ES2931217B2 - Dispositivo y generador termoelectrico - Google Patents

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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO Y GENERADOR TERMOELÉCTRICO
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía calorífica en electricidad, y viceversa, por causa de los efectos Seebeck y Peltier. En particular, la presente invención se engloba dentro del sector de la generación de electricidad por medio de dispositivos de aprovechamiento del efecto termoeléctrico. Más en particular, la presente invención está dirigida a un dispositivo termoeléctrico y a diferentes modalidades de generadores termoeléctricos que incluyen el dispositivo termoeléctrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde el descubrimiento, a principios del siglo XIX, del primer efecto termoeléctrico (Seebeck)la ciencia de la termoelectricidad ha evolucionado considerablemente hasta dar lugar al desarrollo de numerosos dispositivos que aprovechan los efectos termoeléctricos para diversas aplicaciones en diferentes campos. Así, existen aplicaciones de medición de temperatura (termopares), generación de potencia (termopila, generadores termoeléctricos), recuperación dewaste heat(por ejemplo en tubos de escape de vehículos o en tuberías y circuitos de refrigeración de centrales térmicas), control de temperatura (refrigerador/célula Peltier), hasta modernos termocicladores que utilizan tecnología Peltier para beneficiarse de las propiedades de los materiales semiconductores, o incluso aplicaciones espaciales para alimentación eléctrica de sondas y equipamiento de satélites artificiales.
Como denominador general, desde dicha concepción de latermoelectricidad,los diferentes desarrollos han buscado aumentar el rendimiento de la conversión que realiza un sistema termoeléctrico, es decir, la relación entre el flujo de calor y diferencia de potencial a través del material.
En particular, para incrementar la eficiencia y rendimiento de los diferentes dispositivos termoeléctricos, diversos desarrollos se dirigen a intentar la optimización de la Figura de mérito (ZT) mediante la disminución de la conductividad térmica del material termoeléctrico sin disminuir las prestaciones eléctricas. Para ello recientemente se han desarrollado complejas tecnologías de deposición de nanopartículas omaskingsobre láminas delgadas de material termoeléctrico para dar lugar a dispositivos nanoestructurados, o retículas nanométricas, que permitan modificar el transporte de fonones en el material, y con ello disminuir su conductividad térmica.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone una solución para incrementar la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico mediante un dispositivo termoeléctrico según la reivindicación 1, y un generador termoeléctrico según la reivindicación 25. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.
En un primer aspecto inventivo se define un dispositivo termoeléctrico que comprende:
- una primera lámina dispuesta sobre una primera porción de sustrato;
- una segunda lámina dispuesta sobre una segunda porción de sustrato;
- dos capas aislantes eléctricamente, estando cada capa configurada para intercambiar calor con un foco térmico, respectivamente; y
- cuatro contactos eléctricos;
en donde la primera porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;
en donde la segunda porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;
en donde la primera lámina es una lámina de material termoeléctrico, de conductividad eléctrica tipo n o de tipo p, y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente, y en donde el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;
en donde la segunda lámina es una lámina de material termoeléctrico, de tipo opuesto al de la primera lámina, y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente, y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;
en donde dos contactos eléctricos están dispuestos sobre la primera lámina, estando cada contacto eléctrico dispuesto próximo a un extremo de dicha primera lámina, respectivamente;
en donde los otros dos contactos eléctricos están dispuestos sobre la segunda lámina, estando cada contacto eléctrico dispuesto próximo a un extremo de dicha segunda lámina, respectivamente;
en donde el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato.
En cuanto a la nomenclatura utilizada a lo largo del texto, se entenderá que el término lámina hace referencia al componente del dispositivo termoeléctrico compuesto del material termoeléctrico. En relación con la naturaleza de dicho material termoeléctrico del que están compuestas las láminas del dispositivo termoeléctrico de la invención, el experto en la materia entenderá que puede tratarse de material termoeléctrico de conductividad eléctrica tipo "p” o tipo "n”. Es decir, se entenderá que si el material termoeléctrico es de tipo "p”, se tratará de un material en el que los portadores de carga mayoritarios son positivos ohuecos.Por consiguiente, se entenderá que si el material termoeléctrico es de tipo "n”, se tratará de un material en el que los portadores de carga mayoritarios son los electrones.
Es decir, para el funcionamiento del dispositivo y/o de sucesivos generadores que implementen una pluralidad de dispositivos según la invención, se entenderá que se establecen conexiones entre sucesivas primeras y segundas láminas de manera alternativa, de materiales termoeléctricos de tipos opuestos, respectivamente.
En lo relativo a dichas conexiones, se entenderá que no existen contactos físicos directos entre las distintas láminas. Dicha conexión eléctrica entre láminas se realiza a través de diferentes contactos eléctricos (mediante conectores, cableado y/o mediante los propios contactos eléctricos configurados y/o dimensionados a tal efecto).
En el dispositivo según la invención, el área transversal de las láminas es mucho menor que el del sustrato (i.e., igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato) y, por tanto, su área transversal relativa será pequeña con independencia del área transversal absoluta del dispositivo termoeléctrico.
En una realización particular, dichas láminas tienen un espesor del orden de micrómetros (> 1^m), lo que permite que no existan inhomogeneidades a lo largo del espesor de la lámina que pudiesen provocar fugas eléctricas, al mismo tiempo que permite reducir costes de fabricación.
De acuerdo a la disposición y geometría de los elementos que conforman el dispositivo termoeléctrico, el flujo de calor viaja paralelamente a la superficie de la lámina de material termoeléctrico. Si bien otras configuraciones en el estado de la técnica donde el flujo de calor corre perpendicular al plano de la lámina permiten obtener valores altos de la figura de mérito (ZT), aparece una seria desventaja en esas configuraciones porque ambos lados del dispositivo tienden a alcanzar temperaturas muy similares debido a la pequeña distancia entre las fuentes de mayor y menor temperatura. Este hecho obliga a proporcionar energía adicional para mantener la temperatura del lado del foco de menor temperatura, lo que disminuye drásticamente los valores de eficiencia.
De manera ventajosa, el flujo de calor paralelo a la superficie de la lámina termoeléctrica del dispositivo termoeléctrico de la invención permite evitar este inconveniente, evitando el uso de energía extra, y aumentando así la eficiencia del dispositivo.
Adicionalmente, la disposición de elementos del dispositivo termoeléctrico de la invención permite aumentar la eficiencia mediante un “desacoplamiento” eficaz de los parámetros térmicos y eléctricos. En particular, en estado estacionario y según la ley de Fourier, el flujo de calor establecido entre un foco caliente y un foco frío genera un gradiente de temperatura en un material homogéneo que es inversamente proporcional a la conductividad térmica del material. En el caso particular del dispositivo termoeléctrico de la invención, donde cada una de las primera y segunda láminas se disponen sobre una porción de sustrato aislante térmico (con una conductividad térmica, por tanto, mucho menor que la de las láminas de material termoeléctrico) y eléctrico, y donde el flujo de calor a través de las láminas de material termoeléctrico es paralelo a la superficie las mismas, la conductividad térmica media del sistema depende del área transversal de la lámina y del sustrato. Como el área transversal de las láminas es mucho menor que el área transversal del sustrato (como máximo la décima parte del área transversal del sustrato), el gradiente de temperatura estacionario estará gobernado por la conductividad térmica del sustrato.
El "área transversal” se entenderá como el área de una sección transversal perpendicular al flujo de calor establecido cuando el dispositivo está en uso, es decir, una sección transversal perpendicular a la superficie de la lámina. Así, el área transversal de material termoeléctrico y de sustrato se entenderá como el área aportado, respectivamente, por la(s) lámina(s) de material termoeléctrico y las porciones de sustrato en dicha sección transversal.
Según la presente invención la primera y la segunda porción de sustrato pueden estar implementadas como porciones de un mismo sustrato, o como dos sustratos independientes.
En el caso de dos sustratos independientes, cada uno con una única lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre él, en cada conjunto de sustrato y lámina el área transversal de la lámina es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato. El "área transversal” de la lámina y el sustrato es, respectivamente, el área de la lámina y el sustrato tomada de una sección transversal perpendicular al flujo de calor establecido cuando el dispositivo está en uso, es decir, una sección transversal perpendicular a la superficie de la lámina.
En el caso de un sustrato con más de una lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre él, el área transversal correspondiente a las láminas es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato.
Por otro lado, y dado que el sustrato también es aislante eléctrico, dicho sustrato no afecta a las propiedades de transporte electrónico de las láminas, obteniendo así dicho desacoplamiento efectivo de los transportes térmico y eléctrico en todo el dispositivo termoeléctrico.
En una realización, la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente del primer sustrato. Ventajosamente, en esta realización el flujo de calor se distribuye (en condiciones ideales) a lo largo de cada sustrato, aumentando así la diferencia de temperatura entre sus extremos.
En una realización, el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría de prisma, y la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, está dispuesta sobre una cara de dicho sustrato con geometría de prisma. De manera preferida, la lámina está dispuesta sobre una cara lateral del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.
En una realización en donde el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría de prisma y la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, está dispuesta sobre una cara de dicho sustrato con geometría de prisma, los espesores de dicho sustrato con geometría de prisma y de la lámina dispuesta sobre una cara de dicho sustrato cumplen la siguiente relación:
siendoKsubla conductividad térmica de dicho sustrato con geometría de prisma,ael
espesor de dicho sustrato,Kla conductividad térmica de la lámina dispuesta sobre dicho
sustrato ydel espesor de dicha lámina.
De acuerdo a esta realización, las características térmicas y geométricas del dispositivo termoeléctrico se optimizan de tal manera que se incrementa la diferencia de potencial y potencia de salida que se obtienen, con una mínima reducción de la corriente eléctrica de cortocircuito que fluye a través de la lámina de material termoeléctrico causada por el incremento de la resistencia eléctrica debido al reducido espesor de las mismas.
Adicionalmente, los parámetros de optimización de esta realización particular proporcionan una mayor comodidad desde un punto de vista de selección de materiales y fabricación, al tratarse de una optimización en base a espesores de materiales, y no a la selección/modificación de propiedades térmicas de los mismos.
En una realización, el sustrato con geometría de prisma tiene geometría de prisma recto, y la lámina dispuesta sobre una cara de dicho sustrato tiene geometría rectangular.
En una realización el sustrato con geometría de prisma tiene geometría de prisma rectangular.
En una realización, el contorno de la lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta.
En una realización el sustrato con geometría de prisma tiene un número de caras mayor o igual que 6, es decir, el sustrato tiene 2 bases y un número de caras laterales mayor o igual que 4.
En una realización, el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría cilíndrica; la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, tiene geometría curva; y dicha primera y/o segunda lámina con geometría curva está dispuesta sobre dicho primer y/o segundo sustrato de geometría cilíndrica a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior.
En una realización en la que el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría cilíndrica, la primera y/o la segunda lámina tienen geometría curva, y la lámina de geometría curva está dispuesta sobre el sustrato con geometría cilíndrica a lo largo de un arco de sustancialmente 360°, se cumple la siguiente relación:
dondeKsubes la conductividad térmica de dicho sustrato de geometría cilíndrica,Kes
<la conductividad térmica de la lámina dispuesta sobre dicho sustrato,>Rsub<es el radio>de dicho sustrato, yRTes el radio total del conjunto cilíndrico formado por dicho sustrato y dicha lámina.
Ventajosamente, dicha relación optimiza la potencia del dispositivo, de tal manera que se incrementa la diferencia de potencial con una limitada reducción de la corriente eléctrica de cortocircuito que fluye a través de las láminas de material termoeléctrico causada por el incremento de la resistencia eléctrica debido a la reducida sección transversal de las mismas. En óptimas condiciones, ello permite una potencia de salida similar al caso equivalente de dispositivo en volumen con un ahorro sustancia de material termoeléctrico superior al 90% del dispositivo equivalente en volumen de igual dimensiones que el sustrato.
En realizaciones en las que la primera lámina y la segunda lámina están dispuestas, respectivamente, sobre un primer sustrato y un segundo sustrato, independientes entre sí, las geometrías del primer y el segundo sustrato pueden ser iguales o pueden ser diferentes entre sí. Por ejemplo, los dos sustratos pueden tener una geometría cilíndrica, los dos pueden tener una geometría de prisma o el primer sustrato puede tener una geometría cilíndrica y el segundo sustrato una geometría de prisma.
En una realización, la primera porción de sustrato y la segunda porción de sustrato están implementadas como porciones de un mismo sustrato. En esta realización la primera y la segunda lámina comparten un mismo sustrato y un mismo gradiente de temperatura, dominado por el sustrato al presentar una menor conductividad térmica y mayor área transversal que los materiales termoeléctricos que forman la primera y la segunda lámina
En una realización, el sustrato tiene geometría de prisma, y la primera y segunda lámina están dispuestas cada una sobre una cara diferente de dicho sustrato con geometría de prisma. Ventajosamente, esta realización permite aprovechar varias caras del sustrato para la disposición de láminas de material termoeléctrico. De manera preferida, la primera y segunda lámina están dispuestas sobre caras laterales del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.
En una realización, el sustrato tiene geometría de prisma recto, y al menos una de entre la primera y la segunda lámina tiene geometría rectangular. De manera preferida, la primera y la segunda lámina tienen geometría rectangular.
En una realización el sustrato tiene geometría de prisma rectangular.
En una realización, el dispositivo comprende una tercera lámina de material termoeléctrico de tipo n o de tipo p, y una cuarta lámina de material termoeléctrico del tipo opuesto al de la tercera lámina, en donde la primera y la segunda lámina están dispuestas sobre un par de caras contiguas del sustrato, y en donde la tercera y la cuarta lámina están dispuestas sobre otro par de caras contiguas del sustrato. Las láminas están dispuestas sobre el sustrato sin que exista contacto físico directo entre ellas. Ventajosamente, esta realización permite aprovechar más caras del sustrato para la disposición de láminas de material termoeléctrico. De manera preferida, la tercera y cuarta lámina están dispuestas sobre caras laterales del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.
En una realización el sustrato tiene un número de caras mayor o igual que 6, es decir, el sustrato tiene 2 bases y un número de caras laterales mayor o igual que 4. La utilización de geometrías con más caras para el sustrato permite la deposición de un mayor número de láminas sobre un único sustrato. La conexión en serie y en paralelo de los diferentes pares termoeléctricos del dispositivo permite variar el voltaje final y/o la intensidad de corriente final.
En una realización, el contorno de al menos una lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta. De manera preferida, el contorno de cada lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta.
En una realización, el sustrato tiene geometría cilíndrica; la primera y la segunda lámina tienen geometría curva; y dichas primera y segunda láminas están dispuestas sobre el sustrato a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior.
En una realización, cada una de las primera y segunda láminas de material termoeléctrico cubre un arco próximo inferiormente a 180°.
En una realización el dispositivo comprende una tercera lámina de material termoeléctrico de tipo n o de tipo p, y una cuarta lámina de material termoeléctrico del tipo opuesto al de la tercera lámina, estando la tercera lámina y la cuarta lámina dispuestas sobre el sustrato cilíndrico a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior. Las láminas están dispuestas sobre el sustrato cilíndrico sin que exista contacto físico directo entre ellas.
En una realización, al menos un sustrato comprende vidrio, cuarzo o cerámica.
En una realización en la que existen al menos un primer y un segundo sustrato, cada sustrato comprende un material diferente. Ventajosamente, esta realización permite escoger el material del sustrato en función del tipo de material termoeléctrico de la lámina o las láminas dispuestas sobre el mismo, lo cual permite optimizar la eficiencia del dispositivo termoeléctrico.
En una realización al menos un sustrato está configurado como una carcasa sólida hueca rellena de un gas. En esta realización el área transversal de sustrato es la suma de las áreas transversales ocupadas por cada uno de los elementos que conforman el sustrato. Ventajosamente, en esta realización la conductividad térmica del sustrato es menor que en el caso de un sustrato de material macizo y permite aumentar el gradiente térmico entre el primer y el segundo extremo del sustrato para un mismo flujo de calor constante. En una realización el gas que forma parte del sustrato es aire o un gas inerte, tal como el N2.
En una realización, al menos una lámina de material termoeléctrico comprende al menos uno de entre los siguientes materiales: pirita (FeS2), un tricalcogenuro (como TiS3 o ZrS3), un metal, un semimetal, una aleación metálica como Ni-Cr o Ni-Cu, fósforo negro, o SnSe.
Tradicionalmente, la selección del tipo de material termoeléctrico, especialmente en contexto de generación de electricidad, obedece a un criterio de optimización mediante solución de compromiso entre sus propiedades relativas a la conducción térmica y eléctrica.
Más concretamente, este hecho se pone de manifiesto a través de la expresión de la
Figura de mérito donde S es el coeficiente Seebeck, a la conductividad
eléctrica, y<k>la conductividad térmica, y donde el productoS 2ose conoce como factor de potencia. Es decir, en dicho contexto de generación eléctrica, la potencia útil variará en el mismo sentido que lo haga dicho factor de potencia.
Debido a la relación inversa entre el factor de potencia (conductividad eléctrica) y la conductividad térmica del material termoeléctrico en la Figura de mérito (ZT), tal y como se exponía anteriormente en los Antecedentes de la invención, diversos desarrollos se dirigen a incrementar la eficiencia y rendimiento de los dispositivos termoeléctricos mediante la búsqueda de la disminución de la conductividad térmica del material termoeléctrico, tratando de perjudicar en la menor medida posible a las prestaciones eléctricas del mismo.
Por ello, dichos desarrollos del estado de la técnica utilizan un criterio de selección de material termoeléctrico en el que un material posea simultáneamente una alta conductividad eléctrica y una baja conductividad térmica, característica de los materiales aislantes.
Debido a este hecho, los materiales con un elevado factor de potencia no han podido ser empleados tradicionalmente debido a que las elevadas conductividades térmicas impedían el establecimiento de una diferencia de temperatura adecuada entre ambos extremos.
Ventajosamente, gracias a las propiedades y disposición de elementos que permiten el desacoplamiento efectivo de los fenómenos térmico y eléctrico en el dispositivo de la invención, es decir, de las capas aislantes eléctricamente, así como del sustrato aislante térmicamente, se permite que las láminas de material termoeléctrico de la invención puedan emplear dichos materiales, sacando ventaja del elevado factor de potencia con independencia del valor de la conductividad térmica de estos materiales.
En particular, ejemplos de materiales con elevado factor de potencia que pueden emplearse para las láminas de material termoeléctrico del dispositivo de la invención incluyen los semimetales, como el elemento antimonio o compuestos como el CoS2, o aleaciones metálicas tipo Ni-Cr o Ni-Cu.
Ventajosamente, se proporciona una mayor versatilidad de configuraciones y posibilidades de fabricación al poder combinar estos materiales con los materiales clásicos conocidos en el estado de la técnica en un mismo dispositivo. Ejemplos de estos materiales clásicos incluyen, entre otros: Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe o SiGe.
En particular, la utilización de metales permite un adelgazamiento mayor de la lámina, lo cual permite a su vez la miniaturización de dispositivos y utilización de técnicas de depósito de láminas. Por otra parte, semimetales y aleaciones como Ni-Cr y Ni-Cu permiten espesores mayores de la lámina (esto es, mayores secciones transversales en comparación con la sección transversal del sustrato) y, por tanto, diferentes métodos de fabricación mediante la adhesión de dicha lámina sobre el sustrato. Otros semimetales como C0S2 o aleaciones CoFe ofrecen buenos valores del factor de potencia.
En una realización, cada lámina de un dispositivo termoeléctrico comprende un material diferente.
En una realización, el dispositivo comprende al menos un soporte en contacto con una de las capas aislantes eléctricamente. Preferentemente el dispositivo comprende dos soportes, estando cada soporte en contacto con una de las capas aislantes.
En una realización, al menos un soporte comprende una superficie esencialmente plana.
En un segundo aspecto inventivo se define un generador termoeléctrico que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos de acuerdo con cualquier realización del primer aspecto inventivo.
En una realización, al menos un subconjunto de la pluralidad de dispositivos termoeléctricos está distribuido formando una fila de dispositivos conectados en serie.
En una realización, el generador termoeléctrico comprende varias filas de dispositivos termoeléctricos conectados eléctricamente en serie, en donde dichas filas están conectadas eléctricamente entre sí en paralelo.
En una realización, las filas de dispositivos son sustancialmente paralelas.
En una realización, al menos un subconjunto de la pluralidad de los dispositivos termoeléctricos está distribuidos según una geometría anular.
Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
Figuras 1a-1c En estas figuras se muestran una vista en alzado, otra de perfil y una sección transversal de una realización de una parte de un dispositivo termoeléctrico según la invención, en particular una lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre una porción de un sustrato aislante térmico y eléctrico.
Figura 2 En esta figura se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico dispuestas sobre sendos sustratos aislantes térmicos y eléctricos, según la invención.
Figuras 3a-3b En estas figuras se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría curva dispuestas sobre sendos sustratos aislantes térmicos y eléctricos con geometría cilíndrica, según la invención, y una sección transversal esquemática.
Figuras 4a-4b En estas figuras se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría curva dispuestas sobre un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría cilíndrica, según la invención, y una sección transversal esquemática.
Figuras 5a-5e En estas figuras se muestran vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo a diferentes alturas de una realización del dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría rectangular dispuestas sobre caras opuestas de un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría prismática, según la invención, así como una sección transversal esquemática.
Figura 6a-6e En estas figuras se muestran vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo a diferentes alturas de una realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos pares de láminas de material termoeléctrico con geometría rectangular dispuestas dos a dos sobre caras contiguas de un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría prismática, según la invención, así como una sección transversal esquemática.
Figura 7 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos formando una fila.
Figura 8 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos según una configuración anular.
Figura 9 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos formando varias filas conectadas eléctricamente en paralelo.
Figura 10 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos en filas y columnas.
Figura 11 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos en filas y columnas.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las figuras 1a y 1b muestran una vista en alzado y otra de perfil de una parte de un dispositivo termoeléctrico (10) según una realización de la invención. En particular, por propósitos ilustrativos se muestra un elemento básico que comprende una lámina (16) de material termoeléctrico dispuesta sobre una porción de un sustrato aislante térmico y eléctrico. Más en particular, en esta realización dicha porción de sustrato se implementa como un sustrato (15) con geometría de prisma rectangular, y las figuras 1a y 1b sirven para describir de qué manera, según la invención, se relaciona cada lámina (16) de material termoeléctrico con la porción de sustrato sobre la que está dispuesta. De la misma manera, y en virtud de dicha relación e integración entre elementos, se describe qué efectos beneficiosos se obtienen, y que se pueden trasladar hasta una configuración completa de dispositivo termoeléctrico (10), en donde se comunican distintas láminas (16) de diferentes tipos de material termoeléctrico para generar electricidad.
En particular, se observa que, en esta realización, el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado comprende, en sus posiciones más extremas, dos soportes (11, 12), separados una cierta distancia, configurados para conducir calor y en contacto, cada uno, con una capa (13, 14) aislante eléctricamente.
Dichas capas (13, 14) aislantes eléctricamente están configuradas para intercambiar calor con un foco térmico, y tal y como se puede apreciar en las figuras, están dispuestas respectivamente sobre las superficies internas, es decir, enfrentadas entre sí, de los soportes (11, 12). Dichas capas (13, 14) de la realización mostrada en las figuras 1a y 1b están compuestas por un material aislante eléctricamente y en una realización tienen un espesor del orden de micrómetros (> 1^m), es decir, su espesor es mucho menor que una longitud característica del resto de elementos que conforman el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado.
Aunque en otras realizaciones no es necesaria la presencia de dichos soportes (11, 12) para comunicar energía calorífica al material termoeléctrico del dispositivo (10), en el ejemplo mostrado dichos soportes (11, 12) actúan como fuentes térmicas, introduciendo y evacuando calor desde los puntos más extremos del dispositivo (10) en contacto con las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Más en particular, en la realización mostrada el soporte (11) mostrado en la zona superior actúa como fuente de calor, o foco caliente, y el soporte (12) mostrado en la zona inferior actúa como sumidero de calor, disipador, o foco frío.
Dispuesto entre ambos soportes (11, 12) y en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente se dispone el elemento de material termoeléctrico, en particular una lámina (16) de un material termoeléctrico tipo-n o tipop. En particular, dicha lámina (16) comprende un primer extremo (16.1) conectado a la capa (13) superior, y un segundo extremo (16.2) conectado a la capa (14) inferior.
La lámina (16) está dispuesta, a su vez, sobre el sustrato (15) aislante térmico y eléctrico que también se ubica entre los dos soportes (11, 12), en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. En particular, dicho sustrato (15) comprende un primer extremo (15.1) conectado a la capa (13) superior, y un segundo extremo (15.2) conectado a la capa (14) inferior.
En cuanto a la configuración geométrica y las relaciones dimensionales entre la lámina (16) de material termoeléctrico y el sustrato (15), se observa en las figuras 1a y 1b que en esta realización dicho sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, mientras que la lámina (16) tiene geometría rectangular y está dispuesta sobre el sustrato (15) cubriendo completamente una cara del mismo, es decir, los contornos de dicha lámina (16) y de la cara del sustrato (15) sobre la que se dispone coinciden.
En virtud de la configuración mostrada se consiguen dos efectos ventajosos sinérgicos. Por un lado, el flujo de calor se transmite, entre ambos soportes (11, 12) paralelamente a un plano de la interfaz de acoplamiento entre la lámina (16) y el sustrato (15). Por otro lado, se consigue el desacoplamiento de los efectos eléctricos y térmicos.
Para el desacoplamiento de fenómenos eléctricos, la acción conjunta del sustrato (15), aislante eléctricamente, a lo largo de la cara de la lámina (16) con la que está en contacto, y de ambas capas (13, 14), que permiten la conducción térmica de la lámina (16) con los soportes (11, 12) pero impiden la conducción eléctrica a través de sus respectivos extremos (16.1, 16.2), permite confinar eléctricamente la lámina (16), de tal manera que se garantiza que la potencia termoeléctrica generada procede exclusivamente de la lámina (16) de material termoeléctrico.
Por lo que respecta al desacoplamiento de fenómenos térmicos entre la lámina (16) y el sustrato (15), se consigue gracias a la relación entre las áreas transversales de ambos elementos. En particular, en condiciones térmicas estacionarias entre el foco caliente, es decir, el soporte (11) superior y el foco frío o disipador, es decir, el soporte (12) inferior, la diferencia de temperatura que se establece entre los dos extremos viene determinada por la resistencia térmica total del conjunto lámina (16) más sustrato (15).
Dicha resistencia térmica total se establece por la relación entre las áreas transversales de ambos elementos, es decir, de la lámina (16) y del sustrato (15). En la figura 1c se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de lámina (16) y sustrato (15), donde se ha identificado el área transversal (A) de la lámina (16) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 1c el área transversal (Asub) de sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de la lámina se ha representado sin trama. Debido precisamente a la diferencia de áreas transversales entre la lámina (16) y el sustrato (15), la diferencia de temperatura que se establece queda gobernada por el sustrato (15), y no así por la lámina (16) de material termoeléctrico, la cual, en virtud de la naturaleza de los materiales termoeléctricos presenta una conductividad térmica mayor que la del sustrato (15) y que por ella sola reduciría, por tanto, la diferencia de temperatura en los extremos fríos y caliente, en perjuicio del rendimiento termoeléctrico del dispositivo (10). Es decir, como el área transversal de la lámina (16) es mucho menor, en particular, menor o igual a la décima parte del área transversal del sustrato (15), el gradiente estacionario de temperatura está gobernado por la conductividad térmica del sustrato (15).
Más en particular, en esta realización de geometría plana, con sustrato prismático, este desacoplamiento del gradiente térmico se maximiza cuando los espesores de la lámina (16) y el sustrato (15) cumplen la siguiente relación:
siendoKla conductividad térmica de la lámina (16) de material termoeléctrico,Ksubla
conductividad térmica del sustrato (15),ael espesor del sustrato (15) ydel espesor la lámina (16) de material termoeléctrico.
Por tanto, el ejemplo de realización mostrado en las figuras 1a y 1b de un elemento que forma parte de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención consigue desacoplar de forma efectiva y eficiente los fenómenos de transporte térmico, quedando el gradiente térmico a cargo del sustrato (15) y quedando el transporte electrónico a cargo de la lámina (16) de material termoeléctrico. Así, el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado consigue un mayor rendimiento a la vez que se reduce la cantidad de material termoeléctrico utilizado.
El ejemplo de realización mostrado en las figuras 1a y 1b comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la lámina (16) de material termoeléctrico, cada contacto eléctrico (17, 18) dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha lámina (16), respectivamente. Dichos contactos (17, 18) permitirán la conexión, uno a uno, entre una pluralidad de dispositivos (10) en los que se alterne la naturaleza del material termoeléctrico (tipo-n o tipo-p) empleado para la lámina (16), permitiendo el desarrollo de generadores termoeléctricos escalables en función del número de dispositivos (10) conectados.
La Figura 2 muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención donde se muestran dos elementos como el de las figuras 1a y 1b conectados, dando forma así a un ejemplo completo de dispositivo (10) que comprende una primera lámina (16) dispuesta sobre una primera porción de sustrato y una segunda lámina (160) dispuesta sobre una segunda porción de sustrato. En particular, la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente y separado del primer sustrato.
La primera (16) y la segunda (160) lámina son láminas de material termoeléctrico de tipo opuesto, es decir, el material de la primera lámina (16) es de tipo n, y el de la segunda lámina de tipo p, o viceversa.
En esta realización, el segundo sustrato es idéntico al primer sustrato, estando dispuesto de la misma manera que aquél, entre los focos caliente y frío, es decir, entre el soporte (11) superior y el soporte (12) inferior, y estando en comunicación térmica con ellos, a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente mediante un primer extremo y un segundo extremo del segundo sustrato, respectivamente.
También de la misma manera que el sustrato y la lámina (16), mostrados en las figuras 1a y 1b, la segunda lámina (160) mostrada en la figura 2 está dispuesta sobre el segundo sustrato, quedando ubicada entre los dos soportes (11, 12) y en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente mediante un primer extremo (160.1) y un segundo extremo (160.2) de la segunda lámina (160), respectivamente.
En cuanto a la configuración geométrica y las relaciones dimensionales entre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico y el segundo sustrato, se observa que también son como las mostradas en las figuras 1a y 1 b. En particular, el segundo sustrato tiene geometría de prisma rectangular, mientras que la segunda lámina (160) tiene geometría rectangular y está dispuesta sobre el segundo sustrato cubriendo completamente una cara del mismo, es decir, los contornos de la cara del segundo sustrato sobre la que se dispone la segunda lámina (160) y de dicha segunda lámina (160) coinciden.
El área transversal de la primera lámina (16) es igual o menor que la décima parte del área transversal del primer sustrato y el área transversal de la segunda lámina (160) es igual o menor que la décima parte del área transversal del segundo sustrato. La sección transversal de cada conjunto de lámina (16, 160) y sustrato es como la mostrada esquemáticamente en la figura 1c.
En esta realización de geometría plana, con una lámina por sustrato y siendo la anchura de la lámina igual a la anchura del sustrato sobre el que se encuentra dispuesta, la relación entre áreas transversales de lámina y sustrato depende exclusivamente de la relación entre espesores de lámina y sustrato. La longitud de la lámina (16, 160) es igual a la longitud del sustrato sobre el que se encuentra dispuesta.
Asimismo, para optimizar el desacople entre el gradiente térmico fijado principalmente a través de cada sustrato del transporte electrónico a través de cada lámina (16, 160), en una realización la relación entre sus espesores cumple la siguiente relación. Por un lado, los espesores de la primera lámina (16) y el primer sustrato cumplen la siguiente relación:
siendoK±la conductividad térmica de la primera lámina (16),Ksub lla conductividad
térmica del primer sustrato,a ±el espesor del primer sustrato yd ±el espesor de la primera lámina (16).
Por otro lado, los espesores de la segunda lámina (160) y el segundo sustrato cumplen la siguiente relación:
siendok 2la conductividad térmica de la segunda lámina (160),Ksub,2la conductividad
térmica del segundo sustrato,a 2el espesor del segundo sustrato yd 2el espesor de la segunda lámina (160).
Tal y como se indicaba, el material termoeléctrico de la primera (16) y de la segunda (160) lámina son diferentes. En particular, en esta realización la primera lámina (16) es de material de tipo n, y la segunda lámina (160) es de material de tipo p. De cara al aprovechamiento del fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, se observa que la segunda lámina (160) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) dispuestos, de la misma manera que ocurre con los contactos eléctricos (17, 18) de la primera lámina (16), próximos a cada extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. Se observa además que un contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado con un contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160), quedando libres en la realización mostrada los respectivos contactos eléctricos (18, 180) opuestos de cada lámina (16, 160).
Por propósitos ilustrativos, dichos contactos eléctricos (18, 180) libres se muestran proyectando una determinada longitud desde el límite geométrico del soporte (12) para indicar que a través de dichos contactos (18, 180) se pueden establecer conexiones eléctricas, tal como con elementos externos al dispositivo o con dispositivos termoeléctricos (10) adyacentes.
Al igual que los materiales termoeléctricos de la primera (16) y la segunda (160) lámina son diferentes, los materiales del primer y el segundo sustrato también pueden ser diferentes con el fin de optimizar la relación entre espesores y conductividades anteriormente descrita.
Aunque en las realizaciones mostradas en las figuras 1a, 1b y 2 los sustratos están configurados con una geometría de prisma rectangular, el sustrato del dispositivo (10) según la invención puede estar configurado con otras geometrías. En la figura 3a se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención que comprende dos sustratos (15, 150) independientes que tienen geometría cilíndrica.
En esta realización el dispositivo (10) comprende dos láminas (16, 160) de material termoeléctrico con geometría curva, estando dispuesta cada lámina (16, 160) sobre una correspondiente primera y segunda porción de sustrato, las cuales, como se puede observar, están implementadas como un primer sustrato (15) con geometría cilíndrica, y como un segundo sustrato (150) con geometría cilíndrica, respectivamente. En la figura se observan los dos sustratos (15, 150) de geometría cilíndrica, con una lámina (16, 160) de material termoeléctrico dispuesta en la superficie exterior de cada sustrato (15, 150), a lo largo de un determinado arco. El arco cubierto por cada lámina (16, 160) puede corresponder a una porción de la superficie exterior o a toda la superficie exterior del sustrato (15, 150) cilíndrico sobre el que está dispuesta. La disposición de una lámina (16, 160) de material termoeléctrico a lo largo de toda la superficie externa de un sustrato (15, 150) permite optimizar el uso total del área efectiva de dicho sustrato (15, 150) aislante térmico y eléctrico.
El área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 3b se representa esquemáticamente una sección transversal de los dos conjuntos de lámina y sustrato del dispositivo de la figura 3a, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub,1, Asub,2) de los sustratos (15, 150). En la figura 3b el área transversal (Asub,1, Asub,2) de los sustratos se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área transversal de sustrato es el área (Asub) aportado por los dos sustratos (Asub=Asub,1+Asub,2) en dicha sección transversal. Se cumple además para cada conjunto de sustrato y lámina que el área transversal de la lámina es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato.
El ejemplo de realización del dispositivo (10) mostrado en la figura 3a comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Además, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. Tal y como ocurría en el ejemplo de realización mostrado en la figura 2, el material termoeléctrico de la primera (16) y de la segunda (160) lamina son diferentes. En particular, en esta realización la primera lámina (16) es de material de tipo n, y la segunda lámina (160) es de material de tipo p. De cara al aprovechamiento del fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, un contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado a un contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160).
Al igual que los materiales termoeléctricos de la primera (16) y la segunda (160) lámina son diferentes, los materiales del primer y el segundo sustrato también pueden ser diferentes con el fin de optimizar la optimizar la eficiencia del dispositivo termoeléctrico.
En una realización en la que la primera (16) y/o la segunda (160) lámina está dispuesta cubriendo un arco de 360° sobre la superficie del correspondiente sustrato (15, 150), se cumple:
dondeKes la conductividad térmica de la lámina (16, 160) termoeléctrica,Ksubla
conductividad térmica del sustrato (15, 150),Rsubel radio del sustrato (15, 150), yRTel radio total del conjunto cilindrico formado por el sustrato (15, 150) y al menos una lámina (16, 160) dispuesta sobre su superficie.
En la figura 4a se muestra otro ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención. Como en la realización de la figura 3a, en esta realización se muestra un sustrato (15) aislante térmico y eléctrico configurado con una geometría cilindrica, y el dispositivo (10) comprende una primera lámina (16) y una segunda lámina (160) de material termoeléctrico, ambas láminas (16, 160) con geometría curva. Sin embargo, a diferencia de la realización de la figura 3a, en la realización de la figura 4a la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) están dispuestas ambas sobre sendas porciones de un mismo sustrato (15), cada una a lo largo de un determinado arco de la superficie exterior de dicho sustrato (15). La primera lámina (16) y la segunda lámina (160) son una de tipo n y otra de tipo p y están dispuestas sobre el sustrato (15) sin que exista contacto físico entre ellas para evitar conexiones eléctricas incontroladas entre ambas láminas (16, 160). Para establecer una comunicación eléctrica y aprovechar el fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, al igual que ocurría con los ejemplos de realización de dispositivos termoeléctricos (10) mostrados en las figuras 2 y 3a, el dispositivo (10) mostrado en la figura 4a comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16), donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Por otro lado, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160), donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente.
El área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 4b se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de la figura 4a, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 4b el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato en dicha sección transversal.
En una realización cada una de la primera (16) y la segunda (160) lámina cubre un arco próximo inferiormente a 180°. En otras realizaciones, el dispositivo (10) puede incluir más de dos láminas termoeléctricas dispuestas a lo largo de la superficie exterior del sustrato (15) y sin establecer contacto físico entre sí.
Las figuras 5a y 5b muestran una vista en perspectiva y otra de perfil de un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) que comprende una primera (16) y una segunda (160) lámina, dispuestas ambas láminas (16, 160) sobre sendas porciones de sustrato implementadas como un mismo sustrato (15). En particular, cada lámina (16, 160) está compuesta de un material termoeléctrico de tipo opuesto. Es decir, el material de la primera lámina (16) es un material de tipo n, y el de la segunda lámina (160) es un material de tipo p. Al igual que en las figuras 1a y 1b, se observa que en esta realización el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado comprende, en sus posiciones más extremas, dos soportes (11, 12), separados una cierta distancia, configurados para conducir calor y en contacto, cada uno, con una capa (13, 14) aislante eléctricamente.
Al igual que en la figura 4a, y tal y como se indica anteriormente, la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) están dispuestas ambas sobre un mismo sustrato (15), Sin embargo, en este caso, el sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, y la primera (16) y la segunda (160) lámina tienen geometría rectangular. Las láminas (16, 160) están dispuestas sobre caras opuestas del sustrato (15), cada lámina (16, 160) cubriendo completamente la cara sobre la que está dispuesta.
De la misma manera que en la figura 4a, para establecer una comunicación eléctrica y aprovechar el fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, el dispositivo (10) mostrado en las figuras 5a y 5b comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Por otro lado, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. En la figura 5c se muestra una vista en planta en la que, por propósitos ilustrativos, se ha omitido mostrar tanto el soporte (11) superior, como la capa (13) aislante eléctricamente superior. Así, se permite la visualización de las conexiones establecidas entre la primera (16) y la segunda (160) lámina. En particular, se observan conexiones eléctricas (19) conectadas a los correspondientes contactos eléctricos (17, 170) más cercanos a la parte superior del dispositivo. De la misma manera, en la figura 5d se proporciona una vista en planta en la que se ha truncado el cuerpo del dispositivo por un plano perpendicular a las láminas por una sección a una altura intermedia entre las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Así, se proporciona una vista de las conexiones eléctricas (19’) previstas para la conexión con dispositivos termoeléctricos adicionales o con dispositivos de otro tipo. Así, mediante conexiones eléctricas (19, 19’) como las mostradas esquemáticamente en las figuras 5a-5d pueden conectarse eléctricamente la primera (16) y la segunda (160) láminas entre sí, así como conectarse eléctricamente con dispositivos termoeléctricos adicionales o con dispositivos de otro tipo.
En el dispositivo de las figuras 5a-5d el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 5e se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de las figuras 5a-5d, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 5e el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas (16, 160) de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato (15) en dicha sección transversal.
Las figuras 6a - 6d muestran respectivamente vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo (10) a diferentes alturas de un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) similar al de las figuras 5a - 5d, pero en donde, en este caso, el dispositivo (10) comprende cuatro láminas (16, 160, 16’ ,160’) de material termoeléctrico. Como en los ejemplos de las figuras 4a y 4b, existe un único sustrato (15) aislante térmico y eléctrico. Dicho sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, y las cuatro láminas (16, 160, 16’ ,160’) tienen geometría rectangular, disponiéndose cada una sobre una cara del sustrato (15). Sin embargo, en esta ocasión, tal y como se puede observar, cada lámina (16, 160, 16’, 160’) cubre solo parcialmente la cara del sustrato (15) sobre la que está dispuesta. Además, los pares de láminas (16, 160, 16’ ,160’) de materiales de tipos opuestos se disponen en caras contiguas para facilitar su conexión. En particular, tal y como se puede observar, la primera lámina (16) dispuesta en la cara frontal del sustrato (15) es de un material de tipo n, mientras que su par de tipo p es la segunda lámina (160) dispuesta sobre la cara lateral derecha según se observa en la figura 6a. La tercera lámina (16’), compuesta de un material de tipo p, está conectada a su par de tipo n, es decir, la cuarta lámina (160’). En las secciones transversales mostradas como figuras 6c y 6d se aprecia la disposición de las cuatro láminas (16, 16’, 160, 160’). Las cuatro láminas (16, 16’, 160, 160’) están dispuestas sobre el sustrato (15) sin que exista contacto físico directo entre las distintas láminas.
En las figuras se observan dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16), dos contactos eléctricos (170, 180) dispuestos sobre la segunda lámina (160), dos contactos eléctricos (17’, 18’) dispuestos sobre la tercera lámina (16’) y dos contactos eléctricos (170’, 180’) dispuestos sobre la cuarta lámina (160’), estando cada contacto eléctrico próximo a un extremo de la lámina correspondiente. En la figura 6c se proporciona una vista en planta en la que, por propósitos ilustrativos, se ha omitido mostrar tanto el soporte (11) superior, como la capa (13) aislante eléctricamente superior. Así, se permite la visualización de las conexiones establecidas entre las diferentes láminas, dos a dos, en particular entre la primera (16) y la segunda (160) lámina y entre la tercera (16’) y la cuarta (160’) lámina, respectivamente. En particular, se observa que unas conexiones eléctricas (19) están conectadas a los correspondientes contactos eléctricos más cercanos a la parte superior del dispositivo. De la misma manera, en la figura 6d se proporciona una vista en planta en la que se ha truncado el cuerpo del dispositivo por un plano perpendicular a las láminas por una sección a una altura intermedia entre las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Así, se proporciona una vista de las conexiones establecidas entre las diferentes láminas, dos a dos, en particular entre la primera (16) y la cuarta (160’) lámina y entre la segunda (160) y la tercera (16’) lámina, respectivamente. En particular, se observa que unas conexiones eléctricas (19’) están conectadas a los correspondientes contactos eléctricos más cercanos a la parte inferior del dispositivo.
En estas figuras se aprecian conexiones eléctricas (19, 19’) para la conexión eléctrica de las láminas correspondientes y/o para la conexión con elementos externos al propio dispositivo. En la vista en perspectiva de la figura 6a y en las figuras 6c y 6d, se observa que las conexiones eléctricas (19’) próximas al soporte (12) y a la capa (14) aislante eléctricamente, proyectan una determinada longitud desde el límite geométrico de dicho soporte (12). Esta representación sirve al propósito ilustrativo de indicar que a través de dichas conexiones eléctricas (19’) pueden conectarse eléctricamente con dispositivos termoeléctricos (10) adyacentes u otros dispositivos. A pesar de que en las figuras se han representado los contactos eléctricos y las conexiones eléctricas como elementos diferentes, los propios contactos eléctricos (18) y (180) pueden presentar proyecciones para la conexión entre las láminas del dispositivo y/o para la conexión con otros dispositivos.
En el dispositivo de las figuras 6a-6d el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 6e se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de las figuras 6a-6d, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2, A3, A4) de las láminas (16, 160, 16’, 160’) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 6e el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las cuatro láminas (16, 160, 16’, 160’) de material termoeléctrico (A=A1+A2+A3+A4) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato (15) en dicha sección transversal.
A pesar de que en las realizaciones ejemplificadas de dispositivos termoeléctricos con sustratos prismáticos los sustratos prismáticos presentan dos bases y cuatro caras laterales, los sustratos pueden tener un número diferente de caras laterales, por ejemplo seis u ocho caras laterales.
En las figuras 7 y 8 se muestran dos realizaciones del generador termoeléctrico (20) de la invención, que comprenden una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) conectados en serie. En las realizaciones de las figuras 7 y 8 cada dispositivo termoeléctrico (10) es del tipo mostrado en la figura 2, con la diferencia de que, mientras que el dispositivo termoeléctrico (10) de la figura 2 incluía un soporte (11) superior y un soporte (12) inferior, los dispositivos termoeléctricos (10) de las realizaciones de las figuras 7 y 8 no incluyen cada uno soportes individuales, sino que todos los dispositivos termoeléctricos (10) se encuentran acoplados a dos únicos soportes globales (110, 120). Estos soportes globales (110, 120) actúan como soporte estructural de la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) y como interfaz para establecer contacto con dos focos térmicos.
En el generador termoeléctrico (20) de la figura 7 los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos en una configuración lineal, formando una fila conectados en serie. En esta figura cada dispositivo termoeléctrico (10) se representa encuadrado esquemáticamente en línea discontinua.
En un ejemplo de realización alternativo al mostrado en la figura 7 en el que los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos en una configuración lineal formando una fila, dichos dispositivos termoeléctricos (10) se conectan en paralelo.
En el generador termoeléctrico (20) de la figura 8 los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos según una configuración anular. En esta figura uno de los dispositivos termoeléctricos (10) se representa encuadrado esquemáticamente en línea discontinua.
Como se describía en relación con la figura 2, los dispositivos termoeléctricos (10) de las realizaciones de las figuras 7 y 8 comprenden una primera lámina (16) de material termoeléctrico dispuesta sobre una primera porción de sustrato y una segunda lámina (160) de material termoeléctrico dispuesta sobre una segunda porción de sustrato, siendo la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) de tipos opuestos, y en donde la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente del primer sustrato. En la realización de la figura 7 la primera lámina (16) es de tipo n y la segunda lámina (160) es de tipo p.
En las realizaciones de las figuras 7 y 8 los sustratos tienen una geometría de prisma rectangular y la primera (16) y la segunda (160) lámina tienen una geometría rectangular y están dispuestas sobre una de las caras del sustrato.
Los dos sustratos independientes de cada dispositivo termoeléctrico (10) están dispuestos entre los soportes globales (110, 120), con cada extremo de los sustratos en comunicación térmica con uno de los soportes globales a través de una capa (13, 14) aislante eléctricamente. La primera (16) y la segunda (160) lámina de cada dispositivo termoeléctrico (10) están dispuestas también entre los soportes globales (110, 120), con cada extremo de las láminas (16, 160) en comunicación térmica con uno de los soportes globales (110, 120) a través de una capa (13, 14) aislante eléctricamente.
En la realización de la figura 7, de configuración lineal, los soportes globales (110, 120) son sustancialmente rectos y al menos uno de ellos presenta una superficie sustancialmente plana. Esta configuración es ventajosa para superficies planas, puesto que permite el apoyo del generador termoeléctrico (20) sobre la superficie plana del soporte global (110, 120).
En la realización de la figura 8, de configuración anular, los soportes globales (110, 120) son sustancialmente circulares. Esta configuración es ventajosa para disponer el soporte global interior (120) en torno a una tubería que contenga un gas o un líquido caliente.
En las realizaciones de las figuras 7 y 8 cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende cuatro contactos eléctricos (17, 18, 170, 180), en particular dos contactos (17, 18) dispuestos próximos uno a cada extremo de la primera lámina (16) y dos contactos (170, 180) dispuestos próximos uno a cada extremo de la segunda lámina (160). En cada dispositivo termoeléctrico (10) un primer contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado con un primer contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160). En estas realizaciones los dispositivos termoeléctricos (10) están conectados entre sí en serie, con el segundo contacto eléctrico (180) de la segunda lámina (180) conectado con un segundo contacto eléctrico (18) de la primera lámina (16) del dispositivo termoeléctrico (10) adyacente. En las figuras 7 se aprecian las conexiones eléctricas (19) entre contactos eléctricos de un mismo dispositivo termoeléctrico (10) y las conexiones eléctricas (19’) entre contactos eléctricos de diferentes dispositivos termoeléctricos (10). Además, en la figura 8 se muestran esquemáticamente dos contactos que sobresalen para ejemplificar que son la conexión hacia el exterior del generador.
La configuración de dispositivos termoeléctricos (10) en serie permite una gran versatilidad y, por lo tanto, diversas geometrías del generador termoeléctrico (20), adaptables al tipo de fuente de calor que se pretenda usar como foco caliente en una situación operativa del generador termoeléctrico (20).
La figura 9 muestra generador termoeléctrico (20’) con una conexión en paralelo entre varias filas de dispositivos termoeléctricos (10) conectados eléctricamente entre sí en serie. En la realización de la figura 9 cada fila de dispositivos termoeléctricos (10) mostrada se puede entender como un generador termoeléctrico (20) del tipo mostrado en la figura 7. Las diferentes filas están conectadas eléctricamente entre sí en paralelo mediante conexiones (21) eléctricas entre conectores eléctricos de los dispositivos termoeléctricos (10) situados en los extremos de las filas. En esta figura se han representado como círculos negros los dos extremos de las conexiones de entrada y salida a la fila central de dispositivos termoeléctricos para ilustrar que se trata de las conexiones eléctricas con el exterior del generador.
Aunque las realizaciones de las figuras 7 a 9 comprenden dispositivos termoeléctricos (10) del tipo mostrado en la figura 2, el generador termoeléctrico puede incluir dispositivos termoeléctricos según cualquiera de las realizaciones de la invención. Por ejemplo, en la figura 10 se muestra un generador termoeléctrico (20) que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) como los mostrados en las figuras 5a y 5b. Como se describía en relación con las figuras 5a y 5b, en esta realización cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende un único sustrato (15) de configuración de prisma rectangular y primera (16) y segunda (160) láminas termoeléctricas (una de tipo n y otra de tipo p) dispuestas en diferentes caras del sustrato (15). En la figura 10 se observa la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) distribuidos en filas y columnas y conectados eléctricamente entre sí mediante conexiones en serie y en paralelo. En particular, en la realización mostrada en cada dispositivo termoeléctrico (10) la primera (16) y la segunda (160) lámina termoeléctrica están conectadas eléctricamente entre sí mediante los conectores eléctricos dispuestos en el primer extremo de las láminas (16, 160), y están conectadas eléctricamente cada una a una lámina del tipo opuesto de un dispositivo termoeléctrico (10) adyacente mediante los conectores eléctricos dispuestos en el segundo extremo de las láminas (16, 160). De esta manera, los dispositivos termoeléctricos (10) de una fila quedan conectados en serie entre sí. La conexión eléctrica entre diferentes filas se realiza en paralelo, conectando entre sí los conectores eléctricos libres de los dispositivos termoeléctricos (10) dispuestos en los extremos de las filas. Aunque se ha descrito una conexión en serie dentro de las filas y una conexión en paralelo entre filas, la conexión podría realizarse igualmente entre columnas.
En la figura 11 se muestra un generador termoeléctrico (20) que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) como los mostrados en las figuras 6a y 6b. Como se describía en relación con las figuras 6a y 6b, en esta realización cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende un único sustrato (15) de configuración de prisma rectangular y primera (16), segunda (160), tercera (16’) y cuarta (160’) láminas termoeléctricas (dos de tipo n y dos de tipo p) dispuestas cada una en una cara diferente del sustrato (15). En la figura 11 se observa la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) distribuidos en filas y columnas y conectados eléctricamente entre sí. En particular, en cada dispositivo termoeléctrico (10) hay una conexión en paralelo que permite recuperar, al menos parcialmente o incluso sobrepasarla, la pérdida de intensidad de corriente producida por el uso de láminas.
Por propósitos ilustrativos, en ambas figuras 10 y 11 se ha omitido representar un suporte superior dispuesto cubriendo todos los dispositivos, más concretamente en contacto con todas las capas aislantes eléctricamente dispuestas en la parte superior de cada dispositivo. Así, dicho soporte se ha omitido para proporcionar una vista de los detalles relativos a la disposición esquemática de los dispositivos termoeléctricos dando lugar a una configuración de generador termoeléctrico.
No obstante, se entenderá que en una configuración de montaje final existirá dicho soporte superior que cubre toda la parte superior del generador termoeléctrico estando en contacto con cada capa aislante eléctricamente superior de cada dispositivo, dicho soporte actuando como fuente de calor.
En las figuras de la presente solicitud los elementos no están representados a escala.
La utilización de un sistema bicapa (el sistema formado por el sustrato y la lámina termoeléctrica) con diferentes conductividades térmicas y áreas transversales provoca que por cada par termoeléctrico (par de láminas tipo-n y tipo-p conectadas en serie) se genere más voltaje y menos intensidad de corriente en comparación con un generador de volumen comercial, dependiendo del área transversal de la lámina. Con independencia de esta reducción de la intensidad, es posible asegurar la ganancia de potencia optimizando el ratio entre áreas transversales de lámina y sustrato. Con el fin de compensar la menor intensidad de corriente en comparación con el mayor voltaje generado, los dispositivos termoeléctricos pueden conectarse en diferentes configuraciones en serie y en paralelo. De esta forma, dependiendo del número de pares termoeléctricos conectados en serie (responsables del voltaje total) y el número de elementos en serie conectados en paralelo (responsables de la intensidad de corriente eléctrica total), se puede controlar y optimizar la señal de salida en función de lo requerido. El conjunto de las conexiones en serie y en paralelo entre dispositivos termoeléctricos constituye el generador termoeléctrico.
Por otra parte, si el propio dispositivo termoeléctrico contiene cuatro o más láminas, dichas conexiones en serie y en paralelo pueden efectuarse dentro del propio dispositivo termoeléctrico , resolviendo de esta forma la menor generación de intensidad de corriente y actuando cada dispositivo termoeléctrico individual de la invención como un par n-p completo en los generadores termoeléctricos comerciales, mostrando además una mayor generación de potencia total que éstos.
A modo de ejemplo, si el ratio entre conductividades térmicas y espesores entre el sustrato y las láminas es de 10, un dispositivo termoeléctrico como el de la realización de las figuras 5a-b, generará aproximadamente 10 veces más voltaje y la misma intensidad de corriente en comparación con un generador termoeléctrico que utilice el mismo material con unas dimensiones equivalentes al sustrato-esto es, un volumen 10 veces mayor de material termoeléctrico que el utilizado en la lámina. En este mismo ejemplo, ello provocaría una ganancia de potencia en un factor 10.
El área transversal y el espesor de las láminas vendrán determinados por la aplicación y dimensiones requeridas y por el ratio entre conductividades térmicas del material termoeléctrico y el sustrato. En una realización el espesor de la lámina (ya sea ultradelgada, delgada o gruesa) está comprendido en el intervalo de 1 nanómetro a varios milímetros. Espesores de milímetros son adecuados para aplicaciones macroscópicas, mientras que espesores de m enos de 100 nanóm etros son adecuados en ap licaciones miniaturizadas en las que se utilicen como material termoeléctrico materia les 2D con buenas prestaciones termoeléctricas.
Los procesos de fabricación de los dispositivos termoeléctricos y por consiguiente del generador termoeléctrico completo dependen de las aplicaciones (en términos de temperatura de los focos caliente y frío y del flujo de calor total), tamaño, geometría y otros requerimientos.
- Láminas delgadas y gruesas: Pueden emplearse técnicas como la erosión catódica (sputtering DC, magnetrón) o deposición química en fase vapor (chemical vapor deposition, CVD) para láminas de 50 nm a decenas o centenares de micras de espesor, y deposición en capas atómicas (atomic layer deposition, ALD ) para láminas delgadas de espesor inferior a 50 nm. Estas técnicas permiten el uso de máscaras para marcar el área de depósito, de forma que tanto el depósito de la lámina de lgada com o de los contactos eléctricos se pueden hacer en procesos consecutivos.
- Láminas gruesas: En este caso pueden emplearse láminas de pocas micras de aleaciones metálicas que pueden pegarse sobre el sustrato con un pegamento adecuado para soportar adecuadamente la fatiga térmica. Este método de fabricación es especialmente interesante para aplicaciones en las que se utilizan aleaciones metálicas como material termoeléctrico.
En un dispositivo termoeléctrico o en un generador termoeléctrico según la invención pueden combinarse sustratos y/o láminas termoeléctricas de diferentes materiales.
En una realización el sustra to com prende cuarzo, v id rio o cerám ica.
En una realización la primera, segunda, tercera y/o cuarta lámina com prende al menos uno de entre los siguientes materiales: un semiconductor (com o la pirita (FeS2)), un tricalcogenuro (como TiS3o ZrS3), un semimetal, una aleación metálica con elevado coeficiente Seebeck (com o Ni-Cr o Ni-Cu), material 2D (como fósforo negro) o SnSe. El SnSe es un material termoeléctrico con excelentes prestaciones.
A modo de ejemplo se presentan dos tablas con ratios de áreas transversa les optimizados para varias combinaciones de metales, semimetales y a leaciones como materiales termoeléctricos y diferentes sustratos según el caso particular de una lámina plana dispuesta sobre una única cara de un sustrato con geometría de prisma (Tabla 1), y según el caso particular de una lámina curva dispuesta sobre un sustrato con geometría cilíndrica (Tabla 2). En cada tabla los cuatro primeros materiales termoeléctricos son metales y los cuatro materiales restantes son semimetales y aleaciones.
En el caso del sustrato con geometría de prisma y lámina con geometría plana (Tabla 1), si la anchura de la lámina es igual a la anchura del sustrato sobre el que se encuentra dispuesta, la relación entre áreas transversales de lámina y sustrato depende exclusivamente de la relación entre espesores de lámina y sustrato. En los casos de la Tabla 1 el ratio de áreas transversales (o de espesores) se ha determinado en función de las conductividades térmicas como:
siendoAsubel área transversal de sustrato,Ael área transversal de la lámina,Kla
conductividad térmica de la lámina,Ksubla conductividad térmica del sustrato,ael
espesor del sustrato ydel espesor de la lámina.
En el caso del sustrato con geometría cilindrica y lámina con geometría curva (Tabla 2), la lámina está dispuesta sobre el sustrato a lo largo de un arco de sustancialmente 360°. En los casos de la Tabla 2 el ratio de áreas transversales se ha determinado en función de las conductividades térmicas como:
siendoAsubel área transversal de sustrato,Ael área transversal de la lámina,Kla
conductividad térmica de la lámina,Ksubla conductividad térmica del sustrato,Rsubel
radio del, yRTel radio total del conjunto cilíndrico formado por el sustrato y la lámina.
Los cambios cuantitativos en los ratios de las áreas transversales entre ambas geometrías se derivan de las ecuaciones indicadas para dichas geometrías y proporcionan una guía para la elección de materiales y geometrías según los requerimientos de la aplicación concreta.
En las tablas 1 y 2 se representa la conductividad térmica (K), conductividad eléctrica (a) y coeficiente de Seebeck (S) del material termoeléctrico, la conductividad térmica (KSUb) del sustrato y el ratio de áreas transversales optimizado para las distintas combinaciones de material termoeléctrico y material del sustrato.
Se puede apreciar que la utilización de metales permite una mayor reducción del área transversal de la lámina, especialmente interesante para miniaturización de dispositivos y utilización de técnicas de depósito de láminas antes mencionadas. Por otra parte, semimetales y aleaciones como Ni-Cr y Ni-Cu permiten mayores áreas transversales de la lámina en comparación con el área transversal del sustrato y, por tanto, métodos de fabricación mediante el pegado de dicha lámina sobre el sustrato. Otros semimetales como CoS2 o aleaciones CoFe también ofrecen buenos valores del factor de potencia.
Los ratios de espesores mostrados en la tabla 1 pueden variar dependiendo del tipo de dispositivo termoeléctrico. Los valores de la tabla 1 se han estimado con la configuración de unidad básica de la figura 2, si bien para las unidades básicas de las figuras 5 y 6 bastaría con dividir por 2 y por 4, respectivamente, los espesores de las láminas en una primera aproximación.
Tabla 1
Tabla 2
El dispositivo termoeléctrico y el generador termoeléctrico de la presente invención pueden implementarse en una amplia variedad de aplicaciones, con dimensionamientos muy variables. En todas estas aplicaciones el generador termoeléctrico es un sistema pasivo de recuperación y aprovechamiento de pérdidas térmicas. Así, el generador termoeléctrico puede ser implementado por e jemplo en las siguientes aplicaciones:
- Aplicaciones Macro: hornos, motores, tuberías en industria, tubos de escape o chimeneas. En estas aplicaciones es ventajoso el uso de semimetales y aleaciones tipo Ni-Cu y Ni-Cr, semiconductores baratos y/o materiales termoeléctricos convencionales en formato de lámina. Así mismo, el generador termoeléctrico es adecuado también para su uso en aplicaciones menos comunes, com o aplicaciones superficiales y de poco espesor (utilización de superficies pasivas, como paredes).
- Aplicaciones Micro: dispositivos electrónicos. Además de los materiales anteriores, el uso de metales puede ser una buena opción al ser mayor el ratio de áreas transversales entre sustrato y lámina de material termoeléctrico. Así mismo, una posible aplicación es el uso del generador termoeléctrico en tecnología portable (“wearable”),en la que dispositivos termoeléctricos sacan ventaja de la diferencia de temperatura entre la piel y el ambiente para la alimentación de dispositivos electrónicos de baja potencia.
- Aplicaciones Nano: dispositivos electrónicos. En estas aplicaciones es ventajoso el uso de materiales 2D com o materiales termoeléctricos para la implementación del generador termoeléctrico en dispositivos nanométricos. Un ejemplo sería la aplicación para el aprovechamiento de calor residual en microprocesadores.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES 1.- Dispositivo termoeléctrico (10) que comprende: - una primera lámina (16) dispuesta sobre una primera porción de sustrato; - una segunda lámina (160) dispuesta sobre una segunda porción de sustrato; - dos capas (13, 14) aislantes eléctricamente, estando cada capa (13, 14) configurada para intercambiar calor con un foco térmico, respectivamente; y - cuatro contactos eléctricos (17, 18, 170, 180); en donde la primera porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer (15.1) y un segundo (15.2) extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la segunda porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la primera lámina (16) es una lámina de material termoeléctrico, de tipo n o de tipo p, y comprende un primer (16.1) y un segundo (16.2) extremo, en donde el primer extremo (16.1) está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente, y en donde el segundo extremo (16.2) está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la segunda lámina (160) es una lámina de material termoeléctrico, de tipo opuesto al de la primera lámina (16), y comprende un primer (160.1) y un segundo (160.2) extremo, en donde el primer extremo (160.1) está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente, y el segundo extremo (160.2) está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde dos contactos eléctricos (17, 18) están dispuestos sobre la primera lámina (16), estando cada contacto eléctrico (17, 18) dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente; en donde los otros dos contactos eléctricos (170, 180) están dispuestos sobre la segunda lámina (160), estando cada contacto eléctrico (170, 180) dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente; en donde el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato; en donde la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato (15) y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato (150) independiente del primer sustrato (15); en donde el primer (15) y/o el segundo sustrato (150) tiene geometría de prisma; y en donde la primera lámina (16) y/o la segunda lámina (160), respectivamente, está dispuesta sobre una cara de dicho sustrato (15, 150) con geometría de prisma; en donde los espesores de dicho sustrato (15, 150) con geometría de prisma y de la lámina (16, 160) dispuesta sobre una cara de dicho sustrato (15, 150) cumplen la siguiente relación:
    siendoKla conductividad térmica de dicha lámina (16, 160),Ksubla conductividad térmica de dicho sustrato (15, 150),ael espesor de dicho sustrato (15, 150) ydel espesor de dicha lámina (16, 160). 2. - El dispositivo (10) según la reivindicación 1, en donde dicho sustrato (15, 150) con geometría de prisma tiene geometría de prisma recto; y en donde la lámina (16, 160) dispuesta sobre una cara de dicho sustrato (15, 150) tiene geometría rectangular. 3. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde el contorno de al menos una lámina (16, 160) coincide con el contorno de la cara del sustrato (15) sobre el que está dispuesta. 4. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el sustrato tiene un número de caras mayor o igual que 6. 5. - Dispositivo termoeléctrico (10) que comprende: - una primera lámina (16) dispuesta sobre una primera porción de sustrato; - una segunda lámina (160) dispuesta sobre una segunda porción de sustrato; - dos capas (13, 14) aislantes eléctricamente, estando cada capa (13, 14) configurada para intercambiar calor con un foco térmico, respectivamente; y - cuatro contactos eléctricos (17, 18, 170, 180); en donde la primera porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer (15.1) y un segundo (15.2) extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la segunda porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la primera lámina (16) es una lámina de material termoeléctrico, de tipo n o de tipo p, y comprende un primer (16.1) y un segundo (16.2) extremo, en donde el primer extremo (16.1) está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente, y en donde el segundo extremo (16.2) está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde la segunda lámina (160) es una lámina de material termoeléctrico, de tipo opuesto al de la primera lámina (16), y comprende un primer (160.1) y un segundo (160.2) extremo, en donde el primer extremo (160.1) está en contacto con una capa (13) aislante eléctricamente, y el segundo extremo (160.2) está en contacto con la otra capa (14) aislante eléctricamente; en donde dos contactos eléctricos (17, 18) están dispuestos sobre la primera lámina (16), estando cada contacto eléctrico (17, 18) dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente; en donde los otros dos contactos eléctricos (170, 180) están dispuestos sobre la segunda lámina (160), estando cada contacto eléctrico (170, 180) dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente; en donde el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato; en donde la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato (15) y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato (150) independiente del primer sustrato (15); en donde el primer (15) y/o el segundo sustrato (150) tiene geometría cilíndrica; en donde la primera lámina (16) y/o la segunda lámina (160), respectivamente, tiene geometría curva; y en donde dicha primera (16) y/o segunda lámina (160) con geometría curva está dispuesta sobre dicho primer (15) y/o segundo sustrato (150) de geometría cilíndrica a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior; en donde la lámina (16, 160) está dispuesta sobre el sustrato (15, 150) de geometría cilíndrica a lo largo de un arco de 360°, y se cumple la siguiente relación:
    dondeKes la conductividad térmica de dicha lámina (16, 160),Ksubla conductividad térmica de dicho sustrato (15, 150),Rsubel radio de dicho sustrato (15, 150), yRTel radio total del conjunto cilíndrico formado por dicho sustrato (15, 150) y dicha lámina (16, 160). 6. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera porción de sustrato y la segunda porción de sustrato son de materiales diferentes entre sí. 7. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera porción de sustrato y/o la segunda porción de sustrato comprende vidrio, cuarzo o cerámica. 8. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera porción de sustrato y/o la segunda porción de sustrato está configurada como una carcasa sólida hueca rellena de un gas. 9. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una lámina (16, 160, 16’, 160’) de material termoeléctrico comprende al menos uno de entre los siguientes materiales: pirita (FeS2), un tricalcogenuro, un metal, un semimetal, una aleación metálica, fósforo negro, o SnSe. 10. - El dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos un soporte (11, 12) en contacto con una de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. 11. - El dispositivo (10) según la reivindicación 10 en donde al menos un soporte (11, 12) comprende una superficie plana. 12. - Generador termoeléctrico (20) que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores. 13.- El generador termoeléctrico (20) según la reivindicación 12, en donde al menos un subconjunto de la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) está distribuido formando una fila de dispositivos (10) conectados en serie. 14.- El generador termoeléctrico (20) según la reivindicación 13, que comprende varias filas de dispositivos termoeléctricos (10) conectados eléctricamente en serie, en donde dichas filas están conectadas eléctricamente entre sí en paralelo. 15. - El generador termoeléctrico (20) según la reivindicación 14, en donde dichas filas son paralelas. 16. - El generador termoeléctrico (20) según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, en donde al menos un subconjunto de la pluralidad de los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos según una geometría anular.
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