PL234445B1 - Cienka powłoka termoelektryczna - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest cienka powłoka termoelektryczna, mająca zastosowanie w instalacjach gdzie następuje wymiana ciepła, zwłaszcza w instalacjach centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej.

Obecnie rynek oczekuje nowych rozwiązań technicznych i urządzeń realizujących coraz większą ilość funkcji a jednocześnie coraz bardziej uniwersalnych. Ponadto, obecnie w całym przemyśle trwają intensywne prace nad opracowaniem nowych metod pozyskiwania energii elektrycznej. Większość dostępnych dzisiaj na rynku urządzeń mikrogeneracyjnych opartych jest na zasadzie konwersji jakiejś formy energii kinetycznej w energię elektryczną. Znane są rozwiązania oparte na różnego rodzaju silnikach tłokowych, silnikach Sterlinga, turbinach, itp. Rozwiązania te mają poważne ograniczenia wynikające z wysokiego poziomu ich skomplikowania, a co za tym idzie wysokiej ceny wytworzenia, niskiej niezawodności oraz wysokich kosztów związanych z zabezpieczeniem wymagań serwisowych.

Znane są urządzenia termoelektryczne wykorzystujące zjawisko Seebeck'a umożliwiające generację energii elektrycznej. Urządzenia te zawierają termoelektryczne środki techniczne, w których różnica temperatur odpowiednich obszarów, umożliwia generowanie energii elektrycznej.

Obecny stan wiedzy dotyczący powłok termoelektrycznych sugeruje, że nie opracowano jeszcze rozwiązania, które instruowałoby jak kompleksowo nanosić kompozyty termoelektryczne i stosować je w urządzeniach. Istnieją natomiast publikacje naukowe traktujące o specyficznych metodach fabrykacji tylko elementów półprzewodnikowych do zastosowania w ogniwach termoelektrycznych. Należy również wskazać, że prowadzone są próby nakładania warstw tellurku bizmutu metodą termicznego natryskiwania. Jednak ze względu na dużą niedokładność metoda ta jest mało efektywna, a wytwarzane układy mało wydajne. Ze względu na otwartą strukturę połączeń półprzewodnikowych „p” i „n” układy te nie mają bezpiecznego zastosowania. Aktualne nasycenie rynku ograniczone jest do prefabrykowanych ogniw termoelektrycznych. Ich ograniczenia są dość znaczne ze względu na całkowity brak odkształcalności i standaryzowane gabaryty. W ostatnim czasie powstała natomiast grupa zastosowań ogniw do wytwarzania elektryczności w tak zwanych turystycznych generatorach energii. Wykorzystując energię cieplną urządzenia te pozwalają na ładowanie niewielkich odbiorników. Trudno jednak w takim przypadku ze względu na wielkość rynku i zastosowane rozwiązania techniczne mówić o skali przemysłowej. Dotychczas prowadzone eksperymentalne próby stosowania prefabrykowanych modułów termoelektrycznych nie mają większych szans na komercjalizację ze względu na ograniczenia produkcyjne i gabarytowe. Kolejnym czynnikiem skutecznie hamującym rozwój tej gałęzi przemysłu jest wysoki jednostkowy koszt ogniw termoelektrycznych.

Z dokumentu patentowego CN 104538542 (A) znany jest sposób wytwarzania wielowarstwowej powłoki z materiałów termoelektrycznych, stosowanych w produkcji termoelektrycznych urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej, polegający na wykorzystaniu metody fizycznego osadzania z fazy gazowej. Na odpowiednio wybraną bazę warstwy materiałów termoelektrycznych nanoszone są metodą magnetronowego rozpylania, przy czym grubość pojedynczej warstwy jest większa niż 5 nm.

Z dokumentu RU2165049 znany jest sposób produkcji modułów termoelektrycznych, w których półprzewodniki są wycinane z gotowego bloku/kawałka, izolatory to płytki z tlenku glinu lub tlenku krzemu, a łączenie elementów w gotowy moduł odbywa się poprzez lutowanie. Specjalnie dobrany skład spoiwa lutowniczego umożliwia pracę modułu w wysokiej temperaturze przy zachowaniu stabilności konstrukcji oraz niskiej rezystancji połączeń elektrycznych.

Z dokumentu JPH0311672 znany jest moduł termoelektryczny wysokiej czułości i małych rozmiarów z przeznaczeniem na czujniki temperatury, czujniki nasłonecznienia lub wykrywania promieniowania IR. Ujawniony moduł termoelektryczny wykonany jest poprzez spiekanie dyfuzyjne półprzewodników na bazie tlenków półmetali, co pozwala na zastosowanie go w wysokotemperaturowych aplikacjach.

Z dokumentu JPH03214653 znany jest moduł termoelektryczny o specjalnej konstrukcji, którego wnętrze podlega chłodzeniu poprzez specjalne elementy połączone z zimną stroną części modułu, przez co następuje zmniejszenie spadku wydajności modułu termoelektrycznego na skutek wzrostu temperatury.

W dokumencie DE10231445 ujawniono element termoelektryczny i sposób jego produkcji w szczególności ujawniono sposób wytworzenia elastycznego modułu (stosu) termoelektrycznego na folii wykorzystując procesy typu roll-to-roll, laminowanie i składanie w stosy. Nakładanie materiałów elektrycznie przewodzących oraz półprzewodnikowych na folię odbywa się poprzez napylanie katodowe lub osadzanie z fazy gazowej w procesie CVD. Izolatorem w każdym stosie jest zastosowana folia. Półprzewodniki wykonane są z typowych dla tego typu rozwiązań materiałów składających się z bizmutu, telluru, selenu, antymonu lub krzemu.

PL 234 445 B1

Celem wynalazku jest opracowanie generatora termoelektrycznego w postaci cienkiej powłoki, której zastosowanie na elementach urządzeń, gdzie następuje wymiana ciepła, przyczyni się do zwiększenia efektywności energetycznej tych urządzeń, generujących jednocześnie energię elektryczną wykorzystywaną do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub kierowaną ponownie do sieci energetycznej. Ponadto, celem wynalazku jest rozwiązanie omówionych na wstępie problemów poprzez zapewnienie środków technicznych do przezwyciężenia niskiej wydajności urządzeń termoelektrycznych oraz zmniejszenie kosztów ich wytwarzania.

Cel ten osiągnięto poprzez opracowanie cienkiej powłoki termoelektrycznej.

Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck'a, zawierająca warstwę termoelektryczną z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n”, uformowanymi w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw, połączonymi ze sobą szeregowo, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wykonana jest technologią PVD (Physical Vapour Deposition (fizyczne osadzanie z fazy gazowej)), przy czym podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” są o grubości od 1 gm do 10 gm i połączone ze sobą szeregowo cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, przy czym warstwa termoelektryczna izolowana jest obustronnie warstwami izolatora elektrycznego na bazie tlenków nieorganicznych. Korzystnie, szerokość każdej podwarstwy półprzewodnikowej „p” oraz „n” wynosi od 0,1 mm do 2 mm. Korzystnie, podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni. Korzystnie, cienkowarstwowe elementy przewodzące wykonane są z miedzi i korzystnie posiadają grubość od 1 gm do 5 gm. Korzystnie, warstwy izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AI2O3 albo SiO2 albo MgO.

Wynalazek daje możliwość dodatkowego wytwarzania energii elektrycznej pozyskiwanej za pomocą zaimplementowanej w urządzeniach powłoki termoelektrycznej. Zaletami rozwiązania według wynalazku jest bezgłośność i bezwibracyjność wynikająca między innymi z braku jakichkolwiek ruchomych elementów. Ponadto, zapewnia generowanie elektryczności bezpośrednio z różnicy temperatur z pominięciem przekształcenia energii cieplnej w energię kinetyczną, co przyczyni się to do wysokiej niezawodności, bez wzrostu kosztów serwisowania urządzeń.

Wytworzona energia elektryczna może mieć wielorakie zastosowanie, jak na przykład:

- zasilanie podzespołów elektrycznych wchodzących w skład kompletnego urządzenia, takich jak na przykład elementy sterowania czy układy pompowe (podniesienie wydajności energetycznej)

- budowa jednostek autonomicznych niezależnych od zewnętrznego zasilania w energię elektryczną

- oddawanie energii do sieci lokalnej (zmniejszające zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną)

- oddawanie energii do sieci energetycznej (mikro źródła, prosument, energetyka obywatelska)

Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiono powłokę w przekroju poprzecznym.

Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck'a zawiera warstwę termoelektryczną 1 z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n”, połączenie szeregowe elementów półprzewodnikowych „p” i „n” cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi 2a, 2b, oraz warstwy 3a, 3b izolatora elektrycznego. Warstwy powłoki wykonane są technologią PVD na przykład przez: naparowanie, ablację laserową, rozpylanie magnetronowe, rozpylanie filtrowanym łukiem elektrycznym, wzbudzanie par wiązką elektronową. Elementy półprzewodnikowe „p” oraz „n” warstwy termoelektrycznej 1 uformowane są w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw półprzewodnikowych w postaci naprzemiennych pierścieni „p” i „n” o grubości d1 od 1 gm do 10 gm, korzystnie 5 gm, i o szerokości s od 0,1 mm do 2 mm, korzystnie 1 mm, które połączone są ze sobą szeregowo cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi 2a, 2b, wykonanymi z miedzi, o grubości d2 od 1 do 5 gm, korzystnie 3 gm, zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe 4, 5, do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej. Podwarstwy półprzewodnikowe typu „p” i „n”, uzyskiwane są z następujących grup materiałów: tellurek ołowiu, selenek cyny, związku telluru, antymonu, bizmutu, nieorganiczne związki klatratowe, skutterydy, związki pół-Heuslerowskie, związki krzemu i germanu. Każda warstwa 3a, 3b izolatora elektrycznego wykonana jest na bazie tlenków nieorganicznych takich jak: AI2O3 lub SO2 lub MgO. Całkowita grubość powłoki nie przekracza 50 gm.

W komorze technologicznej należy najpierw przeprowadzić proces wytworzenia warstwy 3a izolatora elektrycznego, co pozwoli na elektryczne uniezależnienie warstwy termoelektrycznej 1 od podłoża 6. Warstwa izolatora elektrycznego musi być jednorodna i ciągła w swojej strukturze. Zapewni to wysoki

PL 234 445 Β1 poziom odporności na przebicie elektryczne. Następnym krokiem jest wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych cienkowarstwowych elementów przewodzących 2a, które będą stanowić podstawę i łączyć elektrycznie podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n”. Istnieje wiele materiałów mogących realizować to zadanie. Biorąc pod uwagę łatwość depozycji oraz dobre przewodnictwo można zastosować miedź. Dzięki połączeniu dwóch odmiennych podwarstw półprzewodnikowych „p” i „n” elementami przewodzącymi 2a, 2b, możliwe będzie uzyskanie przepływu prądu po wystawieniu powłoki na różnicę temperatur. Kryterium doboru materiału zależy między innymi od oczekiwanej wydajności, a co za tym idzie wartości sprawności termoelektrycznej (ZT) oraz przewidywanego zakresu temperatur podczas pracy powłoki. Następnym krokiem jest wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych podwarstw półprzewodnikowych „p” i „n”. Kolejnym krokiem jest ponowne wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych cienkowarstwowych elementów przewodzących 2b, dopełniających obwód elektryczny warstwy termoelektrycznej 1. Ostatnim krokiem jest wytworzenie drugiej warstwy 3b izolatora elektrycznego.

Zgodnie z teorią Seebeck’a różnica temperatur na obu stronach powłoki wywołuje uporządkowany ruch ładunków w podwarstwach półprzewodnikowych „p” i „n” zawartych w warstwie termoelektrycznej 1. Ze względu na ich szeregowe połączenie pomiędzy skrajnymi punktami przyłączeniowymi - końcówkami 4, 5, pojawia się różnica potencjałów. Otrzymana w ten sposób energia może być wykorzystana do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub skierowana ponownie do sieci energetycznej.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck’a, zawierająca warstwę termoelektryczną z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n” uformowanymi w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw, połączonymi ze sobą szeregowo, znamienna tym, że wykonana jest technologią PVD, przy czym podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” są o grubości (di) od 1 pm do 10 pm, i połączone są ze sobą cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi (2a, 2b) zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe (4, 5) do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, przy czym warstwa termoelektryczna (1) izolowana jest obustronnie warstwami (3a, 3b) izolatora elektrycznego na bazie tlenków nieorganicznych.
2. 2. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość (s) każdej podwarstwy półprzewodnikowej „p” oraz „n” wynosi od 0,1 mm do 2 mm.
3. 3. Powłoka według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej (1) uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni.
4. 4. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że cienkowarstwowe elementy przewodzące (2a, 2b) wykonane są z miedzi.
5. 5. Powłoka według zastrz. 1 albo 4, znamienna tym, że cienkowarstwowe elementy przewodzące (2a, 2b) posiadają grubość (d2) od 1 pm do 5 pm.
6. 6. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwy (3a, 3b) izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AI2O3 albo S1O2 albo MgO.