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] Cuando se utiliza el mismo principio a la inversa para crear un gradiente de calor a partir de una corriente eléctrica, se denomina enfriador termoeléctrico (o Peltier) .

Los generadores termoeléctricos se pueden utilizar 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 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 centro del efecto termoeléctrico está el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor produce un flujo de calor, lo que a su vez produce la difusión de portadores de carga. El flujo de portadores de carga entre las regiones frías y calientes crea a su vez una diferencia de voltaje. En 1834, Jean Charles Athanase Peltier descubrió el efecto inverso, es decir, que al hacer pasar una corriente eléctrica por la unión de dos conductores diferentes, esta podía actuar como calentador o enfriador, dependiendo de la dirección de la corriente. ^[7]

El panel solar de George Cove fotografiado en la revista The Technical World en marzo de 1909. ^[8]

George Cove había inventado accidentalmente un panel fotovoltaico, a pesar de que tenía la intención de inventar un generador termoeléctrico con termopares, en 1909. ^[9] Señala que el calor por sí solo no produce energía, solo luz incidente, pero no tenía explicación de cómo podría funcionar. Ahora se entiende que el principio operativo fue una forma muy simple de unión Schottky .

Eficiencia

La eficiencia típica de los TEG es de alrededor del 5-8%, aunque puede ser mayor. Los dispositivos más antiguos usaban uniones bimetálicas y eran voluminosos. Los dispositivos más recientes usan semiconductores altamente dopados hechos de telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), telururo de plomo (PbTe), ^[10] óxido de calcio y manganeso (Ca ₂ Mn ₃ O ₈ ), ^{[11] [12]} o combinaciones de los mismos, ^[13] dependiendo de la temperatura de aplicación. Estos son dispositivos de estado sólido y, a diferencia de los dinamos , no tienen partes móviles , con la excepción ocasional de un ventilador o una bomba para mejorar la transferencia de calor. Si la región caliente está alrededor de 1273 K y se implementan los valores ZT de 3 - 4, la eficiencia es de aproximadamente 33-37%; lo que permite a los TEG competir con ciertas eficiencias de motores térmicos. ^[14]

A partir de 2021, existen 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). ^[15] ${\displaystyle {\ce {AsP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {InP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SnP3}}}$ ${\displaystyle {\ce {SbP3}}}$

Construcción

Efecto Seebeck en una termopila fabricada con 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. ^[16]

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 una conductividad eléctrica alta (σ) y una conductividad térmica baja (κ) para ser buenos materiales termoeléctricos. Tener una conductividad térmica baja garantiza que cuando un lado se calienta, el otro lado permanece frío, lo que ayuda a generar un gran voltaje mientras se encuentra 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 se da por el coeficiente de Seebeck (S). La eficiencia de un material dado para producir energía termoeléctrica se estima simplemente por su " factor de mérito " zT = S ² σT/κ.

Durante muchos años, los tres principales semiconductores conocidos por su baja conductividad térmica y su 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 contienen elementos relativamente raros que los hacen caros. ^{[ cita requerida ]}

Hoy en día, la conductividad térmica de los semiconductores se puede reducir sin afectar sus altas propiedades eléctricas mediante el uso de la nanotecnología . Esto se puede lograr mediante la creación de características a escala nanométrica, como partículas, cables o interfaces en materiales semiconductores a granel. Sin embargo, los procesos de fabricación de nanomateriales aún presentan desafíos.

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

Ventajas termoeléctricas

Los generadores termoeléctricos son dispositivos de estado sólido que no requieren ningún fluido como combustible o refrigeración, lo que los hace independientes de la orientación, lo que permite su uso en aplicaciones de gravedad cero o en aguas profundas. ^[17] El diseño de estado sólido permite su funcionamiento en entornos severos. Los generadores termoeléctricos no tienen partes móviles, lo que produce un dispositivo más confiable que no requiere mantenimiento durante períodos prolongados. La durabilidad y la estabilidad ambiental han hecho que los termoeléctricos sean los favoritos de los exploradores del espacio profundo de la NASA, entre otras aplicaciones. ^[18] Una de las principales ventajas de los generadores termoeléctricos fuera de estas 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. ^[19]

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 de tipo n (con portadores de carga negativa) y un semiconductor de tipo p (con portadores de carga positiva). La corriente eléctrica directa fluirá en el circuito cuando haya una diferencia de temperatura entre los extremos de los materiales. Generalmente, la magnitud de la corriente 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 la práctica, los módulos termoeléctricos para 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 causada por una gran cantidad de ciclos térmicos.

Por lo tanto, las uniones y los materiales deben seleccionarse de manera que sobrevivan a estas duras condiciones mecánicas y térmicas. Además, el módulo debe diseñarse de manera que los dos materiales termoeléctricos estén en paralelo térmico, pero en serie eléctrico. 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 de tipo n y tipo p conectados. 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, lo que aumenta la resistencia térmica y el gradiente de temperatura y, finalmente, aumenta la salida de voltaje. El diseño vertical tiene termopares dispuestos verticalmente entre las placas caliente y fría, lo que genera una alta integración de termopares, así como un alto voltaje de salida, lo que hace que este diseño sea el diseño más utilizado comercialmente. El diseño mixto tiene los termopares dispuestos lateralmente en 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. ^[20]

Para los sistemas microelectromecánicos , los TEG se pueden diseñar a escala de dispositivos portátiles para utilizar el calor corporal en forma de películas delgadas. ^[21] 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. ^[22] Se pueden realizar muchos diseños de TEG para los diferentes dispositivos a los que se aplican.

Sistemas termoeléctricos

Mediante el uso de módulos termoeléctricos, un sistema termoeléctrico genera energía absorbiendo calor de una fuente, como un conducto 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. Se utilizan intercambiadores de calor en ambos lados de los módulos para suministrar este calor y enfriamiento.

Existen muchos desafíos a la hora de diseñar 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 lograrlo, el diseño de 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 debido a las interfaces entre materiales en varios lugares. Otra restricción desafiante es evitar grandes caídas de presión entre las fuentes de calor y refrigeración.

Si se requiere alimentación de CA (por ejemplo, para alimentar equipos diseñados para funcionar con alimentación 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

Hasta la fecha, solo unos pocos materiales conocidos se han identificado como materiales termoeléctricos. La mayoría de los materiales termoeléctricos actuales tienen un valor zT, la figura 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 2–3. La mayoría de las investigaciones en materiales termoeléctricos se han centrado en aumentar el coeficiente Seebeck (S) y reducir la conductividad térmica, especialmente mediante la manipulación de 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 alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica, según sea necesario. ^[23]

Al seleccionar materiales para la generación termoeléctrica, se deben considerar otros factores. Durante el funcionamiento, idealmente, el generador termoeléctrico tiene un gran gradiente de temperatura a través de él. La expansión térmica introducirá entonces tensión en el dispositivo que puede causar 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 de tipo n y p debe coincidir razonablemente bien. En los generadores termoeléctricos segmentados ^[24] , 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

${\displaystyle s={\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{ST}}}$. ^[25]

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 volverse importante en dispositivos diseñados para aplicaciones en un amplio rango de temperaturas.

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

Materiales convencionales

En la actualidad, se emplean muchos materiales TEG en aplicaciones comerciales. Estos materiales se pueden dividir en tres grupos según el rango de temperatura de funcionamiento:

1. Materiales de baja temperatura (hasta unos 450 K): Aleaciones a base de bismuto (Bi) en combinaciones con antimonio (Sb), telurio (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). ^[26]

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. Las investigaciones recientes se han centrado en mejorar el factor de mérito (zT) del material y, por lo tanto, la eficiencia de conversión, mediante la reducción de la conductividad térmica reticular. ^[23]

Nuevos materiales

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

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

Los investigadores están tratando de desarrollar nuevos materiales termoeléctricos para la generación de energía mejorando la figura 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 exhibe 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 los materiales basados ​​en Bi ₂ Te ₃ y PbTe. ^[23] Entre los desarrollos más emocionantes en materiales termoeléctricos estuvo el desarrollo del seleniuro de estaño monocristalino que produjo un zT récord de 2,6 en una dirección. ^[27] Otros nuevos materiales de interés incluyen Skutterudites, Tetrahedritas y cristales de iones traqueteantes. ^{[ cita requerida ]}

Además de mejorar el factor de mérito, hay un enfoque creciente para desarrollar nuevos materiales aumentando la salida de energía eléctrica, disminuyendo el costo y desarrollando materiales amigables 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, se 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 un factor de mérito bajo, pero tienen una potencia de salida de al menos el doble que la de cualquier otro material, y pueden operar en el rango de temperatura de una fuente de calor residual. ^[23]

Procesamiento novedoso

Para aumentar la figura de mérito (zT), la conductividad térmica de un material debe minimizarse mientras que su conductividad eléctrica y coeficiente Seebeck se maximizan. En la mayoría de los casos, los métodos para aumentar o disminuir una propiedad resultan en el mismo efecto en otras propiedades debido a su interdependencia. Una nueva técnica de procesamiento explota la dispersión de diferentes frecuencias de fonones para reducir selectivamente la conductividad térmica reticular sin los efectos negativos típicos en la conductividad eléctrica de la dispersión aumentada simultánea de electrones. ^[28] En un sistema ternario de telurio y bismuto antimonio, se utiliza la sinterización en fase líquida para producir límites de grano semicoherentes de baja energía, que no tienen un efecto de dispersión significativo en los electrones. ^[29] El avance es luego aplicar una 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 reticular. ^[29] La capacidad de reducir selectivamente la conductividad reticular da como resultado un valor zT informado de 1,86, lo que supone una mejora significativa con respecto a los generadores termoeléctricos comerciales actuales con zT ~ 0,3–0,6. ^[30] Estas mejoras destacan 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. ^[31]

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 se utilizan normalmente 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 alta confiabilidad inherente y se pueden utilizar para construir generadores con una larga vida útil sin mantenimiento. Esto hace que los generadores termoeléctricos sean adecuados para equipos con necesidades de energía bajas o moderadas en lugares remotos deshabitados o inaccesibles, como cimas de montañas, el vacío del espacio o las profundidades del océano.

Los principales usos de los generadores termoeléctricos son:

• Las sondas espaciales , incluido el rover marciano Curiosity , generan electricidad utilizando 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 cosechar energía residual de automóviles, aviones, barcos, industrias y el cuerpo humano. ^[1] De los automóviles, la principal fuente de energía es el gas de escape. ^[32] La recolección de esa energía térmica utilizando un generador termoeléctrico puede aumentar la eficiencia de combustible del automóvil. Se han investigado generadores termoeléctricos para reemplazar los alternadores en automóviles demostrando una reducción del 3,45% en el consumo de combustible. ^[33] Las proyecciones para futuras mejoras son de hasta un 10% de aumento en el kilometraje para vehículos híbridos. ^[34] Se ha afirmado que el potencial de ahorro de energía podría ser mayor para los motores de gasolina en lugar de los motores diésel. ^[35] Para más detalles, consulte el artículo: Generador termoeléctrico automotriz . Para las aeronaves, las toberas del motor 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 la piel de la aeronave. ^[1]
• Las células solares utilizan únicamente 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] [36]} La idea es aumentar la eficiencia del sistema solar/termoeléctrico combinado 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 respaldo de batería. 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 sol, áreas con mucha cobertura de nubes o 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 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 estudiado si parte de esa energía podría reciclarse. ^[37] (Sin embargo, véase más abajo los problemas que pueden surgir).
• También se han investigado los generadores termoeléctricos como células solares térmicas independientes. La integración de generadores termoeléctricos se ha realizado directamente en una célula solar térmica con una eficiencia del 4,6 %. ^[38]
• La Corporación de Física Aplicada Marítima de Baltimore, Maryland, está desarrollando un generador termoeléctrico para producir energía eléctrica en el lecho marino de las profundidades oceánicas utilizando la diferencia de temperatura entre el agua de mar fría y los fluidos calientes liberados por los respiraderos hidrotermales , las filtraciones calientes o los pozos geotérmicos perforados. Se necesita una fuente de energía eléctrica del fondo marino de alta confiabilidad para los observatorios oceánicos y los sensores 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. ^[39]
• Ann Makosinski de Columbia Británica , Canadá, ha desarrollado varios dispositivos que utilizan placas Peltier para recolectar calor (de una mano humana, ^[40] la frente y una bebida caliente ^[41] ) que afirma generar suficiente electricidad para alimentar una luz LED o cargar un dispositivo móvil , aunque el inventor admite que el brillo de la luz LED no es competitivo con los que hay en el mercado. ^[42]
• Los generadores termoeléctricos se utilizan en los ventiladores de las estufas. Se colocan sobre una estufa de leña o carbón. El TEG se coloca entre dos disipadores de calor y la diferencia de temperatura alimenta un ventilador de movimiento lento que ayuda a hacer circular el calor de la estufa en la habitación. ^{[ cita requerida ]}

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 que resultan 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 la eliminación de calor es crítica, 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 de los elementos aumentan, pero también lo hace su resistencia de salida. El teorema de transferencia de potencia máxima dicta que se entrega la máxima potencia 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 obtiene energía térmica del cárter de un vehículo de motor, la gran cantidad de energía térmica que se debe disipar en el aire ambiente presenta un desafío significativo. A medida que aumenta la temperatura del lado frío de un generador termoeléctrico, disminuye la temperatura de trabajo diferencial del dispositivo. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la resistencia eléctrica del dispositivo, lo que provoca un mayor autocalentamiento parásito del generador. En aplicaciones de vehículos de motor, a veces se utiliza un radiador complementario para mejorar la eliminación de calor, aunque el uso de una bomba de agua eléctrica para hacer circular un refrigerante agrega pérdida parásita a la potencia total de salida 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 de barco interior, no sufriría esta desventaja. El agua es un refrigerante mucho más fácil de usar de manera efectiva en comparación con el aire.

Futuro[ ¿cuando? ]mercado

Si bien la tecnología TEG se ha utilizado en aplicaciones militares y aeroespaciales durante décadas, se están desarrollando nuevos materiales y sistemas TE ^[43] para generar energía utilizando calor residual de temperaturas altas o bajas, lo que podría brindar una oportunidad significativa en el futuro cercano. Estos sistemas también pueden escalarse a cualquier tamaño y tienen un menor costo de operación y mantenimiento.

Se estima que el mercado mundial de generadores termoeléctricos será de 320 millones de dólares en 2015 y de 472 millones de dólares en 2021; hasta 1.440 millones de dólares en 2030 con una CAGR del 11,8%. ^[44] Hoy, América del Norte captura el 66% de la cuota de mercado y seguirá siendo el mercado más grande en el futuro cercano. ^[45] Sin embargo, se proyecta que los países de Asia-Pacífico y Europa crecerán a tasas relativamente más altas. Un estudio encontró que el mercado de Asia-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 las industrias automotrices para aumentar la eficiencia general del combustible, así como a la creciente industrialización en la región. ^[46]

Los generadores termoeléctricos a pequeña escala también se encuentran en las primeras etapas de investigación en tecnologías ponibles para reducir o reemplazar la carga y aumentar la duración de la carga. Estudios recientes se centraron en el desarrollo novedoso de un termoeléctrico inorgánico flexible, el seleniuro de plata, sobre un sustrato de nailon. Los termoeléctricos representan una sinergia particular con los ponibles al recolectar energía directamente del cuerpo humano creando un dispositivo autoalimentado. Un proyecto utilizó seleniuro de plata de 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. ^[47]

El mercado de TEG de bajo consumo o "sub-watt" (es decir, que genera hasta 1 vatio pico) es una parte en crecimiento del mercado de TEG, que aprovecha las últimas tecnologías. Las principales aplicaciones son sensores, aplicaciones de bajo consumo y, de manera más global, aplicaciones de Internet de las cosas . Una empresa especializada en investigación de mercado indicó que se han enviado 100.000 unidades en 2014 y espera 9 millones de unidades por año para 2020. ^[48]

Véase también

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

Referencias

1. Fernández-Yáñez, P.; Romero, V.; Armas, O.; Cerretti, G. (septiembre de 2021). "Gestión térmica de generadores termoeléctricos para la valorización energética de residuos". Ingeniería Térmica Aplicada . 196 : 117291. Bibcode :2021AppTE.19617291F. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
2. Adroja, Nikunj; Mehta, Shruti B.; Shah, Pratik (1 de marzo de 2015). "Revisión de la termoelectricidad para mejorar la calidad de la energía". Revista de tecnologías emergentes e investigación innovadora . 2 (3 (marzo de 2015)). Jetir.
3. "Los nuevos paneles solares generan electricidad mucho después de la puesta del sol". 11 de abril de 2022.
4. Kraemer, Daniel; Poudel, Bed; Feng, Hsien-Ping; Caylor, J. Christopher; Yu, Bo; Yan, Xiao; Ma, Yi; Wang, Xiaowei; Wang, Dezhi; Muto, Andrew; McEnaney, Kenneth; Chiesa, Matteo; Ren, Zhifeng; Chen, Gang (julio de 2011). "Generadores solares termoeléctricos de panel plano de alto rendimiento con alta concentración térmica". Nature Materials . 10 (7): 532–538. Bibcode :2011NatMa..10..532K. doi :10.1038/nmat3013. PMID  21532584.
5. Seebeck, TJ (1825). "Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz (Polarización magnética de metales y minerales por diferencias de temperatura)". Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (Tratados de la Real Academia de Ciencias de Berlín). págs. 265–373.
6. Seebeck, TJ (1826). "Ueber die Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz" (Sobre la polarización magnética de metales y minerales por diferencias de temperatura) ". Annalen der Physik und Chemie . 6 : 286.
7. Peltier (1834). "Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Nuevos experimentos sobre los efectos del calor de las corrientes eléctricas)". Annales de Chimie et de Physique . 56 : 371–386.
8. "El último tipo de generador eléctrico solar". Revista The Technical World . Marzo de 1909. pág. 358.
9. "¿Cómo construir un panel solar de baja tecnología?". Revista Low-Tech . 5 de octubre de 2021. Consultado el 2 de septiembre de 2024 .
10. Biswas, Kanishka; Él, Jiaqing; Blum, Iván D.; Wu, Chun-I; Hogan, Timothy P.; Seidman, David N.; Dravid, Vinayak P.; Kanatzidis, Mercouri G. (2012). "Termoeléctricas a granel de alto rendimiento con arquitecturas jerárquicas a toda escala". Naturaleza . 489 (7416): 414–418. Código Bib :2012Natur.489..414B. doi : 10.1038/naturaleza11439. PMID  22996556. S2CID  4394616.
11. Ansell, GB; Modrick, MA; Longo, JM; Poeppeimeler, KR; Horowitz, HS (1982). "Óxido de calcio y manganeso Ca2Mn3O8" (PDF) . Acta Crystallographica Sección B . 38 (6). Unión Internacional de Cristalografía: 1795–1797. doi :10.1107/S0567740882007201.
12. "EspressoMilkCooler.com – Módulos de potencia termoeléctrica de lado caliente TEG CMO 800 °C y Cascade 600 °C". espressomilkcooler.com .
13. "Módulos de potencia Teg de alta temperatura". Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2012.
14. "Generadores termoeléctricos". large.stanford.edu . Consultado el 27 de octubre de 2022 .
15. Fan, Liangshuang; Yang, Hengyu; Xie, Guofeng (2021). "Propiedades termoeléctricas de la monocapa de trifosfuro de arsénico (AsP3): un estudio de primeros principios". Frontiers in Mechanical Engineering . 7 . doi : 10.3389/fmech.2021.702079 .
16. "Cómo funcionan los generadores termoeléctricos – Alphabet Energy". Alphabet Energy . Consultado el 28 de octubre de 2015 .
17. Chen, Meng (29 de abril de 2015). "Estudio de la energía térmica y el agua de las profundidades marinas en la generación termoeléctrica". Resúmenes de reuniones de la ECS . MA2015-01 (3). The Electrochemical Society: 706. doi :10.1149/MA2015-01/3/706 . Consultado el 11 de marzo de 2019 .
18. "Tecnología termoeléctrica avanzada: suministro de energía a naves espaciales e instrumentos para explorar el sistema solar". NASA . Consultado el 11 de marzo de 2019 .
19. Walker, Kris (28 de enero de 2013). "¿Cómo pueden los generadores termoeléctricos ayudar al medio ambiente?". AZO Clean Tech . Consultado el 11 de marzo de 2019 .
20. Jaziri, Nesrine; Boughamoura, Ayda; Müller, Jens; Mezghani, Brahim; Tounsi, Fares; Ismail, Mohammed (1 de diciembre de 2020). "Una revisión exhaustiva de los generadores termoeléctricos: tecnologías y aplicaciones comunes". Energy Reports . SI: Almacenamiento de energía: hacia un futuro de energía limpia. 6 : 264–287. Bibcode :2020EnRep...6..264J. doi : 10.1016/j.egyr.2019.12.011 . S2CID  212902804.
21. Addanki, Satish; Nedumaran, D. (diciembre de 2019). "Simulación y fabricación de generadores termoeléctricos para dispositivos electrónicos portátiles". Ciencia e ingeniería de materiales: B . 251 : 114453. doi : 10.1016/j.mseb.2019.114453 . S2CID  209724788.
22. Kumar, Palanisamy Mohan; Jagadeesh Babu, Veluru; Subramanian, Arjun; Bandla, Aishwarya; Thakor, nitish; Ramakrishna, Seeram; Wei, él (junio de 2019). "El diseño de un generador termoeléctrico y sus aplicaciones médicas". Diseños . 3 (2): 22. doi : 10.3390/designs3020022 .
23. Ismail, Basel I.; Ahmed, Wael H. (1 de enero de 2009). "Generación de energía termoeléctrica utilizando energía de calor residual como una tecnología ecológica alternativa". Patentes recientes sobre ingeniería eléctrica y electrónica . 2 (1): 27–39. doi :10.2174/1874476110902010027.
24. Goldsmid, H. Julian (2016). Introducción a la termoelectricidad. Springer Series in Materials Science. Vol. 121. Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. Bibcode :2016inh..book.....G. doi :10.1007/978-3-662-49256-7. ISBN 978-3-662-49255-0.
25. Snyder, G. (octubre de 2003). "Eficiencia termoeléctrica y compatibilidad" (PDF) . Physical Review Letters . 91 (14): 148301. Bibcode :2003PhRvL..91n8301S. doi :10.1103/physrevlett.91.148301. PMID  14611561.
26. Kandemir, Ali; Ozden, Ayberk; Cagin, Tahir; Sevik, Cem (2017). "Ingeniería de conductividad térmica de nanoarquitecturas de Si-Ge unidimensionales y en masa". Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 18 (1): 187–196. Bibcode :2017STAdM..18..187K. doi :10.1080/14686996.2017.1288065. PMC 5404179 . PMID  28469733. 
27. Kanatzidis, M (2014). "Conductividad térmica ultrabaja y alta figura de mérito termoeléctrica en cristales de SnSe". Nature . 508 (7496): 373–377. Bibcode :2014Natur.508..373Z. doi :10.1038/nature13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
28. Hori, Takuma; Shiomi, Junichiro (2018). "Ajuste del espectro de transporte de fonones para obtener mejores materiales termoeléctricos". Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 20 (1): 10–25. doi :10.1080/14686996.2018.1548884. PMC 6454406 . PMID  31001366. 
29. Kim, Sang (2015). "Matrices densas de dislocación integradas en límites de grano para termoeléctricos a granel de alto rendimiento" (PDF) . Science . 348 (6230): 109–114. Bibcode :2015Sci...348..109K. doi :10.1126/science.aaa4166. PMID  25838382. S2CID  31412977.
30. Kim, DS (2008). "Opciones de refrigeración solar: una revisión de vanguardia". Revista internacional de refrigeración . 31 (1): 3–15. doi :10.1016/j.ijrefrig.2007.07.011.
31. Cojocaru-Mirédin, Oana. «Diseño de materiales termoeléctricos mediante el control de la microestructura y la composición». Instituto Max-Planck . Consultado el 8 de noviembre de 2016 .
32. Ezzitouni, S.; Fernández-Yáñez, P.; Sánchez, L.; Armas, O. (julio de 2020). "Balance energético global en un motor diésel con generador termoeléctrico". Applied Energy . 269 : 115139. Bibcode :2020ApEn..26915139E. doi :10.1016/j.apenergy.2020.115139. S2CID  219428113.
33. John, Fairbanks (2014). "Generadores termoeléctricos automotrices y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado" (PDF) . Departamento de Energía . Consultado el 11 de marzo de 2019 .
34. Fehrenbacher, Katie. "Una startup finalmente está incorporando tecnología de conversión de calor en energía a gran escala para los vehículos". Fortune . Consultado el 11 de marzo de 2019 .
35. Fernández-Yáñez, P.; Armas, O.; Kiwan, R.; Stefanopoulou, A. ; Boehman, AL (2018). "Un generador termoeléctrico en sistemas de escape de motores de encendido por chispa y de encendido por compresión. Una comparación con un turbogenerador eléctrico". Applied Energy . 229 : 80–87. Bibcode :2018ApEn..229...80F. doi :10.1016/j.apenergy.2018.07.107. S2CID  116417579.
36. Kraemer, D; Hu, L; Muto, A; Chen, X; Chen, G; Chiesa, M (2008), "Sistemas híbridos fotovoltaicos-termoeléctricos: una metodología de optimización general", Applied Physics Letters , 92 (24): 243503, Bibcode :2008ApPhL..92x3503K, doi :10.1063/1.2947591, S2CID  109824202
37. Zhou, Yu; Paul, Somnath; Bhunia, Swarup (2008). "Recolección de calor desperdiciado en un microprocesador mediante generadores termoeléctricos: modelado, análisis y medición". 2008 Diseño, automatización y pruebas en Europa . págs. 98–103. doi :10.1109/DATE.2008.4484669. ISBN 978-3-9810801-3-1.
38. Kraemer, Daniel (2011). "Generadores solares termoeléctricos de panel plano de alto rendimiento con alta concentración térmica". Nature Materials . 10 (7): 532–538. Bibcode :2011NatMa..10..532K. doi :10.1038/nmat3013. PMID  21532584.
39. Liu, Lipeng (2014). "Viabilidad de plantas de energía a gran escala basadas en efectos termoeléctricos". New Journal of Physics . 16 (12): 123019. Bibcode :2014NJPh...16l3019L. doi : 10.1088/1367-2630/16/12/123019 .
40. "GSF 2013: Proyecto: La linterna hueca". Feria de Ciencias de Google . Consultado el 25 de diciembre de 2015 .
41. Makosinski, Ann. "La bebida electrónica: captura de electricidad de las bebidas".
42. Chung, Emily (17 de junio de 2014). "BC Girl inventa un faro alimentado por el calor corporal". CBC News .
43. Pöhls, Jan-Hendrik (16 de diciembre de 2021). «Un nuevo enfoque descubre materiales que pueden convertir el calor residual en electricidad». The Conversation . Consultado el 5 de enero de 2022 .
44. "Análisis del mercado de generadores termoeléctricos - 2030 | Por material, aplicación". Allied Market Research . Consultado el 11 de noviembre de 2022 .
45. "Se estima que el mercado mundial de generadores termoeléctricos superará los 720 millones de dólares estadounidenses en 2021, según Market Research Engine". www.keyc.com . Consultado el 28 de octubre de 2015 .
46. "El mercado de generadores termoeléctricos alcanzará los 547,7 millones de dólares en 2020". www.prnewswire.com (Nota de prensa) . Consultado el 28 de octubre de 2015 .
47. Ding, Y. (2019). "Película de Ag2Se de tipo n de alto rendimiento sobre membrana de nailon para generador de energía termoeléctrica flexible". Nature Communications . 10 (841): 841. doi :10.1038/s41467-019-08835-5. PMC 6381183 . PMID  30783113. 
48. "El mercado de generadores termoeléctricos de subvatios está en alza". 2016-03-15 . Consultado el 2016-09-13 .

Enlaces externos

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Termoelectricidad"  . Encyclopædia Britannica . Vol. 26 (11.ª ed.). Págs. 814–821.
• Pequeños generadores termoeléctricos de G. Jeffrey Snyder
• Kanellos, M. (24 de noviembre de 2008). Aprovechando la fuente de energía secreta de Estados Unidos. Recuperado de Greentech Media, 30 de octubre de 2009. Sitio web: Aprovechando la fuente de energía secreta de Estados Unidos
• Revista LT, octubre de 2010: Un recolector de energía de voltaje ultrabajo utiliza un generador termoeléctrico para sensores inalámbricos sin batería
• Bricolaje: Cómo construir un generador de energía termoeléctrica con una unidad Peltier barata
• Fabricante: Gentherm Inc.
• Este dispositivo aprovecha el frío del cielo nocturno para generar electricidad en la oscuridad.