Generador termoeléctrico

Dispositivo que convierte el flujo de calor en energía eléctrica.

Un generador termoeléctrico ( TEG ), también llamado generador Seebeck , es un dispositivo de estado sólido que convierte el calor (impulsado por las diferencias de temperatura ) directamente en energía eléctrica a través de un fenómeno llamado efecto Seebeck ^[1] (una forma de efecto termoeléctrico ). Los generadores termoeléctricos funcionan como motores térmicos , pero son menos voluminosos y no tienen partes móviles. Sin embargo, los TEG suelen ser más caros y menos eficientes. ^[2]

Los generadores termoeléctricos podrían usarse en plantas de energía y fábricas para convertir el calor residual en energía eléctrica adicional y en automóviles como generadores termoeléctricos automotrices (ATG) para aumentar la eficiencia del combustible . Los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizan radioisótopos para generar la diferencia de temperatura necesaria para alimentar las sondas espaciales. ^[2] Los generadores termoeléctricos también se pueden utilizar junto con los paneles solares . ^{[3] [4]}

Historia

En 1821, Thomas Johann Seebeck descubrió que un gradiente térmico formado entre dos conductores diferentes puede producir electricidad. ^{[5] [6]} En el corazón del efecto termoeléctrico está el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor da como resultado un flujo de calor; esto da como resultado la difusión de portadores de carga. El flujo de portadores de carga entre las regiones fría y caliente crea a su vez una diferencia de voltaje. En 1834, Jean Charles Athanase Peltier descubrió el efecto inverso: hacer pasar una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores diferentes podría, dependiendo de la dirección de la corriente, hacer que actuara como calentador o refrigerador. ^[7]

Eficiencia

La eficiencia típica de los TEG es de alrededor del 5 al 8%, aunque puede ser mayor. Los dispositivos más antiguos utilizaban uniones bimetálicas y eran voluminosos. Los dispositivos más recientes utilizan semiconductores altamente dopados hechos de telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), telururo de plomo (PbTe), ^[8] óxido de calcio y manganeso (Ca ₂ Mn ₃ O ₈ ), ^{[9] [10]} o combinaciones de los mismos, ^{[ 11]} dependiendo de la temperatura de aplicación. Estos son dispositivos de estado sólido y, a diferencia de las dinamos , no tienen partes móviles , con la excepción ocasional de un ventilador o bomba para mejorar la transferencia de calor. Si la región caliente está alrededor de 1273K y se implementan los valores ZT de 3 - 4, la eficiencia es aproximadamente 33-37%; permitiendo que los TEG compitan con ciertas eficiencias de los motores térmicos. ^[12]

A partir de 2021, hay materiales (algunos que contienen arsénico y estaño ampliamente disponibles y económicos) que alcanzan un valor ZT> 3; monocapa (ZT = 3,36 en el eje del sillón); dopado tipo n (ZT = 3,23); dopado tipo p (ZT = 3,46); dopado tipo p (ZT = 3,5). ^[13] ${\displaystyle {\ce {AsP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {InP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SnP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SbP3}}}$

Construcción

Efecto Seebeck en una termopila hecha de alambres de hierro y cobre.

Los generadores de energía termoeléctrica constan de tres componentes principales: materiales termoeléctricos, módulos termoeléctricos y sistemas termoeléctricos que interactúan con la fuente de calor. ^[14]

Materiales termoeléctricos

Los materiales termoeléctricos generan energía directamente a partir del calor al convertir las diferencias de temperatura en voltaje eléctrico. Estos materiales deben tener tanto una alta conductividad eléctrica (σ) como una baja conductividad térmica (κ) para ser buenos materiales termoeléctricos. Tener una baja conductividad térmica garantiza que cuando un lado se calienta, el otro lado permanece frío, lo que ayuda a generar un gran voltaje en un gradiente de temperatura. La medida de la magnitud del flujo de electrones en respuesta a una diferencia de temperatura a través de ese material viene dada por el coeficiente de Seebeck (S). La eficiencia de un material determinado para producir energía termoeléctrica se estima simplemente mediante su “ figura de mérito ” zT = S ² σT/κ.

Durante muchos años, los tres principales semiconductores que se sabía que tenían baja conductividad térmica y alto factor de potencia fueron el telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), el telururo de plomo (PbTe) y el silicio germanio (SiGe). Algunos de estos materiales tienen elementos algo raros que los encarecen. ^{[ cita necesaria ]}

Hoy en día, la conductividad térmica de los semiconductores se puede reducir sin afectar sus altas propiedades eléctricas mediante la nanotecnología . Esto se puede lograr creando características a nanoescala, como partículas, cables o interfaces en materiales semiconductores a granel. Sin embargo, los procesos de fabricación de nanomateriales siguen siendo un desafío.

Un circuito termoeléctrico compuesto por materiales de diferente coeficiente de Seebeck (semiconductores dopados p y n), configurado como un generador termoeléctrico.

Ventajas termoeléctricas

Los generadores termoeléctricos son dispositivos totalmente de estado sólido que no requieren ningún fluido como combustible o enfriamiento, lo que los hace no dependientes de la orientación, lo que permite su uso en aplicaciones de gravedad cero o en aguas profundas. ^[15] El diseño de estado sólido permite el funcionamiento en entornos severos. Los generadores termoeléctricos no tienen partes móviles lo que produce un dispositivo más confiable y que no requiere mantenimiento por períodos prolongados. La durabilidad y la estabilidad ambiental han convertido a la termoeléctrica en una de las favoritas de los exploradores del espacio profundo de la NASA, entre otras aplicaciones. ^[16] Una de las ventajas clave de los generadores termoeléctricos fuera de tales aplicaciones especializadas es que potencialmente pueden integrarse en tecnologías existentes para aumentar la eficiencia y reducir el impacto ambiental al producir energía utilizable a partir del calor residual. ^[17]

módulo termoeléctrico

Un módulo termoeléctrico es un circuito que contiene materiales termoeléctricos que generan electricidad directamente a partir del calor. Un módulo termoeléctrico consta de dos materiales termoeléctricos diferentes unidos en sus extremos: un semiconductor tipo n (con portadores de carga negativos) y otro tipo p (con portadores de carga positivos). La corriente eléctrica directa fluirá en el circuito cuando haya una diferencia de temperatura entre los extremos de los materiales. Generalmente, la magnitud actual es directamente proporcional a la diferencia de temperatura:

${\displaystyle \mathbf {J} =-\sigma S\nabla T}$

donde es la conductividad local , S es el coeficiente de Seebeck (también conocido como termopotencia), una propiedad del material local, y es el gradiente de temperatura. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \nabla T}$

En su aplicación, los módulos termoeléctricos en la generación de energía funcionan en condiciones mecánicas y térmicas muy duras. Debido a que operan en un gradiente de temperatura muy alto, los módulos están sujetos a grandes tensiones y deformaciones inducidas térmicamente durante largos períodos. También están sujetos a fatiga mecánica provocada por una gran cantidad de ciclos térmicos.

Por lo tanto, las uniones y los materiales deben seleccionarse de manera que sobrevivan estas duras condiciones mecánicas y térmicas. Además, el módulo debe diseñarse de manera que los dos materiales termoeléctricos estén térmicamente en paralelo, pero eléctricamente en serie. La eficiencia de un módulo termoeléctrico se ve muy afectada por la geometría de su diseño.

Diseño termoeléctrico

Los generadores termoeléctricos están hechos de varias termopilas , cada una de las cuales consta de muchos termopares hechos de un material conectado de tipo n y tipo p. La disposición de los termopares suele tener tres diseños principales: plano, vertical y mixto. El diseño plano implica termopares colocados sobre un sustrato horizontalmente entre la fuente de calor y el lado frío, lo que da como resultado la capacidad de crear termopares más largos y delgados, aumentando así la resistencia térmica y el gradiente de temperatura y, eventualmente, aumentando la salida de voltaje. El diseño vertical tiene termopares dispuestos verticalmente entre las placas fría y caliente, lo que genera una alta integración de los termopares, así como un alto voltaje de salida, lo que convierte a este diseño en el más utilizado comercialmente. El diseño mixto tiene los termopares dispuestos lateralmente sobre el sustrato mientras que el flujo de calor es vertical entre las placas. Las microcavidades debajo de los contactos calientes del dispositivo permiten un gradiente de temperatura, lo que permite que la conductividad térmica del sustrato afecte el gradiente y la eficiencia del dispositivo. ^[18]

Para los sistemas microelectromecánicos , los TEG se pueden diseñar a escala de dispositivos portátiles para utilizar el calor corporal en forma de películas delgadas. ^[19] Los TEG flexibles para dispositivos electrónicos portátiles se pueden fabricar con polímeros novedosos mediante procesos de fabricación aditiva o pulverización térmica . Los TEG cilíndricos para utilizar el calor de los tubos de escape de los vehículos también se pueden fabricar utilizando termopares circulares dispuestos en un cilindro. ^[20] Se pueden realizar muchos diseños de TEG para los diferentes dispositivos a los que se aplican.

Sistemas termoeléctricos

Utilizando módulos termoeléctricos, un sistema termoeléctrico genera energía tomando calor de una fuente como un tubo de escape caliente. Para funcionar, el sistema necesita un gran gradiente de temperatura, lo que no es fácil en aplicaciones del mundo real. El lado frío debe enfriarse con aire o agua. Para suministrar esta calefacción y refrigeración se utilizan intercambiadores de calor a ambos lados de los módulos.

Existen muchos desafíos en el diseño de un sistema TEG confiable que funcione a altas temperaturas. Lograr una alta eficiencia en el sistema requiere un diseño de ingeniería exhaustivo para equilibrar el flujo de calor a través de los módulos y maximizar el gradiente de temperatura a través de ellos. Para ello, diseñar tecnologías de intercambiadores de calor en el sistema es uno de los aspectos más importantes de la ingeniería TEG. Además, el sistema requiere minimizar las pérdidas térmicas debidas a las interfaces entre materiales en varios lugares. Otra limitación desafiante es evitar grandes caídas de presión entre las fuentes de calefacción y refrigeración.

Si se requiere alimentación de CA (como para alimentar equipos diseñados para funcionar con alimentación de red de CA), la alimentación de CC de los módulos TE debe pasar a través de un inversor, lo que reduce la eficiencia y aumenta el costo y la complejidad del sistema.

Materiales para TEG

Sólo unos pocos materiales conocidos hasta la fecha se identifican como materiales termoeléctricos. La mayoría de los materiales termoeléctricos actuales tienen un valor zT, la cifra de mérito, de alrededor de 1, como el telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ) a temperatura ambiente y el telururo de plomo (PbTe) a 500-700 K. Sin embargo, para ser Competitivos con otros sistemas de generación de energía, los materiales TEG deben tener un zT de 2 a 3. La mayor parte de la investigación en materiales termoeléctricos se ha centrado en aumentar el coeficiente de Seebeck (S) y reducir la conductividad térmica, especialmente manipulando la nanoestructura de los materiales termoeléctricos. Debido a que tanto la conductividad térmica como la eléctrica se correlacionan con los portadores de carga, se deben introducir nuevos medios para conciliar la contradicción entre una conductividad eléctrica alta y una conductividad térmica baja, según sea necesario. ^[21]

Al seleccionar materiales para la generación termoeléctrica, es necesario considerar otros factores. Lo ideal es que durante el funcionamiento el generador termoeléctrico tenga un gran gradiente de temperatura. La expansión térmica introducirá entonces tensión en el dispositivo que puede provocar la fractura de las patas termoeléctricas o la separación del material de acoplamiento. Se deben considerar las propiedades mecánicas de los materiales y el coeficiente de expansión térmica del material tipo n y p debe coincidir razonablemente bien. En los generadores termoeléctricos segmentados ^[22] , también se debe considerar la compatibilidad del material para evitar la incompatibilidad de la corriente relativa, definida como la relación entre la corriente eléctrica y la corriente de calor de difusión, entre las capas del segmento.

El factor de compatibilidad de un material se define como

${\displaystyle s={\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{ST}}}$. ^[23]

Cuando el factor de compatibilidad de un segmento al siguiente difiere en más de un factor de aproximadamente dos, el dispositivo no funcionará de manera eficiente. Los parámetros del material que determinan s (así como zT) dependen de la temperatura, por lo que el factor de compatibilidad puede cambiar del lado caliente al lado frío del dispositivo, incluso en un segmento. Este comportamiento se conoce como autocompatibilidad y puede llegar a ser importante en dispositivos diseñados para aplicaciones de temperatura amplia.

En general, los materiales termoeléctricos se pueden clasificar en materiales convencionales y nuevos:

Materiales convencionales

Muchos materiales TEG se emplean hoy en día en aplicaciones comerciales. Estos materiales se pueden dividir en tres grupos según el rango de temperatura de operación:

1. Materiales de baja temperatura (hasta unos 450 K): Aleaciones a base de bismuto (Bi) en combinaciones con antimonio (Sb), teluro (Te) o selenio (Se).
2. Temperatura intermedia (hasta 850 K): como materiales a base de aleaciones de plomo (Pb)
3. Material para temperaturas más altas (hasta 1300 K): materiales fabricados a partir de aleaciones de silicio-germanio (SiGe). ^[24]

Aunque estos materiales siguen siendo la piedra angular de las aplicaciones comerciales y prácticas en la generación de energía termoeléctrica, se han logrado avances significativos en la síntesis de nuevos materiales y la fabricación de estructuras de materiales con un rendimiento termoeléctrico mejorado. Investigaciones recientes se han centrado en mejorar la cifra de mérito (zT) del material y, por tanto, la eficiencia de conversión, reduciendo la conductividad térmica de la red. ^[21]

Nuevos materiales

Generación de electricidad agarrando ambos lados de un dispositivo termoeléctrico flexible PEDOT:PSS

PEDOT: modelo basado en PSS integrado en un guante para generar electricidad a partir del calor corporal

Los investigadores están intentando desarrollar nuevos materiales termoeléctricos para la generación de energía mejorando la cifra de mérito zT. Un ejemplo de estos materiales es el compuesto semiconductor ß-Zn ₄ Sb ₃ , que posee una conductividad térmica excepcionalmente baja y presenta un zT máximo de 1,3 a una temperatura de 670 K. Este material también es relativamente económico y estable hasta esta temperatura en el vacío, y puede ser una buena alternativa en el rango de temperatura entre materiales basados ​​en Bi ₂ Te ₃ y PbTe. ^[21] Entre los desarrollos más interesantes en materiales termoeléctricos estuvo el desarrollo del seleniuro de estaño monocristalino que produjo un zT récord de 2,6 en una dirección. ^[25] Otros nuevos materiales de interés incluyen Skutteruditas, Tetraedritas y cristales de iones ruidosos. ^{[ cita necesaria ]}

Además de mejorar la cifra de mérito, cada vez se presta más atención al desarrollo de nuevos materiales aumentando la producción de energía eléctrica, disminuyendo los costos y desarrollando materiales respetuosos con el medio ambiente. Por ejemplo, cuando el costo del combustible es bajo o casi gratuito, como en la recuperación de calor residual , entonces el costo por vatio solo está determinado por la potencia por unidad de área y el período de operación. Como resultado, ha iniciado una búsqueda de materiales con alta potencia de salida en lugar de eficiencia de conversión. Por ejemplo, los compuestos de tierras raras YbAl ₃ tienen una cifra de mérito baja, pero tienen una potencia de salida de al menos el doble que la de cualquier otro material y pueden funcionar en el rango de temperatura de una fuente de calor residual. ^[21]

Procesamiento novedoso

Para aumentar la figura de mérito (zT), se debe minimizar la conductividad térmica de un material mientras se maximiza su conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck. En la mayoría de los casos, los métodos para aumentar o disminuir una propiedad dan como resultado el mismo efecto en otras propiedades debido a su interdependencia. Una nueva técnica de procesamiento aprovecha la dispersión de diferentes frecuencias de fonones para reducir selectivamente la conductividad térmica de la red sin los típicos efectos negativos sobre la conductividad eléctrica debido al aumento simultáneo de la dispersión de electrones. ^[26] En un sistema ternario de bismuto, antimonio y teluro, la sinterización en fase líquida se utiliza para producir límites de grano semicoherentes de baja energía, que no tienen un efecto de dispersión significativo sobre los electrones. ^[27] El avance consiste entonces en aplicar presión al líquido en el proceso de sinterización, lo que crea un flujo transitorio del líquido rico en Te y facilita la formación de dislocaciones que reducen en gran medida la conductividad de la red. ^[27] La ​​capacidad de disminuir selectivamente la conductividad de la red da como resultado un valor zT informado de 1,86, que es una mejora significativa con respecto a los generadores termoeléctricos comerciales actuales con zT ~ 0,3–0,6. ^[28] Estas mejoras resaltan el hecho de que, además del desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones termoeléctricas, el uso de diferentes técnicas de procesamiento para diseñar la microestructura es un esfuerzo viable y que vale la pena. De hecho, a menudo tiene sentido trabajar para optimizar tanto la composición como la microestructura. ^[29]

Usos

Los generadores termoeléctricos (TEG) tienen una variedad de aplicaciones. Con frecuencia, los generadores termoeléctricos se utilizan para aplicaciones remotas de baja potencia o donde no sería posible utilizar motores térmicos más voluminosos pero más eficientes , como los motores Stirling . A diferencia de los motores térmicos, los componentes eléctricos de estado sólido que normalmente se utilizan para realizar la conversión de energía térmica a eléctrica no tienen partes móviles. La conversión de energía térmica a eléctrica se puede realizar utilizando componentes que no requieren mantenimiento, tienen una confiabilidad inherentemente alta y se pueden usar para construir generadores con una larga vida útil sin servicio. Esto hace que los generadores termoeléctricos sean muy adecuados para equipos con necesidades de energía bajas o modestas en lugares remotos, deshabitados o inaccesibles, como las cimas de montañas, el vacío del espacio o las profundidades del océano.

Los principales usos de los generadores termoeléctricos son:

• Las sondas espaciales , incluida el rover Mars Curiosity , generan electricidad mediante un generador termoeléctrico de radioisótopos cuya fuente de calor es un elemento radiactivo.
• Recuperación de calor residual. Toda actividad humana, transporte y proceso industrial genera calor residual, siendo posible aprovechar la energía residual de los automóviles, aviones, barcos, industrias y del cuerpo humano. ^[1] La principal fuente de energía de los automóviles son los gases de escape. ^[30] La recolección de esa energía térmica mediante un generador termoeléctrico puede aumentar la eficiencia del combustible del automóvil. Se han investigado generadores termoeléctricos para sustituir los alternadores en los automóviles, demostrando una reducción del 3,45% en el consumo de combustible. ^[31] Las proyecciones para futuras mejoras son de hasta un 10% de aumento en el kilometraje para los vehículos híbridos. ^[32] Se ha afirmado que el ahorro potencial de energía podría ser mayor para los motores de gasolina que para los motores diésel. ^[33] Para más detalles, ver el artículo: Generador termoeléctrico automotriz . Para los aviones, las toberas de los motores se han identificado como el mejor lugar para recuperar energía, pero también se ha propuesto el calor de los cojinetes del motor y el gradiente de temperatura existente en el revestimiento del avión. ^[1]
• Las células solares utilizan sólo la parte de alta frecuencia de la radiación, mientras que la energía térmica de baja frecuencia se desperdicia. Se han presentado varias patentes sobre el uso de dispositivos termoeléctricos en configuración en paralelo o en cascada con células solares. ^{[1] [34]} La idea es aumentar la eficiencia del sistema combinado solar/termoeléctrico para convertir la radiación solar en electricidad útil.
• Los generadores termoeléctricos se utilizan principalmente como generadores de energía remotos y fuera de la red para sitios no tripulados. Son el generador de energía más confiable en tales situaciones, ya que no tienen partes móviles (por lo tanto, prácticamente no requieren mantenimiento), funcionan día y noche, funcionan en todas las condiciones climáticas y pueden funcionar sin batería de respaldo. Aunque los sistemas solares fotovoltaicos también se implementan en sitios remotos, la energía solar fotovoltaica puede no ser una solución adecuada donde la radiación solar es baja, es decir, áreas en latitudes más altas con nieve o sin luz solar, áreas con mucha nube o cubierta de copas de árboles, desiertos polvorientos, bosques, etc. Los generadores termoeléctricos se utilizan comúnmente en gasoductos, por ejemplo, para protección catódica, comunicación por radio y telemetría. En gasoductos para un consumo de energía de hasta 5 kW, los generadores térmicos son preferibles a otras fuentes de energía. Los fabricantes de generadores para gasoductos son Global Power Technologies (anteriormente Global Thermoelectric) (Calgary, Canadá) y TELGEN (Rusia).
• Los microprocesadores generan calor residual. Los investigadores han considerado si parte de esa energía podría reciclarse. ^[35] (Sin embargo, consulte a continuación los problemas que pueden surgir).
• También se han investigado los generadores termoeléctricos como células solares térmicas independientes. Integración de generadores termoeléctricos se han integrado directamente a una célula solar térmica con una eficiencia del 4,6%. ^[36]
• La Maritime Applied Physics Corporation de Baltimore, Maryland, está desarrollando un generador termoeléctrico para producir energía eléctrica en el lecho marino de las profundidades marinas utilizando la diferencia de temperatura entre el agua de mar fría y los fluidos calientes liberados por respiraderos hidrotermales , filtraciones calientes o pozos geotérmicos perforados. Se necesita una fuente de alta confiabilidad de energía eléctrica del fondo marino para los observatorios y sensores oceánicos utilizados en las ciencias geológicas, ambientales y oceánicas, por los desarrolladores de recursos minerales y energéticos del fondo marino y por el ejército. Estudios recientes han descubierto que los generadores termoeléctricos de aguas profundas para plantas de energía a gran escala también son económicamente viables. ^[37]
• Ann Makosinski de Columbia Británica , Canadá, ha desarrollado varios dispositivos que utilizan baldosas Peltier para recolectar calor (de una mano humana, ^[38] la frente y de una bebida caliente ^[39] ) que pretende generar suficiente electricidad para encender una luz LED o cargar una dispositivo móvil , aunque el inventor admite que la luminosidad de la luz LED no es competitiva con las del mercado. ^[40]
• Los generadores termoeléctricos se utilizan en ventiladores de estufas. Se colocan encima de una estufa de leña o carbón. El TEG está intercalado entre 2 disipadores de calor y la diferencia de temperatura alimentará un ventilador de movimiento lento que ayuda a hacer circular el calor de la estufa por la habitación. ^{[ cita necesaria ]}

Limitaciones prácticas

Además de la baja eficiencia y el costo relativamente alto, existen problemas prácticos en el uso de dispositivos termoeléctricos en ciertos tipos de aplicaciones, como resultado de una resistencia de salida eléctrica relativamente alta, que aumenta el autocalentamiento, y una conductividad térmica relativamente baja, que los hace inadecuados para aplicaciones donde se genera calor. La eliminación es fundamental, como ocurre con la eliminación de calor de un dispositivo eléctrico como los microprocesadores.

• Alta resistencia de salida del generador: para obtener niveles de salida de voltaje en el rango requerido por los dispositivos eléctricos digitales, un enfoque común es colocar muchos elementos termoeléctricos en serie dentro de un módulo generador. Los voltajes del elemento aumentan, pero también su resistencia de salida. El teorema de transferencia de potencia máxima dicta que la potencia máxima se entrega a una carga cuando las resistencias de la fuente y la carga coinciden de manera idéntica. Para cargas de baja impedancia cercanas a cero ohmios, a medida que aumenta la resistencia del generador, la potencia entregada a la carga disminuye. Para reducir la resistencia de salida, algunos dispositivos comerciales colocan más elementos individuales en paralelo y menos en serie y emplean un regulador elevador para elevar el voltaje al voltaje que necesita la carga.
• Baja conductividad térmica: debido a que se requiere una conductividad térmica muy alta para transportar energía térmica lejos de una fuente de calor como un microprocesador digital, la baja conductividad térmica de los generadores termoeléctricos los hace inadecuados para recuperar el calor.
• Eliminación de calor del lado frío con aire: en aplicaciones termoeléctricas enfriadas por aire, como cuando se recolecta energía térmica del cárter de un vehículo de motor, la gran cantidad de energía térmica que debe disiparse en el aire ambiente presenta un desafío importante. A medida que aumenta la temperatura del lado frío de un generador termoeléctrico, la temperatura de trabajo diferencial del dispositivo disminuye. A medida que aumenta la temperatura, la resistencia eléctrica del dispositivo aumenta provocando un mayor autocalentamiento del generador parásito. En aplicaciones de vehículos de motor, a veces se utiliza un radiador suplementario para mejorar la eliminación del calor, aunque el uso de una bomba de agua eléctrica para hacer circular un refrigerante añade pérdidas parásitas a la potencia de salida total del generador. El enfriamiento con agua del lado frío del generador termoeléctrico, como cuando se genera energía termoeléctrica a partir del cárter caliente de un motor interno de barco, no sufriría esta desventaja. El agua es un refrigerante mucho más fácil de utilizar de forma eficaz en comparación con el aire.

Mercado futuro

Si bien la tecnología TEG se ha utilizado en aplicaciones militares y aeroespaciales durante décadas, se están desarrollando nuevos materiales y sistemas TE ^[41] para generar energía utilizando calor residual a bajas o altas temperaturas, y eso podría brindar una oportunidad importante en el futuro cercano. Estos sistemas también pueden ser escalables a cualquier tamaño y tener menores costos de operación y mantenimiento.

Se estima que el mercado mundial de generadores termoeléctricos será de 320 millones de dólares en 2015 y 472 millones de dólares en 2021; hasta 1.440 millones de dólares para 2030 con una tasa compuesta anual del 11,8%. ^[42] Hoy en día, América del Norte capta el 66% de la cuota de mercado y seguirá siendo el mercado más grande en el futuro próximo. ^[43] Sin embargo, se prevé que los países de Asia y el Pacífico y Europa crezcan a tasas relativamente más altas. Un estudio encontró que el mercado de Asia y el Pacífico crecería a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 18,3% en el período de 2015 a 2020 debido a la alta demanda de generadores termoeléctricos por parte de la industria automotriz para aumentar la eficiencia general del combustible, así como como la creciente industrialización de la región. ^[44]

Los generadores termoeléctricos a pequeña escala también se encuentran en las primeras etapas de investigación en tecnologías portátiles para reducir o reemplazar la carga y aumentar la duración de la misma. Estudios recientes se centraron en el novedoso desarrollo de un termoeléctrico inorgánico flexible, el seleniuro de plata, sobre un sustrato de nailon. Los termoeléctricos representan una sinergia particular con los dispositivos portátiles al recolectar energía directamente del cuerpo humano creando un dispositivo autoalimentado. Un proyecto utilizó seleniuro de plata tipo n sobre una membrana de nailon. El seleniuro de plata es un semiconductor de banda prohibida estrecha con alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica, lo que lo hace perfecto para aplicaciones termoeléctricas. ^[45]

El mercado de TEG de baja potencia o "subvatio" (es decir, que genera hasta 1 vatio pico) es una parte creciente del mercado de TEG, que aprovecha las últimas tecnologías. Las principales aplicaciones son sensores, aplicaciones de bajo consumo y, más globalmente, aplicaciones de Internet de las cosas . Una empresa especializada en investigación de mercado indicó que en 2014 se enviaron 100.000 unidades y espera 9 millones de unidades por año para 2020. ^[46]

Ver también

• Telururo de bismuto
• Generador eléctrico
• Dispositivos de recolección de energía: termoeléctricos
• Gentherm incorporado
• María Telkes
• motor Stirling
• Central de energía térmica
• batería termoeléctrica
• Convertidor termoiónico
• Refrigeración termoeléctrica o enfriador Peltier
• Efecto termoeléctrico
• Materiales termoeléctricos

Referencias

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enlaces externos

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• Bricolaje: Cómo construir un generador de energía termoeléctrica con una unidad Peltier económica
• Gentherm Inc.
• Este dispositivo aprovecha el frío cielo nocturno para generar electricidad en la oscuridad