L’any 1821, un famós científic anomenat Johann Seebeck va recuperar el concepte gradient tèrmic que es desenvolupa entre dos conductors diversos i que pot generar electricitat. En relació amb l’efecte termoelèctric, hi ha un concepte anomenat gradient de temperatura en la substància conductora que produeix calor i aquest resultat en la difusió del portador de càrrega. Aquest flux de calor es va desenvolupar entre les substàncies calentes i fresques voltatge diferència. Per tant, aquest escenari ha descobert el dispositiu termoelèctric generador i, avui, el nostre article tracta sobre el seu funcionament, els seus avantatges, les seves limitacions i els seus conceptes relacionats.
Què és el generador termoelèctric?
Termoelèctric és el nom que és la combinació de paraules elèctric i termo. Per tant, el nom significa que la tèrmica correspon a l’energia calorífica i l’electricitat correspon a l’energia elèctrica. I els generadors termoelèctrics són els dispositius que s’implementen en la conversió de la diferència de temperatura que es genera entre les dues seccions en forma elèctrica d’energia . Aquest és el bàsic definició de generador termoelèctric .
Aquests dispositius depenen dels efectes termoelèctrics que impliquen una interfície que passa entre el flux de calor i l'electricitat a través de components sòlids.
Construcció
Els generadors termoelèctrics són els dispositius que són components tèrmics d’estat sòlid construïts a partir de dues unions essencials que són de tipus p i de tipus n. La unió de tipus P té una concentració augmentada de càrrega + ve i la unió de tipus n té una concentració augmentada d’elements carregats de ve.
Els components del tipus p es dopen a condició de tenir forats o portadors carregats més positius, proporcionant així un coeficient de Seebeck positiu. De manera similar, els components del tipus n es dopen per tenir portadors carregats més negatius, proporcionant així un tipus negatiu de coeficient de Seeback.
Funcionament del generador termoelèctric
Amb el pas de la connexió elèctrica entre les dues unions, totes les portadores amb càrrega positiva es mouen a la unió n, i de manera similar, les portadores amb càrrega negativa es desplacen a la unió p. A la construcció de generador termoelèctric , l'element més implementat és el tel·lurur de plom.
És el component que es construeix a partir de teluri i plom que tenen quantitats mínimes de sodi o de bismut. A més, els altres elements que s’utilitzen en la construcció d’aquest dispositiu són el sulfur de bismut, el telurur d’estany, el telurur de bismut, l’arseniur d’indi, el telurur de germani i molts altres. Amb aquests materials, disseny de generador termoelèctric es pot fer.
Principi de funcionament del generador termoelèctric
El funcionament del generador termoelèctric depèn de l’efecte Seeback. En aquest efecte, un bucle que es forma entre els dos metalls genera un emf quan les unions metàl·liques es mantenen a diversos nivells de temperatura. A causa d’aquest escenari, també s’anomenen generadors d’energia Seeback. El diagrama de blocs del generador termoelèctric es mostra com:
Diagrama de blocs
Generalment s’inclou un generador termoelèctric amb una font de calor que es manté a valors elevats de temperatura i també s’inclou un dissipador de calor. En aquest cas, la temperatura del dissipador de calor ha de ser inferior a la de la font de calor. El canvi en els valors de temperatura de la font de calor i el dissipador de calor permet el corrent de fluix a través de la secció de càrrega.
En aquest tipus de transformació d'energia, no hi ha conversions d'energia de transició diferents dels altres tipus de conversió d'energia. Per això, es denomina transformació d'energia directa. La potència generada a causa d’aquest efecte Seeback és de tipus CC monofàsic i es representa com a I2RLon RL correspon al valor de resistència a la càrrega.
El voltatge de sortida i els valors de potència es poden augmentar de dues maneres. Una és augmentar la variació de temperatura que augmenta entre les vores fredes i calentes i l’altra consisteix en formar una connexió en sèrie amb generadors d’energia termoelèctrica.
La tensió d’aquest dispositiu TEG ve donada per V = αΔ T,
On 'α' correspon al coeficient de Seeback i 'Δ' és la variació de temperatura entre les dues unions. Amb això, el flux de corrent ve donat per
I = (V / R + RL)
A partir d’això, l’equació de tensió és
V = αΔT / R + RL
A partir d’això, el flux d’energia a través de la secció de càrrega és
P a la càrrega = (αΔT / R + RL)2(RL)
La potència nominal és més gran quan R arriba a RL, doncs
Pmax = (αΔT)2/ (4R)
Hi haurà flux de corrent fins al moment en què hi haurà subministrament de calor a la vora calenta i eliminació de calor de la vora freda. I el corrent desenvolupat es troba en forma de corrent continu i es pot transformar en tipus de corrent altern inversors . Els valors de tensió es poden augmentar més mitjançant la implementació de transformadors.
Aquest tipus de conversió d’energia també pot ser reversible quan es pot canviar la ruta del flux d’energia. Quan tant la potència de CC com la càrrega s’eliminen de les vores, es pot retirar simplement la calor dels generadors termoelèctrics. Per tant, aquest és el teoria del generador termoelèctric darrere de treballar.
Equació d'eficiència del generador termoelèctric
L'eficiència d'aquest dispositiu es representa com la proporció de potència generada a la resistència en la secció de càrrega al flux de calor a través de la resistència de càrrega. Aquesta proporció es representa com
Eficiència = (Potència generada a RL) / (flux de calor 'Q')
= (Jo2RL) / Q
Eficiència = (αΔT / R + RL)2(RL) / Q
Així es pot calcular l’eficiència del generador termoelèctric.
Tipus de generadors termoelèctrics
En funció de la mida del dispositiu TEG, el tipus de font de calor i la font del dissipador de calor, la capacitat d’energia i el propòsit de l’aplicació, els TEG es classifiquen principalment en tres tipus:
- Generadors de combustibles fòssils
- Generadors de combustible nuclear
- solar generadors de fonts
Generadors de combustibles fòssils
Aquest tipus de generador està dissenyat per fer ús de querosè, gas natural, butà, fusta, propà i combustibles per a avions com a fonts de calor. Per a aplicacions comercials, la potència de sortida oscil·la entre els 10 i els 100 watts. Aquest tipus de generadors termoelèctrics s’utilitzen en llocs remots, com en assistències de navegació, recollida d’informació, en xarxes de comunicació i en seguretat catòdica, evitant així l’electròlisi de la destrucció de tubs metàl·lics i sistemes marins.
Generadors de combustible nuclear
Els components descompostos dels isòtops radioactius es podrien utilitzar per oferir una font de calor de temperatura augmentada per als dispositius TEG. Com que aquests dispositius són sensibles a l'emissió nuclear i que l'element font de calor es pot utilitzar durant un llarg període, aquests generadors termoelèctrics alimentats amb nucli s'apliquen en aplicacions remotes.
Generadors de fonts solars
Els generadors solars termoelèctrics s’han emprat amb pocs èxits per proporcionar una mida mínima de potència de les bombes de reg en llocs remots i zones subdesenvolupades. Els generadors solars termoelèctrics estan construïts per subministrar energia elèctrica a les naus espacials en òrbita.
Avantatges i desavantatges dels generadors termoelèctrics
El avantatges del generador termoelèctric són:
- Com que tots els components utilitzats en aquest dispositiu TEG són d'estat sòlid, tenen una fiabilitat millorada
- La gamma extrema de fonts de combustible
- Els dispositius TEG estan construïts per oferir una potència no mínima a la de mW i superior a KW, la qual cosa significa que tenen una escalabilitat enorme
- Es tracta de dispositius de transformació d'energia directa
- Operat en silenci
- Mida mínima
- Aquests poden funcionar fins i tot en un rang zero i extrem de forces gravitatòries
El desavantatges del generador termoelèctric són:
- Són una mica cars en comparació amb altres tipus de generadors
- Aquests tenen una eficiència mínima
- Propietats tèrmiques mínimes
- Aquests dispositius necessiten més resistència de sortida
Aplicacions de generadors termoelèctrics
- Per millorar el rendiment del combustible dels cotxes, s’utilitza principalment el dispositiu TEG. Aquests generadors fan ús de la calor que es genera en el moment del funcionament del vehicle
- La generació d’energia Seebeck s’utilitza per proporcionar energia a la nau espacial.
- Els generadors termoelèctrics implementats proporcionen energia a les estacions remotes, com ara sistemes meteorològics, xarxes de relés i altres
Així doncs, es tracta del concepte detallat de generadors termoelèctrics. En general, com que els generadors tenen un gran protagonisme, s’utilitzen àmpliament en moltes aplicacions de molts dominis. A part d’aquests conceptes relacionats, l’altre concepte que es coneix clarament aquí és el que és
