¿Qué son los generadores de energía termoeléctrica?

¿Qué son los generadores de energía termoeléctrica?

Definición del generador termoeléctrico

Un generador termoeléctrico (GTE) 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 GTE son dispositivos de estado sólido que no tienen partes móviles y pueden funcionar en silencio y de manera confiable durante largos períodos de tiempo. Los GTE 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 GTE también se pueden usar para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmisores inalámbricos y naves espaciales, utilizando radioisótopos o calor solar como fuente de calor.

Principio de funcionamiento

Un generador termoeléctrico consta de dos componentes principales: materiales termoeléctricos y módulos termoeléctricos.

Los materiales termoeléctricos son materiales que muestran el efecto Seebeck, generando un voltaje eléctrico cuando hay una diferencia de temperatura. Se clasifican en dos tipos: n-tipo y p-tipo. Los materiales n-tipo tienen electrones extra, mientras que los materiales p-tipo carecen de electrones. Cuando se conectan en serie con electrodos metálicos, estos materiales forman una termopila, 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 puede usarse 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. Esta eficiencia está limitada por la eficiencia de Carnot, la máxima eficiencia posible para cualquier motor térmico entre dos temperaturas. La eficiencia de Carnot se da por:

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 varias pérdidas, como el calentamiento Joule, la conducción térmica y la radiación térmica. La eficiencia real de un generador termoeléctrico depende del mérito figurado (ZT) de los materiales termoeléctricos, que es un parámetro adimensional que mide el rendimiento de un material para aplicaciones termoeléctricas. El mérito figurado se da por:

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 figurado, mayor será la eficiencia del generador termoeléctrico. El mérito figurado depende tanto de las propiedades intrínsecas (como el transporte de electrones y fonones) como de las propiedades extrínsecas (como el nivel de dopaje 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.

Materiales comunes

• Bismuto tellururo (Bi2Te3) y sus aleaciones

• Plomo tellururo (PbTe) y sus aleaciones

• Skutteruditas

• Compuestos de medio Heusler

Aplicaciones

• Dispositivos de refrigeración

• Generación de energía a partir de calor residual

• Generación de energía a partir de radioisótopos

 Desafíos

• Baja eficiencia

• Alto costo

• Gestión térmica

• Integración del sistema

Direcciones futuras

• Nuevos materiales termoeléctricos

• Módulos termoeléctricos avanzados

• Sistemas termoeléctricos innovadores

Conclusión

Los generadores termoeléctricos son dispositivos que pueden convertir la energía térmica en energía eléctrica utilizando el efecto Seebeck. Los generadores termoeléctricos tienen muchas ventajas sobre los métodos convencionales de generación de energía, como la compactibilidad, la fiabilidad, la ausencia de ruido y la conversión directa. Los generadores termoeléctricos tienen diversas aplicaciones en diferentes campos, como dispositivos de refrigeración, generación de energía a partir de calor residual y generación de energía a partir de radioisótopos. Sin embargo, los generadores termoeléctricos también enfrentan algunos desafíos y limitaciones que deben superarse para su implementación práctica, como la baja eficiencia, el alto costo, la gestión térmica y la integración del sistema. Las direcciones futuras para la investigación y desarrollo de generadores termoeléctricos incluyen nuevos materiales termoeléctricos, módulos termoeléctricos avanzados y sistemas termoeléctricos innovadores. Los generadores termoeléctricos tienen un gran potencial para aplicaciones de conversión y captación de energía en diversos sectores y escenarios.