Termoeléctrico

Definición: ¿Qué es la termoelectricidad?

En términos sencillos, un sistema termoeléctrico es un dispositivo que puede generar energía simplemente a partir de la diferencia de temperatura en cada lado. Del mismo modo, también puede aplicar energía eléctrica para crear una diferencia de temperatura. Piensa en una unidad que pueda aprovechar el calor de una bebida caliente para cargar tu teléfono.

La física del fenómeno termoeléctrico

La magia de los materiales termoeléctricos es su capacidad para aprovechar la diferencia de temperatura. Pero para entenderlo mejor, hay que profundizar en los principios básicos implicados. Los dos efectos principales mencionados, conocidos como efectos Seebeck y Peltier, son en realidad la otra cara de la misma moneda termoeléctrica.

• El efecto Seebeck se refiere al fenómeno por el que una diferencia de temperatura entre dos extremos de un conductor o semiconductor produce una diferencia de tensión.
• El efecto Peltier es su reverso: aplicar tensión a un conductor o semiconductor crea una diferencia de temperatura entre sus dos extremos.

Descubrir la fórmula termoeléctrica

En el corazón de la termoelectricidad hay un factor de mérito adimensional \[ ZT = S^2 \sigma T / \kappa \].

Donde

La fórmula cuantifica la eficiencia de un material termométrico teniendo en cuenta el coeficiente Seebeck, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. Un valor más alto de \(ZT\) significa un material termoeléctrico más eficiente.

Examinar ejemplos termoeléctricos en el mundo real

La tecnología termoeléctrica tiene implicaciones de gran alcance en diversos sectores. La capacidad de transformar las diferencias de temperatura en energía eléctrica, e inversamente, ofrece numerosas aplicaciones prácticas en nuestra vida cotidiana y en campos avanzados de la ingeniería.

Ejemplos termoeléctricos cotidianos

Puede que los materiales termoeléctricos no sean algo en lo que pienses todos los días, pero están más cerca de tu vida cotidiana de lo que crees. Desde la carga de aparatos hasta los sistemas de refrigeración, estos materiales de alta tecnología se están convirtiendo poco a poco en parte integrante de nuestras vidas. Exploremos algunos casos típicos en los que los principios termoeléctricos se ponen en práctica en nuestra rutina diaria.

• Refrigeradores termoeléctricos: Estos dispositivos utilizan el efecto Peltier para crear un flujo de calor entre dos tipos diferentes de materiales. Puede que los hayas visto en neveras portátiles o en armarios medicinales de temperatura controlada.
• Generadores termoeléctricos portátiles: Algunos relojes y dispositivos portátiles innovadores tienen pequeños generadores termoeléctricos. Estos pueden convertir el calor corporal en electricidad, alimentando así el dispositivo.
• Generadores termoeléctricos para automóviles: Varios fabricantes de automóviles están investigando el uso del calor residual de los tubos de escape de los coches para mejorar la eficiencia del combustible. Esta tecnología utiliza principios termoeléctricos para aprovechar el calor residual y convertirlo en energía eléctrica útil.

Fenómenos termoeléctricos en las prácticas de ingeniería

Además de las aplicaciones cotidianas, los fenómenos termoeléctricos influyen significativamente en las prácticas avanzadas de ingeniería. Desde las misiones espaciales hasta las prácticas industriales, exploremos cómo juegan los ingenieros con los principios termoeléctricos.

• Misiones espaciales: Los generadores termoeléctricos tienen profundas implicaciones en la industria espacial. Estos generadores han alimentado varias naves espaciales estadounidenses y soviéticas durante décadas. Gracias a los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que convierten el calor de la desintegración radiactiva en electricidad, las misiones espaciales pueden seguir recibiendo energía incluso lejos del Sol.
• Procesos industriales: En las industrias que producen un calor residual considerable, como las centrales eléctricas o las unidades de fabricación, la tecnología termoeléctrica puede capturar y convertir ese calor residual en energía eléctrica, aumentando así la eficiencia energética global.
• Refrigeración electrónica: Las neveras termoeléctricas se utilizan habitualmente para refrigerar componentes electrónicos y pequeños instrumentos. Como estas neveras pueden funcionar sin refrigerante ni piezas móviles, son una opción excelente para aplicaciones que necesitan un control de la temperatura compacto, silencioso y preciso.

Descubrir las aplicaciones termoeléctricas

La notable capacidad de los materiales termoeléctricos para transformar las diferencias de calor en tensión eléctrica y viceversa los ha convertido en candidatos idóneos para diversas utilizaciones en varios sectores. Desde la recuperación de energía hasta el control de la temperatura, las aplicaciones termoeléctricas están fomentando una nueva era de soluciones de eficiencia y gestión energéticas.

Aplicaciones termoeléctricas en la conversión de energía

Cuando se trata de conversión de energía, los módulos termoeléctricos ocupan un lugar destacado. Básicamente, estos módulos aprovechan el efecto Seebeck para convertir las diferencias de temperatura directamente en energía eléctrica.

Veamos más de cerca algunas áreas fundamentales en las que los elementos termoeléctricos contribuyen a la conversión de energía:

• Recuperación del calor residual: Casi el 60% de la energía generada en los países industrializados se vierte como calor residual, que suele despreciarse. Los generadores termoeléctricos pueden extraer y convertir este calor, que de otro modo no se utilizaría, en energía eléctrica útil.
• Sensores inalámbricos: En entornos en los que no es práctico o factible conectar cables de alimentación o cambiar las pilas, los generadores termoeléctricos alimentan sensores inalámbricos utilizando las diferencias térmicas del entorno.
• Generadores termoeléctricos solares: Estos generadores aprovechan el calor del sol en lugar de su luz para generar energía eléctrica, constituyendo una posible alternativa o complemento a la tecnología fotovoltaica convencional.

Aunque los módulos termoeléctricos no son notablemente eficientes en comparación con otros métodos de generación de energía a partir del calor, poseen varias ventajas. Por ejemplo, no tienen piezas móviles, apenas necesitan mantenimiento, funcionan silenciosamente y pueden funcionar en distintos gradientes de temperatura.

Materiales termoeléctricos y sus aplicaciones

El corazón y el alma de las aplicaciones termoeléctricas residen en los materiales termoeléctricos. A grandes rasgos, se pueden clasificar en metálicos y cerámicos, y cada uno tiene sus propias características y aplicaciones.

• Materiales termoeléctricos de base metálica: Estos materiales, como el telururo de bismuto, han sido el pilar de la termoelectricidad desde la década de 1960. Se utilizan habitualmente en sistemas de refrigeración, debido a su fiabilidad y excelente rendimiento a temperatura ambiente.
• Materiales termoeléctricos de base cerámica: Los avances en ingeniería de materiales han dado lugar a materiales cerámicos de alta temperatura, que están impulsando la tecnología termoeléctrica hacia nuevas aplicaciones. Por ejemplo, las aleaciones de silicio-germanio son eficaces a temperaturas elevadas y se han utilizado en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) para naves espaciales.

Examen de los generadores termoeléctricos

Situado como ejemplo destacado de las aplicaciones termoeléctricas, el generador termoeléctrico (TEG) merece una exploración detallada. Un TEG es esencialmente un dispositivo que emplea efectos termoeléctricos para convertir el calor directamente en electricidad. Esto se consigue mediante el efecto Seebeck.

He aquí cómo funciona un generador termoeléctrico en términos básicos:

Las ventajas de un generador termoeléctrico son su funcionamiento silencioso, su gran fiabilidad (al no tener piezas móviles) y su versatilidad para funcionar en cualquier rango de gradientes de temperatura. En la actualidad, los generadores termoeléctricos están al servicio de diversos sectores, como la exploración espacial, la detección inalámbrica y, sobre todo, la recuperación de energía a partir del calor industrial residual.

Cabe mencionar que la eficiencia de un generador termoeléctrico depende de la figura de mérito o \(ZT\) del material termoeléctrico. Recuerda que \(ZT\) es una medida del rendimiento termoeléctrico de un material, que incorpora tres factores: el coeficiente Seebeck, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica.

ZT(S,σ,T,K) = S².σ.T/K Donde ZT = Factor de mérito termoeléctrico S = Coeficiente Seebeck (V/K) σ = Conductividad eléctrica (S/m) T = Temperatura absoluta (K) K = Conductividad térmica (W/m.K)

De cara al futuro, se están llevando a cabo continuas investigaciones para encontrar y desarrollar nuevos materiales con valores de \(ZT\) más elevados, con el objetivo de aumentar la eficiencia de los generadores termoeléctricos y ampliar así la aplicación de esta prometedora tecnología.

Sumérgete en el mundo de los materiales termoeléctricos

Los materiales termoeléctricos se encuentran en el corazón de la tecnología termoeléctrica, ya que permiten la interconversión directa de la energía entre las formas térmica y eléctrica. Su capacidad única para acoplar calor y electricidad allana el camino para aplicaciones apasionantes, que van desde la recuperación de energía hasta el control preciso de la temperatura.

Comprender la importancia de los materiales termoeléctricos

Los materiales termoeléctricos están ganando reconocimiento por desempeñar un papel vital en la utilización y transformación eficaces de la energía térmica. Forman parte integral de los dispositivos termoeléctricos que aprovechan el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el efecto Thomson para permitir procesos eficientes de conversión de energía y una gestión térmica precisa.

Los dispositivos termoeléctricos pueden convertir el calor residual en energía eléctrica útil, abordando la conservación de la energía y las consideraciones medioambientales. En particular, lo hacen sin piezas móviles y con emisiones insignificantes, lo que ofrece ventajas claras como fiabilidad, robustez, escalabilidad y funcionamiento silencioso.

Además, los módulos de termoelementos, fabricados con materiales termoeléctricos, pueden utilizarse en aplicaciones de control preciso de la temperatura. Los refrigeradores termoeléctricos, por ejemplo, aprovechan el efecto Peltier para proporcionar una refrigeración precisa y rápida, que es fundamental en la electrónica y la optoelectrónica de alto rendimiento.

En cuanto a aplicaciones tangibles, los materiales termoeléctricos se emplean en multitud de sectores: telecomunicaciones, automoción, aeroespacial, médico y otros. Desde alimentar sondas espaciales en la inmensidad del espacio hasta permitir sensores inalámbricos en lugares inaccesibles, los materiales termoeléctricos demuestran su valía una y otra vez.

Características de los materiales termoeléctricos eficaces

Los materiales termoeléctricos eficaces presentan propiedades únicas que los diferencian de los materiales conductores y aislantes normales. La selección estratégica de estos materiales es crucial para el rendimiento y la eficacia de los dispositivos termoeléctricos.

He aquí las principales características que hay que tener en cuenta al seleccionar materiales termoeléctricos:

• Alto coeficiente Seebeck: Los materiales con un elevado coeficiente Seebeck proporcionan una mayor tensión de salida por unidad de diferencia de temperatura, mejorando así la tasa de conversión de energía.
• Alta conductividad eléctrica: Cuanto mayor es la conductividad eléctrica, más fácil es el paso de la electricidad. Una conductividad eléctrica elevada garantiza que la electricidad generada no se desperdicie en forma de calor en las pérdidas resistivas.
• Baja conductividad térmica: Minimizar la conductividad térmica limita el flujo de calor a través del propio material, lo que garantiza que se mantenga la diferencia de calor a través del material y, por tanto, maximiza la producción eléctrica potencial.

Conseguir el equilibrio adecuado entre estas propiedades en un solo material es todo un reto. La cifra adimensional de mérito, \(ZT\), se utiliza habitualmente para medir la eficiencia de conversión termoeléctrica de un material. Incluye las tres características: Coeficiente Seebeck (\(S\)), conductividad eléctrica (\(σ\)) y conductividad térmica (\(κ\)).

donde \(T\) es la temperatura absoluta. Un material con un valor de \(ZT\) igual o superior a 1 suele considerarse un buen material termoeléctrico.

El papel de los materiales termoeléctricos en los generadores termoeléctricos

Los materiales termoeléctricos son fundamentales para el funcionamiento de los generadores termoeléctricos (TEG). Un TEG convierte la energía térmica directamente en energía eléctrica mediante el efecto Seebeck, y su rendimiento depende en gran medida de las características de los materiales termoeléctricos empleados.

En un TEG típico, un conjunto de módulos termoeléctricos, cada uno de ellos formado por un par de materiales termoeléctricos de tipo n y de tipo p, están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Cuando se aplica una fuente de calor a un lado de este conjunto (creando un lado "caliente"), y el otro lado se mantiene frío (el lado "frío"), se genera una tensión. La diferencia de temperatura entre los materiales termoeléctricos impulsa los portadores de carga, generando un flujo de electricidad.

La eficacia de un generador termoeléctrico puede aumentarse optimizando los materiales termoeléctricos para el intervalo de temperaturas de funcionamiento y mejorando sus valores \(ZT\).

De esta exploración en profundidad se desprende que los materiales termoeléctricos confieren propiedades fundamentales -y casi mágicas- a la termoelectricidad, transformando nuestra capacidad de aprovechar y manipular la energía. Ya se trate de recuperar el calor residual, alimentar sensores remotos o refrigerar instrumentos de precisión, las impresionantes cualidades de los materiales termoeléctricos son la clave para desbloquear estas aplicaciones.

Una mirada más profunda al generador termoeléctrico

Un generador termoeléctrico (TEG) es un impresionante dispositivo de conversión de energía que emplea los principios de la termoelectricidad para convertir el calor directamente en energía eléctrica. Comprender su funcionamiento e impacto va más allá del mero mundo teórico y afecta a muchos aspectos de la vida cotidiana, desde la alimentación de las misiones espaciales hasta la calefacción de los hogares.

¿Cómo funciona un generador termoeléctrico?

El funcionamiento de un generador termoeléctrico depende de las propiedades únicas de sus materiales termoeléctricos y del principio científico conocido como efecto Seebeck. En términos sencillos, el efecto Seebeck es la creación de una corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de temperatura a través de un material.

Un generador termoeléctrico típico se diseña utilizando pares de materiales termoeléctricos de tipo n y de tipo p. Estos materiales tienen tipos de portadores de carga opuestos: tipo n con sobreabundancia de electrones y tipo p con escasez de electrones. Los pares están conectados eléctricamente en serie y situados entre una fuente de calor caliente y un disipador de calor frío, lo que provoca un flujo directo de electrones de uno a otro.

Cuando se aplica una fuente de calor en un lado del módulo termoeléctrico (el lado "caliente") y el otro lado se expone a un disipador de calor (el lado "frío"), se crea un gradiente de temperatura. Esto provoca la difusión de los portadores de carga, con electrones que fluyen del lado caliente al frío en los materiales de tipo n y "huecos" que se mueven en la dirección opuesta en los materiales de tipo p.

El flujo continuo de portadores de carga debido al gradiente de temperatura sostenido da lugar a una corriente continua (CC) que puede aprovecharse para alimentar dispositivos electrónicos. La eficiencia global de conversión de energía viene determinada por la temperatura de funcionamiento y la Figura de Mérito \(ZT\) del material.

El funcionamiento de un generador termoeléctrico es, pues, una demostración práctica del aprovechamiento milagroso de los efectos termoeléctricos y de la conversión de la energía térmica en energía eléctrica útil.

Aplicaciones reales de los generadores termoeléctricos

Los generadores termoeléctricos se han abierto camino en una gran variedad de aplicaciones gracias a sus capacidades únicas. Muchas de estas aplicaciones aprovechan la capacidad de los TEG para funcionar sin supervisión y de forma fiable durante largos periodos, incluso en condiciones hostiles, lo que los hace inestimables en entornos remotos e inaccesibles.

• Misiones espaciales: Durante varias décadas, la NASA ha utilizado generadores termoeléctricos para alimentar naves espaciales en misiones de larga duración, como Voyager, Cassini y los exploradores de Marte. El calor generado por la desintegración radiactiva del Plutonio-238 se transforma en electricidad para alimentar los sistemas e instrumentos de las naves espaciales.
• Recuperación del calor residual: Una gran parte del consumo mundial de energía se libera como calor residual, sobre todo en los procesos industriales. Los TEG tienen el potencial de aprovechar este calor residual y convertirlo en energía eléctrica útil, contribuyendo a la conservación de la energía y a la sostenibilidad.
• Soluciones de energía a distancia: Los TEG pueden utilizarse para alimentar redes de sensores remotos, boyas marinas, unidades de telemetría a distancia y mucho más. La capacidad de conversión de calor en electricidad elimina la necesidad de una fuente de alimentación convencional, o el cambio frecuente de baterías.
• Industria del automóvil: Más recientemente, la industria del automóvil ha mostrado interés en utilizar los TEG para la recuperación del calor residual. El calor generado por el sistema de escape y el motor podría convertirse en electricidad para alimentar los sistemas eléctricos del vehículo, lo que mejoraría la eficiencia del combustible.

El potencial de los generadores termoeléctricos va mucho más allá de estos ejemplos, y se siguen explorando y desarrollando aplicaciones innovadoras. Desde permitir la exploración científica del espacio lejano hasta contribuir al ahorro energético local, los TEG se han convertido en un componente crucial de nuestro mundo tecnológicamente avanzado.