Que son os xeradores de enerxía termoeléctrica

Que son os xeradores termoeléctricos?

Definición de xerador termoeléctrico

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

Principio de funcionamento

Un xerador termoeléctrico consta de dous compoñentes principais: materiais termoeléctricos e módulos termoeléctricos.

Os materiais termoeléctricos son materiais que mostran o efecto Seebeck, xerando un voltaxe eléctrico cando hai unha diferenza de temperatura. Están clasificados en dous tipos: tipo n e tipo p. Os materiais do tipo n teñen electróns extra, mentres que os materiais do tipo p carecen de electróns. Cando están conectados en serie con electrodos metálicos, estes materiais forman un termopar, 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 dous lados: un lado quente e un lado frío. Cando o lado quente está exposto a unha fonte de calor e o lado frío está exposto a un sumidor de calor, crea unha diferenza de temperatura a través do módulo, provocando que corra unha corrente polo circuito. A corrente pode utilizarse para alimentar unha carga externa ou cargar unha batería. O voltaxe e a potencia de saída dun módulo termoeléctrico dependen do número de termopares, a diferenza de temperatura, o coeficiente Seebeck e as resistencias eléctrica e térmica dos materiais.

A eficiencia dun xerador termoeléctrico define como a relación da potencia eléctrica de saída á entrada de calor. Esta eficiencia está limitada pola eficiencia de Carnot, a máxima eficiencia posible para calquera motor térmico entre dúas temperaturas. A eficiencia de Carnot dáse por:

onde Tc é a temperatura do lado frío, e Th é a temperatura do lado quente.

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

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

Canto maior sexa o mérito figural, maior será a eficiencia do xerador termoeléctrico. O mérito figural 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 en materiais termoeléctricos é atopar ou deseñar materiais que teñan un alto coeficiente Seebeck, alta condutividade eléctrica e baixa condutividade térmica, que son frecuentemente requisitos en conflito.

Materiais comúns

• Bismuto telluride (Bi2Te3) e as súas ligas

• Plomo telluride (PbTe) e as súas ligas

• Skutterudites

• Compuestos Half-Heusler

Aplicacións

• Dispositivos de refrigeración

• Xeración de enerxía a partir do calor residual

• Xeración de enerxía a partir de radioisótopos

 Desafíos

• Baixa eficiencia

• Alto custo

• Xestión térmica

• Integración do sistema

Direccións futuras

• Novos materiais termoeléctricos

• Módulos termoeléctricos avanzados

• Sistemas termoeléctricos innovadores

Conclusión

Os xeradores termoeléctricos son dispositivos que poden converter a enerxía térmica en enerxía eléctrica utilizando o efecto Seebeck. Os xeradores termoeléctricos teñen moitas vantaxes sobre os métodos convencionais de xeración de enerxía, como a compactez, fiabilidade, ausencia de ruido e conversión directa. Os xeradores termoeléctricos teñen varias aplicacións en diferentes campos, como dispositivos de refrigeración, xeración de enerxía a partir do calor residual e xeración de enerxía a partir de radioisótopos. No entanto, os xeradores termoeléctricos tamén encaran algúns desafíos e limitacións que deben superarse para a implementación práctica, como a baixa eficiencia, o alto custo, a xestión térmica e a integración do sistema. As direccións futuras para a investigación e desenvolvemento de xeradores termoeléctricos inclúen novos materiais termoeléctricos, módulos termoeléctricos avanzados e sistemas termoeléctricos innovadores. Os xeradores termoeléctricos teñen gran potencial para a conversión e recolección de enerxía en diversos sectores e escenarios.