Descubre la revolucionaria tecnología de los generadores de energía termoeléctrica o generación de energía Seebeck. ¿Imaginas la posibilidad de obtener electricidad a partir de fuentes de calor? En este artículo te explicaremos cómo funcionan, sus aplicaciones y el impacto que podrían tener en la industria energética. ¡No te lo pierdas!
El término generación de energía Seebeck se acuñó a partir del efecto Seebeck, que establece que cuando se crea electricidad entre un termopar cuando los extremos están sujetos a una diferencia de temperatura entre ellos.
En términos sencillos, se basa en un fenómeno en el que una diferencia de temperatura entre dos conductores eléctricos o semiconductores diferentes produce una diferencia de voltaje entre las dos sustancias. Siempre que se aplica calor a uno de los dos conductores o semiconductores, los electrones excitados fluyen hacia el conductor o semiconductor más frío. Ahora suponga que el par está conectado a través de un circuito eléctrico y la corriente continua (CC) fluye a través de ese circuito.
La generación de energía de Seebeck también se denomina generación de energía termoeléctrica porque un bucle de metales diferentes desarrollará una fem si las dos uniones se mantienen a temperaturas diferentes. Este principio ya se utiliza en termopares para la medida de temperatura. Sin embargo, con los desarrollos recientes, se ha hecho posible que los generadores termoeléctricos de unos pocos KW puedan usarse con fines experimentales.
Generador de energía termoeléctrica
Los termogeneradores son dispositivos que convierten el calor diferencial de temperatura directamente en energía eléctrica. Estos se denominan dispositivos de estado sólido y no tienen partes móviles, a diferencia de las dínamos. El principio de la generación termoeléctrica se puede mostrar en la siguiente figura, donde los electrodos I y II están puenteados en la unión caliente y están conectados a los terminales de salida en la unión fría. La unión caliente se mantiene a alta temperatura concentrando los rayos del sol sobre ella. Mediante refrigeración por agua, la unión fría se mantiene fría. Ahora con la configuración, la corriente eléctrica se configura debido a la diferencia de temperaturas de las uniones frías y calientes y completa su camino a través del circuito de carga externo.
Se basa principalmente en la conversión directa de calor en energía eléctrica, pero su eficiencia es bastante baja (1 a 3%). Los materiales semiconductores están en el punto de mira para ser utilizados como sustitutos.
¿Cómo aumentar la potencia del Generador Termoeléctrico?
La salida de voltaje y energía eléctrica se puede aumentar aumentando la diferencia de temperatura entre los extremos caliente y frío. Por lo tanto, para lograr una mayor diferencia de potencial, se deben conectar muchos generadores en paralelo. Para aumentar la potencia de salida útil, se utilizan conexiones en paralelo y en serie como se muestra en las siguientes figuras.
La corriente continua generada se puede convertir en corriente alterna mediante el uso de un inversor.
Los generadores termoeléctricos generalmente se construyen con potencias que van desde unos pocos vatios hasta kilovatios.
Los semiconductores, que son buenos aislantes térmicos, se pueden utilizar como base para diseños de convertidores térmicos capaces de soportar grandes gradientes de temperatura y, por lo tanto, generar mayores EMF termos. Los materiales semiconductores como el telururo de plomo, la antimonita de zinc y el siliciuro de germanio producen energía con una eficiencia de alrededor del 10 %.
También se pueden utilizar semiconductores líquidos, pero su principal inconveniente es que la tasa de transferencia de calor desde la unión caliente a la fría aumenta por convección.
Las principales ventajas de los generadores termoeléctricos son la ausencia de partes móviles o giratorias y la no intervención de altas presiones. Son fáciles de reparar y silenciosos y se emplean ampliamente como fuentes de energía en naves espaciales, misiles, balizas, etc.
Las principales desventajas de los generadores termoeléctricos son el alto costo, la baja eficiencia y la baja producción.
Aplicaciones de la Generación de Energía Termoeléctrica
- Elementos combustibles termoeléctricos en reactor nuclear
El generador termoeléctrico también se incorpora a los elementos combustibles de un reactor nuclear, lo que ayudará a obtener grandes potencias. - Pila de calor residual termoeléctrica
El generador termoeléctrico se puede utilizar para generar electricidad utilizando el calor residual de turbinas de gas, motores diésel y gases de chimenea. Una pila de metal consta de una serie de anillos de dos metales alternos conectados en los bordes anulares interior y exterior alternativamente con los anillos eléctrica y térmicamente aislados. - Calor de desintegración de isótopos radiactivos
Una aplicación importante es la generación de energía en el espacio y otros lugares remotos mediante el uso de calor de desintegración radiactiva. El calor de decaimiento de los radioisótopos se utiliza para el funcionamiento de pequeños generadores termoeléctricos (0,1 kW). Además, se utilizan generadores remotos para la señalización basados en la descomposición térmica del estroncio 85.
Funcionamiento de un Generador de Energía Termoeléctrica
Consideremos un generador de energía termoeléctrica que tiene una fuente de calor en un extremo y un disipador de calor en el otro extremo, estando la fuente de calor a una temperatura relativamente más alta que la del disipador de calor. Supongamos que la diferencia de temperatura es ΔT. El calor aplicado a la unión caliente hace que los electrones y los huecos en el bloque de tipo n y tipo p, respectivamente, se alejen de la unión de calor y, por lo tanto, produzcan una diferencia de potencial eléctrico. El circuito se puede completar conectando una resistencia de carga, RL. La corriente comenzará a fluir a través de esta resistencia RL.
El voltaje generado se puede dar como V = α ΔT, donde α es el coeficiente de Seebeck y ΔT es la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente.
Si consideramos que R es la resistencia interna del generador termoeléctrico, entonces la corriente que fluye a través de la carga es;
Sustituyendo el valor de V en la ecuación anterior obtenemos corriente,
El flujo de potencia a la carga es;
La máxima potencia de salida es cuando R = RL
Por lo tanto, la potencia máxima de salida es;
En la generación de Seebeck Power, el término (α2/R) se llama la figura del mérito. Por lo tanto, para que la potencia sea máxima necesitamos el ΔT y figura de mérito para ser máxima. y para el Para que la cifra de mérito sea máxima, necesitamos una resistencia interna baja que se puede lograr disminuyendo la longitud y aumentando el diámetro. Y, ΔT se puede aumentar aumentando la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de calor.
Eficiencia del generador de energía termoeléctrica
La relación de potencia desarrollada, PL a través de la resistencia de carga RL al flujo de calor es la eficiencia de generación de energía termoeléctrica.
Materiales para Generadores de Energía Termoeléctrica
El telururo de plomo (PbTe) es el material más común para los generadores termoeléctricos. El telururo de plomo es un compuesto de plomo y telurio que tiene una pequeña cantidad de bismuto ((Bi2Te3) o sodio. Otros compuestos termoeléctricos son telururo de bismuto, sulfuro de bismuto, telururo de germanio, antimonita de zinc, telururo de estaño, germanio de silicio (SiGe), arseniuro de indio , etc.
Actualmente se están investigando muchos materiales para generadores termoeléctricos.
Ventajas de los Generadores Termoeléctricos
- Fiabilidad – Los generadores termoeléctricos son muy confiables porque no tienen partes móviles. Los generadores termoeléctricos pueden durar mucho tiempo.
- Silencioso: los generadores termoeléctricos se pueden diseñar para que sean completamente silenciosos. No hay contaminación acústica con el uso de generadores termoeléctricos.
- Energía verde: los generadores termoeléctricos no requieren gases para operar que sean dañinos para el medio ambiente.
- Amplia gama de fuentes de combustible: los generadores termoeléctricos pueden funcionar con fuentes de calor de cualquier tipo.
- Escalabilidad: es posible diseñar los generadores termoeléctricos en el rango de potencia de microvatios a kilovatios.
- Se puede montar en cualquier orientación: a diferencia de otras tecnologías de generadores, los generadores termoeléctricos funcionan en cualquier orientación.
- Operación bajo fuerzas G altas y cero: los generadores termoeléctricos tienen la capacidad de operar bajo condiciones de gravedad cero o gravedad alta. Mientras que otras tecnologías de conversión de energía no pueden hacerlo.
- Conversión directa de energía: los generadores convencionales no convierten directamente una fuente de energía en energía eléctrica. Primero convierten la energía de una fuente a otra y luego convierten la energía intermedia en electricidad. Este no es el caso de los generadores termoeléctricos. Los generadores termoeléctricos convierten directamente el calor en electricidad.
- Tamaño compacto: los generadores termoeléctricos son muy compactos debido a la simplicidad del diseño y al menor número de piezas. Esto conduce a una mayor flexibilidad de diseño.
Limitaciones de los Generadores de Energía Termoeléctrica
- Cuando conectamos varios generadores termoeléctricos en serie para obtener alta tensión, la resistencia efectiva aumenta. Esto causa problemas al transferir la energía desde la fuente hasta el extremo de la carga. Este problema se puede corregir mediante el uso de conexiones en paralelo de elementos termoeléctricos. Cuando los elementos conectados en paralelo ofrecen baja resistencia.
- La eficiencia de los generadores de energía termoeléctrica es pobre en comparación con otros generadores mecánicos. Produce menos energía eléctrica para el mismo flujo de calor.
- Los generadores termoeléctricos tienen una conductividad térmica baja y, por lo tanto, tienen una disipación de calor muy pobre. Estos generadores son adecuados para la generación de pequeña potencia.
- Los generadores termoeléctricos son más costosos que los otros generadores.
Tipos principales de generadores termoeléctricos
Generadores de combustibles fósiles
Estos generadores utilizan gas natural, propano, butano, queroseno, combustibles para aviones y madera como fuentes de calor. Puede generar energía en el rango de 1-100 vatios.
Generadores de fuente solar
Utilizando el calor solar del lado de la nave espacial orientado al Sol, los dispositivos termoeléctricos pueden generar energía eléctrica para que la utilicen otros dispositivos termoeléctricos en áreas oscuras de la nave espacial y disipar el calor del vehículo.
Generadores de combustible nuclear
Los generadores utilizan productos de descomposición de isótopos radiactivos para proporcionar una fuente de calor de alta temperatura para generadores termoeléctricos.
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