Generadores Termoeléctricos: Principios Materiales y Aplicaciones
Un generador termoeléctrico (TEG) es un dispositivo que convierte la energía térmica en energía eléctrica utilizando el efecto Seebeck. El efecto Seebeck es un fenómeno que ocurre cuando existe una diferencia de temperatura entre dos conductores diferentes o un circuito de conductores, creando una diferencia de potencial eléctrico. Los TEG son dispositivos de estado sólido que no tienen partes móviles y pueden operar en silencio y de manera confiable durante largos períodos de tiempo. Los TEG se pueden utilizar para aprovechar el calor residual de diversas fuentes, como procesos industriales, automóviles, centrales eléctricas e incluso el calor corporal humano, y convertirlo en electricidad útil. Los TEG también se pueden usar para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmisores inalámbricos y naves espaciales, utilizando radioisótopos o calor solar como fuente de calor.
¿Cómo funciona un generador termoeléctrico?
Un generador termoeléctrico consta de dos componentes principales: materiales termoeléctricos y módulos termoeléctricos.
Los materiales termoeléctricos son materiales que exhiben el efecto Seebeck, lo que significa que generan un voltaje cuando están sometidos a un gradiente de temperatura. Los materiales termoeléctricos se pueden clasificar en dos tipos: tipo n y tipo p. Los materiales de tipo n tienen un exceso de electrones, mientras que los materiales de tipo p tienen una deficiencia de electrones. Cuando un material de tipo n y un material de tipo p se conectan en serie mediante electrodos metálicos, forman una termopila, que es la unidad básica de un generador termoeléctrico.
Un módulo termoeléctrico es un dispositivo que contiene muchas termopilas conectadas eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Un módulo termoeléctrico tiene dos lados: un lado caliente y un lado frío. Cuando el lado caliente está expuesto a una fuente de calor y el lado frío está expuesto a un sumidero de calor, se crea una diferencia de temperatura a través del módulo, causando que fluya una corriente por el circuito. La corriente se puede utilizar para alimentar una carga externa o cargar una batería. El voltaje y la potencia de salida de un módulo termoeléctrico dependen del número de termopilas, la diferencia de temperatura, el coeficiente Seebeck y las resistencias eléctrica y térmica de los materiales.
La eficiencia de un generador termoeléctrico se define como la relación entre la potencia eléctrica de salida y la entrada de calor de la fuente. La eficiencia de un generador termoeléctrico está limitada por la eficiencia de Carnot, que es la eficiencia máxima posible para cualquier motor térmico que opera entre dos temperaturas. La eficiencia de Carnot se da por:
ηCarnot=1−ThTc
donde Tc es la temperatura del lado frío, y Th es la temperatura del lado caliente.
La eficiencia real de un generador termoeléctrico es mucho menor que la eficiencia de Carnot debido a diversas pérdidas, como el calentamiento Joule, la conducción térmica y la radiación térmica. La eficiencia real de un generador termoeléctrico depende del mérito de figura (ZT) de los materiales termoeléctricos, que es un parámetro adimensional que mide el rendimiento de un material para aplicaciones termoeléctricas. El mérito de figura se da por:
ZT=κα2σT
donde α es el coeficiente Seebeck, σ es la conductividad eléctrica, κ es la conductividad térmica, y T es la temperatura absoluta.
Cuanto mayor sea el mérito de figura, mayor será la eficiencia del generador termoeléctrico. El mérito de figura depende tanto de las propiedades intrínsecas (como el transporte de electrones y fonones) como de las propiedades extrínsecas (como el nivel de dopado y la geometría) de los materiales. El objetivo de la investigación de materiales termoeléctricos es encontrar o diseñar materiales que tengan un alto coeficiente Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica, que a menudo son requisitos contradictorios.
¿Cuáles son algunos materiales termoeléctricos comunes?
Los materiales termoeléctricos se pueden clasificar en tres categorías: metales, semiconductores y compuestos complejos.
Los metales tienen alta conductividad eléctrica pero un coeficiente Seebeck bajo y una alta conductividad térmica, lo que resulta en un bajo mérito de figura. Los metales se utilizan principalmente como electrodos o interconexiones en módulos termoeléctricos.
Los semiconductores tienen una conductividad eléctrica y un coeficiente Seebeck moderados, pero una alta conductividad térmica, lo que resulta en un mérito de figura moderado. Los semiconductores se pueden dopar para crear materiales de tipo n o p con diferentes concentraciones y movilidades de portadores. Los semiconductores se utilizan ampliamente como materiales termoeléctricos para aplicaciones de baja temperatura (por debajo de 200°C).
Los compuestos complejos tienen una baja conductividad eléctrica pero un alto coeficiente Seebeck y una baja conductividad térmica, lo que resulta en un alto mérito de figura. Los compuestos complejos suelen estar compuestos por múltiples elementos con diferentes estados de valencia y estructuras cristalinas, lo que crea estructuras de bandas electrónicas complejas y mecanismos de dispersión de fonones que mejoran el rendimiento termoeléctrico. Los compuestos complejos se utilizan ampliamente como materiales termoeléctricos para aplicaciones de alta temperatura (por encima de 200°C).
Algunos ejemplos de materiales termoeléctricos comunes son:
Bismuto tellururo (Bi2Te3) y sus aleaciones: Estos son los materiales termoeléctricos más ampliamente utilizados para aplicaciones de baja temperatura (por debajo de 200°C), como dispositivos de refrigeración y generación de energía a partir de fuentes de calor residual. El Bi2Te3 tiene una estructura laminada que consiste en capas alternadas de quintuplas de Bi2 y Te3 átomos unidos por fuerzas débiles de van der Waals. Esta estructura resulta en una baja conductividad térmica debido a la dispersión de fonones en los límites de las capas. El Bi2Te3 se puede alear con otros elementos como antimonio (Sb), selenio (Se) o azufre (S) para ajustar sus propiedades eléctricas y optimizar su mérito de figura.
Plomo tellururo (PbTe) y sus aleaciones: Estos son entre los materiales termoeléctricos más ampliamente utilizados para aplicaciones de temperatura media (200-600°C), como la generación de energía a partir de gases de escape de automóviles o fuentes de calor residual industrial. El PbTe tiene una estructura de sal de roca que consiste en capas alternadas de iones Pb2+ y Te2- unidos por fuertes fuerzas iónicas. Esta estructura resulta en un alto coeficiente Seebeck debido a los átomos pesados de Pb que crean una gran degeneración de bandas cerca del nivel de Fermi. El PbTe se puede alear con otros elementos como estaño (Sn), talio (Tl) o sodio (Na) para mejorar su mérito de figura.
Skutteruditas: Estos son compuestos complejos con la fórmula general MX3, donde M es un metal de transición (como el cobalto, Co) y X es un pnictógeno (como el antimonio, Sb).
Los skutteruditas tienen una estructura cúbica que consiste en una red tridimensional de unidades M4X12 con grandes vacíos que pueden alojar átomos de huésped (como elementos de tierras raras, RE). Los átomos de huésped actúan como dispersores de fonones que reducen la conductividad térmica, mientras que los átomos de anfitrión proporcionan alta conductividad eléctrica y coeficiente Seebeck. Los skutteruditas son materiales termoeléctricos prometedores para aplicaciones de temperatura media a alta (300-800°C), como la generación de energía a partir de la recuperación de calor residual o la energía solar concentrada.
Compuestos de medio Heusler: Estos son compuestos ternarios con la fórmula general XYZ, donde X es un metal de transición (como el titanio, Ti), Y es otro metal de transición (como el níquel, Ni), y Z es un elemento del grupo principal (como el estaño, Sn).
Los compuestos de medio Heusler tienen una estructura cúbica que consiste en cuatro subretículos fcc entrelazados, uno ocupado por átomos X y los otros tres ocupados por átomos Y y Z en una proporción 1:2. Los compuestos de medio Heusler tienen un alto coeficiente Seebeck y conductividad eléctrica debido a sus complejas estructuras de bandas electrónicas y una baja conductividad térmica debido a sus átomos constituyentes pesados. Los compuestos de medio Heusler son materiales termoeléctricos prometedores para aplicaciones de alta temperatura (por encima de 800°C), como la generación de energía a partir de reactores nucleares o motores aeroespaciales.
¿Cuáles son algunas aplicaciones de los generadores termoeléctricos?
Los generadores termoeléctricos tienen diversas aplicaciones en diferentes campos, dependiendo del rango de temperatura, la potencia de salida y la disponibilidad de la fuente de calor. Algunos ejemplos de aplicaciones de generadores termoeléctricos son:
Dispositivos de refrigeración: Los generadores termoeléctricos se pueden utilizar para enfriar componentes electrónicos, como microprocesadores, láseres o sensores, aplicando una corriente eléctrica para crear una diferencia de temperatura entre los lados caliente y frío del módulo. Este proceso se llama refrigeración termoeléctrica o efecto Peltier, que es el inverso del efecto Seebeck. Los dispositivos de refrigeración termoeléctrica tienen ventajas sobre los métodos de refrigeración convencionales, como la compactibilidad, fiabilidad, ausencia de ruido y control preciso de la temperatura.
Generación de energía a partir de calor residual: Los generadores termoeléctricos se pueden utilizar para aprovechar el calor residual de diversas fuentes, como procesos industriales, automóviles, centrales eléctricas e incluso el calor corporal humano, y convertirlo en electricidad útil. Esto puede mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de estas fuentes. Por ejemplo, los generadores termoeléctricos se pueden integrar en sistemas de escape de automóviles para recuperar parte del calor perdido durante la combustión y generar electricidad para electrónica a bordo o carga de baterías. Los generadores termoeléctricos también se pueden conectar a la piel humana o ropa para generar electricidad a partir del calor corporal para alimentar dispositivos portátiles o implantes médicos.
Generación de energía a partir de radioisótopos: Los generadores termoeléctricos se pueden utilizar para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmisores inalámbricos y naves espaciales, utilizando radioisótopos como fuente de calor.
Los radioisótopos son isótopos inestables que emiten radiación y se desintegran en otros elementos. La radiación se puede convertir en calor utilizando un material que la absorba, como plomo o tungsteno. El calor luego se puede convertir en electricidad utilizando módulos termoeléctricos. Los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) tienen ventajas sobre otras fuentes de energía, como baterías o paneles solares, en términos de larga vida útil, alta fiabilidad e independencia de las condiciones ambientales. Los RTG se han utilizado para alimentar muchas misiones espaciales, como Voyager 1 y 2, el rover Curiosity y el rover Perseverance.
¿Cuáles son algunos desafíos y direcciones futuras para los generadores termoeléctricos?
