Generadors termoelèctrics: Principis, materials i aplicacions
Un generador termoelèctric (TEG) és un dispositiu que converteix l'energia tèrmica en energia elèctrica utilitzant l'efecte Seebeck. L'efecte Seebeck és un fenòmen que es produeix quan hi ha una diferència de temperatura entre dos conductors diferents o un circuit de conductors, creant una diferència de potencial elèctric. Els TEG són dispositius d'estat sòlid que no tenen parts mòbils i poden funcionar silenciosament i de manera fiable durant llargs períodes de temps. Els TEG es poden utilitzar per recollir el calor residuari d'una sèrie de fonts, com processos industrials, automòbils, centrals elèctriques i fins i tot el calor del cos humà, i convertir-lo en electricitat útil. Els TEG també es poden utilitzar per alimentar dispositius remots, com sensors, transmetredors sense fil i naves espacials, utilitzant radioisòtops o calor solar com a font de calor.
Com funciona un generador termoelèctric?
Un generador termoelèctric consta de dos components principals: materials termoelèctrics i mòduls termoelèctrics.
Els materials termoelèctrics són materials que presenten l'efecte Seebeck, és a dir, generen una tensió elèctrica quan estan sotmesos a un gradient de temperatura. Els materials termoelèctrics es poden classificar en dos tipus: n-type i p-type. Els materials n-type tenen un excedent d'electrons, mentre que els materials p-type tenen una deficiència d'electrons. Quan un material n-type i un material p-type es connecten en sèrie mitjançant electrodes metàl·liques, formen un termopare, que és la unitat bàsica d'un generador termoelèctric.
Un mòdul termoelèctric és un dispositiu que conté molts termopares connectats elèctricament en sèrie i tèrmicament en paral·lel. Un mòdul termoelèctric té dues cares: una cara calenta i una cara freda. Quan la cara calenta està exposada a una font de calor i la cara freda està exposada a un dissipador de calor, es crea una diferència de temperatura a través del mòdul, provocant que un corrent flueixi pel circuit. Aquest corrent es pot utilitzar per alimentar una càrrega externa o carregar una bateria. La tensió i la potència de sortida d'un mòdul termoelèctric depenen del nombre de termopares, la diferència de temperatura, el coeficient Seebeck i les resistències elèctriques i tèrmiques dels materials.
L'eficiència d'un generador termoelèctric es defineix com la raó entre la potència elèctrica de sortida i la calor d'entrada de la font. L'eficiència d'un generador termoelèctric està limitada per l'eficiència de Carnot, que és l'eficiència màxima possible per a qualsevol motor tèrmic que opera entre dues temperatures. L'eficiència de Carnot es dóna per:
ηCarnot=1−ThTc
on Tc és la temperatura de la cara freda, i Th és la temperatura de la cara calenta.
L'eficiència real d'un generador termoelèctric és molt més baixa que l'eficiència de Carnot degut a diverses pèrdues com l'escalfament Joule, la conducció tèrmica i la radiació tèrmica. L'eficiència real d'un generador termoelèctric depèn del merít quantitatiu (ZT) dels materials termoelèctrics, que és un paràmetre adimensional que mesura el rendiment d'un material per aplicacions termoelèctriques. El merít quantitatiu es dóna per:
ZT=κα2σT
on α és el coeficient Seebeck, σ és la conductivitat elèctrica, κ és la conductivitat tèrmica, i T és la temperatura absoluta.
El merít quantitatiu més elevat, més alta serà l'eficiència del generador termoelèctric. El merít quantitatiu depèn tant de les propietats intrínseques (com el transport d'electrons i fonons) com de les extrínseques (com el nivell de dopatge i la geometria) dels materials. L'objectiu de la recerca de materials termoelèctrics és trobar o dissenyar materials que tinguin un coeficient Seebeck elevat, una conductivitat elèctrica elevada i una conductivitat tèrmica baixa, que sovint són requisits conflictius.
Quins són alguns materials termoelèctrics comuns?
Els materials termoelèctrics es poden classificar en tres categories: metalls, semiconductors i compostos complexos.
Els metalls tenen una conductivitat elèctrica elevada però un coeficient Seebeck baix i una conductivitat tèrmica elevada, resultant en un merít quantitatiu baix. Els metalls s'utilitzen principalment com a electrodes o interconnectors en mòduls termoelèctrics.
Els semiconductors tenen una conductivitat elèctrica i un coeficient Seebeck moderats, però una conductivitat tèrmica elevada, resultant en un merít quantitatiu moderat. Els semiconductors es poden dopar per crear materials n-type o p-type amb concentracions de portadors i mobilitats diferents. Els semiconductors s'utilitzen ampliament com a materials termoelèctrics per aplicacions de baixa temperatura (inferior a 200°C).
Els compostos complexos tenen una conductivitat elèctrica baixa però un coeficient Seebeck elevat i una conductivitat tèrmica baixa, resultant en un merít quantitatiu elevat. Els compostos complexos solen estar compostos per diversos elements amb estats de valència diferents i estructures cristallines, que creen estructures de bandes electròniques complexes i mecanismes de dispersió de fonons que milloren el rendiment termoelèctric. Els compostos complexos s'utilitzen ampliament com a materials termoelèctrics per aplicacions de temperatura elevada (superior a 200°C).
Alguns exemples de materials termoelèctrics comuns són:
Telurur de bismut (Bi2Te3) i les seves allaus: Són els materials termoelèctrics més utilitzats per a aplicacions de baixa temperatura (inferior a 200°C), com dispositius de refredament i generació d'electricitat a partir de fonts de calor residuari. El Bi2Te3 té una estructura estratificada que consisteix en capes alternades de Bi2 i Te3 àtoms lligats per forces van der Waals febles. Aquesta estructura resulta en una conductivitat tèrmica baixa degut a la dispersió de fonons a les fronteres de les capes. El Bi2Te3 es pot alliar amb altres elements com l'antimoni (Sb), el seleni (Se) o el sulfur (S) per ajustar les seves propietats elèctriques i optimitzar el seu merít quantitatiu.
Telurur de plom (PbTe) i les seves allaus: Són entre els materials termoelèctrics més utilitzats per a aplicacions de temperatura mitjana (200-600°C), com la generació d'electricitat a partir de l'exhaust d'automòbils o fonts de calor residuari industrial. El PbTe té una estructura de sal de roca que consisteix en capes alternades de Pb2+ i Te2- ions lligats per fortes forces iòniques. Aquesta estructura resulta en un coeficient Seebeck elevat degut als àtoms pesants de Pb que creen una gran degeneració de banda proper al nivell de Fermi. El PbTe es pot alliar amb altres elements com el estany (Sn), el talli (Tl) o el sodi (Na) per augmentar el seu merít quantitatiu.
Skutterudites: Són compostos complexos amb la fórmula general MX3, on M és un metall de transició (com el cobalt, Co) i X és un pnictogen (com l'antimoni, Sb).
Els skutterudites tenen una estructura cúbica que consisteix en una xarxa tridimensional d'unitats M4X12 amb grans vides que poden allotjar àtoms d'hoste (com elements de terra rara, RE). Els àtoms d'hoste actuen com dispersors de fonons que redueixen la conductivitat tèrmica, mentre que els àtoms hostes proporcionen una conductivitat elèctrica i un coeficient Seebeck elevats. Els skutterudites són materials termoelèctrics prometedors per a aplicacions de temperatura mitjana a elevada (300-800°C), com la generació d'electricitat a partir de la recuperació de calor residuari o l'energia solar concentrada.
Compounds de Half-Heusler: Són compostos ternaris amb la fórmula general XYZ, on X és un metall de transició (com el titani, Ti), Y és un altre metall de transició (com el níquel, Ni), i Z és un element de grup principal (com el estany, Sn).
Els compounds de Half-Heusler tenen una estructura cúbica que consisteix en quatre subreticles fcc interpenetrades, una ocupada per àtoms X i les altres tres ocupades per àtoms Y i Z en una raó 1:2. Els compounds de Half-Heusler tenen un coeficient Seebeck elevat i una conductivitat elèctrica elevada degut a les seves complexes estructures de bandes electròniques i una conductivitat tèrmica baixa degut als seus àtoms constituents pesants. Els compounds de Half-Heusler són materials termoelèctrics prometedors per a aplicacions de temperatura elevada (superior a 800°C), com la generació d'electricitat a partir de reactiors nuclears o motors aerospacials.
Quines són algunes aplicacions dels generadors termoelèctrics?
Els generadors termoelèctrics tenen diverses aplicacions en diferents camps, depenent de l'interval de temperatura, la sortida de potència i la disponibilitat de la font de calor. Algunes exemples d'aplicacions de generadors termoelèctrics són:
Dispositius de refredament: Els generadors termoelèctrics es poden utilitzar per refredar components electrònics, com microprocessadors, lasers o sensors, aplicant una corrent elèctrica per crear una diferència de temperatura entre les cares calenta i freda del mòdul. Aquest procés s'anomena refredament termoelèctric o efecte Peltier, que és el contrari de l'efecte Seebeck. Els dispositius de refredament termoelèctric tenen avantatges sobre els mètodes de refredament convencionals, com la compactesa, la fiabilitat, la falta de soroll i el control precís de la temperatura.
Generació d'electricitat a partir de calor residuari: Els generadors termoelèctrics es poden utilitzar per recollir el calor residuari d'una sèrie de fonts, com processos industrials, automòbils, centrals elèctriques i fins i tot el calor del cos humà, i convertir-lo en electricitat útil. Això pot millorar l'eficiència energètica i reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle d'aquestes fonts. Per exemple, els generadors termoelèctrics es poden integrar en sistemes d'exhaust d'automòbils per recuperar part del calor perdut durant la combustió i generar electricitat per a electrònics a bord o càrrega de bateries. Els generadors termoelèctrics també es poden atacar a la pell o la roba per generar electricitat a partir del calor corporal per alimentar dispositius vestibles o implants mèdics.
Generació d'electricitat a partir de radioisòtops: Els generadors termoelèctrics es poden utilitzar per alimentar dispositius remots, com sensors, transmetredors sense fil i naves espacials, utilitzant radioisòtops com a font de calor.
Els radioisòtops són isòtops inestables que emeten radiació i decaden en altres elements. La radiació es pot convertir en calor utilitzant un material que l'absorbeix, com el plom o el tungstè. La calor llavors es pot convertir en electricitat utilitzant mòduls termoelèctrics. El
