WO2018167745A2

WO2018167745A2 - Thermoelectric generator module

Info

Publication number: WO2018167745A2
Application number: PCT/IB2018/054114
Authority: WO
Inventors: Jorge Luis JARAMILLO PACHECO; Franco Olivio GUAMÁN BASTIDAS; Luis Rodrigo BARBA GUAMÁN; Carlos Byron BERMEO LEÓN
Original assignee: Universidad Tecnica Particular De Loja
Current assignee: Universidad Tecnica Particular De Loja
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: ECSP20019294A; WO2018167745A3

Abstract

Thermoelectric generator module. A thermoelectric generator module comprises a top layer comprising a plurality of Fresnel lenses (4), an insulating material protection (5) arranged under the first layer, a thermoelectric generator arranged under the insulating material protection (5) and provided with a structure having a heat-distribution layer (2) arranged under the insulating material protection (5), a central layer with a plurality of Peltier devices (1) arranged under the heat-distribution layer (2), and a cold-distribution layer (3) arranged under the central layer. The thermoelectric generator module also comprises a bottom layer (6) with a plurality of Venturi pipes (7) arranged under the cold-distribution layer (3), a battery, an energy quality and storage control block (BCA) and a user interface block (BIU) to interconnect multiple modules.

Description

MÓDULO DE GENERACIÓN TERMOELÉCTRICA THERMOELECTRIC GENERATION MODULE

OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los generadores termoeléctricos de baja potencia del tipo de los que producen electricidad mediante la utilización del cambio de temperatura del entorno externo, convirtiendo energía térmica en energía eléctrica. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION The present invention can be included in the technical field of low power thermoelectric generators of the type that produce electricity by using the temperature change of the external environment, converting thermal energy into electrical energy. BACKGROUND OF THE INVENTION

El calentamiento global conlleva asociados muchos desastres medioambientales, como por ejemplo un recrudecimiento de las temporadas de huracanes y de la fuerza y la potencia de los mismos. Este calentamiento global lleva asociada una actividad antropogénica. Esta situación, ligada al agotamiento global de yacimientos aprovechables de combustibles fósiles, de seguro consolidará los esfuerzos para aprovechar la energía proveniente de fuentes no convencionales. Global warming involves many environmental disasters, such as a resurgence of hurricane seasons and their strength and power. This global warming has an anthropogenic activity associated. This situation, linked to the global depletion of fossil fuel usable deposits, will surely consolidate efforts to harness energy from unconventional sources.

Entre las iniciativas para aprovechar la energía de fuentes no convencionales, especial interés merece la denominada recolección de energía. Esta recolección permite la conversión en energía eléctrica de energías renovables que no están siendo suficientemente explotadas. Estas fuentes de energía pueden provenir por ejemplo de temperatura, vibración, luz, ondas electromagnéticas, etc. Los métodos y dispositivos de recolección de energía tienen una variedad de aplicaciones. A medida que la electrónica de baja potencia se vuelve cada vez más frecuente, la recolección o harvesting proporciona una manera útil de alimentar los dispositivos. Una forma de energía ambiental todavía sin explotar adecuadamente es la térmica ambiental, cuya conversión es posible gracias al efecto Seebeck. Este efecto se basa en el hecho de que si se unen los extremos de dos conductores de materiales diferentes como el cobre y el hierro, y una unión se mantiene a una temperatura más alta que la otra, se produce una diferencia de voltaje entre las dos uniones. Los generadores termoeléctricos existentes en el mercado se basan en este efecto. Among the initiatives to harness energy from unconventional sources, the so-called energy collection deserves special interest. This collection allows the conversion into renewable energy of renewable energies that are not being sufficiently exploited. These energy sources can come for example from temperature, vibration, light, electromagnetic waves, etc. Energy collection methods and devices have a variety of applications. As low power electronics become increasingly frequent, harvesting or harvesting provides a useful way to power the devices. One form of environmental energy not yet exploited properly is environmental thermal, whose conversion is possible thanks to the Seebeck effect. This effect is based on the fact that if the ends of two conductors of different materials such as copper and iron are joined, and a joint is maintained at a higher temperature high than the other, there is a voltage difference between the two unions. The existing thermoelectric generators in the market are based on this effect.

En los generadores termoeléctricos se requiere garantizar la diferencia de temperatura entre ambos extremos, suministrando y liberando calor por medio de fuentes de calentamiento y enfriamiento. In thermoelectric generators it is required to guarantee the temperature difference between both ends, supplying and releasing heat by means of heating and cooling sources.

Del estado de la técnica se conocen generadores termoeléctricos que operan utilizando el cambio de temperatura del entorno externo para convertir la energía térmica en energía eléctrica, como los descritos en los documentos US20140338713 A1 y US20100078054 A1 . Esto facilita la recolección de energía en lugares con amplias variaciones de temperatura a lo largo del día, o variaciones extremas entre el día y la noche. El uso de generadores termoeléctricos de baja potencia en estos espacios será posible cuando se resuelvan las restricciones respecto al lugar de instalación para garantizar una adecuada diferencia de temperatura entre las fuentes de calentamiento y de enfriamiento del generador. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Thermoelectric generators are known from the state of the art that operate using the change of temperature of the external environment to convert thermal energy into electrical energy, such as those described in US20140338713 A1 and US20100078054 A1. This facilitates the collection of energy in places with wide temperature variations throughout the day, or extreme variations between day and night. The use of low power thermoelectric generators in these spaces will be possible when the restrictions regarding the place of installation are resolved to ensure an adequate temperature difference between the heating and cooling sources of the generator. DESCRIPTION OF THE INVENTION

La invención se refiere a un módulo de generación termoeléctrica de baja potencia para aprovechamiento de la energía térmica ambiental en zonas de clima variable. Así pues, el módulo propuesto permite obtener energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovable, aprovechando recursos naturales. Hasta ahora, la energía térmica ambiental estaba siendo desaprovechada y gracias a la presente invención se puede emplear para dotar de energía eléctrica muchas zonas del planeta que, por diferentes motivos, estaban aisladas. El módulo de generación termoeléctrica propuesto está configurado para producir electricidad mediante el cambio de temperatura del entorno externo, es decir, a partir de energía térmica. Es especialmente útil para ser empleado en lugares en los que hay una alta variabilidad de temperatura ya que comprende un generador de energía con dispositivos Peltier que aumenta su rendimiento al incrementarse la diferencia de temperatura entre sus extremos. The invention relates to a low power thermoelectric generation module for use of environmental thermal energy in variable climate zones. Thus, the proposed module allows obtaining electrical energy from renewable energy sources, taking advantage of natural resources. Until now, environmental thermal energy was being wasted and thanks to the present invention it can be used to provide electrical energy with many areas of the planet that, for different reasons, were isolated. The proposed thermoelectric generation module is configured to produce electricity by changing the temperature of the external environment, that is, from thermal energy. It is especially useful to be used in places where there is a high temperature variability since it comprises a power generator with Peltier devices that increases its performance by increasing the temperature difference between its ends.

Asimismo, el módulo comprende una batería que permite almacenar la energía eléctrica generada por lo que no es necesario que se conecte a la red eléctrica. Esto permite emplear el módulo de generación de energía termoeléctrica en áreas que tradicionalmente han estado aisladas, alejadas de los servicios de redes de suministro eléctrico. Otra ventaja asociada a estas características técnicas es que permite minimizar el impacto ambiental de dotar de energía eléctrica dichas áreas que hasta ahora estaban aisladas. Elimina la necesidad de instalar otro tipo de soluciones que implicarían, por ejemplo, ampliar la red de suministro eléctrico, o que provocarían que dichas áreas se mantuvieran aisladas. Likewise, the module comprises a battery that allows the electrical energy generated to be stored, so it is not necessary to connect it to the electricity grid. This allows the thermoelectric power generation module to be used in areas that have traditionally been isolated, away from the services of power supply networks. Another advantage associated with these technical characteristics is that it minimizes the environmental impact of providing electrical energy to those areas that until now were isolated. It eliminates the need to install other types of solutions that would involve, for example, expanding the electricity supply network, or that would cause these areas to remain isolated.

Por otra parte, el módulo comprende un bloque de interface de usuario que permite su adaptabilidad y conexión a otros módulos iguales. Así pues, cuando la necesidad de energía eléctrica aumenta, se pueden conectar varios módulos iguales a fin de aumentar la energía recolectada. On the other hand, the module comprises a user interface block that allows its adaptability and connection to other equal modules. Thus, when the need for electrical energy increases, several equal modules can be connected in order to increase the collected energy.

El módulo tiene capacidad generadora de energía eléctrica a cualquier hora, incluso durante la noche. Para ello dispone de elementos retenedores del calor, que permiten acumular el calor absorbido por el día para mantenerlo durante la noche. Asimismo, comprende elementos distribuidores de frío que permiten que, aunque haga mucho calor durante el día, una de las zonas del módulo se mantenga a baja temperatura para mantener la diferencia térmica necesaria para su correcto funcionamiento. The module has power generating capacity at any time, even at night. For this it has heat retaining elements, which allow the heat absorbed by the day to accumulate to keep it overnight. It also includes cold distributing elements that allow, although it is very hot during the day, one of the areas of the module is kept at a low temperature to maintain the thermal difference necessary for its correct operation.

La batería está conectada a un bloque de control de calidad de energía y almacenamiento que corrige la polaridad de la electricidad generada en el generador termoeléctrico. Posteriormente, este mismo bloque es el encargado de almacenar la energía en la batería donde se mantiene hasta el momento en el que se hace necesario utilizarla. El generador térmico tiene una estructura tipo sándwich con una pluralidad de dispositivos Peltier dispuestos en su parte central. En los extremos de cada dispositivo Peltier se encuentran unas capas de calentamiento y enfriamiento forzado que permiten crear y mantener una diferencia de temperatura entre dichos extremos. The battery is connected to an energy and storage quality control block that corrects the polarity of the electricity generated in the thermoelectric generator. Subsequently, this same block is responsible for storing the energy in the battery where it is kept until the moment when it is necessary to use it. The thermal generator has a sandwich structure with a plurality of Peltier devices arranged in its central part. At the ends of each Peltier device are layers of heating and forced cooling that allow creating and maintaining a temperature difference between said ends.

Asimismo el módulo comprende una capa superior en la que hay una pluralidad de lentes de Fresnel para concentrar los rayos solares del exterior. De esta forma se hace aumentar la temperatura en uno de los extremos del generador termoeléctrico. Para evitar que el calor se pierda durante la noche, comprende un protector aislante que puede ser por ejemplo una cubierta de plástico u otro material que consiga el mismo efecto. The module also comprises an upper layer in which there is a plurality of Fresnel lenses to concentrate the sun's rays from outside. In this way, the temperature is increased at one end of the thermoelectric generator. To prevent heat loss during the night, it comprises an insulating protector that can be for example a plastic cover or other material that achieves the same effect.

El módulo comprende, bajo el generador termoeléctrico, una capa inferior con una pluralidad de tubos de Venturi. En dichos tubos entra aire que se va acelerando durante su recorrido, reduciendo así su temperatura. Así pues, esta capa inferior es la encargada de mantener una temperatura baja incluso durante el día en los extremos correspondientes de los dispositivos Peltier. The module comprises, under the thermoelectric generator, a lower layer with a plurality of Venturi tubes. These tubes enter air that is accelerating during its journey, thus reducing its temperature. Thus, this lower layer is responsible for maintaining a low temperature even during the day at the corresponding ends of the Peltier devices.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1 .- Muestra una vista seccionada del módulo de generación de energía eléctrica. Figure 1 .- Shows a sectional view of the module for generating electricity.

Figura 2.- Muestra una vista en detalle de un tubo Venturi. Figure 2.- Shows a detailed view of a Venturi tube.

Figura 3.- Muestra una vista de la secuenciación de los tubos Venturi de la capa de enfriamiento forzado. Figura 4.- Muestra una vista de la secuencia de operación de los bloques de control y almacenamiento de energía, y de interface de usuario. Figure 3.- Shows a view of the sequencing of the Venturi tubes of the forced cooling layer. Figure 4.- Shows a view of the sequence of operation of the control and energy storage blocks, and of the user interface.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

A continuación se describe, con ayuda de las figuras 1 a 4, un ejemplo de realización de la invención. An example of embodiment of the invention is described below with the aid of Figures 1 to 4.

En la figura 1 se puede ver un módulo de generación termoeléctrica seccionado para que se aprecien bien sus componentes entre los que destaca un generador termoeléctrico, un bloque de control de calidad de energía y almacenamiento (BCA), y un bloque de interface de usuario (BIU). In Figure 1, a sectioned thermoelectric generation module can be seen so that its components are well appreciated, among which a thermoelectric generator, an energy and storage quality control (BCA) block, and a user interface block ( BIU).

El generador termoeléctrico dispone de una estructura de tipo sándwich con una capa intermedia con una pluralidad de dispositivos Peltier (1 ). Estos dispositivos son los encargados de convertir la diferencia de energía térmica que hay en sus extremos en energía eléctrica. Para ello es necesario asegurar que uno de los extremos esté a una temperatura mayor que el otro. Cuanto mayor sea dicha diferencia de temperatura más energía eléctrica se obtiene. Para ello, el generador termoeléctrico comprende una capa distribuidora de calor (2) dispuesta encima de la capa intermedia y una capa distribuidora de frío (3) dispuesta por debajo de la capa intermedia, tal y como se observa en la figura 1 . The thermoelectric generator has a sandwich structure with an intermediate layer with a plurality of Peltier devices (1). These devices are responsible for converting the difference in thermal energy at its ends into electrical energy. For this it is necessary to ensure that one end is at a temperature higher than the other. The greater this temperature difference, the more electrical energy is obtained. For this, the thermoelectric generator comprises a heat distributing layer (2) disposed above the intermediate layer and a cold distributing layer (3) arranged below the intermediate layer, as seen in Figure 1.

Asimismo se puede observar que el módulo comprende una capa superior con una pluralidad de lentes de Fresnel (4) que concentran los rayos solares. Esta capa está dispuesta en el extremo superior del módulo para que los rayos solares puedan incidir directamente con las lentes (4). It can also be seen that the module comprises an upper layer with a plurality of Fresnel lenses (4) that concentrate the sun's rays. This layer is arranged at the upper end of the module so that the sun's rays can directly affect the lenses (4).

Dichas lentes (4) están distribuidas sobre la superficie de un protector de material aislante (5) que puede ser una cubierta plástica o de otro material. El protector (5) cubre la distancia focal y reduce la pérdida de calor durante la noche. Asimismo el módulo comprende una capa inferior (6) que dispone de una pluralidad de tubos Venturi (7), dispuesta bajo la capa distribuidora de frío (3) del generador termoeléctrico. Esta capa facilita el enfriamiento de la capa distribuidora de frío (3). Para que el módulo funcione de forma autónoma comprende una batería. Asimismo, el bloque de control de calidad de energía y almacenamiento (BCA) está configurado para corregir la polaridad de la electricidad generada en el generador termoeléctrico y almacenarla en dicha batería mediante un circuito regulador. Como se ha descrito previamente, otra de las características esenciales de la invención es que puede conectarse con otros módulos de generación termoeléctrica para aumentar la capacidad de generación en función de las necesidades concretas. Para ello el bloque de interface de usuario (BIU) configurado para conectar varios módulos de generación termoeléctrica entre sí. Said lenses (4) are distributed on the surface of a protector of insulating material (5) which can be a plastic cover or other material. The protector (5) covers the focal length and reduces heat loss during the night. The module also comprises a lower layer (6) that has a plurality of Venturi tubes (7), arranged under the cold distribution layer (3) of the thermoelectric generator. This layer facilitates the cooling of the cold distribution layer (3). For the module to work autonomously, it includes a battery. Likewise, the block of control of quality of energy and storage (BCA) is configured to correct the polarity of the electricity generated in the thermoelectric generator and store it in said battery by means of a regulating circuit. As previously described, another of the essential features of the invention is that it can be connected with other thermoelectric generation modules to increase the generation capacity according to specific needs. For this, the user interface block (BIU) configured to connect several thermoelectric generation modules to each other.

En la figura 2 se ha representado un detalle de la construcción de los tubos Venturi (7). Se puede ver que en uno de sus extremos tiene una configuración troncoconica, a través de la que ingresa aire en su interior. El resto del tubo puede tener una sección constante, con un diámetro igual al menor diámetro de la sección de configuración troncoconica. Este aire se acelera al ir recorriendo el tubo, de forma que se reduce su temperatura. Figure 2 shows a detail of the construction of the Venturi tubes (7). You can see that at one of its ends it has a trunk-conical configuration, through which air enters inside. The rest of the tube can have a constant section, with a diameter equal to the smallest diameter of the trunk configuration section. This air is accelerated as it travels through the tube, so that its temperature is reduced.

Como se puede ver en la figura 3, los tubos de Venturi (7) están distribuidos con cambio de dirección en forma secuencial, corrigiendo problemas de cambio de dirección del viento y aprovechando al máximo el espacio. Es decir, los tubos Venturi (7) de la capa inferior (6) están dispuestos contiguos y orientados en direcciones opuestas alternativamente. As can be seen in figure 3, the Venturi tubes (7) are distributed with direction change sequentially, correcting problems of wind direction change and making the most of the space. That is, the Venturi tubes (7) of the lower layer (6) are arranged contiguously and oriented in opposite directions alternately.

Asimismo, en la figura 4 se aprecia un detalle de secuenciación de operación de los bloques de control y almacenamiento de energía (BCA), y de interface de usuario (BIU). La electricidad recolectada (Er) en cada uno de los dispositivos Peltier (1 ) ingresa al bloque de control y almacenamiento de energía (BCA). En una primera etapa se corrige la polaridad de la electricidad generada durante el día y la noche. La energía se almacena en la batería y se entrega a través de un circuito regulador. Cuando es necesario tener mayor capacidad de producción de energía eléctrica, el bloque de interface de usuario (BlU) permite la interconexión de varios módulos para aumentar la energía recolectada y entregarla al usuario final como energía producida (Eu). Likewise, in figure 4 a detail of the operation sequencing of the energy storage and control blocks (BCA) and user interface (BIU) can be seen. The electricity collected (Er) in each of the Peltier devices (1) enters the energy storage and control block (BCA). In the first stage, the polarity of the electricity generated during the day and night is corrected. The energy is stored in the battery and delivered through a regulator circuit. When it is necessary to have greater capacity to produce electricity, the user interface block (BlU) allows the interconnection of several modules to increase the collected energy and deliver it to the end user as produced energy (Eu).

Claims

one . - Thermoelectric generation module characterized in that it comprises:

- an upper layer comprising a plurality of Fresnel lenses (4);

-a protector of insulating material (5) arranged under the first layer;

- a thermoelectric generator, arranged under the insulating material protector (5), with a sandwich structure comprising:

or a heat distributing layer (2) disposed under the insulating material protector (5);

or an intermediate layer with a plurality of Peltier devices (1) arranged under the heat distributing layer (2);

or a cold distribution layer (3) arranged under the intermediate layer;

- a bottom layer (6) having a plurality of Venturi tubes (7), arranged under the cold distribution layer (3);

- A battery;

- an energy and storage quality control (BCA) block configured to correct the polarity of the electricity generated in the thermoelectric generator and store it in the battery by means of a regulator circuit;

- a user interface block (BlU) configured to connect several thermoelectric generation modules to each other.

2. - Thermoelectric generation module according to claim 1 characterized in that the insulating material protector (5) is made of plastic.

3. Thermoelectric generation module according to claim 1 characterized in that the Venturi tubes (7) of the lower layer (6) are arranged contiguously and oriented in opposite directions alternately.