Como funciona un generador termoelectrico

Cómo fabricar un generador termoeléctrico

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

Los generadores termoeléctricos podrían utilizarse en centrales eléctricas para convertir el calor residual en energía eléctrica adicional y en automóviles como generadores termoeléctricos de automoción (GTA) para aumentar la eficiencia del combustible. Los generadores termoeléctricos radioisotópicos utilizan radioisótopos para generar la diferencia de temperatura necesaria para alimentar sondas espaciales[2].

En 1821, Thomas Johann Seebeck descubrió que un gradiente térmico formado entre dos materiales conductores diferentes (tiene propiedad electromagnética) puede producir electricidad[3][4] En el corazón del efecto termoeléctrico está el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor da lugar a un flujo de calor; esto provoca la difusión de portadores de carga. El flujo de portadores de carga entre las regiones caliente y fría crea a su vez una diferencia de tensión. En 1834, Jean Charles Athanase Peltier descubrió el efecto inverso, es decir, que el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos podía, dependiendo de la dirección de la corriente, hacer que actuara como calentador o enfriador[5].

Diseño de generadores termoeléctricos

La captación de energía representa la energía derivada de fuentes ambientales que se extrae y se convierte directamente en energía eléctrica. Esta forma de suministrar energía se utiliza además cuando no se dispone de otra fuente de energía (uso fuera de la red) para alimentar dispositivos electrónicos de pequeño y mediano tamaño, así como sistemas eléctricos, con potencias desde nW hasta cientos de mW [1, 2]. En general, la captación de energía se refiere a un entorno con fuentes de energía ambientales regulares y bien evaluadas. La recolección de energía se aplica cuando existe una correspondencia entre la energía disponible y la energía necesaria.

Los cosechadores de energía más utilizados son: cosechador térmico basado en el efecto termoeléctrico; cosechador de luz basado en el efecto fotoeléctrico; cosechador electromagnético basado en la inducción; cosechador químico basado en diferentes reacciones en las superficies de los electrodos; cosechador piezoeléctrico basado en vibraciones mecánicas o en el movimiento humano (que convierte la presión o la tensión en electricidad); cosechador de radiofrecuencia (RF) (que capta la radiación de radiofrecuencia ambiental).

Generador termoeléctrico

A continuación se describe el funcionamiento de los generadores termoeléctricos TEG (efecto Seebeck). Llevamos 20 años fabricando generadores de energía TEG. El interés en este campo se ha disparado en los últimos 5 años. Estamos aquí para ayudar a explicar los matices de la tecnología, ya que hay muy poca información en la web.

1. Efecto Peltier: Este efecto introduce energía en el módulo con el consiguiente enfriamiento de un lado y calentamiento del otro. Estos tipos de módulos son de bajo amperaje (normalmente en el rango de 6 amperios, funcionando a 12V) y están diseñados para una exposición a bajas temperaturas de no más de 70°C a 80°C en el lado caliente. Las exposiciones a temperaturas más elevadas harán que el módulo se rompa o que las juntas de las parejas se fundan, y no son buenos generadores de energía.

La terminología correcta es esencial para cualquier tecnología. Un módulo Seebeck es un generador de energía (energía de un diferencial de calor) DT y un módulo Peltier es un módulo de refrigeración (suministro de energía de CC para obtener un diferencial) lado caliente y lado frío. Puedes utilizar un módulo Peltier como generador pero no podrás producir mucha potencia porque los materiales utilizados para unir el dispositivo son de baja temperatura y el módulo se destruirá si se expone a altas temperaturas. Para producir una potencia significativa, tendrá que exponer el lado caliente a temperaturas de entre 300°F y 700°F o más. Si desea producir milivatios esto es menos necesario. El lado frío debe estar diseñado para eliminar el máximo de calor (lo mejor es que el líquido se mueva en un sumidero de líquido) a medida que pasa desde el lado caliente a través del módulo o módulos hasta el lado frío. Si es posible, el lado frío debe estar bajo cero. Cuanto más frío esté el lado frío, más potencia se producirá. De hecho, con el mismo DT, un módulo producirá algo más de potencia con un DT equivalente pero con un lado frío más bajo. Esto se debe a que cuando un semiconductor se enfría su resistencia interna disminuye.

Diagrama del generador termoeléctrico

Los generadores termoeléctricos (TEG) también se conocen como dispositivos Seebeck, generadores Peltier, etc. Los TEG convierten el calor residual en energía utilizable aprovechando una fuente de calor y un disipador de frío. Los generadores termoeléctricos son ideales para lugares remotos que están fuera de la red, pero tienen una fuente de calor.

Algunos ejemplos de fuentes de calor son: hornos, estufas de leña, chimeneas, estufas de pellets, tubos de escape, motores de gasolina y diésel, colectores solares, concentradores solares, calentadores de masa de cohetes, calderas y muchos otros. El calor residual está en todas partes y se puede aprovechar para producir energía.

Basta con proporcionar una fuente de calor (hasta 320C [608F]) y un método para enfriar el lado frío. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el lado caliente del TEG y el lado frío, mayor será la energía eléctrica producida. Una diferencia de 10 grados C producirá milivatios por TEG y una diferencia de 270 C puede producir hasta 21 vatios de potencia eléctrica. A medida que el calor pasa por el TEG desde el lado caliente al frío, los gránulos semiconductores producen energía eléctrica. La eficiencia de esta conversión de flujo de calor en electricidad aumenta a medida que aumenta el delta T [Delta T = Thot – Tcold]. Cuanto mayor sea el delta T, mayor será la eficiencia. La eficiencia alcanza un máximo del 7,5% aproximadamente. Una forma sencilla de entender este rendimiento es que, por cada 100 vatios de calor que pasan por el TEG, se genera un máximo de 7,5 vatios de electricidad.