El generador termoeléctrico (termogenerador TEG) es un dispositivo eléctrico que utiliza los efectos Seebeck, Thomson y Peltier para generar electricidad a través de termo-EMF. El efecto termo-EMF fue descubierto por el científico alemán Thomas Johann Seebeck (efecto Seebeck) en 1821. En 1851, William Thomson (más tarde Lord Kelvin) continuó la investigación termodinámica y demostró que la fuente de la fuerza electromotriz (EMF) es una diferencia de temperatura..
En 1834, el inventor y relojero francés Jean Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico, descubrió que la diferencia de temperatura ocurre en la unión de dos tipos diferentes de materiales bajo la influencia de una corriente eléctrica (efecto Peltier). Específicamente, predijo que se desarrollaría un EMF dentro de un solo conductor cuando hubiera una diferencia de temperatura.
En 1950, el académico e investigador ruso Abram Ioffe descubrió las propiedades termoeléctricas de los semiconductores. El generador de energía termoeléctrica comenzó a utilizarse ensistemas autónomos de suministro de energía en áreas inaccesibles. El estudio del espacio exterior, la caminata espacial del hombre dio un poderoso impulso al rápido desarrollo de los convertidores termoeléctricos.
La fuente de energía de radioisótopos se instaló por primera vez en naves espaciales y estaciones orbitales. Están comenzando a utilizarse en la gran industria del petróleo y el gas para la protección anticorrosiva de los gasoductos, en trabajos de investigación en el extremo norte, en el campo de la medicina como marcapasos y en la vivienda como fuentes autónomas de suministro de energía.
Efecto termoeléctrico y transferencia de calor en sistemas electrónicos
Los generadores termoeléctricos, cuyo principio de funcionamiento se basa en el uso complejo del efecto de tres científicos (Seebeck, Thomson, Peltier), se desarrollaron casi 150 años después de los descubrimientos que se adelantaron mucho a su tiempo.
El efecto termoeléctrico es el siguiente fenómeno. Para enfriar o generar electricidad, se utiliza un "módulo" que consta de pares conectados eléctricamente. Cada par consta de material semiconductor p (S> 0) y n (S<0). Estos dos materiales están conectados por un conductor cuya potencia termoeléctrica se supone que es cero. Dos ramas (p y n) y todos los demás pares que componen el módulo están conectados en serie en el circuito eléctrico y en paralelo en el circuito térmico. TEG (generador termoeléctrico) con este diseño crea condiciones para optimizar el flujo de calor que pasa a través del módulo, superándoloresistencia eléctrica. La corriente eléctrica actúa de tal manera que los portadores de carga (electrones y huecos) se mueven de una fuente fría a una fuente caliente (en el sentido termodinámico) en dos ramas del par. Al mismo tiempo, contribuyen a la transferencia de entropía de una fuente fría a una caliente, a un flujo de calor que resistirá la conducción de calor.
Si los materiales seleccionados tienen buenas propiedades termoeléctricas, este flujo de calor generado por el movimiento de los portadores de carga será mayor que la conductividad térmica. Por lo tanto, el sistema transferirá calor de una fuente fría a una caliente y actuará como un refrigerador. En el caso de la generación de electricidad, el flujo de calor provoca el desplazamiento de los portadores de carga y la aparición de una corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más electricidad se puede obtener.
Eficiencia TEG
Evaluado por el factor de eficiencia. La potencia de un generador termoeléctrico depende de dos factores críticos:
- La cantidad de flujo de calor que puede moverse con éxito a través del módulo (flujo de calor).
- Deltas de temperatura (DT): la diferencia de temperatura entre el lado frío y el caliente del generador. Cuanto más grande es el delta, más eficientemente funciona, por lo tanto, las condiciones deben proporcionarse constructivamente, tanto para el máximo suministro de frío como para la máxima eliminación de calor de las paredes del generador.
El término "eficiencia de los generadores termoeléctricos" es similar al término que se aplica a todos los demás tiposmotores térmicos. Hasta el momento, es muy bajo y asciende a no más del 17% de la eficiencia de Carnot. La eficiencia del generador de TEG está limitada por la eficiencia de Carnot y en la práctica alcanza solo un pequeño porcentaje (2-6 %) incluso a altas temperaturas. Esto se debe a la baja conductividad térmica de los materiales semiconductores, que no conduce a una generación de energía eficiente. Por lo tanto, se necesitan materiales con baja conductividad térmica, pero al mismo tiempo con la mayor conductividad eléctrica posible.
Los semiconductores funcionan mejor que los metales, pero todavía están muy lejos de los indicadores que llevarían un generador termoeléctrico al nivel de producción industrial (con al menos un 15% de uso de calor de alta temperatura). Un aumento adicional en la eficiencia de TEG depende de las propiedades de los materiales termoeléctricos (termoeléctricos), cuya búsqueda está ocupada actualmente por todo el potencial científico del planeta.
El desarrollo de nuevas termoeléctricas es relativamente complejo y costoso, pero si tiene éxito, provocará una revolución tecnológica en los sistemas de generación.
Materiales termoeléctricos
Las termoeléctricas se componen de aleaciones especiales o compuestos semiconductores. Recientemente, se han utilizado polímeros eléctricamente conductores para propiedades termoeléctricas.
Requisitos para termoeléctricos:
- alta eficiencia debido a la baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica, alto coeficiente de Seebeck;
- resistencia a altas temperaturas y termomecánicaimpacto;
- accesibilidad y seguridad ambiental;
- resistencia a vibraciones y cambios bruscos de temperatura;
- estabilidad a largo plazo y bajo costo;
- automatización del proceso de fabricación.
Actualmente, se están realizando experimentos para seleccionar los termopares óptimos, lo que aumentará la eficiencia del TEG. El material semiconductor termoeléctrico es una aleación de telururo y bismuto. Ha sido especialmente fabricado para proporcionar bloques o elementos individuales con diferentes características "N" y "P".
Los materiales termoeléctricos suelen fabricarse mediante cristalización direccional a partir de metalurgia de polvos fundidos o prensados. Cada método de fabricación tiene su propia ventaja particular, pero los materiales de crecimiento direccional son los más comunes. Además del telurito de bismuto (Bi 2 Te 3), existen otros materiales termoeléctricos, incluidas las aleaciones de plomo y telurito (PbTe), silicio y germanio (SiGe), bismuto y antimonio (Bi-Sb), que se pueden utilizar en aplicaciones específicas. casos. Mientras que los termopares de bismuto y telururo son los mejores para la mayoría de los TEG.
Dignidad de TEG
Ventajas de los generadores termoeléctricos:
- la electricidad se genera en un circuito cerrado de una sola etapa sin el uso de sistemas de transmisión complejos ni el uso de piezas móviles;
- f alta de líquidos y gases de trabajo;
- sin emisiones de sustancias nocivas, calor residual y contaminación acústica del medio ambiente;
- Batería de larga duración del dispositivofuncionando;
- uso de calor residual (fuentes de calor secundarias) para ahorrar recursos energéticos
- trabajar en cualquier posición del objeto, independientemente del entorno operativo: espacio, agua, tierra;
- Generación de bajo voltaje CC;
- inmunidad a cortocircuitos;
- Vida útil ilimitada, 100 % listo para usar.
Campos de aplicación del generador termoeléctrico
Las ventajas de TEG determinaron las perspectivas de desarrollo y su futuro cercano:
- estudio del océano y el espacio;
- aplicación en pequeñas energías alternativas (domésticas);
- utilizando el calor de los tubos de escape de los automóviles;
- en sistemas de reciclaje;
- en sistemas de refrigeración y aire acondicionado;
- en sistemas de bomba de calor para el calentamiento instantáneo de motores diésel de locomotoras y vagones diésel;
- calentar y cocinar en condiciones de campo;
- recarga de dispositivos electrónicos y relojes;
- nutrición de pulseras sensoriales para deportistas.
Convertidor Peltier termoeléctrico
El elemento Peltier (EP) es un convertidor termoeléctrico que funciona con el efecto Peltier del mismo nombre, uno de los tres efectos termoeléctricos (Seebeck y Thomson).
El francés Jean-Charles Peltier conectó cables de cobre y bismuto entre sí y los conectó a una batería, creando así un par de conexiones de dosmetales disímiles. Cuando se encendía la batería, una de las uniones se calentaba y la otra se enfriaba.
Los dispositivos de efecto Peltier son extremadamente confiables porque no tienen partes móviles, no requieren mantenimiento, no emiten gases nocivos, son compactos y tienen operación bidireccional (calentamiento y enfriamiento) dependiendo de la dirección de la corriente.
Desafortunadamente, son ineficientes, tienen baja eficiencia, emiten bastante calor, lo que requiere ventilación adicional y aumenta el costo del dispositivo. Dichos dispositivos consumen mucha electricidad y pueden causar sobrecalentamiento o condensación. Casi nunca se encuentran elementos Peltier de más de 60 mm x 60 mm.
Alcance de ES
La introducción de tecnologías avanzadas en la producción de termoeléctricos ha llevado a una reducción en el costo de producción de EP y la expansión de la accesibilidad al mercado.
Hoy en día se usa ampliamente EP:
- en neveras portátiles, para enfriar pequeños electrodomésticos y componentes electrónicos;
- en deshumidificadores para extraer agua del aire;
- en naves espaciales para equilibrar el efecto de la luz solar directa en un lado de la nave mientras se disipa el calor hacia el otro lado;
- para enfriar los detectores de fotones de telescopios astronómicos y cámaras digitales de alta calidad para minimizar los errores de observación debidos al sobrecalentamiento;
- para enfriar los componentes de la computadora.
Recientemente, ha sido ampliamente utilizado para fines domésticos:
- en dispositivos enfriadores alimentados por puerto USB para enfriar o calentar bebidas;
- en forma de etapa adicional de enfriamiento de refrigeradores de compresión con una disminución de la temperatura a -80 grados para enfriamiento de una etapa y hasta -120 para enfriamiento de dos etapas;
- en automóviles para crear refrigeradores o calentadores autónomos.
China ha lanzado la producción de elementos Peltier de modificaciones TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 por valor de hasta 7 euros, que pueden proporcionar potencia hasta 200 W según los esquemas “calor-frío”, con una vida útil de hasta 200.000 horas de funcionamiento en la zona de temperatura de -30 a 138 grados centígrados.
Baterías nucleares RITEG
Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) es un dispositivo que utiliza termopares para convertir el calor de la descomposición del material radiactivo en electricidad. Este generador no tiene partes móviles. RITEG se utilizó como fuente de energía en satélites, naves espaciales, faros remotos construidos por la URSS para el Círculo Polar Ártico.
Los RTG son generalmente la fuente de alimentación preferida para dispositivos que requieren varios cientos de vatios de potencia. En celdas de combustible, baterías o generadores instalados en lugares donde las celdas solares son ineficientes. Un generador termoeléctrico de radioisótopos requiere un manejo estricto de radioisótopos durantemucho tiempo después del final de su vida útil.
Hay alrededor de 1000 RTG en Rusia, que se utilizaron principalmente como fuentes de energía en medios de largo alcance: faros, radiobalizas y otros equipos de radio especiales. El primer RTG espacial en polonio-210 fue Limon-1 en 1962, luego Orion-1 con una potencia de 20 W. La última modificación se instaló en los satélites Strela-1 y Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 y Mars-96 utilizaron RTG en sus sistemas de calefacción.
Dispositivo generador termoeléctrico de bricolaje
Tales procesos complejos que tienen lugar en el TEG no detienen a los "Kulibins" locales en su deseo de unirse al proceso científico y técnico mundial para la creación del TEG. El uso de TEG caseros se ha utilizado durante mucho tiempo. Durante la Gran Guerra Patriótica, los partisanos fabricaron un generador termoeléctrico universal. Generó electricidad para cargar la radio.
Con la llegada de los elementos Peltier al mercado a precios asequibles para el consumidor doméstico, es posible hacer un TEG usted mismo siguiendo los pasos a continuación.
- Consiga dos disipadores de calor en una tienda de TI y aplique pasta térmica. Este último facilitará la conexión del elemento Peltier.
- Separar los radiadores con cualquier aislante térmico.
- Haga un agujero en el aislador para acomodar el elemento Peltier y los cables.
- Montar la estructura y acercar la fuente de calor (vela) a uno de los radiadores. Cuanto más larga sea la calefacción, más corriente se generará desde la termoeléctrica del hogar.generador.
Este dispositivo funciona en silencio y es liviano. El generador termoeléctrico ic2, según el tamaño, puede conectar el cargador del teléfono móvil, encender una pequeña radio y encender la iluminación LED.
Actualmente, muchos fabricantes mundiales conocidos han lanzado la producción de varios dispositivos asequibles utilizando TEG para entusiastas de los automóviles y viajeros.
Perspectivas para el desarrollo de la generación termoeléctrica
Se espera que la demanda de TEG para el consumo doméstico crezca un 14 %. La perspectiva del desarrollo de la generación termoeléctrica fue publicada por Market Research Future al emitir el documento "Informe de investigación de mercado de generadores termoeléctricos globales - Pronóstico para 2022": análisis de mercado, volumen, participación, progreso, tendencias y pronósticos. El informe confirma la promesa de TEG en el reciclaje de residuos automotrices y la cogeneración de electricidad y calor para instalaciones domésticas e industriales.
Geográficamente, el mercado mundial de generadores termoeléctricos se ha dividido en América, Europa, Asia-Pacífico, India y África. Asia-Pacífico se considera el segmento de más rápido crecimiento en la implementación del mercado TEG.
Entre estas regiones, América, según los expertos, es la principal fuente de ingresos en el mercado mundial de TEG. Se espera que un aumento en la demanda de energía limpia aumente la demanda en Estados Unidos.
Europa también mostrará un crecimiento relativamente rápido durante el período de pronóstico. India y China seaumentar el consumo a un ritmo importante debido al aumento de la demanda de vehículos, lo que conducirá al crecimiento del mercado de generadores.
Compañías automotrices como Volkswagen, Ford, BMW y Volvo, en colaboración con la NASA, ya han comenzado a desarrollar mini-TEG para el sistema de recuperación de calor y economía de combustible en los vehículos.
