Generador termoeléctrico
Un generador termoeléctrico es un dispositivo técnico ( generador eléctrico ) diseñado para convertir directamente la energía térmica en electricidad mediante el uso de termoelementos (materiales termoeléctricos) en su diseño .
La historia de la invención de los generadores termoeléctricos
En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck descubrió que un gradiente de temperatura formado entre dos conductores diferentes podía producir electricidad. En 1822, publicó los resultados de sus experimentos en el artículo "Sobre la cuestión de la polarización magnética de ciertos metales y minerales que surgen en condiciones de diferencia de temperatura", publicado en los informes de la Academia de Ciencias de Prusia. [1] El efecto termoeléctrico Seebeck se basa en el hecho de que un gradiente de temperatura en un material conductor provoca un flujo de calor; esto conduce a la transferencia de portadores de carga. El flujo de portadores de carga entre las regiones frías y calientes, a su vez, crea una diferencia de potencial.
En 1834, Jean-Charles Peltier descubrió el efecto inverso , en el que se libera o absorbe calor cuando una corriente eléctrica pasa por el contacto de dos conductores diferentes. [2]
Tipos de generadores termoeléctricos usados
- Combustible: calor procedente de la combustión de combustibles ( gas natural , petróleo , carbón ) y calor procedente de la combustión de composiciones pirotécnicas (damas).
- Radioisótopos : calor de la descomposición de los isótopos (la descomposición no está controlada y el trabajo está determinado por la vida media ).
- Nuclear: el calor de un reactor nuclear ( uranio-233 , uranio-235 , plutonio-238 , torio ), por regla general, aquí un generador termoeléctrico es la segunda y tercera etapa de transformación.
- Solar: calor de colectores solares (espejos, lentes, tubos de calor).
- Utilización: Calor de cualquier fuente que emita calor residual (gases de escape y del horno, calor de lámparas de queroseno, etc.).
- Gradiente : basado en la diferencia de temperatura natural entre el ambiente y la habitación (equipo, tubería de proceso con medio transportado caliente, etc.) utilizando la corriente de irrupción inicial. Este tipo de generadores termoeléctricos se basa en el aprovechamiento de una parte de la energía eléctrica recibida por el efecto Seebeck para convertirla en energía térmica según la ley de Joule-Lenz .
- Termosifón: aprovechamiento del calor natural de la tierra o del agua, en caso de temperaturas exteriores negativas. La energía térmica de la tierra, a través de un termosifón instalado en el pozo, se entrega a un generador termoeléctrico equipado con un radiador de aletas de aire. Debido a la diferencia de temperatura, se genera energía eléctrica.
Materiales semiconductores para conversión directa de energía
Para los generadores termoeléctricos, se utilizan materiales termoeléctricos semiconductores, que proporcionan el mayor coeficiente de conversión de calor en electricidad. La lista de sustancias con propiedades termoeléctricas es bastante grande (miles de aleaciones y compuestos), pero solo unas pocas pueden usarse para convertir energía térmica. [3] La ciencia moderna busca constantemente nuevas y nuevas composiciones de semiconductores y el progreso en esta área no se debe tanto a la teoría como a la práctica, debido a la complejidad de los procesos físicos que ocurren en los materiales termoeléctricos. Definitivamente se puede decir que hoy en día no existe un material termoeléctrico que satisfaga completamente a la industria con sus propiedades, y la principal herramienta para crear dicho material es la experimentación. Las propiedades más importantes del material semiconductor para generadores termoeléctricos son:
- Eficiencia: Es deseable la mayor eficiencia posible;
- Manufacturabilidad: Posibilidad de cualquier tipo de procesamiento;
- Costo: Preferiblemente la ausencia de elementos raros en la composición o su menor cantidad, base de materia prima suficiente (para ampliar las áreas de asimilación y accesibilidad);
- Coeficiente termo-EMF: Es deseable un coeficiente termo-EMF lo más alto posible (para simplificar el diseño);
- Toxicidad: Es deseable la ausencia o bajo contenido de elementos tóxicos (por ejemplo: plomo , bismuto , telurio , selenio ) o su estado inerte (como parte de aleaciones);
- Temperaturas de funcionamiento: es deseable el rango de temperatura más amplio posible para utilizar el calor de alto potencial y, por lo tanto, aumentar la producción de calor convertido.
Formas de desarrollo y aumento de la eficiencia
- Material termoeléctrico eficiente : eficiencia de conversión, termo-EMF, ductilidad, diseño de película delgada.
- Refrigerante de metal líquido eficiente y compatible con intercambiadores de calor .
- Expansión del uso de cerámicas de alta calidad en el diseño de TEG.
- Unificación de unidades adaptadas para diferentes aplicaciones.
- El último aumento en la densidad de energía de los trietilenglicol al nivel de los motores de automóviles y aviones y superiores.
| Tipos de generadores termoeléctricos y componentes principales de las unidades generadoras | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | Carnot. |
|---|---|---|---|---|---|
| Energía solar sin concentración | 0.8 | 0.85 | 0.9 | 0.92 | 0,96 |
| Energía solar con concentración | 0,65 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.9 |
| Quemadores de gas | 0.5 | 0.6 | 0,65 | 0.7 | 0.8 |
| Hornos de gas | 0.75 | 0.8 | 0.85 | 0.9 | 0.92 |
| isótopos | 0.8 | 0.85 | 0.9 | 0,95 | 1.00 |
| Reactores nucleares | 0.75 | 0.8 | 0.85 | 0,95 | 1.00 |
| Materiales termoeléctricos de baja temperatura | 0.06 | 0.08 | 0.1 | 0.12 | 0.5 |
| Materiales termoeléctricos de temperatura media | 0.04 | 0.06 | 0.08 | 0.1 | 0.35 |
| Materiales termoeléctricos de alta temperatura . | 0.04 | 0.05 | 0.06 | 0.07 | 0.23 |
| Termopares en cascada | 0.12 | 0.14 | 0.18 | 0.20 | 0.77 |
| Termopila de conmutación | 0.9 | 0.93 | 0,95 | 0.98 | 0.99 |
| Aislamiento termopila | 0.9 | 0.92 | 0,95 | 0.97 | 1.00 |
| Contacto térmico | 0.9 | 0.93 | 0,95 | 0.97 | 0.99 |
| refrigerante | 0.9 | 0.92 | 0.93 | 0,94 | 0.98 |
| Aletas de refrigeración molidas | 0,55 | 0.6 | |||
| Aletas de refrigeración de espacios | 0.8 | 0.85 | |||
| Generador termoeléctrico espacial solar sin concentrador | 0.016 | 0.025 | 0.035 | 0.045 | 0.16 |
| Generador termoeléctrico espacial solar con concentrador | 0.017 | 0.029 | 0.043 | 0.061 | 0.25 |
| Generador termoeléctrico solar terrestre con concentrador | 0.029 | 0.044 | 0.088 | 0.145 | 0.59 |
| Generador termoeléctrico a gas con aletas | 0.013 | 0.023 | 0.030 | 0.043 | 0.20 |
| Generador termoeléctrico a gas con portador de calor | 0.02 | 0.035 | 0.073 | 0.175 | 0.57 |
| Generador termoeléctrico de radioisótopos con aletas | 0.021 | 0.032 | 0.049 | 0.12 | 0.36 |
| Generador termoeléctrico de radioisótopos con refrigerante | 0.032 | 0.075 | 0.129 | 0.24 | 0.71 |
| Generador termoeléctrico del espacio del reactor | 0.016 | 0.023 | 0.044 | 0.113 | 0.36 |
| Generador termoeléctrico de tierra del reactor | 0.03 | 0.047 | 0.121 | 0.24 | 0.71 |
| Generador termoeléctrico tipo caldera de vapor | 0.226 | 0,66 |
- Nota: Coeficiente de Carnot = 1 corresponde al 100%.
De la tabla, se destaca un aumento significativo en la eficiencia, principalmente debido a la mejora profunda de las tecnologías de fabricación de materiales, la ejecución racional de estructuras y el desarrollo de la ciencia de materiales en el campo de la termoelectricidad .
Campos de aplicación de los generadores termoeléctricos
Los generadores termoeléctricos de radioisótopos se utilizan como fuentes de alimentación a bordo para naves espaciales diseñadas para estudiar regiones del sistema solar alejadas del Sol. En particular, dichos generadores, que utilizan el calor de elementos combustibles de plutonio, están instalados en las naves espaciales Cassini y New Horizons . En el pasado, estos dispositivos también se utilizaron en la Tierra en balizas de navegación, radiobalizas, estaciones meteorológicas y equipos similares instalados en áreas donde, por razones técnicas o económicas, no es posible utilizar otras fuentes de alimentación.
En los últimos años, los generadores termoeléctricos se han utilizado en tecnología automotriz para la recuperación de energía térmica, por ejemplo, para la recuperación de calor de los elementos del sistema de escape.
Literatura
- Generadores MHD e ingeniería de energía termoeléctrica . Kyiv. " Pensamiento científico ". 1983.
- Pozdnyakov B. S., Koptelov E. A. Ingeniería de energía termoeléctrica . Moscú: Atomizdat , 1974, 264 p.
- Termogenerador de queroseno // Breve Enciclopedia del Hogar. — M .: Enciclopedia soviética , 1959.
Notas
- ↑ Termoelectricidad, efecto Peltier, efecto Seebeck (enlace inaccesible)
- ↑ Peltier. [ [1] en Google Books Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Nuevos experimentos sobre los efectos térmicos de las corrientes eléctricas)] (fr.) // Annales de Chimie et de Physique :revista. - 1834. - Vol. 56 . - pág. 371-386 .
- ↑ Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Semiconductores en condiciones de temperatura extrema. - San Petersburgo, Nauka, 2001. - Circulación 1500 ejemplares. - C. 179
- ↑ Generadores MHD e ingeniería de energía termoeléctrica. Kyiv. "Ciencia del pensamiento". 1983.
 diccionarios y enciclopedias | |
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