Què són els generadors de corrent elèctrica termoelèctrics?
Què són els generadors de potència termoelèctrica?
Definició de generador termoelèctric
Un generador termoelèctric (GTE) és un dispositiu que converteix l'energia tèrmica en energia elèctrica utilitzant l'efecte Seebeck. L'efecte Seebeck és un fenomen que ocorre quan hi ha una diferència de temperatura entre dos conductors diferents o un circuit de conductors, creant una diferència de potencial elèctric. Els GTE són dispositius d'estat sòlid que no tenen parts mòbils i poden funcionar silenciosament i amb fiabilitat durant períodes llargs de temps. Els GTE es poden utilitzar per recollir el calor residual de diverses fonts, com processos industrials, automòbils, centrals elèctriques i fins i tot el calor del cos humà, i convertir-lo en electricitat útil. Els GTE 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.
Principi de funcionament
Un generador termoelèctric consta de dos components principals: materials termoelèctrics i mòduls termoelèctrics.
Els materials termoelèctrics són materials que mostren l'efecte Seebeck, generant un voltatge elèctric quan hi ha una diferència de temperatura. Es classifiquen en dos tipus: n-type i p-type. Els materials n-type tenen electrons addicionals, mentre que els materials p-type manquen d'electrons. Quan es connecten en sèrie amb electrodes metàl·liques, aquests materials formen un termopare, 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 dos costats: un costat calent i un costat fred. Quan el costat calent està exposat a una font de calor i el costat fred està exposat a un dissipador de calor, es crea una diferència de temperatura a través del mòdul, causant que circuli una corrent pel circuit. La corrent es pot utilitzar per alimentar una càrrega externa o carregar una bateria. El voltatge 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 relació entre la potència elèctrica de sortida i la calor d'entrada. Aquesta eficiència està limitada per l'eficiència de Carnot, la màxima eficiència possible per a qualsevol motor tèrmic entre dues temperatures. L'eficiència de Carnot es dóna per:
on Tc és la temperatura del costat fred, i Th és la temperatura del costat calent.
L'eficiència real d'un generador termoelèctric és molt inferior a l'eficiència de Carnot degut a diverses pèrdues com el calentament Joule, la conducció tèrmica i la radiació tèrmica. L'eficiència real d'un generador termoelèctric depèn del mèrit de figura (ZT) dels materials termoelèctrics, que és un paràmetre adimensional que mesura el rendiment d'un material per a aplicacions termoelèctriques. El mèrit de figura es dóna per:
on α és el coeficient Seebeck, σ és la conductivitat elèctrica, κ és la conductivitat tèrmica, i T és la temperatura absoluta.
Més elevat és el mèrit de figura, més elevada serà l'eficiència del generador termoelèctric. El mèrit de figura depèn tant de les propietats intrínseques (com el transport d'electrons i fons) com de les propietats extrínseques (com el nivell de dopatge i la geometria) dels materials. El objectiu de la recerca en 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.
Materials comuns
Bismuto telluride (Bi2Te3) i les seves lligatures
Plom telluride (PbTe) i les seves lligatures
Skutterudites
Compounds de Half-Heusler
Aplicacions
Dispositius de refrigeració
Generació d'energia a partir del calor residual
Generació d'energia a partir de radioisòtops
Desafiaments
Baixa eficiència
Cost elevat
Gestió tèrmica
Integració del sistema
Direccions futures
Materials termoelèctrics novadors
Mòduls termoelèctrics avançats
Sistemes termoelèctrics innovadors
Conclusió
Els generadors termoelèctrics són dispositius que poden convertir l'energia tèrmica en energia elèctrica utilitzant l'efecte Seebeck. Els generadors termoelèctrics tenen moltes avantatges sobre els mètodes convencionals de generació d'energia, com la compactesa, la fiabilitat, la silenciós i la conversió directa. Els generadors termoelèctrics tenen diverses aplicacions en diferents camps, com dispositius de refrigeració, generació d'energia a partir del calor residual i generació d'energia a partir de radioisòtops. No obstant això, els generadors termoelèctrics també enfronten alguns reptes i limitacions que cal superar per a la implementació pràctica, com la baixa eficiència, el cost elevat, la gestió tèrmica i la integració del sistema. Les direccions futures per a la recerca i desenvolupament de generadors termoelèctrics inclouen materials termoelèctrics novadors, mòduls termoelèctrics avançats i sistemes termoelèctrics innovadors. Els generadors termoelèctrics tenen un gran potencial per a les aplicacions de conversió i captació d'energia en diversos sectors i escenaris.
