktiva materialskikt kunnat integreras, minskas i antal och materialmängd, med minskat utrymmesbehov och vikt som resultat. a) Solceller tar tillvara energin i elektromagnetiska spektrumet och omvandlar denna till elektrisk energi. Hittills har främst ljuset i synliga området utnyttjats, men i utvecklingen men solceller av tandemtyp har möjliggjort att även det högenergirika UV-området kan utnyttjas.

De har idag låg verkningsgrad, praktisk ca 20% i laboratorium ca 35% av solens ca1000W/m2. Med kylning av solcellen ökar kapaciteten betydligt under normalt varma sommardagar. b) Strukturella tunnfilmsbatterier kan vara batterier baserat på skikt av litium och kolfiber, som nu utvecklas för att att bära mekaniska laster, Dessa skikt kan läggas i flera lager för att uppnå önskad elektrisk spänning hos batteriet. c) Peltierelement är en reversibel omvandlare av elenergi till kyla eller värme. Beroende på strömriktning och styrka genom elementet erhålles olika temperaturer.

Om istället elementet befinner sig i kyla med ena sidan och värme med andra, kan en ström för batteriladdning alstras mellan sidorna vid anslutning. Komponenten har idag låg verkningsgrad, men såväl batteri som solcell får desto bättre funktion och livslängd vid marginell kylning.

BESKRIVNING DETALJERAD Föreliggande uppfinning löser samtidigt ett antal stora problem med produktion och lagring av elenergi. 1. Helt utsläppsfri elgenerering och energilagring 2. Uppladdning och urladdning med ökad tillgänglighet och mindre krav på omgivning. 3. Komponentlivslängd, som ökar genom kylning och inga rörliga delar 4. Miljöbelastning, som minskar genom minskad materialanvändning . Vikt, som reduceras pga eliminerad (exempelvis kylvätskor), och minskad materialanvändning. 6. Volym, utrymmebehov som reduceras pga mindre materialbehov och kringutrustning 7. Kylning eller värrnning av omgivning 8. Hög total verkningsgrad Detta åstadkommes i en och samma struktur enligt Fig 1, genom tillgång till tunnfilmsteknik, där materialskikt med tre funktioner som elgenerator 4', terrnoelektriskt element 6' och energilagrande materialblock 5' kan integreras och därigenom dela på flera tunna materialskikt, och därmed skapa extremt korta sträckor för såväl elektrisk laddning som för kyla och värme att transporteras. Tunna skikt kan här användas, eftersom det är materialens ytor och inte deras tjocklekar som är de primärt verksamma geometrierna hos respektive materialskikt, Detta ger hög verkningsgrad, då kort väg ger lågt såväl elektriskt motstånd för energigenerator 4' och energilagrade block 5', som termiskt motstånd för kylfunktionen och termoelementblocket 6'. Integrationen av materialskikten resulterar också i en reducering av ursprungliga antal skikt jämfört med om de tre blocken varit fysiskt separerade som individuella enheter.

I Fig 1 visas det strukturella konstruktionselementet 1 som har ett yttre täckskikt 2 av material med goda elektromagnetiska ljustransmissionsegenskaper såsom PC för inkapsling av en inre stapel 3 med tunnfilmer 41 ,42,43,44,45,46,47,48, 49 och 50 vardera i kontakt med intilliggande tunnfilmer. Andra lämpliga täckskiktsmaterial är PMMA eller glas.

Tunnfilmema är staplade så att översta tunnfilmen 41 är en Tenndioxid, skikt 42 kan vara en Titandioxid, skikt 43 är en Perovskit, CaTiO3 eller CIGS, skikt 44 är en kolföreningar eller Grafen, skikt 45 är ett högglansigt och ljusreflekterande ämne som AI eller Au.

När tunnfilmsskikt 41 träffas av elektromagnetisk strålning, såsom solstrålning 10, med UV, Synligt och IR våglängd, bildas en elektrisk spänning mellan kontaktbleck 4 anslutet till skikt 41 och kontaktbleck 5 anslutet till skikt Skikten 41-45 bildar således det strukturella konstruktionselementets energigenererande block 4'.

Skikt 45 är också gemensamt med första skikt i det energilagrande blocket 5', där efterföljande tunnfilm 46 är en Litium metalloxid applicerat på ett mekaniskt förstärkande kolfibertnät, skikt 47 en separator såsom polyethylene oxide/graphene oxide (PEO/GO), skikt 48 är en Litiummetall /Grafen, som dessutom ger mekanisk förstärkning.

Skikt 45-48 bildar därmed ett elektriskt energilagrande block 5' i strukturella konstruktionselementet 1, i vilket elektrisk energi laddas eller urladdas när kontaktbleck 5 anslutet till skikt 45 och kontaktbleck 6 anslutet till skikt 48, kopplas till belastning eller intern laddning.

Skikt 48 är också gemensamt med det första skiktet i strukturella konstruktionselementets 1 temperaturreglerande termoelektriska block 6', där efterföljande tunnfilm är ett ämne med god konduktivitet men har dålig värmeledningsförmåga liknande en Wsmuttellurid som är delad itvå halvor, där ena halvan 49 är n-dopad och den andra halvan 50 p-dopad.

Sista skiktet i termoelektriska blocket 6', är också delat i två halvor. där skikt 51 är ett mekaniskt förstärkt kolfibernät eller Grafen, till vilket ett kontaktbleck 8 är anslutet och det andra skiktet 52 av av samma material som skikt 51, till vilket ett kontaktbleck 7 är anslutet. När en spänning läggs på mellen kontaktbleck 7 och 8 kommer skikt 48 att kylas och skikten 51 och 52 kommer att värmas, vilket därmed kommer att kyla energilagrande blocket 5'. I de fall blocket 5' behöver värmas omkastas anslutningarna 7 och Utöver temperaturreglerande funktionen kan block 6' även användas för batteriladdning av block 5' då temperatursituationen så medger. I extremfallet kan både block 4' och 6' samtidigt generera ström till det energilagrande blocket 5'.

De ovan nämnda skiktmaterialen är endast exempel på skiktmaterial som kan ersättas med andra skiktmaterial inom samma materialgrupp med liknande egenskaper.

De ingående blocken kan placeras i olika konfigurationer exempelvis beroende på användnings- område och disponibelt utrymme. Visade konfigurationeri Fig 1 och Fig 2 är två exempel på inbördes blockplacering. Andra exempel kan vara att kylskiktet 48 placeras runt eller vid sidan om övriga block, eller som inskjutna elektriskt isolerade lokala stråk. Principiellt behöver inte delblocken ligga i närheten av varandra, bara de gemensamma skikten behålles och tillräckligt god anliggningsyta mellan skikten ombesörjes.

Ström kan tillåtas att gå in eller ut från flera håll via kontaktblecken 4,5,6,7 och 8 i strukturen, där de tre blocken 4', 5' och 6' var för sig, i par eller alla tre kan arbeta oberoende av varandra.eIler tilllsammans. Beroende på önskad systemspänning eller lagringskapacitet kan ytterligare delblock 5' seriekopplas eller parallellkopplas med ytterligare identiska energilagrande delblock.

Nya användningsområden är exempelvis exteriöra komponenter hos farkoster, såsom karosser på bilar, däck och skrov på båtar och vingar och kroppar på flygplan. Ett batteri liksom en vinge hos ett elflygplan måste till exempel ha rätt temperatur vid start, på olika höjd och landning.

Andra områden kan vara hos byggnationer såsom hustak/väggar, pumpstationer, kraftstationer, och hemföremål såsom mobiltelfoner, datorer, audio, hushållsartiklar, ryggsäckar, leksaker och kylboxar, som behöver elström eller kylning för sin funktion. I områden där infrastruktur sakns helt, exempelvis i katastrof- eller utvecklingområden, kan utrustning baserad på uppfinningen underlätta återuppbyggnad.

Tunnfilmstekniken innebär att också tunna folier kan användas för exempelvis kläder i varma eller kalla miljöer.

Fördelning och styrning av de olika elektriska strömmarna emellan blocken görs med konventionell och känd elektrisk styrteknik.

Många av de installationer som således behöver eller hanterar elektrisk ström, men idag har varit begränsade i sin användning pga alltför kallt eller varmt klimat, elbehov under natt, flera stora och tunga utrustningar, avsaknad av infrastruktur och låg verkningsgrad, kan i utförande med denna uppfinning få större användningsområden.

Tillgång på hållbar elektrisk strömframställning, energilagring och temperaturkontroll är faktorer som vi vet kommer att ha mycket större betydelse för mänskligheten i framtiden.

Denna uppfinning kan vara ett viktigt bidrag för att lösa detta stora problem.

Claims (8)

1. Strukturellt konstruktionselement (1) for anordningar avsedda for skapande och lagring av elektricitet under kontrollerade temperaturer, omfattande ett yttre isolerande täckskikt (2) och en inre stapel i skikt av tunnfilmer (3) sorterade i en egenskapsordning som tillsammans bildar åtminstone tre elektriska delblock (4',5',6') varav ett första delblock (4') kan alstra elektrisk energi och ett andra delblock (5') kan lagra elektrisk energi och ett tredje delblock (6') kan alstra kyla eller vàmie k ä n n e t e c k n at a v att nämnda stapels skikt av tunnfilmer (3) har gemensammma tunnfilmsskikt for de elektriska i varandra integrerade delblocken (4',5',6') vilka delblock var for sig eller tillsammans är anslutna via fem kontaktbleck (4,5,6,7,8) till yttre elektriska fórbrukare eller intem delfórbmkning varvid forsta delblocket (4') har fem tunnfilmsskikt lagda i fallande nummerordning såsom ett tunnfilmsskikt av Tennoxid (41) och ett av Trtandioxid (42) och ett tunnfilmsskikt av en mineral med kubisk kristallstruktur som CaT|O3 (43) och ett tunnfilmsskikt med kolforeninglgrafen (44) och ett skikt av Au eller Al (45), varvid det forsta delblocket (4') genererar elektrisk energi vid elektromagnetisk bestràlning med UV, IR och synligt ljus, att uttas mellan ett kontaktbleck (4) anslutet till tunnfilmsskiktet av Tennoxid (41) och ett kontaktbleck (5) anslutet till tunnfilmsskiktet av Au eller Al (45) där sistnämnda skiktet (45) också utgör andra delblockets (5') forsta slikt som tillsammans med tre följande skikt lagda i fallande nummerrordning i andra delblocket (5') bildar en lagringsdepà for elektrisk energi där tunnfilmsskikt (46) är en Litium metalloxid applioerad pà ett fórstärkande kolfibemät och ett tunnfilmsskikt (47) är en polyethylene oxidelgraphene oxide och ett tunnfilmsskikt (48) är en litiummetall sammanfogat med grafen som ger mekanisk förstärkning varvid elektrisk laddning eller urladdning kan ske emellan ett kontaktbleck (5) anslutet till tunnfilmsskiktet av Au eller Al (45) och ett konlaktbleck (6) anslutet till namna tunnfilmsskikt (48) av Litiummetall sammanfogat med grafen, och dar sistnämnda skiktet (48) samtidigt ar ett tredje delblocks (6') forsta tunnfilmsskikt vilket delblock (6') bildar ett temperaturreglerande tennoelektriskt block uppbyggt som ett peltierelement där dess n-dopade del är en tunnfilm av Vrsmuttellurid (49) följt av ett tunnfilmsskikt av mekaniskt förstärkt kolfibemat eller grafen (51) och peltierelmentels p-dopade del år en Vrsmuttellurid (50) följt av ett tunnfilmsskikt av mekaniskt förstådd kolfibemat eller grafen (52), dar strukturella konstruktionselementet (1) erhåller en temperaturförandring i tidigare nämnda tunnfilmsskiktet av Litiummetall sammanfogad med grafen (48), nar en elektrisk ström tillåts passerera mellan tunnfilmsskikt (51) av förstärkt kolfibemat eller grafen anslutet till ett kontaklbleck (8) och tunnfilmsskikt (52) likaledes av förstärkt kolfibemàt eller grafen anslutet till ett kontaktbleck (7) varvid tredje delblocket (6') tillsammans med första delblocket (4') och andra delblocket (5') bildar ett strukturellt integrerat elförzsörjande tempererat konstruktionselement (1) _

2. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1 kannetecknad darav atttredjedelblocket(6)sombildarett temperaturreglerande block utgör en integrerad del av eller ar ett reversibelt peltierelement vars första tunnfilmsskikt (48) av Litiummetall sammanfogat med grafen ar andra aerbrockers (s) sisra marenarskin

3. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1 och 2, kannetecknad dàrav,attandradelblocket(5') sombildaren energilagrande komponent utgör en integrerad del av eller år ett reversibelt elektriskt tunnfilmsbatteri vars första materialskikt av Au eller Al (45) àr första delblockets (4') sista materialskikt varvid andra delblockets (5') sista materialskikt av litiummetall sammanfogat med grafen (48) är tredje delblockets (6') forsta materialskikt

4. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1, 2, och 3 kànnetecknad därav attdetdelblock(4') sombildarenelektrisk strñmalstrande komponent vid bestralning av elektromagnetiskt ljus utgör eller år en del av en solcell för mottaglighet av UV, IR ooh Synligt ljus

5. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1,2,3 ellerkánnetecknad därav attdetutgórenytterytahosenfarkost

6. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1,2,3 ellerkànnetecknad därav attdetutgorenytterytahosenbyggnad.

7. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1,2,3 ellerkánnetecknad därav attdetutgorytterytahosenelektriskulrustriing.

8. Strukturellt konstruktionselement (1) enligt patentkrav 1,2,3,4,5,6 eller 7 kan netecknad dàrav attstrukturella konstruktionselementetfl) ar kopplat elektriskt och strukturellt med ytterligare strukturella konstruktionselement eller delblock.