Xeradores termoeléctricos: Principios materiais e aplicacións

Un xerador termoeléctrico (TEG) é un dispositivo que converte a enerxía térmica en enerxía eléctrica usando o efecto Seebeck. O efecto Seebeck é un fenómeno que ocorre cando existe unha diferenza de temperatura entre dous condutores diferentes ou un circuito de condutores, creando unha diferenza de potencial eléctrico. Os TEG son dispositivos de estado sólido que non teñen partes móbeis e poden funcionar de forma silenciosa e fiable durante longos períodos de tempo. Os TEG poden usarse para aproveitar o calor residual de diversas fontes, como procesos industriais, automóbiles, centrais eléctricas e incluso o calor corporal humano, e convertilo en electricidade útil. Os TEG tamén poden usarse para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmisores inalámbricos e naves espaciais, utilizando radioisótopos ou calor solar como fonte de calor.

Como funciona un xerador termoeléctrico?

Un xerador termoeléctrico consiste en dous compoñentes principais: materiais termoeléctricos e módulos termoeléctricos.

Os materiais termoeléctricos son materiais que exhiben o efecto Seebeck, o que significa que xeran unha tensión eléctrica cando están sometidos a un gradiente de temperatura. Os materiais termoeléctricos poden clasificarse en dous tipos: tipo n e tipo p. Os materiais do tipo n teñen un exceso de electróns, mentres que os materiais do tipo p teñen un déficit de electróns. Cando un material do tipo n e un material do tipo p están conectados en serie por electrodos metálicos, forman un termopar, que é a unidade básica dun xerador termoeléctrico.

Un módulo termoeléctrico é un dispositivo que contén moitos termopares conectados eléctricamente en serie e térmicamente en paralelo. Un módulo termoeléctrico ten dúas caras: unha cara quente e unha cara fría. Cando a cara quente está exposta a unha fonte de calor e a cara fría está exposta a un sumidor de calor, crea unha diferenza de temperatura no módulo, causando que corra unha corrente polo circuito. A corrente pode usarse para alimentar unha carga externa ou cargar unha batería. A tensión e a potencia de saída dun módulo termoeléctrico dependen do número de termopares, a diferenza de temperatura, o coeficiente Seebeck e as resistencias eléctricas e térmicas dos materiais.

A eficiencia dun xerador termoeléctrico defínese como a relación entre a potencia eléctrica de saída e a entrada de calor da fonte. A eficiencia dun xerador termoeléctrico está limitada pola eficiencia de Carnot, que é a máxima eficiencia posible para calquera motor térmico que funcione entre dúas temperaturas. A eficiencia de Carnot dáse por:

ηCarnot=1−ThTc

onde Tc é a temperatura da cara fría, e Th é a temperatura da cara quente.

A eficiencia real dun xerador termoeléctrico é moito menor que a eficiencia de Carnot debido a varias perdas como o aquecemento Joule, a conducción térmica e a radiación térmica. A eficiencia real dun xerador termoeléctrico depende do mérito figura (ZT) dos materiais termoeléctricos, que é un parámetro adimensional que mide o rendemento dun material para aplicacións termoeléctricas. O mérito figura dáse por:

ZT=κα2σT

onde α é o coeficiente Seebeck, σ é a conductividade eléctrica, κ é a conductividade térmica, e T é a temperatura absoluta.

Canto maior sexa o mérito figura, maior será a eficiencia do xerador termoeléctrico. O mérito figura depende tanto das propiedades intrínsecas (como o transporte de electróns e fonons) como das extrínsecas (como o nivel de dopado e a xeometría) dos materiais. O obxectivo da investigación de materiais termoeléctricos é atopar ou deseñar materiais que teñan un alto coeficiente Seebeck, alta conductividade eléctrica e baixa conductividade térmica, que son requisitos frecuentemente conflitantes.

Quíns son algúns materiais termoeléctricos comúns?

Os materiais termoeléctricos poden clasificarse en tres categorías: metais, semiconductores e composto complexos.

Os metais teñen alta conductividade eléctrica pero baixo coeficiente Seebeck e alta conductividade térmica, resultando nun baixo mérito figura. Os metais úsanse principalmente como electrodos ou interconexións en módulos termoeléctricos.

Os semiconductores teñen moderada conductividade eléctrica e coeficiente Seebeck, pero alta conductividade térmica, resultando nun moderado mérito figura. Os semiconductores poden doparse para crear materiais do tipo n ou p con diferentes concentracións de portadores e mobilidades. Os semiconductores úsanse amplamente como materiais termoeléctricos para aplicacións a baixas temperaturas (abaixo de 200°C).

Os compostos complexos teñen baixa conductividade eléctrica pero un alto coeficiente Seebeck e baixa conductividade térmica, resultando nun alto mérito figura. Os compostos complexos xeralmente están compostos por múltiples elementos con diferentes estados de valencia e estruturas cristalinas, que crean estruturas de bandas electrónicas complexas e mecanismos de dispersión de fonons que melloran o rendemento termoeléctrico. Os compostos complexos úsanse amplamente como materiais termoeléctricos para aplicacións a altas temperaturas (acima de 200°C).

Algunhas exemplos de materiais termoeléctricos comúns son:

• Bismuto telluride (Bi2Te3) e as súas ligações: Estes son os materiais termoeléctricos máis utilizados para aplicacións a baixas temperaturas (abaixo de 200°C), como dispositivos de refrixeración e xeración de enerxía a partir de fontes de calor residual. O Bi2Te3 ten unha estrutura laminada que consiste en capas alternadas de Bi2 e Te3 átomos unidos por débiles forzas de van der Waals. Esta estrutura resulta en baixa conductividade térmica debido á dispersión de fonons nas fronteiras das capas. O Bi2Te3 pode allearse con outros elementos como antimonio (Sb), selénio (Se) ou azufre (S) para axustar as súas propiedades eléctricas e optimizar o seu mérito figura.

• Plomo telluride (PbTe) e as súas ligações: Estes son entre os materiais termoeléctricos máis utilizados para aplicacións a temperaturas medias (200-600°C), como a xeración de enerxía a partir do escape de automóbiles ou fontes de calor residual industrial. O PbTe ten unha estrutura de sal de roca que consiste en capas alternadas de Pb2+ e Te2- ións unidos por fortes forzas iónicas. Esta estrutura resulta nun alto coeficiente Seebeck debido aos pesados átomos de Pb que crean grande degeneración de bandas próximo ao nivel de Fermi. O PbTe pode allearse con outros elementos como estano (Sn), talio (Tl) ou sodio (Na) para mellorar o seu mérito figura.

• Skutterudites: Estes son compostos complexos coa fórmula xeral MX3, onde M é un metal de transición (como o cobalto, Co) e X é un pnictoxeno (como o antimonio, Sb).

           
   

• Os skutterudites teñen unha estrutura cúbica que consiste nunha rede tridimensional de unidades M4X12 con grandes vacios que poden acomodar átomos convidados (como elementos de terras raras, RE). Os átomos convidados actúan como dispersores de fonons que reducen a conductividade térmica, mentres que os átomos hospedeiros proporcionan alta conductividade eléctrica e coeficiente Seebeck. Os skutterudites son prometedores materiais termoeléctricos para aplicacións a temperaturas medias-alto (300-800°C), como a xeración de enerxía a partir da recuperación de calor residual ou a enerxía solar concentrada.

• Compuestos Half-Heusler: Estes son compósitos ternarios coa fórmula xeral XYZ, onde X é un metal de transición (como o titánio, Ti), Y é outro metal de transición (como o níquel, Ni) e Z é un elemento do grupo principal (como o estano, Sn).

           
   

• Os compósitos Half-Heusler teñen unha estrutura cúbica que consiste en catro subretículos fcc entrelazados, un ocupado por átomos X e os outros tres ocupados por átomos Y e Z nunha relación 1:2. Os compósitos Half-Heusler teñen alto coeficiente Seebeck e conductividade eléctrica debido ás súas complexas estruturas de bandas electrónicas e baixa conductividade térmica debido ás súas pesadas partículas constituintes. Os compósitos Half-Heusler son prometedores materiais termoeléctricos para aplicacións a altas temperaturas (acima de 800°C), como a xeración de enerxía a partir de reactores nucleares ou motores aeroespaciais.

Quíns son algúns aplicacións dos xeradores termoeléctricos?

Os xeradores termoeléctricos teñen diversas aplicacións en diferentes campos, dependendo do intervalo de temperatura, a potencia de saída e a dispoñibilidade da fonte de calor. Algúns exemplos de aplicacións de xeradores termoeléctricos son:

• Dispositivos de refrixeración: Os xeradores termoeléctricos poden usarse para refrixerar componentes electrónicos, como microprocesadores, lasers ou sensores, aplicando unha corrente eléctrica para crear unha diferenza de temperatura entre as caras quente e fría do módulo. Este proceso chámase refrixeración termoeléctrica ou efecto Peltier, que é o inverso do efecto Seebeck. Os dispositivos de refrixeración termoeléctrica teñen vantaxes sobre os métodos convencionais de refrixeración, como compactidade, fiabilidade, ausencia de ruido e control preciso da temperatura.

• Xeración de enerxía a partir de calor residual: Os xeradores termoeléctricos poden usarse para aproveitar o calor residual de diversas fontes, como procesos industriais, automóbiles, centrais eléctricas e incluso o calor corporal humano, e convertilo en electricidade útil. Isto pode mellorar a eficiencia enerxética e reducir as emisións de gases de efecto invernado destas fontes. Por exemplo, os xeradores termoeléctricos poden integrarse nos sistemas de escape de automóbiles para recuperar parte do calor perdido durante a combustión e xerar electricidade para electrónica a bordo ou recarga de baterías. Os xeradores termoeléctricos tamén poden acoplarse á pel ou á roupa para xerar electricidade a partir do calor corporal para alimentar dispositivos vestibles ou implantes médicos.

• Xeración de enerxía a partir de radioisótopos: Os xeradores termoeléctricos poden usarse para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmisores inalámbricos e naves espaciais, utilizando radioisótopos como fonte de calor.

           
   

• Os radioisótopos son isótopos inestables que emiten radiación e decaden en outros elementos. A radiación pode converterse en calor utilizando un material que a absorba, como o plomo ou o tungsteno. O calor pode despois converterse en electricidade utilizando módulos termoeléctricos. Os xeradores termoeléctricos de radioisótopos (RTGs) teñen vantaxes sobre outras fontes de enerxía, como baterías ou paneles solares, en termos de lonxevidade, alta fiabilidade e independencia das condicións ambientais. Os RTGs usáronse para aliment