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La Termoelectricitat, una tecnologia sostenible i
respectuosa amb el medi
Antonio Miguel López MartínezFrancesc Xavier Villasevil Marco
ÍNDICE
� Introducción.
� Como funciona la célula termoeléctrica.
� Modelo eléctrico básico de la estructura termoeléctrica.
� El material termoeléctrico.
� Utilización en modo Seebeck y modo Peltier.
� Cálculo del flujo de calor necesario. Elección de la célula.
� Utilización en rango de temperaturas altas.
� Conclusiones.
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�La termoelectricidades la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad que estudia los fenómenos de conversión de la energía calorífica en energía eléctrica y viceversa.
�Un refrigerador termoeléctrico, también llamado módulo termoeléctrico o dispositivo termoeléctrico, es un componente que funciona como una pequeña bomba de calor.
�Un generador termoeléctricoaporta energía eléctrica ante una diferencia de temperatura entre sus caras.
�La aparición de los nuevos materiales semiconductorespermitiráimpulsar los refrigeradores termoeléctricos, mejorando su rendimiento. Sus aplicaciones son múltiples (militares, telecomunicaciones, comerciales...), gracias al hecho de no tener partes móviles ni usar gases contaminantes, y a las ventajas que ofrecen su reducido tamaño y peso.
INTRODUCCIÓN
Efectos Termoeléctricos
Efecto Seebeck
Efecto Peltier
Efecto Thomson
Efecto Joule
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Caracterización básica del monomódulo termoeléctrico
El flujo de calor en un semiconductor se puede expresar según la ley general de calor para las tres dimensiones como:
0I)I(T)Tk( 2 =ρ+α∇−∇∇
en donde : k es la conductividad térmicaα es el coeficiente de Peltier
es la resistividad eléctricaes la Laplaciana de la temperatura
ρT∇
ITcS ⋅⋅ Término debido al efecto Seebeck
RI ⋅⋅ 22
1Termino debido al efecto Joule
Tk ∆⋅ Termino debido a la conductividad
En una dimensión
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La figura de mérito Z
Figura de mérito:κσ⋅
=2s
Z Ts
ZT2
⋅κσ⋅
=ó
Como s↑→ σ↓ y σ↑→ κ↑ es difícil incrementar ZT
Mejora de Z mediante:
�Nuevos materiales con alta densidad de estadosa nivel de Fermi y con estructuras afinadas parcialmente, ocupadas por átomos en agitación, que disminuyan la conductividad térmica propia.
�La reducción dimensionalcomo ocurre en “quantum wells”(2D) o “quantum wires”(1D) ofrece una estrategia para mejorar ZT debido al aumento de la densidad de estados cercano a EF que consigue un incremento en el coeficiente de Seebeck.
La necesidad de obtener una mayor eficiencia termoeléctricaha desarrollado estudios en nuevos semiconductores y materiales semimetálicos.
Skutterudites
Materiales termoeléctricos
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CARA FRÍA
CARA CALIENTE
Qa
Qd
Qpf Qpf
QpcQpc
QcQcQjQjQj
da QEcQ =+
Balance de energías
donde:
Qa: Calor absorbido.Qd: Calor disipado o emitido.Qpf: Calor absorbido por el efecto Peltier.Qpc: Calor disipado por el efecto Peltier.Qc: Calor creado por conducción interna.Qj: Calor disipado por efecto Joule.Ec: Energía eléctrica consumida.
Modelo de la estructura completa
Calor absorbido
Cara fría
Calor disipado
Cara caliente
Energía eléctrica absorbida
Qd
Ec
Qa
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Simulación básica de un monomódulo termoeléctrico
t
T
Cm
Tk
Cm2
RIT
Cm
kI c
o
h
o
2
co ∂
∂=
⋅⋅+
⋅⋅⋅
+⋅⋅+⋅α
t
T
Cm
Tk
Cm2
RIT
CmR
1
Cm
kI h
o
c
o
2
hoRo ∂
∂=
⋅⋅+
⋅⋅⋅
−⋅
⋅⋅−
⋅−⋅α
)TcTh(V −⋅α=α
Puerto térmico Puerto eléctrico
( )R
TTVI chin −⋅α−=
Evolución de la temperatura con el tiempo sobre un monomódulo
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relativoCarnotopt
C
Hopt
CH
C
e
C COPCOP1m
T
Tm
TT
T
P
QCOP ⋅=
+
−⋅
−==
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0 2 4 6 8 10 12
x10 -1s t
Vou
t (V
)
cara caliente a 450K - cara fría a 370K
Caracterización del monomódulo
Calor absorbidoCalor absorbido(lado fr(lado fríío)o)
Placa Termoeléctrica
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Una bomba de calor es una máquina frigorífica/calorífica capaz de suministrar/absorber calor a/de una fuente fría. Está basado en un ciclo cerrado (Karnaut). Una bomba de calor realiza el transporte del mismo de una zona a otra de un sistema cerrado consumiendo energía mecánica o eléctrica por lo que se forman dos partes con la temperatura bien diferenciadas.
Analogías con la bomba de calor mecánica
Un sistema convencional de refrigeraciónconsta fundamentalmente de tres partes : el evaporador , el compresor i el condensador. Por todo el sistema habrá un líquido o gas refrigerante que será el encargado de transportar el calor de una zona a atra. El funcionamiento de les distintas partes es el siguiente: en el evaporador , el refrigerante a presión se expande i evapora. Durante este paso de líquido a gas , se absorbe calor de la zona a refrigerar. El compresor actúa como bomba de calor y vuelve a comprimir el gas de manera que se transforma en líquido. En el condensador se expulsa el calor absorbido en el evaporador más la calor producida durante la compresión i la transmite al entorno o ambiente.
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En un sistema termoeléctrico un material semiconductor dopado reemplaza al refrigerante , el condensador es sustituido por un disipador y el compresor por una fuente de tensión. La aplicación de una tensión DC al sistema termoeléctrico causa que las cargas libres se muevan a través del material semiconductor. En el extremo frío del material del semiconductor , la calor es absorbida por los electrones en movimiento, y llevados al extremo caliente. Desde el extremo caliente del material que está físicamente asociado con el disipador, el calor es, entonces, transferido al ambiente. De esta manera se puede establecer un paralelismo entre un sistema refrigerador termoeléctrico i uno mecánico.
termoeléctrico mecánico
Cara fría..............................evaporador o congeladorFuente DC..........................compressorCara caliente.......................condensadorSemiconductor....................refrigerante
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Sistema de refrigeración
Cálculo del flujo de calor que debe bombear el sistema de frío
Obtención del flujo de bombeo o flujo de calor de pérdues de la cabina.
1- Entrada de informaciónDimensiones de la cabina (ancho W, alto H, largo D) Máxima temperatura ambiente (Tmáx amb) Máxima temperatura en la cabina (Tmáx,cabina) Estimación del valor de R (resistencia térmica total) en relación con el aislamiento térmico del
material de la cabina.
2- Cálculo del área de la cabina (A). A=2·[H·W+H·D+W·D]
3-Cálculo de ∆∆∆∆T. ∆T= Tmáx amb- Tmáx cabina.
4- Cálculo de la resistencia térmica R4.1- Conocer la conductividad térmica K del material de aislamiento de la cabina. 4.2- Conocer el grosor del material de aislamiento. (∆x) (unidades m)
4.3.- Obtención del valor de R.
5- Obtención del flujo de calor por unidad de área (Q/A) en función de ∆∆∆∆T i el valor de R de forma analítica o gráfica .
6- Cálculo del flujo total (Q) Q=(Q/A)A
Cm
W o
Km
Woo ⋅⋅
κ∆
=x
R
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Para temperaturas elevadas se hace necesario el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos.
SKUTTERUDITES
CoSb nanoestructurado
NiCoSb …. Sustitución parcial Ni--Co
Compuestos binariosSkutterudites son: CoP3 , CoAs3 , CoSb3 , RhP3 , RhAs3 , RhSb3 , IrP3 , IrAs3 , IrSb3 , NiP3
Compuestos ternariosque forman Skutterudites y que se derivan de los compuestos binarios:CoGe1,5S1,5 , CoGe1,5Se1,5 , CoGe1,5Te1,5 , CoSn1,5Se1,5 , etc…
Muchas Skutterudites tienen en su compuesto un relleno de elementosque forman parte del grupo de las tierras raras como lantánidos y actínidos (La , Th , U) y también alcalinos como el Ca , Sr o Ba. Un ejemplo es el compuesto LaFe4P12
Mejora de la figura de méritomediante la disminución de laconductividad térmica
cambio de dopantes portadores
mezcla de valencias
vacíos rellenados
defectos estructurales
difusión de grano límite difusión mediante puntos de defecto en la red cristalinaetc…
Características
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Material NANOESTRUCTURADO
El semiconductor nanoestructurado implemetado por aglomerado de grano fino consigue tener una conductividad térmica menorque un cristal simple del mismo material.
Con la utilización de nanoestructurasel material termoeléctrico deberá bajar la conductividad térmica y si no se reduce demasiado el factor de potencia (s2σ) se obtendrá un incremento de ZT.
Características básicas.
•Microprobe
CuCuNiCu01
0S
01CuNiS1
01CuS0
S)SS(UU
US
)TT()SS(U
)TT()SS(U
+−⋅−
=
−⋅−=
−⋅−=
Estudio de las propiedades termoeléctricas
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Realización de estructuras termoeléctricas en base a material nanoestructurado
Placa termoeléctrica con semiconductores nanoestructurados
Sistema TermoGenerador
Generador termoeléctrico
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MODELO ELECTRICO
C CC C
C CC C
Thermoelectric Generator
Design of a thermo-generator for cathodicprotection
Distributed power supply
Printed current method
i1
i2
in
Pi = Pd + Pl
Load model
Antonio Lopez - F Javier Villasevil - German Noriega
Departamento Ingenieria Electrónica - UPC
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V es el volumen a controlarS es el sistema para el control de
humedadA es la sustancia polímero B es la masa – recipiente que hace de
contenedorC es la boquilla en contacto con el
volumen de controlD es la célula PeltierE es el radiador F conexiones eléctricas de la célula
Peltier
Control de humedad mediante compuestos químicos
Generador Termoeléctrico
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Célula fototermoeléctrica
Conclusiones
� La investigación y desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos en diversos rangos de temperatura, hacen que el rendimiento de la tecnología termoeléctrica cada vez sea mayor.
� Sus aplicaciones son múltiples y la interacción con tecnologías como la fotovoltaica proporciona una gran flexibilidad energética.
� Su utilización es perfectamente compatible con el respeto que se debe tener al Medio Ambiente y como generador eléctrico constituye un interesante transductor de energía renovable y totalmente sostenible.
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