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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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Placa Termoeléctrica

Célula de varias capas

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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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Utilización de software para el diseño

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Aplicaciones

Realización práctica

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Heat Pipe

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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.