DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGÍA TÉRMICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA O MECÁNICA POR EFECTO MAGNETOCALÓRICO

Campo técnico

La presente invención está referida a un dispositivo generador de energía eléctrica o mecánica y, más concretamente, a un dispositivo de generación eléctrica o mecánica a partir de la energía térmica comunicada al dispositivo por conducción, convección o radiación.

Estado de la técnica

En la actualidad existe una gran variedad de generadores eléctricos que utilizan la energía térmica para convertirla en energía eléctrica. Por ejemplo, existen dispositivos que necesitan un foco caliente y un foco frío (dispositivos de conversión indirecta) y en donde es necesario una fuente de calor a una determinada temperatura, así como una fuente fría a una temperatura menor, de tai forma que es necesario un fluido que vaya desde una temperatura alta a una temperatura menor. Este es el caso de los mecanismos conformados por una turbina más un generador eléctrico convencional, así como ciertos mecanismos termoeléctricos que utilizan el paso de una energía térmica para generar una corriente eléctrica.

Sin embargo, otros mecanismos que pueden convertir la energía térmica en energía eléctrica no utilizan dos temperaturas diferentes, ya que son capaces de convertir te energía eléctrica a partir de una fuente de calor a cierta temperatura. El caso más conocido es el de los termopares, en le cual el calor que incide en una unión metálica se convierte de forma automática en corriente eléctrica. Esta forma representa la forma ideal de convertir el calor en comente eléctrica, pero es poco eficiente y tiene una capacidad de generar contentes eléctricas muy pequeñas, insuficientes en todo caso para ser una fuente de energía eléctrica.

En el estado de la técnica se describe el uso de dos fluidos a temperaturas diferentes para el accionamiento de mecanismos de generación eléctrica a partir de energía térmica. Este es el caso de los generadores magnetocalóricos que emplean las propiedades magnéticas de ciertos materiales de pasar a un estado magnetizado o desmagnetizado según la temperatura.

El efecto magnetocalórico es un fenómeno magneto-termodínamico en el cual un cambio de temperatura en un material susceptible de ello se da cuando se expone dicho material a un campo magnético variable. Esto es conocido como desimanación adiabática. En dicha parte del ciclo dé refrigeración, una disminución en la intensidad de un campo magnético aplicado externamente permite que los dominios magnéticos de un material magnetocalórico se desorienten por la agitación magnética de los fonones presentes en el material. Si el material está aislado de forma que no se permita la entrada de energía desde el exterior durante dicha desorganización, la temperatura disminuye como consecuencia de la absorción de calor por dichos dominios.

Algunos documentos del estado de la técnica que describen el empleo del efecto magnetocalórico en la generación de energía eléctrica se describen a continuación.

El documento US 8,769,966 82 describe un generador térmico con, al menos, un módulo térmico que comprende al menos dos conjuntos magnéticos en los que un conjunto magnético somete al menos un elemento magnetocalórico del módulo térmico a alternar fases magnéticas. El generador térmico se caracteriza además porque comprende un cuerpo aislante térmico que aísla tos conjuntos magnéticos entre sí y forma celdas térmicamente aisladas que comprenden un conjunto magnético y sus correspondientes elementos magnetocalóricos.

La patente U820100300118A1 describe un generador que comprende al menos una etapa térmica que tiene elementos magnetocalóricos dispuestos alrededor de un eje y una disposición magnética soportada por un eje de transmisión que gira alrededor del eje para someter los elementos a una variación en el campo magnético. El generador comprende pistones para forzar el fluido de transferencia de calor a través de los elementos con los pistones impulsados en traslación recíproca dentro de las cámaras por al menos una leva que es impulsada rotacionalmente por el eje de transmisión. El generador comprende una unidad de circulación forzada que tiene engranajes planetarios dispuestos alrededor del eje central, soportados por el cuerpo del generador y engranados con un engranaje de corona interior integral con la leva. Cada engranaje forma una bomba de engranajes que mezcla el fluido caloportador y coloca el fluido en circulación forzada en los tanques y las cámaras. La patente CN102197502B se refiere a un generador térmico que comprende al menos un módulo térmico que incluye al menos dos elementos magnetocalóricos adyacentes, una cámara de distribución común combinada con un medio de circulación de refrigerante de forma fluida, conectando dichos miembros magnetocalóricos entre si, y dos cámaras extremas también combinadas con un medio de circulación y cada una conectada de manera fluida a los dos miembros magnetocalóricos ubicados en los extremos caliente y frío de dicho módulo térmico, y una disposición magnética para someter cada miembro magnetocalórico a un campo magnético variable, en el que dicho generador térmico se caracteriza porque dichos medios de circulación combinados con dicha cámara de distribución común mueven el refrigerante simultáneamente a través de los dos miembros magnetocalóricos adyacentes en diferentes direcciones.

La patente US20130106116A1 describe un generador termomagnético. que incluye una válvula de conmutación. una pluralidad de unidades de circuito magnético, una bobina y una pluralidad de tuberías de entrada que conectan las unidades de circuito magnético a la válvula de conmutación. Cada una de las unidades de circuito magnético incluye un miembro magnetocalórico. La válvula de conmutación conmuta repetida y alternativamente a una frecuencia predeterminada para guiar fluidos fríos y calientes a las unidades del circuito magnético, de modo que ios miembros magnetocalóricos son magnetizados y desmagnetizados, respectivamente, por los fluidos trios y calientes. La bobina está acoplada a al menos una de las unidades de circuito magnético para obtener una tensión inducida,

La patente US20110192836A1 describe un generador de calor que comprende ai menos un módulo térmico que comprende un elemento magnetocalórico atravesado por un fluido caloportador y dos cámaras frías y calientes dispuestas a cada lado del elemento magnetocalórico y que contienen un dispositivo de desplazamiento para dirigir el fluido caloportador a través del elemento magnetocalórico. Una disposición magnética crea una variación de campo magnético en cada elemento magnetocalórico Un dispositivo para impulsar el dispositivo de desplazamiento, según el movimiento alternativo en la cámara correspondiente, para desplazar el fluido caloportador en sincronización con la variación del campo magnético. El dispositivo de accionamiento contiene un circuito de fluido cerrado que conecta las cámaras fría y caliente en las que un fluido de trabajo es impulsado por un dispositivo de succión y descarga.

En los documentos anteriores es necesario dos temperaturas o dos focos térmicos. El dispositivo de la reivindicación 1, sin embargo, trabaja con un solo foco térmico. El rango térmico dependerá de los materiales utilizados. El uso de un solo foco térmico hace que sea posible trabajar a temperatura ambiente, por encima o por debajo.

Explicación de la Invención

Es un objeto de la presente invención un mecanismo que convierte el calor en energía eléctrica o mecánica por combinación de los efectos magnetocalórico y termoeléctrico, basado en la combinación de un movimiento de trayectoria circular o lineal, de uno o varios imanes o elementos generadores de campo magnético cercanos a una o varias láminas de un material con propiedades magnetocalóricas. Este objeto se alcanza con el dispositivo de la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se describen soluciones particulares y realizaciones preferidas de la invención.

Más concretamente, el dispositivo conversor de energía térmica en energía eléctrica o mecánica por efecto magnetocalórico se caracteriza por que comprende un eje respecto del que gira un tambor de imanes y un tambor de láminas que consiste, a su vez, un cilindro de un material ferromagnético sobre el que se disponen de forma periférica una pluralidad de láminas de un material con propiedades magnetocalóricas; de tal forma que en un primer modo de funcionamiento como generador eléctrico el tambor de láminas es solidario con el eje, mientras que un segundo modo de funcionamiento como generador mecánico el tambor de láminas gira libremente con respecto al eje y al tambor de imanes.

El dispositivo de la invención convierte la energía eléctrica generada en láminas magnetocalóricas en movimiento circular a través del acoplamiento de los electrones en eí campo magnético provocado por la posición de los imanes generadores de campo magnético con respecto a las láminas de material magnetocalórico y ia comente eléctrica que se genera en ellas. Además, la presente invención permite aprovechar la capacidad magnetocaiórica de los materiales ferromagnéticos, como el hierra, para crear rotores mecánicos monobloque Finalmente, la invención propone un dispositivo que, al acoplarse a ejes de máquinas que generan calor interno, actúan como un generador eléctrico y como refrigerador del sistema en el que están acoplados.

Por tanto, el dispositivo de la invención es un sistema directo de generación de energía eléctrica a partir de energía térmica sin que sea necesaria la existencia de dos temperaturas o focos diferentes. La diferencia del dispositivo que se propone con los anteriores ya de forma directa desde una fuente de calor y con unos rendimientos muy altos. Estos rendimientos superan los de las máquinas térmico-eléctricas descritas en el estado de la técnica. En la invención, para su funcionamiento, sólo es necesario que exista una fuente de calor y. por tanto, no es necesario que existan dos fluidos a diferentes temperaturas, y tampoco es necesaria la existencia de un foco frío, como en las máquinas del estado de la técnica.

El efecto magnetorérmico implica que una molécula -que tenga esta propiedad física- sea capaz de almacenar energía dentro de ella misma dependiendo de la orientación de su spin magnético. Asi, por ejemplo, se observa que. variando la posición de un campo magnético con respecto a una molécula o estructura cristalina con propiedades magnetocalórícas, se produce una absorción de calor desde el exterior hada la estructura cristalina o una evacuación de calor desde la estructura cristalina hada el exterior. Si el efecto de evacuación de calor se produce lo suficientemente rápido, se observa que junto con el calor se expulsan electrones de la red cristalina o molecular debido al efecto Thomson.

No obstante, si la polaridad del campo magnético variable sólo varía en el vector dirección, pero no varía en polaridad, se deduce que -por la ley de Lorentz- ios electrones evacuados de la red cristalina -por el efecto Thomson del efecto magnetocalórico- tenderán a moverse todos en la misma dirección o, por lo menso, compartirán un componente vectorial común.

Por tanto, se puede deducir que la variación en dirección de un campo magnético homopoiar (porque la polaridad nunca cambia) de forma cíclica produce dentro de una estructura molecular (con propiedades magnetocalórícas) la absorción y evacuación cíclica de calor dentro de esa estructura molecular o cristalina.

También se deriva de este hecho que la evacuación cíclica de calor de la estructura molecular o cristalina provoca el movimiento de electrones fuera de la estructura cristalina o molecular de forma cíclica. Este movimiento de electrones es. en si mismo, una corriente eléctrica que es aprovechable como energía eléctrica, demostrándose de esta forma el correcto funcionamiento de la invención.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra «comprende» y sus vastantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invendón. Los restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención, que se ilustra como un ejemplo no limitativo de ésta.

La figura 1 es una vista longitudinal delantera del conversor de energía térmica a eléctrica por vía magnetocalórica descrito, para una realización preferente de la presente invención.

La figura 2 es una vista longitudinal delantera del tambor de imanes del conversor de energía térmica a eléctrica por vía magnetocalórica descrito, para una realización preferente de la presente invención

La figura 3 es una vista longitudinal delantera del tambor de láminas del conversor de energía térmica a eléctrica por vía magnetocalórica descrito, para una realización preferente de la presente invención.

Explicación detallada de un modo de realización de la invención

Tal y como se puede observar en las figuras adjuntas, en el dispositivo de la invención se han señalado las siguientes referencias numéricas

1- Eje

3 - Imanes

4 - Cilindro de hierro u otro material ferromagnético

5.- Láminas de material con propiedades magnetocalóricas

6.- Primer rodamiento

7.- Segundo rodamiento

11. Tambor de imanes

12.- Tambor de láminas Con referencia a la realización preferente del dispositivo mostrado en las figuras adjuntas, el tambor de imanes (11) se define como un elemento giratorio respecto del eje (1) y que aloja al menos dos imanes (3) dispuestos angularmente y equidistantes respecto del eje (1). En una realización particular de la invención, los imanes (3) se colocan todos con la misma polaridad.

Por otro lado, el tambor de láminas (12) como un cilindro (4) de hierro u otro material ferromagnético. donde se disponen de forma periférica una pluralidad de láminas (5) de material con propiedades magnetocalóricas, en una realización particular no limitativa, de titanio. La función del cilindro (4) de hierro u otro material ferromagnético es confinar la máxima densidad posible de flujo magnético en su interior.

El tambor de láminas (12) tiene dos modos de funcionamiento básicos: generador eléctrico y generador mecánico. En el caso de funcionamiento como generador eléctrico, el tambor de láminas (12) es solidario con el eje (1), mientras que. en caso de funcionar como generador mecánico, el tambor de láminas (12) gira libremente con respecto al eje (1) y al tambor de imanes (11)

Las láminas (5) que conforman el tambor de láminas (12) son alargadas y estrechas, en una realización preferente no limitativa, sus dimensiones son 10 mm de ancho, 0,3 mm de espesor y 300 mm de longitud, para de esta forma ayudar y forzar a los electrones a moverse en la dirección deseada. Cada lámina (5) puede estar dotada (o no) de una capa de aluminio o cobre que sirva para colectar de forma más eficiente los electrones que son evacuados de la estructura cristalina con propiedades magnetocalóricas.

Finalmente, el eje puede estar anclado a multitud de estructuras soporte diferentes u a otros ejes según necesidad, generalmente, a través de sendos rodamientos (6,7) que. unidos a láminas de resina u otro material, así como unos pilares de unión, forman el bastidor que soporta el conjunto.

Para explicar el principio de funcionamiento del dispositivo de la invención hemos de considerar que las láminas (5) de material con propiedades magnetocalóricas tienen una estructura cristalina no homogénea que está formada por una pluralidad de gránuíos, tal y como se puede observar en las metalografías. Cada grano, además, está conformado por una estructura cristalina hexagonal, donde cada átomo tiene su propio vector magnético. La orientación dei vector magnético de cada punto de la estructura cristalina o molecular de las láminas (5) va a estar influido por la posición de los imanes (3) del tambor de imanes (11).

Sí movemos el tambor de imanes (11) por la acción de una fuerza externa, los vectores magnéticos de cada punto de la estructura cristalina también se mueven. Esto implica que la energía térmica de cada punto de la estructura cristalina sufre una variación cíclica con respecto a la variación cíclica de la posición de los imanes. És decir, hay una variación de la entropía positiva y negativa.

Esta variación de la energía térmica conlleva, de forma obligatoria, un ciclo de absorción y evacuación del calor en cada punto de la estructura cristalina y, por tanto, si la energía térmica es suficiente, se producirá durante el ciclo de evacuación una expulsión de electrones por efecto Thomson.

El movimiento de los imanes (3) con respecto de las láminas (5) produce un segundo efecto sobre los electrones expulsados de la estructura cristalina. Como existe un movimiento relativo de los electrones con respecto al campo magnético generado por los imanes (3), aplicando la Ley de Lorentz resulta que en ios electrones aparece una fuerza perpendicular al campo magnético y a ia velocidad de los imanes que “empuja" a todos los electrones a moverse en la misma dirección, creando una corriente eléctrica, que se puede aprovechar de distintas formas.

Por tanto, la energía principal que es utilizada en la generación de electrones es la energía térmica que se evacúa por el efecto magnetocalórico desde la estructura cristalina del material que conforma las láminas (5). Pero también está en juego ia energía mecánica que entra en el mecanismo a través de una fuerza exterior que mueve ios imanes (3) con una determinada velocidad. Esta fuerza se suma a la fuerza térmica de generación de electrones al empujarlos en ia dirección vectorial resultado de la Ley de Lorentz.

Por tanto, se deduce que hay dos entradas de energía (energía térmica para calentar las láminas de material magnetocalórico y la energía mecánica para mover el tambor de imanes) y una única salida energética, es la que arrastran los electrones consigo mismos durante su movimiento. Por tanto, la única salida de energía es la energía eléctrica producida en las láminas (5) con propiedades magnetocalóricas.

En el dispositivo de la invention, tal y como se ha descrito, hay partes rotativas que están la energía mecánica que entra al sistema se transforma en calor debido ai rozamiento, pero este calor se queda en el sistema y será utilizado para generar electrones desde la estructura cristalina de las láminas (5) con propiedades magnetocalóricas. Este efecto representa la primera ventaja principal del sistema respecto a los mecanismos convencionales y es el potencial teórico que tiene para convertir la energía térmica en eléctrica con rendimientos cercanos al 100%

Otra principal ventaja con respecto a otros sistemas de generación termoeléctrica es que en este mecanismo existen parámetros que se pueden variar y acondicionar para conseguir generaciones eléctricas suficientes para su uso doméstico, industrial, o cualesquiera afro: Estos parámetros serian la velocidad de rotación de los imanes (3), que aumentaría la energía convertida por unidad de tiempo. Otros parámetros son: el tamaño y calidad de las láminas con materiales magnetocalóricos: la temperatura a la que son sometidas las láminas magnetocalóncas; y las láminas se pueden conectar entre sí de diferentes formas para regular la energía eléctrica generada.

Además, cada material magnetocalórico tiene sus propios parámetros de funcionamiento: temperatura mínima de funcionamiento; temperatura máxima de funcionamiento; y/o cantidad de calor convertido en eléctrico por dolo.

Esto provoca que se puedan adecuar mecanismos de generación eléctrica para distintas temperaturas de funcionamiento, dándose la circunstancia de que se podría generar electricidad aún con temperatura bajo cero o u otras consideradas como temperaturas frías. Para entender mejor esto, podemos comprobar como estos materiales magnetocalóricos se utilizan para trabajar incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto, ya que se utilizan para refrigerar el helio y el nitrógeno que sirve de refrigeración a los superconductores.

Existe la posibilidad de utilizar el mecanismo de la invención para convertir la energía térmica en energía mecánica. Si las láminas (5) de material magnetocalórico, están conectadas eléctricamente con el tambor de láminas (12), la comente eléctrica que baja o sube (según el caso) por las láminas (5) interacciona con el campo magnético de ios imanes (3) y como consecuencia de la Ley de Lorentz . se produce una fuerza tangential sobre las láminas (5) y se genera el movimiento rotativo del tambor de láminas (12),

Existe una configuración alternativa para el caso de utilizar el efecto magnetocalórico como generador de giro mecánico puesto que existen materiales ferromagnéticos y motor térmico no utilizando las láminas (5) magnetocalóricas y haciendo que él cilindro (4) de material ferromagnético del tambor de láminas (12) este constituido por láminas de hierro como ocurre con los rotores de motores eléctricos de jaula de ardilla. Si el tambor de láminas (12) se sustituye por un rotor de jaula de ardilla, se producida el mismo movimiento descrito con anterioridad.

Por otro lado, el dispositivo de la invención, ti funcionar con la energía calorífica de un foco caliente, puede actuar también como refrigerador cuando es adecuadamente insertado dentro de una máquina que genera calor y cuyo calor es necesario evacuar. La utilización de un rotor de jaula de ardilla como generador eléctrico, por efecto magnetocalórico según las disposiciones descritas con anterioridad, puede ser utilizado con éxito como refrigerador de motores eléctricos.

Es sabido que uno de los principales problemas en ios motores eléctricos es evacuación del calor que generan (refrigeración) para evitar que alcancen temperaturas excesivas que producirían la degradación de los aislamientos eléctricos y por tanto su incapacidad para funcionar. Por ese motivo todos los motores eléctricos llevan aspas de ventilación solidarias al eje para provocar una corriente forzada de airé para su refrigeración. En lugar de estas aspas, puede colocarse el dispositivo de la invención de forma solidaria al eje del motor eléctrico para generar energía eléctrica a la vez que se produce la refrigeración del motor eléctrico. Por tanto, las aplicaciones de la presente invención se pueden dividir en su uso para refrigeración o su uso para generación eléctrica.

Estos mecanismos pueden ser acoplados a cualquier elemento rotativo para su refrigeración además de recuperación de energía para aumentar la eficiencia de este. Además, la invención puede ser acoplada a cualquier generador para aumentar la energía resultante producida y mejorar el rendimiento.

Estos mecanismos pueden funcionar como una unidad aislada sin estar acoplada a un motor o un generador para generar energía mecánica o eléctrica según sea la necesidad y según sea la interfaz con el ambiente. Por ejemplo, se puede dotar al mecanismo de una manivela para generar energía eléctrica cuando la manivela sea accionada de forma manual, mecánica o por cualquier medio También puede dotarse al mecanismo de una hélice para que un fluido ya sea el viento o agua por ejemplo ponga en funcionamiento el generador. Otra aplicación es como elemento en la linea de transmisión de potencia de un mecanismo sea usado para generar energía mecánica) solo se produce desde el tambor de imanes (11) hacia el tambor de láminas (12) y no en sentido contrario.

Finalmente, entre las principales ventajas de la invención, podemos destocar:

El material magnetocalóríco no está sometido a una diferencia de temperatura, esto simplifica el dispositivo ya que no son necesarios elementos destinados a forzar una diferencia de temperatura a diferentes elementos del mecanismo.

El material magnetocalórico no tiene le necesidad de cambiar de fiase magnética a fase no magnética. Esto aumenta en mucho la cantidad de materiales magnetocalóricos que se pueden utilizar.

La temperatura de trabajo puede ser cualquiera dependiendo del material utilizado.