BRPI0923671A2

BRPI0923671A2 - gerador termoelÉtrico

Info

Publication number: BRPI0923671A2
Application number: BRPI0923671-6A
Authority: BR
Inventors: Phillip C Watts
Original assignee: Phillip C Watts
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2013-07-30
Also published as: US8614390B2; CN102112821A; WO2009152218A1; EP2310762A1; EP2397790A3; BRPI0915029A2; EP2310762A4; US20090301539A1; CN102881816A; US20090301541A1; US20090301687A1; EP2397790A2

Abstract

"GERADOR TERMOELÉTRICO" A presente invenção refere-se a um gerador termoelétrico que inclui uma pluralidade de módulos termo elétricos que gera energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura. O gerador também inclui uma pluralidade de primeiros elementos térmicos dos quais calor é fornecido através de um primeiro fluido e uma pluralidade de segundos elementos térmicos apartir dos quais calor é removido através de um segundo fluido. Os primeiros e segundos elementos térmicos alternardos tendo um dos módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiros e segundos elementos térmicos. Cada módulo termoelétrico está em contato no seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato no seu segundo lado com um dos segundo elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico constante mais do que um dos módulos termoelétricos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "GERADOR TERMOELÉTRICO".

Dividido do processo correspondente à entrada na fase nacional do PCT/US2009/046860, depositado em 10.06.2009, mediante protocolo 020100115586, de 10/12/2010.

Este pedido reivindica prioridade do Pedido Provisório U.S. Nú- mero 61/060.377, depositado em 10 de Junho de 2008 e intitulado "Geração de Calor e Energia e Hidrogênio Combinados Para Residência ou Prédio Inteiro Com Trocador de Calor de Solo Utilizando Módulos Termoelétricos de efeito "Seebeck", a descrição inteira do qual está por meio disto aqui incor- porada por referência para todos os propósitos. O Pedido de Patente Provi- sória U.S. Número 60/306.274, intitulado "Combinação de placa de aqueci- mento portátil externa e gerador de eletricidade" está também por meio disto aqui incorporada por referência para todos os propósitos. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a uma residência típica ou outro prédio que inclui diversos sistemas de energia. Por exemplo, o prédio pode estar conectado na grade de energia principal e receber a energia elétrica gerada em uma usina de energia remota. O prédio pode ser suprido com gás natural para o aquecimento de espaços e água. Muitos destes sistemas de energia tradicionais dependem de combustíveis fósseis não renováveis e cada vez mais dispendiosos.

Sistemas de energia alternativos têm sido propostos. No en- tanto, os sistemas de energia alternativos desenvolveram pouco a pouco. Mais ainda, muitos sistemas elétricos alternativos baseiam em células fo- tovoltaicas para gerar eletricidade da luz solar, e armazenam a energia elétrica resultante em baterias. Apesar do custo de operação dia a dia de um sistema fotovoltaico ser baixo, estes sistemas tipicamente têm um alto custo de instalação, e as baterias têm uma vida finita, requerendo substitu- ições periódicas dispendiosas. Os sistemas de bateria também são tipica- mente superdimensionados, já que a vida das baterias é otimizada evitando descarga de mais do que 20 porcento da energia armazenada das baterias. BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em uma modalidade, um sistema de energia integrado para um prédio compreende pelo menos um reservatório de energia térmica, pelo menos um coletor solar que provê calor para o reservatório, e pelo menos um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente através do qual um fluido de resfriamento é circulado de modo que o calor é descarregado do fluido de resfriamento para o ambiente. O sistema ainda compreende um gerador termoelétrico que gera energia elétrica de um diferencial de temperatura en- tre o reservatório de energia térmica e o fluido de resfriamento, e pelo menos uma unidade de aquecimento hidrônica através da qual um fluido aquecido é canalizado, provendo um aquecimento de espaço para pelo menos um es- paço dentro do prédio, o fluido aquecido derivando o seu calor do reservató- rio de energia térmica. O sistema pode também compreender pelo menos um Ioop de resfriamento hidrônico através do qual pelo menos parte do flui- do de resfriamento é canalizado, provendo um resfriamento de espaço para pelo menos um espaço dentro do prédio. Em algumas modalidades o siste- ma ainda compreende um aquecedor de reserva que provê calor para o re- servatório de energia térmica, suplementando o coletor solar. O aquecedor de reserva pode derivar o calor de um combustível fóssil. Em algumas modalidades, o sistema compreende um tanque de

água quente designado para utilização de água quente doméstica. O siste- ma pode ainda compreender um aquecedor de água doméstico de reserva que supre calor para a água designada para utilização de água quente do- méstica quando uma energia insuficiente está de outro modo disponível. O aquecedor de água doméstico de reserva pode compreender pelo menos um aquecedor sob demanda. 0 aquecedor de água doméstico de reserva pode derivar o calor de um combustível fóssil.

Em algumas modalidades, o sistema ainda compreende uma grade de energia de corrente contínua dentro do prédio. Em algumas moda- lidades, o sistema inclui um inversor que converte a energia de corrente con- tínua do gerador termoelétrico para energia de corrente alternada.

Em algumas modalidades, o gerador termoelétrico compreende JO 3/60

uma pluralidade de bancos, e o sistema de energia integrado ainda compre- ende um controlador de gerador termoelétrico e uma chave-matriz que, sob o controle do controlador de gerador termoelétrico, configura a interconexão dos bancos.

Em algumas modalidades, o sistema ainda compreende um con-

trolador de carga que pelo menos temporariamente impede a operação de pelo menos uma carga com base em parte na quantidade de energia elétrica que está sendo consumida por outras cargas. Em algumas modalidades, o sistema compreende uma conexão de reserva para a grade de energia prin- cipal, a conexão de reserva provendo a energia elétrica para o prédio para suplementar o gerador termoelétrico.

Em algumas modalidades, o sistema compreende incluir um ge- rador de hidrogênio alimentado por eletricidade do gerador termoelétrico. O sistema pode também incluir um aquecedor de água doméstico de reserva, em que o aquecedor de água doméstico de reserva deriva o calor do hidro- gênio gerado pelo gerador de hidrogênio.

Em algumas modalidades, o reservatório de energia térmica compreende um tanque de água aquecida. Um meio dentro do reservatório de energia térmica pode ser aquecido diretamente pelo coletor solar. O meio dentro do reservatório de energia térmica pode ser aquecido através de um trocador de calor que carrega um segundo meio aquecido pelo coletor solar.

Em algumas modalidades, o fluido aquecido circulado através da pelo menos uma unidade de aquecimento hidrônica deriva o seu calor do reservatório de energia térmica através de um trocador de calor. O pelo me- nos um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente pode compreender um Ioop de tubulação acoplado em terra profunda. O pelo menos um Ioop de tubula- ção acoplado ao ambiente pode compreender um Ioop de tubulação acopla- do em terra rasa. O pelo menos um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente pode compreender um Ioop de tubulação acoplado no ar. Em outra modalidade, um método de operar um sistema de e-

nergia em um prédio compreende aquecer um reservatório de energia térmi- ca utilizando um coletor solar. O fluido aquecido que deriva o seu calor do reservatório de energia térmica é circulado através de um Ioop de aqueci- mento hidrônico, provendo um aquecimento de espaço para pelo menos um espaço dentro do prédio. Um fluido de resfriamento é circulado através de um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente de modo que o calor é descar- regado do fluido de resfriamento para o ambiente, e uma energia elétrica é gerada em um gerador termoelétrico sujeito a um diferencial de temperatura entre o reservatório e o fluido de resfriamento.

Em algumas modalidades, o método ainda compreende circular pelo menos parte do fluido de resfriamento através de um Ioop de resfria- mento hidrônico, provendo um resfriamento de espaço para pelo menos um espaço dentro do prédio. O método pode compreender gerar hidrogênio utili- zando a energia elétrica gerada pelo gerador termoelétrico. Em algumas modalidades, o método compreende armazenar, separadamente do reserva- tório de energia térmica, água designada para utilização de água quente doméstica. Em algumas modalidades, o método ainda compreende aquecer a água designada para utilização de água quente doméstica com o calor do reservatório de energia térmica. Em algumas modalidades, o método com- preende configurar dinamicamente, utilizando um controlador de gerador termoelétrico, as interconexões de módulos termoelétricos dentro do gerador termoelétrico. Em algumas modalidades, o método compreende impedir temporariamente a operação de pelo menos uma carga elétrica com base em parte na quantidade de energia elétrica que está sendo consumida por outras cargas. Em algumas modalidades, circular o fluido de resfriamento através de um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente compreende circular o fluido de resfriamento através de um Ioop de tubulação acoplado na terra.

Em uma modalidade, um aparelho para configurar automatica- mente um sistema de geração de energia termoelétrica de acordo com os requisitos de uma carga inclui um gerador termoelétrico que gera energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura, e pelo menos um componente configurável que afeta pelo menos um aspecto da energia ge- rada pelo gerador termoelétrico. Um monitor detecta pelo menos um aspecto da energia gerada pelo gerador termoelétrico e provê pelo menos um sinal que caracteriza a energia gerada pelo gerador termoelétrico. Um controlador está configurado para receber o pelo menos um sinal e configurar o pelo menos um componente configurável com base no pelo menos um sinal de acordo com os requisitos de uma carga para a qual a energia é suprida pelo gerador termoelétrico. O controlador pode incluir um microprocessador e uma memória que contém as instruções executáveis pelo microprocessador para receber o pelo menos um sinal e configurar o pelo menos um compo- nente configurável com base no pelo menos um sinal de acordo com os re- quisitos de uma carga para a qual a energia é suprida pelo gerador termoe- létrico.

O diferencial de temperatura pode ser provido por um suprimen- to de fluido aquecido e um dissipador relativamente frio, e o pelo menos um componente configurável pode incluir uma válvula que, sob o controle do controlador, ajusta uma taxa de fluxo do fluido aquecido. O diferencial de temperatura pode ser provido por um suprimento de fluido aquecido e um dissipador relativamente frio, e o pelo menos um componente configurável pode incluir uma válvula que, sob o controle do controlador, ajusta a tempe- ratura do fluido aquecido. O diferencial de temperatura pode ser provido por uma fonte relativamente quente e um suprimento de fluido relativamente frio, e o pelo menos um componente configurável pode incluir uma válvula que, sob o controle do controlador, ajusta uma taxa de fluxo do fluido relativamen- te frio. O diferencial de temperatura pode ser provido por uma fonte relativa- mente quente e um suprimento de fluido relativamente frio, e o pelo menos um componente configurável pode incluir uma válvula que, sob o controle do controlador, ajusta a temperatura do fluido relativamente frio.

O diferencial de temperatura pode ser provido por um suprimen- to de fluido aquecido por um coletor solar, e o pelo menos um componente configurável pode incluir um mecanismo de ajuste de coletor solar que ajusta a capacidade do coletor solar transmitir o calor para o fluido aquecido. O co- Ietor solar pode ser um coletor solar de painel plano, e o mecanismo de ajus- te de coletor solar pode ajustar a posição de uma persiana sobre o coletor solar de painel plano. O coletor solar pode ser um coletor solar de concen- tração, e o mecanismo de ajuste de coletor solar pode ajustar a mira ou o foco do coletor solar de concentração.

O controlador pode estar ainda configurado para produzir um segundo sinal que indica um estado de energia sendo gerada pelo gerador termoelétrico. O segundo sinal pode indicar a quantidade de energia que o gerador termoelétrico está produzindo. O segundo sinal pode indicar que o gerador termoelétrico é incapaz de produzir a energia de acordo com os re- quisitos da carga.

O gerador termoelétrico pode compreender pelo menos dois bancos, cada banco incluindo pelo menos um módulo termoelétrico, cada banco produzindo uma porção da energia produzida pelo gerador termoelé- trico. O pelo menos um componente configurável pode incluir uma chave- matriz que, sob o controle do controlador, configura a interconexão dos ban- cos. A configuração da interconexão dos bancos pode incluir desconectar pelo menos um banco. A configuração da interconexão dos bancos pode incluir colocar pelo menos um banco em série com pelo menos um outro banco. A configuração da interconexão dos bancos pode incluir colocar pelo menos um banco em paralelo com pelo menos um outro banco. A configura- ção da interconexão dos bancos pode incluir colocar os bancos em uma combinação de conexões em série e em paralelo. A configuração da interco- nexão dos bancos pode incluir configurar a interconexão dos bancos para manter uma voltagem de saída desejada para o gerador termoelétrico.

Cada banco pode incluir pelo menos dois módulos termoelétri- cos, cada módulo termoelétrico produzindo uma porção da energia produzi- da por seu respectivo banco. O pelo menos um componente configurável pode incluir uma chave-matriz que, sob o controle do controlador, configura a interconexão dos módulos dentro de um banco. Em algumas modalidades, o gerador termoelétrico compreende pelo menos dois bancos, em que cada banco produz uma porção da energia produzida pelo gerador termoelétrico; cada banco compreende pelo menos dois módulos termoelétricos, em que cada módulo termoelétrico produz uma porção da energia produzida por seu respectivo banco; cada banco compreende uma chave-matriz de nível de módulo que, sob o controle do controlador, configura a interconexão de mó- dulos dentro de seu respectivo banco; e o aparelho ainda compreende uma chave-matriz de nível de módulo que, sob o controle do controlador, configu- ra a interconexão dos bancos.

Em outra modalidade, um método para configurar automatica-

mente um sistema de geração de energia termoelétrica de acordo com os requisitos de uma carga compreende receber, por um controlador, pelo me- nos um sinal que caracteriza a energia gerada por um gerador termoelétrico que gera energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura, e receber, pelo controlador, uma indicação de requisitos de uma carga para a qual a energia é suprida pelo gerador termoelétrico. O método ainda com- preende configurar, pelo controlador com base no pelo menos um sinal que caracteriza a energia gerada pelo gerador termoelétrico e com base na indi- cação dos requisitos da carga para a qual a energia é suprida pelo gerador termoelétrico, pelo menos um componente configurável que afeta pelo me- nos um aspecto da energia gerada pelo gerador termoelétrico.

O diferencial de temperatura pode ser provido por um fluido a- quecido e um dissipador relativamente frio, e a configuração do pelo menos um componente configurável pode incluir ajustar um valor que ajusta uma taxa de fluxo do fluido aquecido. O diferencial de temperatura pode ser pro- vido por um fluido aquecido e um dissipador relativamente frio, e a configu- ração do pelo menos um componente configurável ainda pode incluir ajustar uma válvula que ajusta a temperatura do fluido aquecido. O diferencial de temperatura pode ser provido por um suprimento de fluido aquecido e um dissipador relativamente frio, em que o suprimento de fluido aquecido é a - quecido por um coletor solar, e a configuração do pelo menos um compo- nente configurável pode incluir ajustar a capacidade do coletor solar para transmitir o calor para o fluido aquecido.

O gerador termoelétrico pode incluir pelo menos dois bancos, cada banco compreendendo pelo menos um módulo termoelétrico, cada banco produzindo uma porção da energia produzida pelo gerador termoelé- trico, e configurar o pelo menos um componente configurável pode ainda incluir controlar uma chave-matriz para configurar a interconexão dos ban- cos. O gerador termoelétrico pode incluir pelo menos dois módulos termoelé- tricos, cada módulo produzindo uma porção da energia produzida pelo gera- dor termoelétrico, e configurar o pelo menos um componente configurável pode ainda compreender controlar uma chave-matriz para configurar a inter- conexão dos módulos termoelétricos. O gerador termoelétrico pode incluir pelo menos dois bancos, cada banco compreendendo pelo menos dois mó- dulos termoelétricos, em que cada banco produz uma porção da energia produzida pelo gerador termoelétrico, em que cada módulo termoelétrico produz uma porção da energia produzida por seu respectivo banco, e confi- gurar o pelo menos um componente configurável pode ainda compreender controlar uma chave-matriz de nível de módulo para configurar a intercone- xão de pelo menos dois dos módulos termoelétricos, e controlar uma chave- matriz de nível de banco para configurar a interconexão dos bancos. Em outra modalidade, o método para converter a energia térmi-

ca armazenada em um reservatório de fluido aquecido para energia elétrica, inclui passar o fluido aquecido do reservatório para um lado quente de um gerador termoelétrico e resfriar um lado frio do gerador termoelétrico. O ge- rador termoelétrico inclui uma pluralidade de módulos termoelétricos. O mé- todo ainda incluir monitorar uma voltagem de saída produzida pelo gerador termoelétrico, e reconfigurar as interconexões dos módulos termoelétricos para manter a voltagem de saída dentro de uma faixa desejada conforme a temperatura do fluido aquecido flutua.

O método pode ainda incluir aquecer o fluido aquecido utilizando um coletor solar. A pluralidade de módulos termoelétricos pode estar agru- pada em bancos, e reconfigurar as interconexões dos módulos termoelétri- cos para manter a voltagem de saída dentro de uma faixa desejada pode incluir reconfigurar as interconexões dos bancos.

Em outra modalidade, um sistema para manter uma característi- ca de energia dentro de uma faixa predeterminada inclui um monitor que mede uma característica de energia sendo suprida para uma carga por um gerador termoelétrico, e um controlador que recebe um sinal do monitor. O sinal comunica a medição da característica de energia, e o controlador tam- bém inclui uma especificação de uma faixa desejada predeterminada para a característica de energia. O sistema também inclui uma chave-matriz a qual tem uma pluralidade de conexões de entrada, os terminais de entrada rece- bendo as conexões de uma pluralidade de módulos termoelétricos dentro do gerador termoelétrico, e a chave-matriz ainda compreendendo um conjunto de terminais de saída através dos quais a energia gerada pelo gerador ter- moelétrico é fornecida para a carga. O controlador está configurado para comparar a medição da característica de energia com a faixa predetermina- da, e reconfigurar as interconexões entre os terminais de entrada e os termi- nais de saída para manter a característica de energia dentro da faixa prede- terminada. A característica predeterminada pode ser uma voltagem. O con- trolador pode ainda incluir um microprocessador que executa instruções ar- mazenadas em um meio legível por computador. Em uma modalidade, um gerador termoelétrico para gerar ener-

gia elétrica de uma diferença em temperatura inclui uma pluralidade de mó- dulos termoelétricos. Cada módulo termoelétrico tem um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelétrico gera energia elétrica quando su- jeito a um diferencial de temperatura entre o seu respectivo primeiro lado e segundo lado. O gerador termoelétrico também inclui uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais o calor é suprido por um primei- ro fluido, e uma pluralidade de segundos elementos térmicos dos quais o calor é removido por um segundo fluido. O primeiro e o segundo elementos térmicos estão dispostos em uma pilha de um primeiro e um segundo ele- mentos térmicos alternados que têm um da pluralidade de módulos termoe- létricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo elementos térmicos. Cada módulo termoelétrico está em contato sobre o seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato sobre o seu segundo lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contacte mais do que um dos módulos termoe- létricos. Cada um do primeiro e do segundo elementos térmicos pode ser um bloco feito de um material termicamente condutivo, e cada bloco pode ainda compreender uma passagem através do bloco através da qual o respectivo fluido flui. O material termicamente condutivo pode ser o alumínio. Cada blo- co pode ser geralmente retangular, e cada passagem atravessar o seu res- pectivo bloco geralmente diagonalmente. Cada passagem pode incluir uma porção de entrada em cada extremidade, cada porção de entrada sendo ge- ralmente cilíndrica e de uma dimensão maior do que a porção média da pas- sagem. O primeiro e o segundo elementos térmicos podem ser mecanica- mente intercambiáveis.

Em algumas modalidades, o gerador termoelétrico ainda com- preende um grampo que prende a pilha de módulos termoelétricos e o pri- meiro e o segundo elementos térmicos em compressão. Em algumas moda- lidades, o gerador termoelétrico ainda compreende um primeiro coletor de entrada de fluido que distribui o primeiro fluido para os primeiros elementos térmicos, e um primeiro coletor de saída de fluido que coleta o primeiro fluido dos primeiros elementos térmicos. Em algumas modalidades, o gerador ter- moelétrico ainda compreende um segundo coletor de entrada de fluido que distribui o segundo fluido para os segundos elementos térmicos, e um se- gundo coletor de saída de fluido que coleta o segundo fluido dos segundos elementos térmicos. Em algumas modalidades, o gerador termoelétrico compreende um primeiro coletor de entrada de fluido que distribui o primeiro fluido para os primeiros elementos térmicos, um primeiro coletor de saída de fluido que coleta o primeiro fluido dos primeiros elementos térmicos, um se- gundo coletor de entrada de fluido que distribui o segundo fluido para os se- gundos elementos térmicos, e um segundo coletor de saída de fluido que coleta o segundo fluido dos segundos elementos térmicos. O primeiro coletor de entrada de fluido e o segundo coletor de saída de fluido podem estar po- sicionados adjacentes um ao outro sobre um lado da pilha de módulos ter- moelétricos e o primeiro e o segundo elementos térmicos.

Em algumas modalidades, o gerador termoelétrico ainda com- preende um ou mais tubos flexíveis, pelo menos um dos tubos conectando cada um dos coletores com cada um de seus respectivos primeiro ou se- gundo elementos térmicos. Pelo menos um dos tubos flexíveis pode ser montado por pressão dentro de seu respectivo coletor e elemento térmico. O primeiro fluido pode ser a água. O segundo fluido pode ser a água.

Em outra modalidade, um método para fabricar um gerador ter- moelétrico para gerar energia elétrica de uma diferença de temperatura compreende prover uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módu- lo termoelétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelétrico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre o seu respectivo primeiro lado e segundo lado. O método ainda compreende prover uma pluralidade de primeiros elementos térmicos configurada para receber calor de um primeiro fluido, e prover uma plurali- dade de segundos elementos térmicos configurada para ser resfriada por um segundo fluido. O primeiro e o segundo elementos térmicos estão dispostos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados que tem um dos módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo elementos térmicos. Cada módulo termoelétrico está em contato sobre o seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e está em contato sobre o seu segundo lado com um dos segundos elementos tér- micos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contacte mais do que um dos módulos termoelétricos. Em algumas modalidades, o método ainda compreende prover um primeiro coletor de entrada de fluido configurado para receber o primeiro fluido e distribuí-lo para a pluralidade de primeiros elementos térmicos. O método pode ainda compreender prover um segundo coletor de entrada de fluido configurado para receber o segundo fluido e distribuí-lo para a pluralidade de segundos elementos térmicos. O método pode ainda compreender prover um primeiro coletor de saída de fluido configurado para receber o primeiro fluido da pluralidade de primeiros elementos térmicos e carregar o primeiro fluido afastando do gerador termo- elétrico. O método pode ainda compreender prover um segundo coletor de saída de fluido configurado para receber o segundo fluido da pluralidade de segundos elementos térmicos e carregar o segundo fluido afastando do ge- rador termoelétrico. O método pode ainda compreender conectar cada ele- mento térmico a um coletor de entrada de fluido e a um coletor de saída de fluido. O método pode ainda compreender prender a pilha de primeiros ele- mentos térmicos, segundos elementos térmicos, e módulos termoelétricos, de modo que a pilha seja mantida em compressão. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Figura 1 mostra um sistema de energia integrado para um prédio

de acordo com uma primeira modalidade.

Figura 2 mostra uma porção do sistema da figura 1 em maiores detalhes, de acordo com outra modalidade.

Figura 3 mostra um diagrama esquemático da operação de um módulo termoelétrico.

Figura 4 ilustra um sistema de acordo com uma modalidade da

invenção.

Figura 5 ilustra um sistema de acordo com outra modalidade.

Figura 6 ilustra uma modalidade de um componente configurá-

vel.

Figura 7 ilustra uma modalidade que utiliza a energia solar para aquecer um fluido suprido para um gerador termoelétrico.

Figura 8 ilustra uma modalidade na qual a saída de um gerador termoelétrico é ajustada eletricamente. Figura 9 ilustra um exemplo de interconexão de bancos em um

gerador termoelétrico.

Figura 10 ilustra outro exemplo de interconexão de bancos em um gerador termoelétrico.

Figura 11 ilustra outro exemplo de interconexão de bancos em um gerador termoelétrico.

Figura 12 ilustra a operação de uma chave-matriz.

Figura 13 mostra a chave-matriz da figura 12 configurada para colocar os bancos na disposição mostrada esquematicamente na figura 9.

Figura 14 mostra a chave-matriz da figura 12 configurada para colocar os bancos na disposição mostrada esquematicamente na figura 10.

Figura 15 mostra a chave-matriz da figura 12 configurada para colocar os bancos na disposição mostrada esquematicamente na figura 11. Figura 16 ilustra um sistema de acordo com outra modalidade, que inclui tanto as chaves de matriz de nível de módulo quanto uma chave- matriz de nível de banco.

Figura 17 ilustra um fluxograma de um método de acordo com uma modalidade da invenção.

Figura 18 mostra um exemplo de disposição para suprir um dife- rencial de temperatura para um único módulo termoelétrico.

Figura 19 mostra uma conseqüência possível de colocar dois módulos termoelétricos de diferentes alturas entre um único elemento térmi- co quente e um único elemento térmico frio.

Figura 20 um gerador termoelétrico de acordo com um exemplo de modalidade da invenção.

Figura 21 mostra uma vista esquemática de um gerador termoe- létrico de acordo com outra modalidade. Figura 22 mostra uma vista oblíqua do gerador termoelétrico da

figura 21.

Figura 23 mostra uma vista oblíqua de um elemento térmico, de acordo com uma modalidade.

Figura 24 mostra o elemento térmico da figura 23 em corte

transversal.

Figura 25 ilustra um elemento térmico de acordo com outra mo- dalidade.

Figuras 26A e 26B ilustram um método para fazer as conexões entre tubos flexíveis e elementos térmicos, de acordo com uma modalidade. Figuras 27A a 27D ilustram diversos modos de fabricar coleto-

res, de acordo com as modalidades da invenção.

Figura 28 ilustra um gerador termoelétrico de acordo com outro exemplo de modalidade.

Figura 29 ilustra um gerador termoelétrico de acordo com ainda outro exemplo de modalidade.

Figura 30 ilustra a utilização de um gerador termoelétrico em um sistema em que um fluido é aquecido utilizando a energia solar, e outro flui- do é resfriado utilizando um Ioop de tubulação acoplado em terra. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Um sistema de energia integrado para uma residência ou outro prédio utiliza um reservatório aquecido para armazenamento de energia. O reservatório é principalmente aquecido por um ou mais coletores solares. O sistema também inclui pelo menos um Ioop de tubulação acoplado ao ambi- ente através do qual um fluido de resfriamento é circulado de modo que o calor seja descarregado do fluido de resfriamento para o ambiente. A ener- gia térmica do reservatório e do fluido de resfriamento são então utilizadas em um conjunto de sistemas integrados que proveem um aquecimento de espaço, um resfriamento de espaço, e geração elétrica. A eletricidade é ge- rada por um gerador termoelétrico que explora o diferencial de temperatura entre o reservatório e o fluido de resfriamento. O sistema pode incluir o a- quecimento e armazenamento para água quente doméstica, e pode utilizar o excesso de energia para a produção de hidrogênio. Sistemas de aquecimen- to e elétrico de reserva podem ser providos.

A descrição seguinte provê a(s) modalidade(s) exemplar(es) pre- ferida^) somente, e não pretende limitar o escopo, a aplicabilidade ou a con- figuração da descrição. Ao contrário a descrição seguinte da(s) modalida- de(s) exemplar(es) preferida(s) proverá aqueles versados na técnica com uma descrição capacitante para implementar uma modalidade exemplar pre- ferida. É compreendido que várias mudanças podem ser feitas na função e na disposição de elementos sem afastar do espírito e do escopo como apre- sentado nas reivindicações anexas. Detalhes específicos são dados na descrição seguinte para pro-

ver uma compreensão completa das modalidades. No entanto, será compre- endido por alguém versado na técnica que as modalidades podem ser prati- cadas sem estes detalhes específicos. Por exemplo, os circuitos podem ser mostrados em diagramas de blocos de modo a não obscurecer as modalida- des com detalhes desnecessários. Em outros casos, circuitos, processos, algoritmos, estruturas, e técnicas bem-conhecidos podem ser mostrados sem detalhes desnecessários de modo a evitar obscurecer as modalidades. Também, é notado que as modalidades podem ser descritas como um processo o qual está apresentado como um fluxograma, um dia- grama de fluxo, um diagrama de fluxo de dados, um diagrama de estrutura, ou um diagrama de blocos. Apesar de um fluxograma poder descrever as operações como um processo seqüencial, muitas das operações podem ser executadas em paralelo ou concorrentemente. Além disso, a ordem das ope- rações pode ser redisposta. Um processo é terminado quando as suas ope- rações são completadas, mas poderiam ter etapas adicionais não incluídas na figura. Um processo pode corresponder a um método, uma função, um procedimento, uma sub-rotina, um subprograma, etc. Quando um processo corresponde a uma função, a sua terminação corresponde a um retorno da função para a função de origem ou a função principal.

O termo "meio legível por máquina" inclui, mas não está limitado a dispositivos de armazenamento portáteis ou fixos, dispositivos de armaze- namento óticos, canais sem fio e vários outros meios capazes de armazenar, conter ou carregar instruções e/ou dados. Um segmento de código ou instru- ções executáveis por máquina pode representar um procedimento, uma fun- ção, um subprograma, um programa, uma rotina, uma sub-rotina, um módu- lo, um pacote de software, uma classe, ou qualquer combinação de instru- ções, estruturas de dados, ou enunciados de programas. Um segmento de código pode estar acoplado a outro segmento de código ou um circuito de hardware passando e/ou recebendo informações, dados, argumentos, parâ- metros, ou conteúdos de memória. As informações, os argumentos, os pa- râmetros, os dados, etc. podem ser passados encaminhados ou transmitidos através de qualquer meio adequado que inclui o compartilhamento de me- mória, a passagem de mensagem, a passagem de sinal, transmissão de re- de, etc.

Mais ainda, as modalidades podem ser implementadas por hardware, software, firmware, middleware, microcódigo, linguagens de des- crição de hardware, ou qualquer combinação da mesma. Quando implemen- tado em software, firmware, middleware ou microcódigo, o código de pro- grama ou os segmentos de código para executar as tarefas necessárias po- dem ser armazenados em um meio legível por máquina. Um processador pode executar as tarefas necessárias.

Os sistemas de energia alternativos anteriores se desenvolve- ram pouco a pouco. Por exemplo, em uma residência "solar" típica, a gera- ção de eletricidade é provida por células fotovoltaicas com armazenamento de bateria, enquanto que a água quente doméstica é provida por aquecimen- to solar direto de água. O aquecimento de espaços pode ser melhorado por técnicas de projeto solar passivas, com uma reserva suplementar provida pela queima de gás natural, propano, madeira, ou outro combustível. O res- friamento de espaços pode ou não ser provido. Esta proposta passo a passo para construir o gerenciamento de energia é complexa e envolve muitas tec- nologias diferentes. A geração de eletricidade por fotovoltaica requer coleto- res solares diferentes do que aqueles utilizados para o aquecimento de á- gua, e requer baterias dispendiosas que requerem uma substituição periódi- ca. As baterias são tipicamente superdimensionadas, de modo a maximizar a sua vida útil evitando descargas profundas.

As modalidades da presente invenção exploram as eficiências tornadas possíveis pela integração de vários sistemas de energia em um prédio. Um único coletor solar (ou rede de coletores) aquece um reservatório de energia térmica. O reservatório de energia térmica pode ser um simples tanque de água aquecida que armazena a energia térmica em virtude da temperatura elevada da água. Em outras modalidades, o reservatório de e- nergia térmica pode compreender outro meio, por exemplo um meio eutético ou de mudança de fase tal como o sal de Glauber que armazena energia primariamente na mudança do processo de sal entre as fases sólida e líqui- da.

O reservatório de energia térmica é utilizado para múltiplos pro- pósitos no sistema. A energia térmica pode ser usada diretamente para o aquecimento de espaço e água doméstica. A geração de eletricidade é pro- vida por um gerador termoelétrico, utilizando a temperatura elevada do re- servatório como o lado "quente" de um diferencial de temperatura explorado pelo gerador termoelétrico. O outro lado "frio" do diferencial de temperatura é provido por um fluido de resfriamento, de preferência a água, circulado atra- vés de um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente que resfria o fluido atra- vés de seu contato térmico com a terra ou a atmosfera. O fluido de resfria- mento pode também ser utilizado para o resfriamento de espaço hidrônico.

As vantagens de tal sistema serão aparentes para alguém ver-

sado na técnica. O armazenamento de energia é provido por um único re- servatório, o qual pode ser tão simples quanto um tanque de água. Nenhum produto químico hostil ou perigoso é necessário para o armazenamento de energia, e nenhuma substituição de bateria dispendiosa nunca será neces- sária. O aquecimento de espaço, o aquecimento de água doméstica, e a ge- ração elétrica são alimentados por um único coletor solar ou uma rede de coletores. O resfriamento de espaço vem como um subproduto de geração elétrica. Tal sistema é mais simples, menos dispendioso, e mais flexível do que a proposta passo a passo tradicional para os sistemas de energia alter- nativos.

A figura 1 mostra um sistema de energia integrado 100 para um prédio 109 de acordo com uma primeira modalidade. No exemplo de sistema 100, um coletor solar 101 aquece um fluido dentro de um tubo 103, utilizan- do a energia do sol 104. Neste exemplo, o coletor solar 101 é um coletor solar do tipo de concentração, por exemplo uma calha parabólica que con- centra a radiação solar sobre o tubo 103 e rastreia o movimento do sol sob o controle de um motor 102. Um versado na técnica reconhecerá que outros tipos de coletores solares podem ser utilizados, incluindo os coletores de painel plano ou os coletores de tubo de calor. Um coletor ou uma rede de coletores pode ser utilizado, dependendo da capacidade de projeto do sis- tema. Atualmente, muitos metros quadrados de área de coletor podem ser necessários para prover uma capacidade de geração elétrica suficiente no sistema 100, mas está previsto que futuros aperfeiçoamentos na eficiência de materiais termoelétricos reduzirão a área de coletor requerida dramatica- mente.

O fluido dentro do tubo 103 é aquecido e é circulado por uma bomba (não mostrada), que carrega a energia térmica para um reservatório de energia térmica 105. O fluido de trabalho dentro do tubo 103 pode ser a água, um óleo natural ou sintético, ou outro tipo de fluido. O reservatório 105 contém um meio de armazenamento. O meio pode simplesmente ser a á- gua. Se a água do reservatório 105 for também circulada através do tubo 103, então a água é aquecida diretamente pelo coletor solar 101. Alternati- vamente, o meio dentro do reservatório 105 pode ser aquecido indiretamen- te, por exemplo, através de um trocador de calor. Por exemplo, se o fluido de trabalho dentro do fluido 103 for um óleo e o meio de armazenamento no reservatório 105 for a água, a água pode retirar o calor do óleo através de um trocador de calor. Se o meio de armazenamento no reservatório 105 for a água, é estimado que um reservatório de 3785 litros (1000 galões) será suficiente para uma aplicação residencial típica. De preferência, a bomba que circula o fluido dentro do tubo 103 opera somente conforme necessário para manter a temperatura do reservatório 105. Por exemplo, a bomba pode ser desligada à noite quando nenhum aquecimento de fluido efetivo está disponível do coletor solar 101.

O meio de armazenamento no reservatório 105 pode ser outro tipo de meio. Em algumas modalidades, o meio no reservatório 105 pode ser um meio de mudança de fase tal como o sal de Glauber, o qual armazena eficientemente a energia térmica em virtude de uma mudança de fase de sólido para líquido. Outros meios, que incluem outros meios de mudança de fase, podem ser utilizados.

O reservatório 105 provê um armazenamento de energia sim- ples, confiável, e livre de manutenção para o sistema. O meio de armaze- namento não precisa ser mudado ou atendido, como seria o caso com as baterias.

A energia térmica do reservatório 105 pode ser utilizada direta- mente ou indiretamente para várias necessidades de aquecimento no prédio. Por exemplo, se o meio no reservatório 105 for a água, a água poderia ser retirada do reservatório 105 para utilização de água quente doméstica. Neste caso, o reservatório 105 seria completado com um suprimento de água adi- cional conforme necessário para substituir aquela retirada para uso. Para os propósitos desta descrição, "água quente doméstica" é a água aquecida uti- lizada para lavar, banhar, cozinhar, ou outro processamento ou similar, es- tando o sistema 100 instalado em uma residência, um comércio, ou um am- biente industrial. A água doméstica é tipicamente descartada para um esgoto sanitário após a utilização. A "água de suprimento" é a água de um supri- mento de água externo, tal como uma instalação de água municipal, um po- ço local, ou outra fonte.

De preferência, especialmente onde um meio outro que a água é utilizada no reservatório 105, a água quente doméstica pode ser aquecida do reservatório 105 pela utilização de um trocador de calor, e opcionalmente pode ser armazenada em um tanque separado 106. Um armazenamento separado com controle de temperatura independente pode ser vantajoso porque a água doméstica deve ser armazenada dentro de uma faixa de tem- peratura estreita por razões de segurança e de utilidade. O meio no reserva- tório 105 pode sofrer grandes flutuações de temperatura durante a operação do sistema 100, e pode atingir temperaturas que seriam inseguras para a utilização de água quente doméstica.

Uma disposição similar pode ser utilizada para a água utilizada para o aquecimento de espaços. A água do reservatório 105 pode ser circu- Iada por um Ioop de aquecimento hidrônico 107 que pode incluir uma tubula- ção e conexões de rodapé, subsolo, valência ou outras que proveem calor para os espaços dentro do prédio primariamente através de convecção, ra- diação, ou ambas. Alternativamente, o fluido circulado através do Ioop de aquecimento hidrônico 107 pode derivar o seu calor do reservatório 105 a- través de um trocador de calor. Opcionalmente, um tanque de armazena- mento separado 108 pode ser provido para a água ou outro fluido utilizado para o aquecimento hidrônico, permitindo um controle de temperatura sepa- rado. Em algumas modalidades, o fluido utilizado para o aquecimento hidrô- nico pode ser um fluido outro que a água pura, por exemplo, uma mistura de água e anticongelante.

Opcionalmente, um aquecimento de reserva pode ser provido para um ou mais dos reservatórios aquecidos no sistema, incluindo qualquer um, qualquer combinação, ou todos do reservatório 105 e de quaisquer tan- ques de armazenamento adicionais tais como os tanques 106 e 107. O a- quecimento de reserva pode ser na forma de uma caldeira ou outro tipo de aquecedor que queima combustível sólido, ou pode ser outro tipo de aque- cedor. O aquecimento de reserva pode ser requerido durante os períodos extensos sem sol adequado para manter uma temperatura suficiente do re- servatório 105, ou durante os momentos quando hóspedes temporários au- mentam as demandas de energia do prédio 109.

Se o aquecimento de reserva for suprido para o reservatório 105, então um único aquecedor de reserva pode ser suficiente. Alternativa- mente, unidades de aquecimento de reserva separadas podem ser providas para o tanque de água quente doméstica 106 e o tanque de armazenamento de aquecimento de espaços 108, se estes estiverem presentes. Em ainda outra alternativa atrativa, o aquecimento de reserva para a água quente do- méstica pode ser um aquecedor do tipo "sob demanda" que aquece a água somente conforme esta é utilizada, ao invés de manter um tanque de água quente a uma temperatura especificada. Um aquecedor sob demanda pode ser colocado em uma localização central e aquecer a água para uso de água quente doméstica através de todo o prédio, ou múltiplos aquecedores sob demanda podem ser colocados nos vários pontos de uso de água quente, tal como um em cada banheiro e cozinha.

Em outro aspecto do sistema 100, a água ou outro fluido é circu- lada por uma bomba (não mostrada) através de um Ioop de tubulação aco- plado ao ambiente tal como um Ioop de tubulação acoplado em terra profun- da 110. O Ioop de tubulação acoplado em terra profunda 110 resfria este "fluido de resfriamento" em virtude de seu contato térmico com a terra. O calor é descarregado do fluido de resfriamento para a terra, por meio disto mantendo o fluido de resfriamento a uma temperatura relativamente fria. Em profundidades suficientes, usualmente aproximadamente 1,6 m (cinco pés) ou mais abaixo da superfície, a terra mantém uma temperatura relativamente constante, por exemplo aproximadamente 12 a 14°C (54 a 57°F) em muitas partes dos Estados Unidos. Alternativamente ou além disso, outros Ioops de tubulação acoplados ao ambiente tais como um Ioop de tubulação acoplado em terra rasa 122 ou um Ioop de tubulação acoplado ao ar 123 podem ser utilizados como descrito abaixo em mais detalhes. Opcionalmente, um tan- que de armazenamento 111 para parte do fluido de resfriamento está provi- do. O fluido de resfriamento pode também ser utilizado para múltiplos propó- sitos. Em uma utilização, parte do fluido de resfriamento é circulado confor- me necessário através de um Ioop de resfriamento hidrônico 112 que pode incluir tubulações e conexões de rodapé, subsolo, valência ou outras que removem o calor de espaços dentro do prédio primariamente através de convecção, radiação, ou ambas. É estimado que 304 metros (1000 pés) de tubulação bobinada dentro de uma vala de 30,4 metros (100 pés) de com- primento pode prover uma tonelada (12.000 BTU/h ou 3,516 kW) de capaci- dade de resfriamento. Poços de resfriamento verticais podem ser utilizados para economizar espaço, mas a um custo de instalação ligeiramente mais alto. De preferência, a bomba que circula o fluido de resfriamento opera so- mente conforme necessário para manter uma temperatura relativamente fria no fluido suprido para o Ioop de resfriamento hidrônico 112, e para a geração de eletricidade como abaixo descrito. Tipicamente, o fluido será circulado através de somente um do Ioop de resfriamento hidrônico 112 e do Ioop de aquecimento hidrônico 107 a qualquer momento.

A geração de eletricidade é provida por um gerador termoelétrico 113. Um gerador termoelétrico gera a energia elétrica de uma diferença em temperatura utilizando o efeito termoelétrico exibido por muitos materiais. Um gerador termoelétrico típico compreende muitos elementos termoelétri- cos dispostos em pares termoelétricos. Cada elemento termoelétrico pode ser um elemento condutivo ou semicondutivo, por exemplo, porções de ma- terial semicondutor do tipo η e do tipo p. Os elementos são conectados ele- tricamente em série e termicamente em paralelo em um módulo termoelétri- co. O módulo produz uma voltagem de corrente contínua (CC) que é uma função das propriedades dos materiais utilizados, do diferencial de tempera- tura, da temperatura absoluta na qual o gerador é operado, do tamanho do módulo, e outros fatores. Mais informações sobre os geradores termoelétri- cos são abaixo fornecidas. Um gerador termoelétrico pode ter uma vida útil de 200.000 horas, tornando-o adequado para utilização de longo prazo sem uma substituição dispendiosa.

No sistema 100, o diferencial de temperatura entre o reservatório 105 e o fluido de resfriamento que circula através de um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente é explorado para gerar eletricidade. O fluido retirado do ou aquecido pelo reservatório 105 pode ser circulado para um lado "quente" do gerador termoelétrico 113, enquanto que o fluido de resfriamen- to é circulado para um lado "frio" do gerador termoelétrico 113. Em algumas modalidades, para utilização residencial, o gerador termoelétrico 113 produz aproximadamente 1 kW quando sujeito a um diferencial de temperatura de 610C (110°F). Esta quantidade de energia é suficiente para suprir a maioria das necessidades elétricas de uma residência conservadoramente adminis- trada. O sistema pode ser escalado conforme necessário adicionando uma capacidade adicional ao reservatório 105 e módulos termoelétricos adicio- nais ao gerador termoelétrico 113.

Apesar do Ioop de tubulação acoplado à terra profunda 110 ser um exemplo de um Ioop de tubulação acoplado ao ambiente que pode ser utilizado para resfriar o fluido de resfriamento, o sistema pode ser adicional- mente otimizado pela utilização de outros tipos de Ioops acoplados ao ambi- ente também. Por exemplo, um Ioop acoplado à terra rasa 122 pode ser pro- vido. O Ioop de tubulação acoplado à terra rasa 122 pode ser colocado, por exemplo, dentro de aproximadamente 0,5 m (1,5 pés) da superfície do solo. Durante o inverno, as temperaturas do solo próximo da superfície podem ser significativamente mais frias do que a temperatura relativamente constante mantida a diversos pés abaixo da superfície. Em alguns lugares, o solo pode até congelar a uma profundidade de diversas polegadas durante o inverno. O diferencial de temperatura experimentado pelo gerador termoelétrico 113, e portanto também a quantidade de energia gerada pelo gerador termoelétri- co 113, pode ser aumentada se o fluido de resfriamento for circulado através do Ioop de tubulação acoplado à terra rasa 122 ao invés do Ioop de tubula- ção acoplado à terra profunda 110 durante os tempos quando a temperatura bO 23/60

de superfície é mais fria. Similarmente, alternativamente ou adicionalmente, um Ioop de tubulação acoplado ao ar 123 pode ser provido. Durante os tem- pos de clima extremamente frio, o Ioop de tubulação acoplado ao ar 123 ex- posto à atmosfera pode experimentar temperaturas ainda mais frias do que o Ioop de tubulação acoplado à terra rasa 122, e pode, portanto resfriar o flui- do de resfriamento para uma temperatura ainda mais fria de modo que a quantidade de energia gerada pelo gerador termoelétrico 113 pode ser ainda adicionalmente aumentada pela circulação do fluido de resfriamento através do Ioop de tubulação acoplado ao ar 123. Quando qualquer um dos Ioops de tubulação acoplados ao am-

biente é esperado experimentar temperaturas abaixo do congelamento, o fluido de resfriamento circulado através daquele Ioop é de preferência não a água pura, mas pode ser água misturada com um anticongelante, ou outro tipo de fluido. Não é necessário que todos os Ioops de tubulação acoplados ao ambiente estejam presentes para carregar o mesmo fluido de resfriamen- to, desde que os fluidos de resfriamento possam eficientemente remover o calor do gerador termoelétrico 113. Tipicamente, o fluido de resfriamento seria circulado através de somente um Ioop de tubulação acoplado ao ambi- ente de cada vez. Em cenário, o controlador de sistema seleciona qual Ioop de tubulação acoplado ao ambiente utilizar em qualquer tempo específico com base nas temperaturas experimentadas por cada um destes.

Como um gerador termoelétrico produz CC, o sistema 100 pode incluir tantos aparelhos e outros dispositivos elétricos quanto possível que possam operar com energia CC. Por exemplo, a iluminação 114 pode ser baseada em diodos de emissão de luz (LEDs) para uma produção de luz muito eficiente de energia CC. Muitos outros aparelhos estão disponíveis que operam com energia CC, e é previsto que o número de aparelhos ali- mentados por CC disponíveis crescerá no futuro. Para aquelas cargas que podem utilizar a energia CC, o sistema 100 de preferência inclui um barra- mento de energia CC através de todo prédio 109.

Neste ínterim, algumas cargas podem ainda melhor utilizar a e- nergia de corrente alternada (CA), por exemplo, um refrigerador 115. O sis- 24/60

tema 100 pode portanto incluir um ou mais inversores 116, os quais conver- tem a saída CC do gerador termoelétrico 113 para energia CA. Em algumas modalidades, múltiplos pequenos inversores podem ser utilizados no lugar de um único inversor de grande capacidade, de modo que no caso de uma falha de inversor, um sistema de capacidade reduzida possa ainda ser ope- rado até que o inversor defeituoso seja reparado ou substituído.

Uma reserva pode também ser provida para a porção elétrica do sistema 100, na forma de uma conexão 117 a uma grade principal, por e- xemplo, um serviço público. Alternativamente, um gerador acionado por ga- solina local ou outro gerador pode ser conectado na conexão 116 para utili- zação de emergência ou durante os tempos de utilização elétrica aumenta- da, por exemplo, quando hospedando convidados.

Como fica aparente da discussão acima, o sistema 100 provê muitas vantagens úteis, incluindo a utilização de energia armazenada no reservatório 105 para múltiplos propósitos, incluindo tanto o aquecimento quanto a geração elétrica. Como a energia está armazenada no reservatório 105, o aquecimento, o resfriamento, e a geração elétrica podem continuar mesmo à noite ou durante um clima inclemente quando pouca ou nenhuma radiação solar está disponível. A figura 1 também mostra outras características opcionais do

sistema 100, de acordo com outras modalidades. O gerador termoelétrico 113 pode alimentar um gerador de hidrogênio 118 que gera hidrogênio, por exemplo, da água de suprimento por meio de eletrólise ou outro processo, quando a energia está disponível do gerador termoelétrico 113. Em um mo- do de operação, a energia pode ser desviada para o gerador de hidrogênio durante a noite quando as demandas elétricas do prédio 109 são de outro modo baixas. O hidrogênio do gerador de hidrogênio 118 poderia ser suprido para um veículo acionado por hidrogênio 119, ou poderia ser armazenado para outras utilizações, por exemplo, para aquecer a água quente doméstica quando um aquecimento de reserva é necessário. O gerador de hidrogênio 118 e o armazenamento associado assim proveriam um armazenamento de energia adicional utilizada durante os tempos quando o reservatório 105 está na sua capacidade térmica e uma energia excedente é disponível do gerador termoelétrico 113.

Como o gerador termoelétrico 113 tem uma capacidade de saída de energia finita, pode ser útil gerenciar a demanda de energia do prédio 109. Em algumas modalidades, um controlador de carga 120 pode ser provi- do que gerencia a operação de certos aparelhos. O controlador de carga 120, pode ser, por exemplo, um dispositivo computadorizado que monitora a operação de vários aparelhos e outras cargas, e controla a disponibilidade de energia para estes. O efeito pode ser um deslocamento no tempo de cer- tas cargas em deferência a outras cargas de modo que a energia seja torna- da disponível onde necessário, mas a operação geral dos aparelhos é ainda satisfatória. Em um exemplo simples da operação do controlador de carga 120, o refrigerador 115 pode ser impedido de operar quando um forno de micro-ondas 121 está em operação. Um forno de micro-ondas é um aparelho que o usuário tipicamente deseja utilizar imediatamente por um curto tempo. Um refrigerador opera intermitentemente, e as pessoas na residência fre- qüentemente não estão mesmo cientes se o refrigerador está funcionando. Um curto retardo na operação de um refrigerador tem um efeito insignificante sobre o seu desempenho. Retardar a operação do refrigerador 115 até que o micro-ondas 121 tenha acabado impede que ambos contribuam para a de- manda elétrica ao mesmo tempo, com pouco ou nenhum efeito percebido sobre a operação de ambos os aparelhos. Potencialmente, esta disposição reduz a demanda elétrica de pico do prédio 109. Muitas outras estratégias de tempo, retardo, ou intertravamento de aparelhos podem ser previstas. Por exemplo, a operação de uma secadora de roupas pode ser impedida en- quanto um fogão elétrico está em operação, ou a intensidade de iluminação pode ser reduzida para liberar capacidade elétrica para a operação de um secador de cabelo. Muitos outros exemplos são possíveis. Em outras moda- lidades, certos aparelhos podem ser restringidos a operar somente durante certas horas do dia. Por exemplo, uma secadora de roupas pode ser permi- tida operar somente entre 10:00AM e 3:00PM, quando a radiação solar má- xima está tipicamente disponível. J3 26/60

A figura 2 mostra uma porção do sistema 100 em maiores deta- lhes, de acordo com outra modalidade. Conforme a energia térmica é retira- da do reservatório 105, seja para aquecimento ou geração elétrica, o dife- rencial de temperatura através do gerador termoelétrico 113 diminui, e con- sequentemente a voltagem produzida pelo gerador termoelétrico 113 tam- bém diminui. Certas cargas podem ter faixas de voltagem específicas nas quais estas devem operar. Por exemplo, o inversor 116 pode requerer que a sua voltagem de entrada esteja dentro de uma certa faixa, ou os aparelhos de CC podem operar mais efetivamente quando supridos com energia den- tro de uma faixa de voltagem especificada, por exemplo, próximo de 36 ou 48 volts. Na modalidade da figura 2, o gerador termoelétrico 113 compreen- de múltiplos bancos 201 de elementos termoelétricos. Cada banco produz uma porção da energia elétrica disponível do gerador termoelétrico 113, e emite a sua energia em um de conjuntos de condutores 209. Uma chave- matriz 206 configura dinamicamente as interconexões dos bancos para man- ter certas características de energia nos condutores de saída principais 210. Por exemplo, quando o diferencial de temperatura total está disponível, a chave-matriz pode configurar os bancos em paralelo, mas quando o diferen- cial de temperatura é reduzido de modo que cada banco produz somente uma fração da voltagem que este produz na potência total, a chave-matriz 206 pode conectar os bancos em série de modo que a voltagem de saída seja mantida dentro dos níveis requeridos. A chave-matriz 206 pode também interconectar os bancos em várias combinações em série e paralelo confor- me necessário.

Um monitor 202 detecta o caráter da energia que está sendo

produzida nos condutores de saída principais 210, e envia um sinal 203 para um controlador 204, o qual então sinaliza 205 a chave-matriz 206 para mu- dar a sua interconexão. O monitor 202 pode medir a voltagem produzida nos condutores 210 utilizando conexões de detecção 207, pode medir a corrente que está sendo suprida utilizando uma sonda de corrente 208, ou pode me- dir alguma outra característica sobre a qual tomar uma decisão sobre a in- terconexão dos bancos. Deste modo, praticamente toda a energia armazenada no reser- vatório 105 pode ser extraída para a geração de eletricidade. (Apesar da quantidade de energia disponível poder declinar conforme a temperatura do reservatório 105 declina). Por comparação, as baterias podem ser restritas a suprir somente 20% de sua energia armazenada. Mais detalhes sobre a ope- ração da chave-matriz 206 são abaixo fornecidos. CONFIGURAÇÃO AUTOMÁTICA DO GERADOR TERMQELÉTRICO

Um módulo termoelétrico é um dispositivo que explora o efeito termoelétrico exibido por muitos materiais. A figura 3 mostra um diagrama esquemático da operação de um módulo termoelétrico 300. Um módulo ter- moelétrico tal como o módulo 300 tem a propriedade que quando uma cor- rente é passada através do módulo, por exemplo, nos terminais 301, um la- do 302 do módulo é resfriado e outro lado 303 é aquecido. Os módulos ter- moelétricos são utilizados deste modo em certos dispositivos de consumidor tais como os resfriadores de água e similares.

O efeito termoelétrico é reversível, de modo que quando os dois lados de um módulo termoelétrico são mantidos a diferentes temperaturas, o módulo pode gerar energia elétrica. Por exemplo, na figura 3, ao invés de acionar uma corrente através dos terminais 301 para aquecer e resfriar os lados de módulo 302 e 303, os lados de módulo 302 e 303 podem ser man- tidos em um diferencial de temperatura, e uma voltagem será produzida a- través dos terminais 301. Quando utilizado para gerar energia, o módulo termoelétrico pode ser denominado um gerador termoelétrico (TEG). A vol- tagem produzida e quantidade de energia disponível do módulo dependem do diferencial de temperatura entre os dois lados 302 e 303, dos materiais utilizados para construir o módulo, da temperatura absoluta na qual o módu- lo é operado, do tamanho do módulo, e outros fatores.

Esta variabilidade de energia disponível torna difícil utilizar a ge- ração termoelétrica para explorar os diferenciais de temperatura ou os gradi- entes que são variáveis, especialmente para suprir energia para uma carga que tem requisitos específicos para o caráter da energia que esta recebe.

O módulo termoelétrico 300 é apenas um exemplo de um dispo- sitivo termoelétrico utilizável por modalidades da invenção. O módulo 300 é composto de um número de elementos termoelétricos 304, cada um dos quais é um comprimento de material condutivo ou semicondutivo com pro- priedades termoelétricas favoráveis. Por exemplo, os elementos podem ser porções de um material semicondutor do tipo η e do tipo p, identificados "N" e "P" na figura 3. Os elementos termoelétricos 304 estão dispostos em pares termoelétricos, cada par termoelétrico incluindo um elemento "N" e um ele- mento "P". As extremidades dos elementos em cada par termoelétrico estão eletricamente conectadas no lado quente 303 do módulo 300 por um dos condutores 305, e estão adicionalmente termicamente conectadas a uma fonte de calor através de uma placa 306 opcional. Vários pares termoelétri- cos estão conectados em série no lado frio 302 do módulo 300, por conduto- res 307, e estão também termicamente conectados a uma fonte "fria" ou pla- ca 308 no lado frio 303 do módulo 300. Cada par termoelétrico gera uma voltagem relativamente pequena, e a voltagem que aparece nos condutores 301 é a voltagem acumulada dos pares termoelétricos conectados em série. Apesar de muitos módulos termoelétricos serem feitos utilizando os materi- ais de semicondutor do tipo η e do tipo ρ para os elementos termoelétricos 304, será compreendido que a invenção não está assim limitada. Muitos ou- tros tipos de materiais conhecidos e ainda a serem desenvolvidos exibem o efeito termoelétrico, e podem ser utilizados nas modalidades. Similarmente, outras disposições dos elementos podem ser previstas.

De preferência, os módulos termoelétricos utilizados nas modali- dades da invenção são otimizados para a geração de energia. A pesquisa mostrou que a energia total disponível é maximizada quando o comprimento "L" dos elementos termoelétricos é bastante curto - por exemplo, aproxima- damente 0,5 milímetro. No entanto, a eficiência de conversão de um módulo termoelétrico (a fração de energia térmica disponível realmente convertida para energia elétrica) aumenta com o aumento do comprimento L. Por e- xemplo, um elemento termoelétrico com um comprimento de 5,0 milímetros pode ser diversas vezes mais eficiente do que um com um comprimento de 0,5 milímetro. O comprimento ótimo para uma aplicação específica (proven- do o custo mínimo por unidade de energia elétrica esperada) será uma fun- ção do custo dos módulos termoelétricos e do hardware associado, o custo da energia térmica suprida para o gerador termoelétrico, e a vida esperada do gerador termoelétrico. Uma discussão mais completa dos fatores envolvi- dos na otimização do desempenho de um módulo termoelétrico pode ser encontrada em D.M. Rowe e Gao Min, Evaluation of thermoelectric modules for power generation, Journal of Power Sources 73 (1998) 193-198.

A figura 4 ilustra um sistema 400 de acordo com uma modalida- de da invenção. Um gerador termoelétrico (TEG) 401 gera energia elétrica quando este está sujeito a um diferencial de temperatura. Na figura 4, o dife- rencial de temperatura está provido por um fluido aquecido 402 e um fluido relativamente frio 403 canalizados para os lados opostos do TEG 401. Para os propósitos desta descrição, um gerador termoelétrico é um dispositivo que produz energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura. Um gerador termoelétrico pode, mas não precisa, incluir muitos módulos termoelétricos tal como o módulo termoelétrico 300, o qual pode por sua vez incluir muitos elementos termoelétricos dispostos em pares termoelétricos.

Deve ser compreendido que um diferencial de temperatura pode ser provido por qualquer um de muitos, muitos meios e aparelhos diferentes. Por exemplo, o fluido aquecido 402 pode ser produzido especificamente pa- ra o propósito de gerar eletricidade, por exemplo, aquecendo a água utili- zando os combustíveis fósseis convencionais, a energia solar, ou por algum outro meio. Alternativamente, o fluido aquecido 402 pode ser um subproduto de um processo industrial, água de refugo de um estabelecimento tal como uma lavadora de carros ou uma lavanderia, água de nascente quente que ocorre naturalmente, ou outro tipo de fluido.

O lado "quente" de um diferencial de temperatura pode ser pro- vido por outro meio além de um fluido, por exemplo, o ar descarregado de um sistema de condicionamento de ar de prédio, os gases de descarga de um motor, a superfície de qualquer componente tal como um cano de des- carga de veículo, exterior de forno, ambiente de alto forno, ou outra fonte de calor adequada. 30/60

Similarmente, o fluido relativamente frio 403 pode ser obtido es- pecialmente para o propósito de geração de energia, ou pode ser o subpro- duto de algum outro processo. Por exemplo, o fluido 403 pode ser a água que é circulada através de um tubo subterrâneo para resfriar a água para a temperatura do solo - tipicamente aproximadamente 12 a 14°C (54 a 57°F) em muitas partes dos Estados Unidos. Ou o fluido 403 pode ser qualquer fluido relativamente frio que ocorra naturalmente, por exemplo a água desvi- ada de um rio ou córrego. O lado "frio" de um diferencial de temperatura po- de ser provido por meios e materiais outros que fluidos, por exemplo, o ar ambiente, um objeto metálico, ou alguma outra fonte "fria" adequada.

Praticamente qualquer diferencial de temperatura pode ser ex- plorado para a geração de energia, e os termos "quente", "aquecido", "frio", e similares devem ser compreendidos serem termos relativos. Por exemplo, ambos os lados "quente" e "frio" de um diferencial de temperatura podem ser percebidos como quentes para os sentidos humanos, mas o diferencial pode ainda ser explorado por um TEG. Similarmente, ambos os lados "quente" e "frio" de um diferencial de temperatura podem ser percebidos como frios pa- ra os sentidos humanos.

Retornando à figura 4, o TEG 401 produz energia elétrica, a qual é emitida sobre condutores 404 e suprida, diretamente ou indiretamente, para uma carga 405. A carga 405 está mostrada em linhas tracejadas na figura 4 para enfatizar que esta não é considerada ser uma parte da inven- ção, a menos que especificamente reivindicado. A carga 405 pode ter requi- sitos específicos para a energia que esta recebe de modo a operar apropria- damente. Por exemplo, a carga 405 pode incluir um inversor configurado para suprir uma corrente alternada para uma área, e o inversor pode operar apropriadamente somente quando suprido com uma voltagem CC entre 36 e 48 volts. Ou a carga pode compreender um sistema baseado em micropro- cessador quer requer uma quantidade mínima de energia para uma opera- ção livre de erros.

Um monitor 406 detecta pelo menos um aspecto da energia ge- rada pelo TEG 401. Por exemplo, condutores de sonda 407 podem conectar nos condutores 404 para permitir que o monitor 406 meça a voltagem que está sendo emitida pelo TEG 401. Uma sonda de corrente 408 pode permitir o monitor 406 medir a corrente que está sendo emitida pelo TEG 401. Ou- tras medições são possíveis, e outros aspectos da energia podem ser medi- dos ou derivados. Por exemplo, o monitor 406 pode multiplicar a voltagem e a corrente de saída para medir a quantidade de potência que está sendo provida pelo TEG 401.

O monitor 406 provê pelo menos um sinal 409 que caracteriza a energia que está sendo gerada pelo TEG 401. Apesar do sinal ser represen- tado na figura 4 como uma linha, deve ser compreendido que o sinal pode ser um sinal analógico, um sinal digital, um valor numérico carregado ou em forma analógica ou digital, ou outro tipo de sinal.

O sinal 409 é suprido para um controlador 410. O controlador 410 é de preferência um dispositivo baseado em microprocessador que in- clui um processador, uma memória, e uma capacidade de entrada / saída, mas pode ser outro tipo de controlador também. O controlador 410 está su- prido com uma descrição dos requisitos de energia da carga 405. Por exem- plo, uma indicação dos requisitos pode estar armazenada em uma memória compreendida no controlador 410. O controlador 410 de preferência inclui instruções de programa armazenadas na memória ou em outro tipo de meio legível por máquina. As instruções de programa, quando executadas pelo processador, permitem que o controlador execute as suas funções. O con- trolador 410 está configurado para receber o sinal 409 e configurar pelo me- nos um componente configurável com base no sinal 409 de acordo com os requisitos da carga 405. Por exemplo, o controlador 410 pode reconhecer se a voltagem que está sendo produzida pelo TEG 401 está acima ou abaixo do ótimo para a carga 405, e pode tomar uma ação para ajustar a voltagem configurando outro componente no sistema.

Um exemplo de um componente configurável é a válvula 411 mostrada na figura 4. Neste exemplo, a válvula 411 está colocada em uma linha de fluxo 412 que carrega o fluido aquecido 402 para o lado "quente" do TEG 401. A válvula 411 é controlável pelo controlador 410. Em outro exemplo de cenário, o controlador 410 pode reconhe- cer que a voltagem que está sendo suprida pelo TEG 401 está acima ou quase acima da voltagem máxima que a carga 405 pode aceitar, e pode ins- truir a válvula para fechar, por meio disto reduzindo o fluxo de fluido aqueci- do para o TEG 401. Muitos outros cenários de controle são possíveis. Por exemplo, o controlador 410 pode reconhecer que a voltagem que está sendo produzida pelo TEG 401 está abaixo ou quase abaixo da voltagem mínima requerida pela carga 405, e pode fazer com que a válvula 411 abra, por meio disto aumentando o fluxo de fluido aquecido para o TEG 401. Similarmente, uma válvula poderia ser inserida na linha de fluxo 413 que carrega o fluido relativamente frio para o lado "frio" do TEG 401, e o controlador 410 pode regular o fluxo do fluido relativamente frio de acordo com o sinal 409 e os requisitos da carga 405. Em outro cenário, o controlador 410 pode reconhe- cer que a carga 405 está desligada e não consumindo nenhuma corrente, e o controlador 410 pode então controlar a válvula 411 para fechar completa- mente o fluxo de fluido aquecido de modo a não esgotar um reservatório de fluido aquecido.

Em algumas modalidades, o controlador 410 produz um segun- do sinal de saída 414 que indica um estado da energia sendo gerada pelo TEG 401. Apesar do segundo sinal 414 ser mostrado na figura 4 como sen- do direcionado para a carga 405, o segundo sinal 414 pode ser direcionado para qualquer outra localização adequada. O segundo sinal 414 pode indi- car, por exemplo, a quantidade de energia sendo gerada pelo TEG 401, ou pode ser uma indicação de que o sistema não é mais capaz de produzir e- nergia de acordo com os requisitos da carga 405. O segundo sinal 414 pode ser um sinal analógico, um sinal digital, um sinal sem fio, pode ser transmiti- do por um fio ou cabo, pode ser apresentado em um display, ou pode ser comunicado em qualquer outro modo adequado.

Em outro cenário, o controlador 410 pode regular a temperatura ou do fluido aquecido 402, ou do fluido relativamente frio 403, ou ambas. A figura 5 ilustra um sistema 500, uma modalidade na qual o controlador 410 regula a temperatura do fluido aquecido 402 utilizando uma válvula de mistu- ra 501 que mistura variavelmente o fluido frio no fluido aquecido 402 para controlar a temperatura do fluido aquecido 402. Por exemplo, se o controla- dor 410 reconhecer que a voltagem que está sendo emitida pelo TEG 401 excede ou quase excede o requisito de voltagem da carga 405, o controlador 410 pode ajustar a válvula 501 para fazer com que a temperatura do fluido aquecido 402 seja reduzida, de modo a reduzir o diferencial de temperatura experimentado pelo TEG 401, por meio disto reduzindo a voltagem produzi- da pelo TEG 401. Similarmente se o controlador 410 reconhecer que a vol- tagem sendo produzida pelo TEG 401 está abaixo ou quase abaixo do mí- nimo requerido pela carga 405, o controlador 410 pode reduzir a quantidade de fluido frio misturado com o fluido aquecido 402 pela válvula 501 ou pode parar toda a mistura de modo a aumentar o diferencial de temperatura expe- rimentado pelo TEG 401, por meio disto aumentando a voltagem produzida pelo TEG 401. Alguém versado na técnica reconhecerá que um fluido morno poderia também ser misturado no fluido relativamente frio 403, e ajustado para ajustar a voltagem produzida pelo TEG 401.

Muitos outros tipos de componentes configuráveis são possíveis. Por exemplo, se o ar for utilizado para prover um diferencial de temperatura para o TEG 401, um componente configurável pode incluir um ventilador que esfria o lado "frio" do TEG 401, e o ventilador pode ser ligado ou desligado, ou ajustado em velocidade pelo controlador 410. Um componente configurá- vel pode ajustar o meio no lado "quente" do TEG 401, ou no lado "frio" do TEG 401, ou ambos.

A figura 6 ilustra um sistema 600 que inclui outro tipo de compo- nente configurável. No sistema da figura 6, o fluido aquecido 402 é suprido de um coletor solar de concentração 601, o qual é girado pelo motor 602. Por exemplo, o coletor solar 601 pode ter uma forma parabólica que focaliza a radiação solar que entra sobre o tubo 603 quando o coletor 601 está apro- priadamente mirado para o sol 604. O fluido do tubo 603 pode ser circulado para o TEG 401, provendo o lado "quente" do diferencial de temperatura ex- plorado pelo TEG 401 para gerar energia elétrica. Nesta modalidade, o com- ponente configurável ajustado pelo controlador 410 pode ser o ângulo rota- cional do coletor 601, como controlado pelo motor 602. Por exemplo, se o controlador 410 reconhecer que a voltagem sendo produzida pelo TEG 401 está acima ou quase acima da voltagem máxima aceitável para a carga 405, o controlador 410 pode enviar um sinal para o motor 602 desfocalizar ou a- justar a mira do coletor 601 de modo que o coletor 601 não mais aponte dire- tamente para o sol 604. Neste caso, menos calor será suprido para o fluido aquecido 402, reduzindo o diferencial de temperatura experimentado pelo TEG 401, reduzindo a voltagem produzida pelo TEG 401. Ao contrário, quando o controlador 410 reconhece que a voltagem produzida pelo TEG 401 está abaixo ou quase abaixo do mínimo requerido pela carga 405, e que o controlador 410 não está mirado para o sol 604, o controlador 410 pode controlar o motor 602 para mais uma vez mirar o coletor 610 para o sol, au- mentando a quantidade de calor suprido para o fluido 402, aumentando o diferencial de temperatura experimentado pelo TEG 401, e aumentando a voltagem produzida pelo TEG 401. A posição do sol 604 pode ser rastreada por sensores não mostrados na figura 6 para simplicidade de ilustração. Al- guém versado na técnica reconhecerá que o motor 602 pode ser qualquer tipo de motor adequado, incluindo um motor de passo, um servomotor CC, e um servomotor CA, ou outro tipo de motor. A eletrônica de controle para a- cionar o motor 602 está omitida da figura 6 para clareza.

A figura 6 também mostra uma modalidade específica para pro- ver o fluido relativamente frio 603 para o TEG 401. Na figura 6, um tubo 613 conecta com um Ioop subterrâneo 605. Como é bem-conhecido, a tempera- tura do solo em níveis suficientemente profundos permanece relativamente constante através de todo o ano. Em algumas partes dos Estados Unidos, por exemplo, a temperatura subterrânea pode ser de aproximadamente 12 a 14°C (54 a 57°F). A água pode ser circulada por uma bomba (não mostrada) através do Ioop 605 após absorver o calor do lado "frio" do TEG 401, por meio disto resfriando a água transferindo o seu calor absorvido para o solo. Deste modo, o lado "frio" do TEG pode ser mantido a uma temperatura sufi- cientemente fria com pouco custo. Apesar do Ioop 605 ser mostrado como uma única seção reta na figura 6, muitas outras configurações são possíveis. Por exemplo, o Ioop 605 pode estar em uma orientação substancialmente vertical em um poço relativamente profundo, ou o Ioop 605 pode incluir uma série de espiras colocadas dentro de uma vala.

Alguém versado na técnica reconhecerá que outros tipos de a- justes podem ser feitos em um sistema que utiliza a energia solar para a- quecer o fluido aquecido provido para o TEG 401. Por exemplo, ao invés de um coletor de concentração, um coletor solar de painel plano poderia ser utilizado, e o controlador 410 pode controlar uma persiana que pode ser mo- vida para bloquear a radiação solar de atingir o coletor de painel plano, ou para permitir que a radiação solar atinja o coletor.

A figura 7 ilustra outra modalidade que utiliza a energia solar pa- ra aquecer um fluido suprido para o TEG 401. Esta modalidade é similar à modalidade mostrada na figura 6, mas inclui um tanque de armazenamento 701, por exemplo, para conter água. O fluido que circula através do coletor 601 aquece a água ou outro fluido dentro do tanque 701, a qual é então cir- culada para o TEG 401 para prover o lado "quente" do diferencial de tempe- ratura para o TEG 401. Os fluidos utilizados pelo coletor 601 e o TEG 401 podem ser mas não precisam ser os mesmos. Por exemplo, um óleo toleran- te à alta temperatura pode ser circulado através do coletor 601, transmitindo o seu calor para a água dentro do tanque 701 utilizando um trocador de ca- lor. Similarmente, o tanque 701 pode utilizar outro fluido além da água. Mui- tas combinações são possíveis.

A modalidade da figura 7 tem a vantagem valiosa para armaze- nar o calor que pode ser utilizado para uma geração posterior de energia elétrica pelo TEG 401. Por exemplo, a água dentro do tanque 701 pode ser aquecida durante o dia, e a água aquecida pode ser circulada para o TEG para gerar a energia elétrica à noite. De preferência, o tanque 701 é isolado, de modo que este reterá o calor por períodos prolongados.

Apesar das modalidades de controle acima descritas terem in- cluído componentes configuráveis que ajustam o diferencial de temperatura ou a quantidade de energia térmica disponível para um TEG1 outros tipos de componentes configuráveis podem ser utilizados. No lugar ou além dos ajus- tes feitos ao diferencial de temperatura ou à energia térmica suprida para o TEG, a saída do TEG pode também ser configurada utilizando técnicas e componentes elétricos. O controle sobre o lado elétrico do sistema pode ser especialmente vantajoso em conjunto com um sistema que inclui um arma- zenamento de líquido quente, tal como o sistema 700.

A figura 8 ilustra outra modalidade 800, na qual a saída de um TEG 801 é ajustada eletricamente. Apesar do TEG 401 mostrado na figura 4 ter sido representado como um bloco monolítico, o TEG 801 mostra uma estrutura interna adicional. O TEG 801 é composto de múltiplos bancos 802. Cada banco 802 inclui pelo menos um módulo termoelétrico, e gera pelo menos uma porção da energia gerada pelo TEG 801. Apesar dos bancos 802 serem mostrados como empilhados juntos na figura 8, este não é um requisito. De preferência, cada banco 802, e até cada módulo dentro de ca- da banco 802, está exposto ao diferencial de temperatura total experimenta- do pelo TEG 801. Uma tubulação interna ou outro roteamento de fluidos está omitida da figura 8 para clareza.

Os condutores 803 dos módulos 802 são individualmente ratea- dos para uma chave-matriz 804, a qual será abaixo descrita em mais deta- lhes. Apesar da chave-matriz 804 ser mostrada na figura 8 como separada do TEG 801, os dois componentes podem ser integrados em uma única uni- dade. A chave-matriz 804 é controlável pelo controlador 410, e pode reconfi- gurar dinamicamente as interconexões dos módulos 802 para ajustar o cará- ter da energia sendo fornecida pelo TEG 801. Deve ser compreendido que o sinal de controle 805 mostrado passando do controlador 401 para a chave- matriz 804 pode de fato compreender diversos sinais separados, incluindo as linhas de endereçamento e as linhas de comando. Alternativamente, o sinal de controle 805 pode ser uma mensagem transmitida para a chave- matriz 804, a qual pode ter a sua própria inteligência interna para interpretar o sinal de controle e executar as operações necessárias. Por exemplo, cada banco 802 pode nominalmente produzir e-

nergia a 24 volts quando sujeito a um diferencial de temperatura de 50°C, e a carga 405 pode requerer que a energia seja suprida a uma voltagem entre e 50 volts. Quando o diferencial de temperatura está em ou ligeiramente abaixo de 50 graus, uma interconexão eficiente dos bancos seria colocar pares de bancos em série, e então colocar os conjuntos em série em parale- lo, de modo que a voltagem emitida da chave-matriz 804 seja aproximada- mente duas vezes a voltagem produzida por um banco individual, ou nomi- nalmente 48 volts. Esta disposição está mostrada esquematicamente na fi- gura 9. Alternativamente, pares de bancos poderiam ser colocados em para- lelo, e os conjuntos colocados em série, também resultando em 48 volts no- minais.

Se o diferencial de temperatura declinar, por exemplo, se o sis-

tema operar nesta configuração por um período prolongado quando o tanque 701 não está sendo reaquecido, a voltagem produzida por cada banco decli- nará dos 24 volts nominais, e a voltagem suprida para a carga 405 declinará. Quando a voltagem produzida por cada banco atinge 16 volts, a voltagem suprida para a carga será somente de 32 volts (duas vezes 16). Se a volta- gem produzida por cada banco cair abaixo de 15 volts, a voltagem para a carga cairá abaixo de 30 volts - abaixo do requisito mínimo para a carga 405.

Neste ponto, seria vantajoso reconfigurar as interconexões dos bancos, por exemplo, para colocar os bancos em paralelo, e colocar aquele par em série com os dois outros bancos, de modo que a voltagem de saída resultante seja nominalmente três vezes aquela produzida por cada módulo individual. Esta configuração está mostrada esquematicamente na figura 10. Esta configuração trás a voltagem de saída de volta dentro de uma faixa uti- lizável. A quantidade total de energia pode declinar como uma conseqüência inevitável do declínio em diferencial de temperatura.

Se o diferencial de temperatura cair adicionalmente, por exem- plo, para o ponto em que cada banco produz menos de 10 volts, então mesmo três vezes a voltagem de um banco individual estará fora da faixa requerida pela carga 405. Neste ponto, seria vantajoso colocar todos os qua- tro bancos em série, de modo que a voltagem de saída seja quatro vezes a voltagem de um banco individual, ou mais precisamente, a soma das volta- gens produzidas pelos quatro bancos individuais. Para facilidade de explica- JiS 38/60

ção, é assumido na maior parte desta discussão que os bancos operam i- denticamente uns aos outros. Esta suposição é suficientemente precisa para explicar a operação nominal do sistema, mas na prática, podem existir varia- ções em desempenho entre os bancos, de modo que a voltagem de saída do sistema pode não ser um múltiplo inteiro exato da voltagem de qualquer um banco. Deve ser compreendido que as reivindicações abrangem tal ope- ração do mundo real. A disposição de todos os quatro bancos em série está mostrada esquematicamente na figura 11.

Pela configuração apropriada da interconexão dos bancos, é possível conseguir uma voltagem de saída que seja nominalmente qualquer inteiro múltiplo da voltagem produzida por um banco individual, até o número de bancos. Com quatro bancos como mostrado na figura 8, a voltagem su- prida para a carga 405 pode ser 1, 2, 3, ou 4 vezes a voltagem produzida por um banco individual. Se 12 bancos forem utilizados, então a voltagem supri- da para a carga poderia ser nominalmente 1, 2, 3, ..., 11, ou 12 vezes a vol- tagem produzida por um banco individual. A utilização de um maior número de bancos permite um controle mais fino da voltagem de saída total, e permi- te o controle dentro de uma faixa mais estreita.

A reconfiguração das interconexões de banco pode ser executa- da utilizando a chave-matriz 804, sob o controle do controlador 410. A figura 12 mostra um diagrama esquemático mais detalhado da chave-matriz 804. Em sua forma geral, a chave-matriz 804 compreende dois conjuntos de con- dutores que podem formar um padrão de grade. Para facilidade de referên- cia, estes serão referidos como condutores horizontais 1201 e condutores verticais 1202, no entanto estes termos referem somente às representações nas figuras, e não limitam a invenção a condutores em orientações estrita- mente horizontais e verticais. Os condutores não precisam formar um padrão de grade uniforme. Este tipo de chave é também algumas vezes referido como uma "chave de barras cruzadas". A chave-matriz 804 também com- preende chaves endereçáveis 1203 (somente umas poucas das quais estão rotuladas) que podem fazer ou interromper as conexões entre os pares cru- zados de condutores 1201, 1202. Se cada interseção na chave-matriz for U 39/60

provida com uma chave endereçável, então qualquer condutor horizontal 1201 pode ser conectado a qualquer ou todos os condutores verticais 1202, e vice-versa. As chaves endereçáveis podem ser qualquer tipo de chave ou relê adequado, incluindo os relês eletromecânicos, os dispositivos de estado sólido, ou outros tipos de chaves. As chaves endereçáveis não precisam ser todas iguais.

As chaves endereçáveis 1203 são operadas utilizando as linhas de endereço 1204 e as linhas de controle 1206 do controlador 410. Os deta- lhes da lógica de decodificação 1205 e as interconexões de componentes não estão mostrados na figura 12, como alguém versado na técnica reco- nhecerá que muitas disposições diferentes são adequáveis, desde que o controlador 410 possa fechar ou abrir as chaves endereçáveis 1203 para reconfigurar as conexões na chave-matriz 804. As chaves endereçáveis 1203 podem ser individualmente endereçáveis, de modo que o controlador 410 possa mudar o estado de qualquer uma chave sem afetar as outras, ou as chaves endereçáveis 1203 podem ser endereçáveis em grupos, tal como em pares ou outras combinações. Em algumas modalidades, nem todas as interseções entre os condutores horizontais e verticais podem ter chaves endereçáveis associadas. Neste exemplo, a chave-matriz 804 tem dois con- dutores verticais 1202 para cada banco, e cinco condutores horizontais 1201, os quais são suficientes para fazer as conexões necessárias para os quatro bancos 802. Seis linhas de endereço 1204 permitem uma seleção individual de qualquer uma das 40 chaves 1203. As linhas de controle 1206 proveem uma indicação sobre se a chave selecionada deve ser aberta ou fechada, e um sinal estroboscópico ou de disparo pode fazer com que a ope- ração selecionada ocorra. O controlador 410 pode ser configurado para exe- cutar as configurações de chave em uma ordem compatível com as caracte- rísticas dos bancos 802, e os requisitos de carga. Por exemplo, o controlador 410 pode evitar colocar em curto os terminais de qualquer banco 802, e po- de executar as operações de chaveamento em uma ordem de "fazer antes de interromper" ou "interromper antes de fazer", para evitar interrupções no suprimento de energia para a carga 405, para proteger os bancos 802 de danos, ou por outras razões. Os bancos 802 podem ser caracterizados antes da montagem do sistema, e o controlador 410 pode ser configurado para selecionar os bancos de preferência com características similares para as conexões paralelas.

A figura 13 mostra a chave matriz 804 configurada para colocar

os bancos 802 na disposição mostrada esquematicamente na figura 9. (A lógica de decodificação da chave 804 está omitida para clareza). Isto é, os bancos 1301 e 1302 estão conectados em série para formar um conjunto 1305, os bancos 1303 e 1304 estão conectados em série para formar um segundo conjunto 1306, e os conjuntos 1305 e 1306 estão conectados em paralelo de modo que a voltagem de saída através dos terminais 1307 é du- as vezes a voltagem produzida por um único banco.

A figura 14 mostra a chave-matriz 804 configurada para colocar os bancos 802 na disposição mostrada esquematicamente na figura 10. Isto é, os bancos 1301 e 1302 estão conectados em paralelo para formar um conjunto 1401, o qual é então conectado em série com os bancos 1303 e 1304 de modo que a voltagem de saída através dos terminais 1307 é nomi- nalmente três vezes a voltagem produzida por um único banco. Em outra configuração possível, quaisquer três dos bancos poderiam ser conectados em série, e o quarto banco deixado desconectado, de modo que a voltagem de saída através dos terminais 1307 é nominalmente três vezes a voltagem produzida por um único banco.

A figura 15 mostra a chave-matriz 804 configurada para colocar os bancos 1301, 1302, 1303, e 1304 todos em série, de modo que a volta- gem de saída através dos terminais 1307 é nominalmente a soma das volta- gens produzidas pelos quatro bancos, ou quatro vezes a voltagem produzida por um banco individual.

Deste modo, as interconexões dos bancos podem ser dinami- camente reconfiguradas para ajustar a voltagem de saída de TEG 801 para atender um requisito da carga 405. De preferência, a reconfiguração é exe- cutada em uma seqüência que evita possíveis danos aos bancos 802. Por exemplo, certas conexões pode ser interrompidas antes que outras sejam feitas, de modo a evitar conectar ambos os terminais de um único banco jun- tos a qualquer momento. Alguém versado na técnica reconhecerá que cha- ves de matriz muito maiores podem ser construídas, que podem reconfigurar números de bancos muito maiores do que os quatro mostrados nestes e- xemplos. Deste modo, variações muito grandes na capacidade de geração de bancos individuais podem ser acomodadas, enquanto produzindo uma energia de saída de acordo com os requisitos de uma carga.

Apesar da chave-matriz 804 ser apresentada para facilidade de explicação e conceitualização como sendo disposta em uma matriz retangu- lar, que tem uma chave 1203 para cada interseção entre qualquer condutor horizontal 1201 e condutor vertical 1202 (um total de 40 chaves 1203), e es- tes não são requisitos. Nos exemplos de configurações mostrados nas figu- ras 13 a 15, somente 12 das chaves 1203 sempre mudam de estado. Das outras 28 chaves apresentadas, 25 não são nunca fechadas e poderiam ser omitidas, e três permanecem fechadas e poderiam ser substituídas por co- nexões elétricas permanentes. Alguém versado na técnica reconhecerá que é desejável construir um sistema com menos componentes possíveis de modo a minimizar o custo do sistema. Deve também ser compreendido que a chave-matriz 804 não precisa ser implementada como um único dispositivo integrado e não precisa fisicamente assemelhar uma matriz, mas pode com- preender componentes lógicos e de chave que estão localizados juntos ou separadamente em quaisquer localização adequadas no sistema.

A capacidade de reconfigurar as interconexões entre os módulos pode ser especialmente útil em um sistema com armazenamento térmico, tal como o sistema 700 mostrado na figura 7. Durante os períodos prolongados sem sol, a temperatura do fluido dentro do tanque 701 pode declinar até que o diferencial de temperatura experimentado pelo TEG seja somente de pou- cos graus. Pela reconfiguração da interconexão dos módulos no TEG, a e- nergia utilizável (em uma quantidade declinante) pode ser extraída sobre uma faixa muito larga de temperaturas dentro do tanque 701, e praticamente toda a energia térmica armazenada pode ser utilizada. Isto está em contras- te com a energia elétrica armazenada em baterias. Apesar de uma bateria Jfe 42/60

poder armazenar uma energia considerável, alguns tipos de baterias não podem ser totalmente descarregadas sem comprometer as vidas das bateri- as, e portanto nem toda a sua energia armazenada pode ser utilizada confi- avelmente.

Em outras modalidades, um ou mais dos bancos 802 podem ser

compostos de múltiplos módulos termoelétricos (TEMs). Por exemplo, cada um dos bancos 802 pode compreender 12 TEMs, cada um nominalmente produzindo 2 volts. Quando todos os 12 TEMs estão conectados em série, um banco então produz 24 volts nominais. Cada banco pode ainda compre- ender uma chave-matriz de nível de módulo que permite a reconfiguração das interconexões dos módulos dentro de um banco. Neste caso, a chave- matriz 804 pode ser referida como uma chave-matriz de "nível de banco", já que esta reconfigura as interconexões dos bancos uns com os outros. Neste exemplo, com 12 módulos em um banco, um banco pode ser configurado para produzir qualquer múltiplo da voltagem produzida por um módulo, até 12 vezes a voltagem de módulo.

A figura 16 ilustra um sistema 1600 em que cada um de dois bancos 802 inclui 12 TEMs 300. Cada banco inclui uma chave-matriz de ní- vel de módulo 1601, a qual, sob o controle do controlador 410, reconfigura as interconexões dos TEMs 300 dentro de seu respectivo banco. A chave- matriz de nível de banco 804 pode reconfigurar as interconexões dos bancos 802. A matriz de nível de módulo 1601 pode ser construída similarmente à matriz de nível de banco 804, como está ilustrado na figura 12. Como antes, o monitor 406 pode medir uma ou mais características da energia sendo ge- rada pelo sistema, e pode prover um sinal 409 para o controlador 410 que caracteriza a energia sendo gerada. Com base nas características de ener- gia e nos requisitos da carga 405, o controlador 410 pode reconfigurar as interconexões dos TEMs 300 dentro de cada ou ambos os bancos 802, ou pode reconfigurar as interconexões de bancos 802, ou pode reconfigurar as conexões dos módulos 300 e dos bancos 802, em qualquer combinação. Em uma modalidade alternativa, o sistema pode monitorar o caráter da energia sendo gerada por cada banco individualmente, além ou invés de monitorar a 43/60

energia sendo fornecida para a carga 405, e o controlador 410 pode incorpo- rar estas medições diferentes ou adicionais na sua decisão de reconfigurar as conexões de TEMs 300, bancos 802, ou ambos.

A figura 17 ilustra um fluxograma 1700 de um método de acordo com uma modalidade da invenção. Na etapa 1701, um sinal é recebido ca- racterizando a energia gerada por um gerador termoelétrico. Na etapa 1702, uma indicação é recebida dos requisitos de uma carga. Na etapa 1703, pelo menos um componente configurável é configurado, o componente configurá- vel afetando pelo menos um aspecto da energia gerada pelo gerador ter- moelétrico.

MODALIDADES DE GERADOR TERMOELÉTRICO

Um módulo termoelétrico disponível comercialmente típico de aproximadamente 34 χ 31 milímetros pode produzir aproximadamente 1,5 watt de potência a aproximadamente 2,8 volts quando sujeito a um diferen- ciai de temperatura de aproximadamente 100°C. Apesar desta quantidade de potência ser suficiente para certas cargas pequenas, esta é pequena em comparação com os requisitos de potência de uma residência típica. Para uma geração de energia prática, pode ser necessário combinar as saídas de um número de módulos termoelétricos. De preferência, os módulos podem compartilhar as mesmas fontes quentes e frias, e estão eletricamente inter- conectados de modo que a sua saída de energia combinada seja disponível para utilização.

De preferência, os módulos termoelétricos utilizados em modali- dades da invenção são otimizados para a geração de energia, como acima descrito.

Para uma saída de energia máxima, é vantajoso suprir calor pa- ra o lado quente de cada módulo termoelétrico tão eficientemente quanto possível, e remover o calor do lado frio tão eficientemente quanto possível. A figura 18 mostra um exemplo de disposição para um único módulo termoelé- tricô 1800. Na figura 18, o módulo termoelétrico 1800 está sanduichado en- tre uma fonte de calor 1801 e um dissipador de calor 1802. Por exemplo, a fonte de calor 1801 pode ser um bloco termicamente condutivo através do 44/60

qual um fluido relativamente quente 1803 é circulado, e o dissipador de calor 1802 pode ser um bloco condutivo através do qual um fluido relativamente frio 1804 é circulado. A fonte de calor 201 e o dissipador de calor 202 podem ser blocos de alumínio através dos quais uma água relativamente quente e fria pode ser circulada, respectivamente. Alguém versado na técnica reco- nhecerá que os termos "quente", "frio", "aquecido", e "resfriado" são utiliza- dos em um sentido relativo. O fluido quente 1803 pode não parecer quente para os sentidos humanos normais, e o fluido frio 1804 pode não parecer frio. "Quente" e "frio" significam que o fluido quente está a uma temperatura mais alta do que o fluido frio, e não que uma pessoa necessariamente per- ceberia os fluidos como "quente" ou "frio". Similarmente, uma fonte de calor e um dissipador de calor podem ser providos por uma estrutura outra que um simples bloco. Para os propósitos desta descrição, um elemento que su- pre calor para ou remove calor de um módulo termoelétrico será referido como um "elemento térmico".

O conjunto mostrado na figura 18 pode também ser sujeito a uma força compressiva F, por exemplo, suprida por uma disposição de re- tenção não mostrada. Uma força compressiva ajuda a assegurar que a fonte de calor 1801 e o dissipador de calor 1802 façam um bom contato térmico com o módulo termoelétrico 1800, minimizando a resistência térmica nas interfaces.

Se as saídas de mais do que um módulo termoelétrico devem ser combinadas, é preferível que a complexidade de conexões de fluido e elétricas seja minimizada, e que cada módulo termoelétrico faça um bom contato térmico com uma fonte de calor e um dissipador de calor. A obten- ção de um bom contato térmico para todos os módulos termoelétricos pode ser complicada pela variabilidade de dimensões inerentes em qualquer pro- cesso de fabricação. Por exemplo, nem todos os módulos termoelétricos podem ser da mesma altura. A figura 19 mostra uma conseqüência possível de colocar dois módulos termoelétricos 1901, 1902 de diferentes alturas en- tre um único elemento térmico quente 1903 e um único elemento térmico frio 1904. (A diferença em altura entre os módulos termoelétricos 1901 e 1902 S9l 45/60

está um tanto exagerada na figura 19. Como é facilmente visto, pode não ser possível conseguir um contato plano com todas as superfícies dos módulos termoelétricos 1901 e 1902, e a transferência de calor entre os módulos ter- moelétricos 1901 e 1902 e os elementos térmicos 1903 e 1904 pode ser comprometida. Folgas tais como a folga 1905 podem ser formadas, final- mente resultando em um fraco desempenho de geração de energia do sis- tema. O aumento da força compressiva F pode aperfeiçoar o contato entre os componentes de sistema para curvar ou conformar os componentes, mas forças excessivas podem resultar em danos aos vários componentes. Uma proposta para este problema está descrita no Pedido de

Patente Copendente U.S. Número 10/823.353, depositado em 13 de Abril de 2004 e intitulado "Sistema de Montagem Termoelétrica Múltipla de Mesmo Plano", a descrição de cujo pedido está por meio disto aqui incorporada em sua totalidade para todos os propósitos. Este pedido descreve uma disposi- ção na qual pelo menos alguns dos elementos térmicos são configuráveis para acomodar as variações de tolerância nos componentes de sistema, permitindo o acoplamento eficiente de múltiplos módulos termoelétricos.

A figura 20 ilustra um gerador termoelétrico 2000 de acordo com uma modalidade. Para os propósitos desta descrição, um "gerador termoelé- tricô" é uma disposição de um ou mais módulos termoelétricos e outros componentes que gera energia elétrica utilizando o efeito termoelétrico. Ca- da módulo termoelétrico pode ser composto de uma pluralidade de elemen- tos termoelétricos, dispostos em pares termoelétricos.

O gerador termoelétrico 2000 exemplar inclui uma pluralidade de módulos termoelétricos 2001. Cada módulo termoelétrico 2001 gera energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre os seus dois lados. O gerador termoelétrico 2000 também inclui uma pluralidade de pri- meiros elementos térmicos 2002 para os quais o calor é suprido por um pri- meiro fluido 2003, e uma pluralidade de segundos elementos térmicos 2004, dos quais o calor é removido por um segundo fluido 2005. O primeiro e o segundo elementos térmicos 2002 e 2004 estão dispostos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados, com um módulo ter- 46/60

moelétrico 2001 sanduichado entre cada par adjacente de um primeiro ele- mento térmico 2002 e um segundo elemento térmico 2004. Apesar de so- mente quatro módulos termoelétricos 2001 serem mostrados na figura, com três primeiros elementos térmicos 2002 e dois segundos elementos térmicos 2004, alguém versado na técnica reconhecerá que mais ou menos módulos termoelétricos podem ser utilizados.

Além dos primeiros elementos térmicos sobre as extremidades da pilha, cada primeiro elemento térmico 2002 está então em contato com dois dos módulos termoelétricos 2001, um em cada uma de duas faces o- postas do respectivo primeiro elemento térmico 2002. Similarmente, cada segundo elemento térmico 2004 está em contato com dois dos módulos ter- moelétricos 2001, um em cada uma de duas faces opostas do respectivo segundo elemento térmico 2004. No entanto, nenhuma face de nenhum e- Iemento térmico está em contato com mais do que um módulo termoelétrico 2001. Deste modo, uma utilização eficiente dos elementos térmicos 2002, 2004 é feita, mas variãncias de fabricação nos componentes são toleradas. As variações de altura nos módulos termoelétricos 2001 não comprometem o desempenho do sistema, porque cada face dos elementos térmicos 2002, 2004 precisam somente conformar planamente a um lado do módulo ter- moelétrico 2001. Os módulos termoelétricos 2001 e os elementos térmicos 2002, 2004 estão livres para conformar em vários graus de liberdade trans- Iacionais e rotacionais durante a montagem para executar a conformação.

Os elementos térmicos 2002, 2004 podem ser feitos de um ma- terial termicamente condutivo, tal como um metal. O alumínio é um material preferido, devido à sua alta condutividade térmica e resistência à corrosão. Exemplos de elementos térmicos serão abaixo descritos em maiores deta- lhes.

O primeiro fluido 2003 é distribuído para os primeiros elementos térmicos 2002 por um primeiro coletor de entrada de fluido 2006. O primeiro fluido 2003 pode ser, por exemplo, a água que foi aquecida para o propósito de gerar energia elétrica do gerador termoelétrico 2000, água quente de re- fugo de um processo industrial, ou de alguma outra fonte. O primeiro fluido 2003 pode ser outro tipo de fluido, por exemplo, um óleo natural ou sintético, ou qualquer outro tipo de fluido adequado. Para os propósitos desta descri- ção, o termo "fluido", pretende ser interpretado amplamente, e abrange líqui- dos tais como a água, o óleo, ou outros líquidos, e abrange gases tais como o ar, o vapor, e outros gases. O primeiro fluido 2003 de preferência passa através de uma passagem dentro de cada um dos primeiros elementos tér- micos 2002, exemplificada pela passagem 2007. Após passar através dos primeiros elementos térmicos 2002, o primeiro fluido 2003 é coletado por um primeiro coletor de saída de fluido 2008 para ser carregado afastando do gerador termoelétrico 2000. O fluido 2003 pode ser retornado para um sis- tema de aquecimento, ou simplesmente descarregado do sistema.

Similarmente, o segundo fluido 2005 é distribuído para os se- gundos elementos térmicos 2004 por um segundo coletor de entrada de flui- do 2009. O segundo fluido 2005 está a uma temperatura diferente do que o primeiro fluido 2003, e pode ser do mesmo tipo que o primeiro fluido 2003, ou pode ser um tipo de fluido diferente. Por exemplo, tanto o primeiro quanto o segundo fluidos 2003 e 2005 podem ser a água, ou um pode ser a água e o outro ser um tipo de óleo. Qualquer combinação adequada é possível. De preferência, o segundo fluido passa através de passagens nos segundos elementos térmicos 2004, exemplificada pela passagem 2010. Após passar através dos segundos elementos térmicos 2004, o segundo fluido 2005 é coletado por um segundo coletor de saída de fluido 2011, para ser carregado embora. O segundo fluido 2005 pode ser reciclado, ou descarregado do sis- tema.

O resultado líquido é que cada um dos módulos termoelétricos

2001 é exposto a um diferencial de temperatura, em virtude de estar entre um dos primeiros elementos térmicos 2002 e um dos segundos elementos térmicos 2004. A energia térmica que flui através de cada módulo termoelé- trico 2001 é convertida em energia elétrica, e uma voltagem é desenvolvida através de cada conjunto de condutores elétricos 2012. Em algumas modali- dades, os condutores 2012 podem ser conectados de modo que o gerador termoelétrico 400 produza uma única voltagem sobre um único conjunto de SS 48/60

condutores. Por exemplo, os módulos termoelétricos 2001 podem ser conec- tados em série, de modo que o gerador termoelétrico 2000 produza uma vol- tagem que seja a soma das voltagens produzidas pelos módulos termoelétri- cos 2001 individuais.

Apesar de uma disposição de componentes específica ter sido

acima descrita, alguém versado na técnica reconhecerá que variações são possíveis dentro do escopo das reivindicações. Por exemplo, o gerador ter- moelétrico 2000 foi descrito como tendo primeiros elementos térmicos "quentes" 2002 e segundo elementos térmicos "frios" 2004. Esta relação po- de ser invertida, de modo que os elementos térmicos finais sejam "frios". Similarmente o gerador termoelétrico 2000 está mostrado tendo um primeiro fluido 2003 e um segundo fluido 2005 que fluem um contra o outro através dos elementos térmicos 2002, 2004. Isto é, como mostrado na figura 20, o primeiro fluido 2003 flui da direita para a esquerda através dos primeiros e- Iementos térmicos 2002, e o segundo fluido 2005 flui da esquerda para a direita através dos segundos elementos térmicos 2004. Em algumas modali- dades, os fluidos poderiam fluir na mesma direção, ou em fluxo paralelo. Muitas outras variações são possíveis. Por exemplo, as passagens 2007, 2010 no primeiro e no segundo elementos térmicos 2002, 2004 podem ser orientadas perpendiculares uma à outra, ou em alguma outra orientação. Uma disposição preferida está abaixo descrita em mais detalhes.

A figura 21 mostra uma vista esquemática de um gerador termo- elétrico 2100 de acordo com outra modalidade. Apesar da orientação empi- lhada dos módulos termoelétricos 2001 e dos elementos térmicos 2002, 2004, permitir um bom contato térmico apesar de variações nas dimensões dos vários componentes, estas variações podem também afetar outros as- pectos do conjunto. Por exemplo, como mostrado na figura 21, os espaça- mentos das passagens através dos elementos térmicos 2002, 2004, podem variar. Duas destas distâncias estão rotuladas Di e D2 na figura 21. Se os módulos termoelétricos 2001 não forem todos da mesma altura, ou se existi- rem variações de fabricação nos elementos térmicos 2002, 2004, Di e D2 podem deferir, e os orifícios formados nos coletores tal como o primeiro cole- tor de entrada de fluido 2006 podem ficar desalinhados com as passagens. Como o espaçamento não é preditível sem uma medição extensa e uma classificação dos componentes individuais, é preferível acomodar estas vari- ações também. Na figura 21, os elementos térmicos 2002, 2004 estão co- nectados nos coletores 2006, 2008, 2009, 2011, através de tubos flexíveis 2101. (Nem todos os tubos flexíveis estão rotulados na figura 21). Os tubos flexíveis 2101 podem ser feitos, por exemplo, de uma tubulação de borracha ou de plástico que é facilmente conformável para acomodar pequenos des- locamentos entre as passagens nos elementos térmicos 2002, 2004 e as aberturas nos coletores 2006, 2008, 2009, 2011.

A figura 22 mostra uma vista oblíqua do gerador termoelétrico da figura 21. Os módulos termoelétricos 2001 não são visíveis na figura 22, a- lém de que os seus condutores elétricos 2012 estão mostrados projetando dentre pares adjacentes de primeiros elementos térmicos 2002 e segundos elementos térmicos 2004. O primeiro fluido 2003 entra no primeiro coletor de entrada de fluido 2006, flui através de alguns dos tubos flexíveis 2101, atra- vés dos primeiros elementos térmicos 2002, através de mais dos tubos flexí- veis 2101 para dentro do primeiro coletor de saída de fluido 2008, e para fora do sistema. Similarmente, o segundo fluido 2005 entra no segundo cole- tor de entrada de fluido 2009, flui através de alguns dos tubos flexíveis 2101, através dos segundos elementos térmicos 2004, através de mais dos tubos flexíveis 2101 para dentro do segundo coletor de saída de fluido 2011, e pa- ra fora do sistema. Para clareza de ilustração, os tubos flexíveis 2101 estão mostrados na figura 22 como tendo um comprimento apreciável, com os vá- rios coletores sendo mantidos a uma distância afastados dos elementos tér- micos. Na prática, é preferível fazer os tubos flexíveis curtos, de modo a re- duzir a área de superfície da qual a energia térmica utilizável pode ser perdi- da. Em uma modalidade exemplar, os coletores 2006, 2008, 2009, 2011 são feitos de uma tubulação quadrada de 25,4 mm (uma polegada), e somente aproximadamente 6,35 mm (1/4 polegada) de cada um dos tubos flexíveis 2101 está exposto entre o seu respectivo coletor e elemento térmico.

Em uma disposição, os fluidos passam através de seus respecti- 5? 50/60

vos elementos térmicos geralmente diagonalmente. Como está mostrado na figura 22, a passagem 2007 atravessa o primeiro elemento térmico superior 2002 geralmente de um canto para o canto oposto. Esta disposição assegu- ra que o primeiro fluido 2003 transmita o calor para os primeiros elementos térmicos 2002 próximo do centro dos módulos termoelétricos, e também provê uma superfície de contato relativamente grande entre o fluido 2003 e cada um dos elementos térmicos 2002. Os primeiros elementos térmicos 2002 restantes estão de preferência dispostos na mesma orientação. Os segundos elementos térmicos 2004 podem ser invertidos, de modo que as suas passagens internas (não mostradas na figura 22) também atravessam os segundos elementos térmicos 2004 geralmente diagonalmente, e cruzam as passagens dos primeiros elementos térmicos 2002. Os primeiros e os segundos elementos térmicos 2002, 2004 podem ser mecanicamente os mesmos, e o fluxo de fluido atravessado cruzado executado simplesmente invertendo os segundos elementos térmicos 2004 de cabeça para baixo com relação aos primeiros elementos térmicos 2002. Mais detalhes sobre os e- Iementos térmicos serão abaixo fornecidos.

A figura 22 também ilustra um grampo que retém a pilha de mó- dulos termoelétricos e os primeiros e segundos elementos térmicos em compressão. Na modalidade exemplar mostrada, uma placa superior 2201 e uma placa inferior 2202 estão presas juntas por hastes 2203, as quais são mantidas em tensão por parafusos 204. Muitas outras disposições de reten- ção são possíveis. Por exemplo, as hastes 2203 podem ser hastes rosca- das, e uma porca em cada extremidade pode puxar as placas 2201 e 2202 juntas. Em outra modalidade, uma ou mais molas podem ser presas entre as placas 2201, 2202. Muitos outros mecanismos são possíveis para manter os módulos em compressão.

A figura 23 mostra uma vista oblíqua de um dos primeiros ele- mentos térmicos 2002, de acordo com uma modalidade. Um módulo termoe- létrico 2001 (simplificado na figura 23) é mostrado como este pode ser posi- cionado com relação ao elemento 2002. Uma abertura 2301 é visível sobre uma face, levando a uma passagem 2007 através do elemento 2002. A pas- tf 51/60

sagem 2007 leva geralmente diagonalmente a uma abertura complementar sobre a face oposta do elemento 2002. Uma seção de tubo flexível 2101 es- tá mostrada projetando da abertura no lado oposto do elemento 2002. A figu- ra 24 mostra o primeiro elemento térmico 2002 em corte transversal, e mais claramente ilustra a estrutura interna do elemento 2002. A abertura 2301 pode ser um furo escalonado que inclui uma porção de entrada que é de um maior diâmetro do que a porção média da passagem, provendo um ressalto 2401 contra o qual um tubo tal como o tubo flexível 2101 pode topar quando o tubo é inserido na abertura 2301. O ressalto 2401 pode assim ajudar na montagem apropriada do gerador termoelétrico 2000. A passagem 2007 passa inteiramente através do elemento 2002, alcançando uma abertura es- calonada similar 2402 no outro lado do elemento 2002. A passagem 2007 pode ser formada, por exemplo, furando ou usinando furos sobrepostos das aberturas 2301 e 2402. O atravessamento geralmente diagonal do elemento 2002 pela

passagem 2007 permite que peças mecânicas idênticas sejam utilizadas para os primeiros elementos térmicos 2002 e os segundos elementos térmi- cos 2004. Em outras palavras, o primeiro e o segundo elementos térmicos 2002, 2004 são mecanicamente intercambiáveis. Os primeiros elementos térmicos 2002 e os segundos elementos térmicos 2004 são simplesmente invertidos um em relação ao outro, de modo que as suas respectivas passa- gens cruzem. Quando os módulos termoelétricos 2001 estão posicionados como mostrado na figura 23, as passagens diagonais atravessam os ele- mentos térmicos geralmente através da dimensão mais longa dos módulos termoelétricos 2001.

Muitas outras disposições são possíveis. Por exemplo, as pas- sagens através dos elementos térmicos podem ser ortogonais aos lados dos elementos térmicos. A figura 25 ilustra esta disposição, em uma vista oblíqua parcialmente explodida. Na figura 25, o primeiro elemento térmico 2501 in- clui uma abertura 2502 na face 2503, levando a uma passagem 2504 que atravessa o elemento térmico 2501 e outras aberturas similares podem ser aberturas escalonadas. A passagem 2504 leva a uma abertura complemen- 52/60

tar 2505 sobre a face oposta do elemento térmico 2501. Uma seção de tubu- lação flexível 2101 está mostrada projetando da abertura complementar 2505. Um segundo elemento térmico 2506 pode ser mecanicamente inter- cambiável com o primeiro elemento térmico 2501, mas invertido ou girado de modo que sua passagem 2507 fique perpendicular à passagem 2504 no primeiro elemento térmico 2501. Um módulo termoelétrico 2001 está sandui- chado entre o primeiro e o segundo elementos térmicos 2501 e 2506. Estes componentes podem fazer parte de uma pilha maior de primeiros e segun- dos elementos térmicos 901, 906 alternados com um módulo termoelétrico 401 entre cada par adjacente de elementos térmicos 901, 906. Nesta moda- lidade, os coletores seriam colocados um de cada lado da pilha de elemen- tos térmicos 2501, 2506, ao invés de em pares sobre dois lados da pilha como mostrado na figura 22. Dois coletores 2509, 2510 estão mostrados na figura 25. Os módulos termoelétricos podem ser colocados em alinhamento com os elementos térmicos, já que o módulo termoelétrico 2001 está mos- trado alinhado com o elemento térmico 2506 na figura 25. Alternativamente, os módulos termoelétricos podem ser girados com relação aos elementos térmicos, nas disposições mostradas pelo módulo termoelétrico 2508 trace- jado na figura 25. Esta disposição posiciona os módulos termoelétricos de modo que as passagens 2504, 2507 atravessem os módulos termoelétricos geralmente diagonalmente, se desejado.

Em outras modalidades, as várias conexões entre os componen- tes podem ser feitas em vários modos. Um método para conectar os tubos flexíveis 2101 nos elementos térmicos 2002, 2004 foi ilustrado na figura 24. Referindo novamente à figura 24, de preferência as aberturas 2301 e 2402 e a tubulação 2101 estão dimensionadas de modo que inserindo uma peça de tubulação 2101 em uma das aberturas resulte em um ajuste de pressão se- guro. Em algumas modalidades, os fluidos que passam através dos elemen- tos térmicos 2002, 2004 não precisam estar a uma alta pressão, de modo que um ajuste de pressão leve pode ser suficiente para impedir o vazamento de fluido das conexões. Ajustes de pressão similares podem ser utilizados para conectar as seções de tubulação 2101 nos coletores, tais como os cole- Go 53/60

tores 2006, 2008, 2009, e 2011. Tais ajustes por pressão, com os tubos fle- xíveis 2101 pressionados para dentro de materiais relativamente rígidos utili- zados para os coletores e os elementos térmicos, podem acomodar bem as flutuações de pressão, já que uma pressão mais alta dentro dos tubos flexí- veis 2101 tende a aperfeiçoar a vedação entre os tubos e os receptáculos dentro dos quais os tubos estão inseridos. De preferência os tubos flexíveis 2101 são feitos tão curtos quanto possível, enquanto ainda acomodando as variações de tolerância, de modo a ajudar a maximizar a eficiência do gera- dor termoelétrico 2000 minimizando a perda de calor do fluido mais quente para o ambiente circundante, ou o ganho de calor para o fluido mais frio. Por exemplo, quando uma tubulação de plástico ou de borracha de 12,7 mm (1/2 polegada) é utilizada para os tubos flexíveis 2101, tão pouco quanto 6,35 mm (1/4 polegada) ou menos de tubulação pode ficar exposto entre cada respectivo coletor e elemento térmico. As figuras 26A e 26B ilustram outro método para fazer as cone-

xões entre os fluxos flexíveis 2101 e os elementos térmicos, representados pelo elemento térmico 2601. Nesta modalidade, o elemento térmico 2601 compreende um tubo protuberante substancialmente rígido 2602, sobre o qual uma seção de tubulação flexível 2101 pode estar presa ou de outro modo montada. Por exemplo, o tubo 2602 pode ser um tubo metálico ou plástico que é montado por pressão dentro de uma abertura escalonada no elemento térmico 2601, ou rosqueado dentro de um furo roscado no elemen- to térmico 2601. O tubo 2602 pode incluir serrilhas ou cumes 2603 sobre a sua superfície externa, para agarrar e vedar na tubulação 2101. Se o tubo 2602 e o elemento térmico 2601 forem ambos feitos de metal, estes podem ser feitos do mesmo metal de modo a reduzir a possibilidade de corrosão no sistema. Alternativamente, o tubo 2602 pode ser feito de um polímero, tal como o náilon, o cloreto de polivinila, o acetal, ou outro polímero adequado. Na figura 26A, o tubo 2101 está mostrado apoiado para conexão no tubo 2602. Na figura 26B o tubo 2101 foi montado no tubo 2602, e um grampo 2604 opcional afixado para ajudar a assegurar uma montagem segura e livre de vazamentos. O grampo 2604 exemplar está afixado por crimpagem, mas ei 54/60

muitos outros tipos de grampos são possíveis, incluindo os grampos de mo- la, grampos que são apertados pela utilização de um parafuso, ou outros tipos de grampos.

Tipos similares de conexões podem ser utilizados para conectar os tubos flexíveis 2101 nos coletores de entrada e saída de fluido, tal como os coletores 2006, 2008, 2009, e 2011. Isto é, os tubos 2101 podem ser pressionados, roscados, ou de outro modo inseridos em aberturas nos cole- tores, podem ser montados sobre tubos que projeta dos coletores, com ou sem grampos, ou podem ser conectados em qualquer outro modo adequa- do. Combinações de tipos de conexão podem ser utilizadas. Por exemplo, as conexões nos elementos térmicos podem ser de um tipo, enquanto que as conexões nos coletores podem ser de outro tipo. Os tipos de conexão po- dem também ser misturados dentro das conexões nos elementos térmicos, dentro das conexões nos coletores, ou ambos. As figuras 27A a 27D ilustram diversos modos para fabricar os

coletores tais como os coletores 2006, 2008, 2009, 2011, de acordo com as modalidades da invenção. Na modalidade da figura 27A, um coletor 2701 inclui um segmento de tubo redondo 2702 que está soldado ou brazado den- tro de um tubo quadrado 2703. O tubo redondo 2702 é conveniente, por e- xemplo, para receber um tubo ou mangueira 2704 que em operação supre o fluido para o ou recebe o fluido do coletor 2701. A mangueira ou tubo 2704 pode ser montada por compressão, grampeada, ou de outro modo conecta- da no tubo redondo 2702. De preferência, tubo redondo 2702 e o tubo qua- drado 2703 são feitos do mesmo metal, de modo que o risco de corrosão possa ser reduzido no sistema. O tubo quadrado 2706 também inclui furos laterais 2705 para receber os tubos flexíveis 2101 que conduzem para os seus respectivos elementos térmicos. O número de furos laterais 2705 de- penderá do número de elementos térmicos na pilha de elementos térmicos no gerador termoelétrico específico do qual o coletor 2701 faz parte, e sobre se o coletor é para o primeiro ou o segundo fluido. A extremidade mais dis- tante 2706 do coletor 2701 pode ser plugada tampada, crimpada, ou de ou- tro modo vedada. Gl 55/60

A figura 27B mostra um coletor 2707 de acordo com outra moda- lidade. Nesta modalidade, o coletor 2707 é formado de uma única peça de tubulação, com uma porção redonda 2708 e uma porção quadrada 2709. A transição 2710 entre a porção redonda 2708 e a porção quadrada 2709 pode ser formada, por exemplo, por um processo de forjamento. A porção qua- drada 2609 pode incluir os furos laterais 2711, e pode ser vedada na sua extremidade mais distante 2712.

A figura 27C mostra um coletor 2713 de acordo com outra moda- lidade, o coletor 2713 está mostrado como geralmente fabricado no mesmo modo que o coletor 2701, com um tubo redondo 2714 soldado ou brazado dentro de um tubo quadrado 2715, mas o coletor 2713 pode ser fabricada em qualquer outro modo adequado também. O coletor 2713 inclui tubos late- rais 2716 para receber os tubos flexíveis 2101. Os tubos laterais 2716 po- dem ser, por exemplo, soldados ou brazados na porção quadrada 2715, po- dem ser prensados os roscados dentro de furos na porção quadrada 2715, ou podem ser afixados em qualquer outro modo adequado. Alternativamen- te, o coletor 2713 pode ser moldado de um polímero tal como o náilon, o clo- reto de polivinila, o acetal, ou outro polímero adequado. O tubo redondo 2714, os tubos laterais 2716, ou ambos podem incluir serrilhas ou cumes para facilitar a conexão segura das mangueiras 2704, dos tubos flexíveis 2101, ou ambos.

A figura 27D mostra um coletor de acordo com ainda outra mo- dalidade. O coletor 2717 é feito de um único tubo redondo 2718 com uma extremidade aberta 2719 para receber a mangueira 2704, e uma extremida- de vedada 2720. Os furos laterais 2721 recebem os tubos flexíveis 2101 em qualquer modo adequado conforme necessário.

Apesar de diversos coletores exemplares terem sido descritos, deve ser compreendido que estes são exemplos, e outras disposições que utilizam diferentes combinações de características e técnicas de fabricação podem ser previstas dentro do escopo das reivindicações.

A figura 28 ilustra um gerador termoelétrico 2800 de acordo com outra modalidade exemplar. No gerador termoelétrico 2800 exemplar, exis- 56/60

tem duas pilhas 2801, 2802 de primeiros e segundos elementos térmicos 2002, 2004, e um elemento termoelétrico 2001 entre cada para verticalmente adjacente de primeiros e segundos elementos térmicos em cada pilha. (Os elementos termoelétricos 2001 são visíveis somente por seus condutores 2012 na figura 28). Pares horizontalmente adjacentes de primeiros elemen- tos térmicos 2002 estão acoplados por um tubo 2101, e pares horizontal- mente adjacentes de segundos elementos térmicos 2004 estão do mesmo modo acoplados. De preferência os tubos 2101 são bastante curtos para evitar uma perda de calor radiante ou outra para o ambiente circundante. As posições relativas do primeiro coletor de entrada de fluido 2006 e do segun- do coletor de saída de fluido 2011 estão intercambiadas, se comparado com o gerador mostrado na figura 22. O primeiro fluido 2003 assim flui para den- tro do primeiro coletor de entrada de fluido 2006, flui em série através dos primeiros elementos térmicos 2002, e para fora do primeiro coletor de saída de fluido 2008. Em cada um dos percursos paralelos através dos primeiros elementos térmicos 2002, o fluido passa através de dois primeiros elementos térmicos 2002 em série. O segundo fluido 2005 segue um percurso similar através dos segundos elementos térmicos 2004. A passagem através de um conjunto de primeiros e segundos elementos térmicos 2002, 2004 pode re- duzir o diferencial de temperatura entre o primeiro e o segundo fluidos 2003, 2005 por somente uma pequena quantidade, de modo que passando através de outro conjunto de primeiros e segundos elementos térmicos 2002, 2004 pode ainda produzir uma energia elétrica útil de um módulo termoelétrico sanduichado entre o segundo conjunto. Um gerador termoelétrico na configuração do gerador 2800 pode

ser especialmente adequado para os sistemas que não recirculam os fluidos aquecido ou frio. O gerador 2800 pode produzir mais energia elétrica de uma única passada de fluidos 2003, 2005 através deste se comparado com um gerador com elementos térmicos conectados em série, apesar da eficiência do gerador 2800 poder ser ligeiramente reduzida. Se utilizar os elementos térmicos conectados em série ou não pode ser uma decisão econômica ba- seada em muitos fatores, tal como o custo de módulos termoelétricos 2001, eA 57/60

se o fluido é reciclado para reaquecimento após passar através do gerador termoelétrico, e outros fatores. Alguém versado na técnica reconhecerá que qualquer número prático de colunas conectadas em série de elementos tér- micos pode ser utilizado, e as colunas podem conter qualquer número práti- co de elementos termoelétricos 2001, de tão poucos quanto um e variando para cima. Os módulos termoelétricos 2001 podem ser eletricamente conec- tados em qualquer configuração adequada, incluindo em série, em paralelo, ou em uma combinação de conexões em série e em paralelo.

Apesar de um gerador termoelétrico como aqueles mostrados nas figuras 22 e 28 combinar as saídas elétricas de diversos módulos ter- moelétricos 2001, este tipo de gerador pode ainda produzir poucos watts de energia elétrica utilizável. De acordo com as estatísticas publicadas pela Administração de Informações de Energia nos Estados Unidos, uma resi- dência americana média pode consumir acima de 10.600 quilowatt-hora de energia elétrica por ano. Isso traduz em um consumo de energia contínuo médio de aproximadamente 1.200 watts (W) através de todo o ano. Mesmo se medidas de conservação insignificantes forem implementadas, um gera- dor termoelétrico para uso doméstico seria desejavelmente capaz de produ- zir diversas centenas de watts de potência. A figura 29 mostra um gerador termoelétrico 2900, de acordo

com outra modalidade. No gerador termoelétrico 2900, diversos geradores tais como aqueles mostrados nas figuras 22 e 28 estão adicionalmente co- nectados. Para o propósito de discutir a figura 29, um gerador tal como é mostrado nas figuras 22 e 28 será referido como um "banco". Cada banco provê um diferencial de temperatura para diversos elementos termoelétricos 2001. O gerador termoelétrico 2900 ainda conecta diversos bancos para aumentar adicionalmente a quantidade de energia gerada. Os bancos são montados em uma rede sobre um gabinete 2901, mostrado em vista em cor- te. Os tubos de entrada e de saída dos vários coletores estão assim apre- sentados em uma rede atrás do gabinete 2901.

Os fluidos são providos e recebidos dos coletores de banco a - través de grandes coletores 2902, 2903, 2904, 2905. Os grandes coletores 58/60

2902-2905 podem ser feitos, por exemplo, de tubulação quadrada de 50,8 mm (2 polegadas) com tubos de conexão de mangueira redondos formados, soldados, ou brazados sobre as extremidades. As extremidades inferiores são crimpadas, tampadas, soldadas fechadas, ou de outro modo vedadas.

No exemplo na figura 29, o coletor grande 2902 supre o fluido

aquecido para cada coletor de entrada de fluido aquecido do banco, e o co- letor grande 2903 supre o fluido frio para cada respectivo coletor de entrada de fluido frio do banco. Os coletores grandes 2904 e 2905 recebem o fluido aquecido e o fluido frio respectivamente após os fluidos terem passado atra- vés dos bancos. Os vários fluxos de fluido estão mostrados somente por se- tas na figura 29. Nenhuma tubulação ou encanamento está mostrado, de modo a não obscurecer as interconexões. Alguém versado na técnica reco- nhecerá que tubos, mangueiras, ou canos podem ser utilizados para fazer as conexões reais, e que os coletores grandes 2903-2905 serão de preferência posicionados próximos dos bancos de modo a minimizar a perda de energia térmica utilizável. Utilizando a disposição de gabinete da figura 29, muitos bancos, que compreendem muitos módulos termoelétricos, podem ser termi- camente conectados. Os condutores 2012 dos vários módulos termoelétricos podem ser convenientemente eletricamente conectados, de modo que o sis- tema é escalável para produzir grandes quantidades de energia. (As interco- nexões elétricas não estão mostradas nas figuras).

Os bancos na figura 29 estão configurados para uma troca de calor de fluido "paralelo", com todas as entradas nos lados inferiores dos bancos, e todas as saídas nos lados superiores dos bancos. Nesta disposi- ção, todo o fluxo de fluido através dos elementos térmicos é (diagonalmente) ascendente, e o aprisionamento de ar dentro dos elementos térmicos pode ser minimizado ou evitado. O ar aprisionado dos elementos térmicos pode reduzir a eficiência de transferência de calor entre os respectivos fluidos e elementos térmicos, e finalmente reduz a energia disponível do gerador ter- moelétrico.

Um gerador termoelétrico tal como o gerador termoelétrico 2100, 2800, ou 2900 pode ser especialmente adequado para utilização quando 6é 59/60

fontes de baixo custo de fluidos quente e frio estão disponíveis. Por exem- plo, a figura 30 ilustra a utilização do gerador termoelétrico 2100 em um sis- tema 3000 em que um fluido é aquecido utilizando a energia solar, e outro fluido é resfriado utilizando um Ioop de tubulação acoplado na terra.

No sistema 3000, um coletor solar 3001 concentra a energia que

vem do sol 3004 por sobre um tubo 3003 que carrega um fluido tal como a água ou um óleo. O coletor solar 3001 pode ser acionado por um motor 3002 ou outro atuador para acompanhar o sol durante o dia, para um coletamento de energia ótimo. Alguém versado na técnica reconhecerá que outros tipos de coletores solares podem ser utilizados além do coletor do tipo de calha de concentração 3001. O fluido dentro do tubo 3003 aquece um reservatório 3005. De preferência, o reservatório 3005 está cheio com água, a qual tem boas características de armazenamento térmico e é econômica, apesar de outros meios poderem ser utilizados. O fluido do reservatório 3006 pode ser circulado diretamente através do tubo 3003, ou pode ser aquecido indireta- mente, tal como por um trocador de calor que extrai o calor do fluido dentro do tubo 3003 e transmite-o para o fluido dentro do reservatório 3005. De pre- ferência, o fluido dentro do reservatório 3005 é circulado através do gerador termoelétrico 2100, provendo o lado "quente" de um diferencial de tempera- tura do qual o gerador termoelétrico 2100 gera a energia elétrica.

Apesar do gerador termoelétrico 2100 ser apresentado na figura como um simples bloco, será reconhecido que este pode incluir os com- ponentes mostrados na figura 21, incluindo múltiplos módulos termoelétricos, elementos térmicos, coletores, e tubulação flexível. No sistema 3000, o lado frio do diferencial de temperatura é pro-

vido por um fluido, de preferência a água, que é esfriada utilizando um Ioop de tubulação acoplado em terra 3006. Tal Ioop se aproveita do fato de que em profundidades suficientes, a temperatura de solo subterrâneo permanece relativamente constante através de todo o ano. Por exemplo, em algumas partes dos Estados Unidos, a temperatura subterrânea pode ser de aproxi- madamente 12 a 14°C (54 a 57°F). Um Ioop acoplado na terra suficiente- mente longo descarregará para a terra o calor acumulado pelo fluido frio du- rante a geração de eletricidade no gerador termoelétrico 2100, resfriando o fluido de modo que este possa mais uma vez prover o lado frio do diferencial de temperatura explorado pelo gerador termoelétrico 2100. Tanto o fluido quente quanto o fluido frio e o fluido dentro do tubo 3003 podem ser circula- dos por bombas não mostradas na figura 30.

A energia elétrica é assim gerada e está disponível nos conduto- res 3007 do gerador termoelétrico 2100. Múltiplos módulos termoelétricos dentro do gerador termoelétrico 2100 podem ser conectados em série, em paralelo, ou em uma combinação de conexões em série e em paralelo para prover energia que tenha uma voltagem apropriada, uma corrente, ou outras características. Um ou mais componentes do sistema podem ser configurá- veis para ajustar a quantidade ou o caráter da energia disponível. Por exem- plo, uma chave-matriz pode ser provida que configura as interconexões elé- tricas dos módulos termoelétricos ou dos bancos de tais módulos incluídos no gerador termoelétrico 2100. Tais componentes configuráveis, que incluem uma chave-matriz, estão acima descritos.

A invenção foi agora descrita em detalhes para os propósitos de clareza e compreensão. No entanto, será apreciado que certas mudanças e modificações podem ser praticadas dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o gerador termoelétrico compreendendo: uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termo- elétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelé- trico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre o seu respectivo lado e segundo lado; uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais calor é fornecido por um primeiro fluido; uma pluralidade de segundos elementos térmicos dos quais ca- lor é removido por um segundo fluido; e em que os primeiros e segundos elementos térmicos são dispos- tos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados tendo um da pluralidade de módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiros e segundos elementos térmicos, cada módulo termoelétrico em contato no seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato no seu segundo lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contate mais do que um dos módulos termoelétricos; e em que o gerador termoelétrico é orientado de modo que am- bos os fluidos fluem através de seus respectivos elementos térmicos em uma direção diagonalmente ascendente.

2. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 1, em que cada um dos primeiros e segundos elementos térmicos é um bloco feito de um material termicamente condutivo, cada bloco compreendendo ainda uma passagem através do bloco através da qual o respectivo fluido flui.

3. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 2, em que cada bloco é geralmente retangular, e em que cada passagem atraves- sa o seu respectivo bloco geralmente diagonalmente.

4. Gerador termoelétrico para gerar energia elétrica de uma dife- rença de temperatura, de acordo com a reivindicação 2, em que cada pas- sagem compreende uma porção de entrada em cada extremidade da passa- gem, cada porção de entrada sendo geralmente cilíndrica e de uma dimen- são maior do que a porção média da passagem.

5. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 1, em que os primeiros e segundos elementos térmicos são mecanicamente inter- cambiáveis.

6. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 1, com- preendendo ainda: uma primeira tubulação de entrada de fluido que distribui o pri- meiro fluido para os primeiros elementos térmicos; uma primeira tubulação de saída de fluido que coleta o primeiro fluido a partir dos primeiros elementos térmicos; uma segunda tubulação de entrada de fluido que distribui o se- gundo fluido para os segundos elementos térmicos; e uma segunda tubulação de saída de fluido que coleta o segundo fluido a partir dos segundos elementos térmicos.

7. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 6, com- preendendo ainda um ou mais tubos flexíveis, pelo menos um dos tubos co- nectando cada uma das tubulações com cada um de seus respectivos pri- meiros ou segundos elementos térmicos.

8. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 7, em que pelo menos um dos tubos flexíveis é encaixado por pressão dentro de sua respectiva tubulação e elemento térmico.

9. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos um dentre o primeiro fluido e o segundo compreende água.

10. Gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o gerador termoelétrico compreendendo: uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termo- elétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelé- trico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre seu respectivo primeiro lado e segundo lado; uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais calor é fornecido por um primeiro fluido fluindo através de uma passagem de primeiro elemento em cada primeiro elemento térmico, cada passagem de primeiro elemento térmico definida através de furos de sobreposição esten- dendo-se a partir de uma periferia do respectivo primeiro elemento térmico; e uma pluralidade de segundos elementos térmicos a partir dos quais calor é removido através de um segundo fluido fluindo através de uma passagem de segundo elemento em cada segundo elemento térmico, cada passagem de segundo elemento térmico definida através de furos de sobre- posição estendendo-se a partir de uma periferia do respectivo segundo ele- mento térmico; em que cada elemento termoelétrico contata um dos primeiros elementos térmicos e um dos segundos elementos térmicos.

11. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 10, em que os primeiros e segundos elementos térmicos são dispostos em uma pi- lha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados tendo um da pluralidade de módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo elementos térmicos, cada módulo termoelétrico em contato em seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato em seu segundo lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contate mais do que um dos módulos termoelétricos; e em que o gerador termoelétrico é orientado de modo que ambos os fluidos fluem através de seus respectivos elementos térmicos em uma direção ascendente.

12. Gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o gerador termoelétrico compreendendo: uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termo- elétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelé- trico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre seu respectivo primeiro lado e segundo lado; uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais calor é fornecido através de um primeiro fluido via um tubo flexível encaixado por pressão dentro de seu respectivo primeiro elemento térmico; e uma pluralidade de segundos elementos térmicos a partir dos quais calor é removido através de um segundo fluido via um tubo flexível encaixado por pressão dentro de seu respectivo segundo elemento térmico; em que cada elemento termoelétrico contata um dos primeiros elementos térmicos e um dos segundos elementos térmicos.

13. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 12, em que os primeiros e segundos elementos térmicos são dispostos em uma pi- lha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados tendo um da pluralidade de módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo elementos térmicos, cada módulo termoelétrico em contato em seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato em seu segundo lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contate mais do que um dos módulos termoelétricos; e em que o gerador termoelétrico é orientado de modo que ambos os fluidos fluem através de seus respectivos elementos térmicos em uma direção ascendente.

14. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 12, em que cada tubo flexível é encaixado por pressão dentro de uma porção de entrada cilíndrica de seu respectivo primeiro ou segundo elemento térmico.

15. Gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o gerador termoelétrico compreendendo uma pluralidade de bancos, cada banco compreendendo: uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termo- elétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelé- trico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de temperatura entre seus respectivos primeiro lado e segundo lado; uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais calor é fornecido através de um primeiro fluido; uma pluralidade de segundos elementos térmicos a partir dos quais calor é removido através de um segundo fluido; uma primeira tubulação de entrada de fluido que distribui o pri- meiro fluido para os primeiros elementos térmicos; uma primeira tubulação de saída de fluido que coleta o primeiro fluido a partir dos primeiros elementos térmicos; uma segunda tubulação de entrada de fluido que distribui o se- gundo fluido para os segundos elementos térmicos; e uma segunda tubulação de saída de fluido que coleta o segundo fluido a partir dos segundos elementos térmicos; em que cada elemento termoelétrico contata um dos primeiros elementos térmicos e um dos segundos elementos térmicos; e em que os bancos são dispostos em uma matriz de bancos e são conectados eletricamente e termicamente para formar um gerador ter- moelétrico escalável.

16. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 15, compreendendo ainda: uma tubulação de fornecimento de primeiro fluido que fornece o primeiro fluido para todas as tubulações de entrada de primeiro fluido dos bancos; uma tubulação de recebimento de primeiro fluido que recebe o primeiro fluido a partir de todas as tubulações de saída de primeiro fluido dos bancos; uma tubulação de fornecimento de segundo fluido que fornece o segundo fluido para todas as tubulações de entrada de segundo fluido dos bancos; e uma tubulação de recebimento de segundo fluido que recebe o segundo fluido a partir de todas as tubulações de saída de segundo fluido dos bancos.

17. Gerador termoelétrico, de acordo com a reivindicação 15, em que, dentro de cada banco, os primeiros e segundos elementos térmicos são dispostos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alter- nados tendo um da pluralidade de módulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo elementos térmicos, cada módulo termoe- létrico em contato em seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato em seu segundo lado com um dos segundos elemen- tos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico con- tate mais do que um dos módulos termoelétricos;

18. Método para fabricar um gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o método compre- endendo: proporcionar uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termoelétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelétrico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferen- ciai de temperatura entre o seu respectivo primeiro lado e segundo lado; proporcionar uma pluralidade de primeiros elementos térmicos configurada para receber calor de um primeiro fluido; proporcionar uma pluralidade de segundos elementos térmicos configurada para ser resfriada por um segundo fluido; dispor o primeiro e o segundo elementos térmicos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados tendo um dos mó- dulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo ele- mentos térmicos, cada módulo termoelétrico em contato sobre o seu primei- ro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato sobre o seu segundo lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que ne- nhuma face de nenhum elemento térmico contate mais do que um dos mó- dulos termoelétricos; e orientar o gerador termoelétrico de modo que os primeiro e se- gundo fluidos fluem através de seus respectivos primeiros e segundos ele- mentos térmicos em uma direção ascendente.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, compreendendo ainda: proporcionar uma primeira tubulação de entrada de fluido confi- gurada para receber o primeiro fluido e distribuí-lo para a pluralidade de pri- meiros elementos térmicos; proporcionar uma segunda tubulação de entrada de fluido confi- gurada para receber o segundo fluido e distribuí-lo para a pluralidade de se- gundos elementos térmicos; proporcionar uma primeira tubulação de saída de fluido configu- rada para receber o primeiro fluido a partir da pluralidade de primeiros ele- mentos térmicos e carregar o primeiro fluido para longe do gerador termoelé- tricô; e proporcionar uma segunda tubulação de saída de fluido configu- rada para receber o segundo fluido a partir da pluralidade de segundos ele- mentos térmicos e carregar o segundo fluido para longe do gerador termoe- létrico.

20. Método para fabricar um gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o método compre- endendo: proporcionar uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo termoelétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, e cada módulo termoelétrico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferen- cial de temperatura entre o seu respectivo primeiro lado e segundo lado; proporcionar uma pluralidade de primeiros elementos térmicos configurada para receber calor de um primeiro fluido; formar uma passagem de primeiro elemento em cada primeiro elemento térmico para receber o primeiro fluido, cada passagem de primeiro elemento definida através de furos de sobreposição estendendo-se a partir de uma periferia do respectivo primeiro elemento térmico; proporcionar uma pluralidade de segundos elementos térmicos configurada para ser resfriada por um segundo fluido; formar uma passagem de segundo elemento em cada segundo elemento térmico para receber o segundo fluido, cada passagem de segun- do elemento definida através de furos de sobreposição estendendo-se a par- tir de uma periferia do respectivo segundo elemento térmico; e posicionar cada elemento térmico em contato com um primeiro elemento térmico e com um segundo elemento térmico.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20, compreendendo ainda: dispor o primeiro e o segundo elementos térmicos em uma pilha de primeiros e segundos elementos térmicos alternados tendo um dos mó- dulos termoelétricos entre cada par adjacente de primeiro e segundo ele- mentos térmicos, cada módulo termoelétrico em contato em seu primeiro lado com um dos primeiros elementos térmicos e em contato em seu segun- do lado com um dos segundos elementos térmicos de modo que nenhuma face de nenhum elemento térmico contate mais do que um dos módulos termoelétricos; e orientar o gerador termoelétrico de modo que os primeiro e se- gundo fluidos fluem através de seus respectivos primeiros e segundos ele- mentos térmicos em uma direção ascendente.

22. Método para fabricar um gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o método compre- endendo: proporcionar uma pluralidade de primeiros elementos térmicos configurada para receber calor de um primeiro fluido; proporcionar uma pluralidade de segundos elementos térmicos configurada para ser resfriada por um segundo fluido; posicionar cada elemento térmico em contato com um primeiro elemento térmico e com um segundo elemento térmico; proporcionar uma pluralidade de tubos flexíveis para entregar os primeiro e segundo fluidos para os primeiros e segundos elementos térmi- cos; e conectar pelo menos um tubo flexível a cada primeiro e segundo elemento térmico através de encaixe por pressão de uma extremidade do tubo flexível dentro de uma porção de entrada cilíndrica do respectivo primei- ro ou segundo elemento térmico.

23. Método para fabricar um gerador termoelétrico para gerar energia elétrica a partir de uma diferença de temperatura, o método compre- endendo: proporcionar uma pluralidade de bancos, cada banco compreen- dendo: uma pluralidade de módulos termoelétricos, cada módulo ter- moelétrico tendo um primeiro lado e um segundo lado, cada módulo termoe- létrico gerando energia elétrica quando sujeito a um diferencial de tempera- tura entre seus respectivos primeiro lado e segundo lado; uma pluralidade de primeiros elementos térmicos para os quais calor é fornecido por um primeiro fluido; uma pluralidade de segundos elementos térmicos dos quais calor é removido por um segundo fluido; uma primeira tubulação de entrada de fluido que distribui o pri- meiro fluido para os primeiros elementos térmicos; uma primeira tubulação de saída de fluido que coleta o primeiro fluido a partir dos primeiros elementos térmicos; uma segunda tubulação de entrada de fluido que distribui o se- gundo fluido para os segundos elementos térmicos; e uma segunda tubulação de saída de fluido que coleta o segun- do fluido a partir dos segundos elementos térmicos; em que cada elemento termoelétrico contata um dos primeiros elementos térmicos e um dos segundos elementos térmicos; e dispor os bancos em uma matriz de bancos e são conectadas eletricamente e termicamente para formar um gerador termoelétrico escalá- vel.

24. Método, de acordo com a reivindicação 23, compreendendo ainda: proporcionar uma tubulação de fornecimento de primeiro fluido que fornece o primeiro fluido para todas as tubulações de entrada de primei- ro fluido dos bancos; proporcionar uma tubulação de recebimento de primeiro fluido que recebe o primeiro fluido a partir de todas as tubulações de saída de pri- meiro fluido dos bancos; proporcionar uma tubulação de fornecimento de segundo fluido que fornece o segundo fluido para todas as tubulações de entrada de se- gundo fluido dos bancos; e proporcionar uma tubulação de recebimento de segundo fluido que recebe o segundo fluido a partir de todas as tubulações de saída de se- gundo fluido dos bancos.