La Termoelectricitat, una tecnologia sostenible i respectuosa amb el medi

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Catalina González Aranda
hace 7 años
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1 La Termoelectricitat, una tecnologia sostenible i respectuosa amb el medi Antonio Miguel López Martínez Francesc 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. 1

2 INTRODUCCIÓN La termoelectricidad es 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 termoeléctrico aporta energía eléctrica ante una diferencia de temperatura entre sus caras. La aparición de los nuevos materiales semiconductores permitirá impulsar 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. Efectos Termoeléctricos Efecto Seebeck Efecto Peltier Efecto Thomson Efecto Joule 2

3 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: 2 (k T) T(I α) + I ρ= 0 en donde : k es la conductividad térmica α es el coeficiente de Peltier ρ es la resistividad eléctrica T es la Laplaciana de la temperatura En una dimensión STc I 1 I 2 R 2 k T Término debido al efecto Seebeck Termino debido al efecto Joule Termino debido a la conductividad 3

4 La figura de mérito Z Figura de mérito: Z = 2 s σ κ ó ZT = s 2 σ κ T Como s σ y σ κ es difícil incrementar ZT Mejora de Z mediante: Nuevos materiales con alta densidad de estados a nivel de Fermi y con estructuras afinadas parcialmente, ocupadas por átomos en agitación, que disminuyan la conductividad térmica propia. La reducción dimensional como 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 E F que consigue un incremento en el coeficiente de Seebeck. Materiales termoeléctricos La necesidad de obtener una mayor eficiencia termoeléctrica ha desarrollado estudios en nuevos semiconductores y materiales semimetálicos. Skutterudites 4

5 Balance de energías Q j Q pf Q pc Qc Qa Q d CARA FRÍA Q j CARA CALIENTE Q pf Qc Q pc Q j donde: Q + Ec= a Q d 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 Q a Q d Cara fría Cara caliente Ec Energía eléctrica absorbida Calor disipado 5

6 6 Simulación básica de un monomódulo termoeléctrico t T C m T k C m 2 R I T C m k I c o h o 2 c o = α t T C m T k C m 2 R I T C m R 1 C m k I h o c o 2 h o R o = + α Tc) (Th V =α α Puerto térmico Puerto eléctrico ( ) R T T V I c h in α = Evolución de la temperatura con el tiempo sobre un monomódulo

7 Caracterización del monomódulo cara caliente a 450K - cara fría a 370K 0,045 0,04 0,035 0,03 Vout (V) 0,025 0,02 0,015 0,01 0, x10-1 s t TH mopt Q C T C TC COP = = = COP P e TH T C mopt+ 1 Carnot COP relativo 13 Placa Termoeléctrica Calor absorbido (lado frío) 7

8 Placa Termoeléctrica Célula de varias capas 8

9 Analogías con la bomba de calor mecánica 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. Un sistema convencional de refrigeración consta 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. 9

10 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 congelador Fuente DC...compressor Cara caliente...condensador Semiconductor...refrigerante 10

11 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 información Dimensiones 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. W W o o o m K m C 4- Cálculo de la resistencia térmica R 4.1- Conocer la conductividad térmica K del material de aislamiento de la cabina Conocer el grosor del material R de = x aislamiento. ( x) (unidades m) κ 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 11

12 Utilización de software para el diseño 12

13 13

14 Aplicaciones Realización práctica 14

15 Heat Pipe 15

16 Para temperaturas elevadas se hace necesario el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos. SKUTTERUDITES CoSb nanoestructurado NiCoSb. Sustitución parcial Ni--Co Características Compuestos binarios Skutterudites son: CoP 3, CoAs 3, CoSb 3, RhP 3, RhAs 3, RhSb 3, IrP 3, IrAs 3, IrSb 3, NiP 3 Compuestos ternarios que forman Skutterudites y que se derivan de los compuestos binarios: CoGe 1,5 S 1,5, CoGe 1,5 Se 1,5, CoGe 1,5 Te 1,5, CoSn 1,5 Se 1,5, etc Muchas Skutterudites tienen en su compuesto un relleno de elementos que 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 cambio de dopantes portadores mezcla de valencias Mejora de la figura de mérito mediante la disminución de la conductividad térmica vacíos rellenados defectos estructurales difusión de grano límite difusión mediante puntos de defecto en la red cristalina etc 16

17 Material NANOESTRUCTURADO Características básicas. El semiconductor nanoestructurado implemetado por aglomerado de grano fino consigue tener una conductividad térmica menor que un cristal simple del mismo material. Con la utilización de nanoestructuras el material termoeléctrico deberá bajar la conductividad térmica y si no se reduce demasiado el factor de potencia (s 2 σ) se obtendrá un incremento de ZT. Microprobe Estudio de las propiedades termoeléctricas U S S 0 1 = (S S 1 S S U0 = U U Cu U = (S S CuNi 0 ) (T1 T0 ) ) (T1 T0 ) (S Cu S CuNi ) + S Cu 17

18 Realización de estructuras termoeléctricas en base a material nanoestructurado Placa termoeléctrica con semiconductores nanoestructurados Sistema TermoGenerador Generador termoeléctrico 18

19 MODELO ELECTRICO Design of a thermo-generator for cathodic protection Distributed power supply Thermoelectric Generator Pi = Pd + Pl C C C C Printed current method i1 i2 in Load model Antonio Lopez - F Javier Villasevil - German Noriega Departamento Ingenieria Electrónica - UPC 19

20 Control de humedad mediante compuestos químicos V es el volumen a controlar S es el sistema para el control de humedad A es la sustancia polímero B es la masa recipiente que hace de contenedor C es la boquilla en contacto con el volumen de control D es la célula Peltier E es el radiador F conexiones eléctricas de la célula Peltier Generador Termoeléctrico 20

21 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. 21

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