Electricidad Por Calor: Qué Es, Usos, Ventajas

La electricidad por calor o termoeléctrica se da por medio de un generador termoeléctrico (TEG), también llamado generador Seebeck, es un dispositivo de estado sólido que convierte el flujo de calor (diferencias de temperatura) directamente en energía eléctrica a través de un fenómeno llamado efecto Seebeck (una forma de efecto termoeléctrico).

La electricidad por calor se conoce como electricidad termoeléctrica, los generadores termoeléctricos funcionan como los motores de calor, pero son menos voluminosos y no tienen partes móviles. Sin embargo, los TEGs son típicamente más caros y menos eficientes.

¿Qué es la electricidad por calor?

Mediante el uso de módulos termoeléctricos, un sistema termoeléctrico genera energía tomando el calor de una fuente como un tubo de escape caliente. Para ello, el sistema necesita un gran gradiente de temperatura, lo que no es fácil en aplicaciones del mundo real. El lado frío debe ser enfriado por aire o agua. Los intercambiadores de calor se utilizan a ambos lados de los módulos para suministrar esta calefacción y refrigeración.

Hay muchos desafíos en el diseño de un sistema confiable de TEG que funciona a altas temperaturas. Lograr una alta eficiencia en el sistema requiere un diseño de ingeniería extenso para equilibrar el flujo de calor a través de los módulos y maximizar el gradiente de temperatura a través de ellos. Para ello, el diseño de las tecnologías de intercambiadores de calor en el sistema es uno de los aspectos más importantes de la ingeniería de TEG.

Los sistemas que trabajan con electricidad por calor requieren minimizar las pérdidas térmicas debidas a las interfaces entre materiales en varios lugares. Otra limitación difícil es evitar grandes caídas de presión entre las fuentes de calefacción y refrigeración.

Si se requiere alimentación de CA (por ejemplo, para alimentar equipos diseñados para funcionar a partir de la red eléctrica de CA), la alimentación de CC de los módulos TE debe pasar a través de un inversor, lo que reduce la eficiencia y aumenta el coste y la complejidad del sistema.

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Eficiencia

La eficiencia típica de la energía termoeléctrica es de alrededor del 5 a 8%. Los dispositivos más antiguos utilizaban uniones bimetálicas y eran voluminosos. Los dispositivos más recientes utilizan semiconductores altamente dopados hechos de telururo de bismuto (Bi2Te3), telururo de plomo (PbTe), óxido de calcio manganeso (Ca2Mn3O8), o combinaciones de estos, dependiendo de la temperatura. Se trata de dispositivos de estado sólido y, a diferencia de los dinamos, no tienen partes móviles, con la excepción ocasional de un ventilador o una bomba.

Usos de la electricidad por calor

Los generadores termoeléctricos podrían utilizarse en centrales eléctricas para convertir el calor residual en energía eléctrica adicional y en automóviles como generadores termoeléctricos automotrices (ATG) para aumentar la eficiencia del combustible. Otra aplicación son los generadores termoeléctricos de radioisótopos que se utilizan en sondas espaciales, que tienen el mismo mecanismo pero utilizan radioisótopos para generar la diferencia de calor requerida.

Los generadores termoeléctricos tienen una variedad de aplicaciones. Con frecuencia, los generadores que trabajan con electricidad por calor se utilizan para aplicaciones remotas de baja potencia o donde no serían posibles motores térmicos más voluminosos pero más eficientes, como los motores Stirling.

A diferencia de los motores térmicos, los componentes eléctricos de estado sólido que se utilizan normalmente para realizar la conversión de energía térmica en eléctrica no tienen partes móviles. La conversión de energía térmica en eléctrica se puede realizar utilizando componentes que no requieren mantenimiento, tienen una alta fiabilidad inherente y se pueden utilizar para construir generadores con una larga vida útil sin necesidad de mantenimiento.

Esto hace que los generadores termoeléctricos sean muy adecuados para equipos con necesidades de energía de bajas a modestas en lugares remotos deshabitados o inaccesibles, como las cimas de las montañas, el vacío del espacio o las profundidades oceánicas.

Materiales usados en la energía termoeléctrica

Muchos de los materiales de generadores termoeléctricos se emplean hoy en día en aplicaciones comerciales. Estos materiales se pueden dividir en tres grupos en función del rango de temperatura de funcionamiento:

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• Materiales de baja temperatura (hasta unos 450 K): Aleaciones a base de bismuto (Bi) en combinación con antimonio (Sb), telurio (Te) o selenio (Se).

• Temperatura intermedia (hasta 850 K): como los materiales basados en aleaciones de plomo (Pb).

• Material a las temperaturas más altas (hasta 1300 K): materiales fabricados a partir de aleaciones de silicio-germanio (SiGe).

Aunque estos materiales siguen siendo la piedra angular de las aplicaciones comerciales y prácticas en la generación de energía termoeléctrica o por calor, se han logrado avances significativos en la síntesis de nuevos materiales y en la fabricación de estructuras de materiales con un mejor rendimiento termoeléctrico.

Limitaciones de la energía termoeléctrica o por calor

Además de la baja eficiencia y el costo relativamente alto, existen problemas prácticos en el uso de dispositivos termoeléctricos en ciertos tipos de aplicaciones como resultado de una resistencia de salida eléctrica relativamente alta, que aumenta el autocalentamiento, y una conductividad térmica relativamente baja, lo que los hace inadecuados para aplicaciones donde la remoción de calor es crítica, como en el caso de la remoción de calor de un dispositivo eléctrico como los microprocesadores.

• Alta resistencia de salida del generador: Para obtener niveles de salida de voltaje en el rango requerido por los dispositivos eléctricos digitales, un enfoque común es colocar muchos elementos termoeléctricos en serie dentro de un módulo generador. Los voltajes del elemento aumentan, pero también lo hace su resistencia de salida. Para reducir la resistencia de salida, algunos dispositivos comerciales colocan más elementos individuales en paralelo y menos en serie y emplean un regulador de refuerzo para elevar el voltaje hasta el voltaje necesario para la carga.

• Baja conductividad térmica: Debido a que se requiere una conductividad térmica muy alta para transportar la energía térmica lejos de una fuente de calor como un microprocesador digital, la baja conductividad térmica de los generadores termoeléctricos los hace inadecuados para recuperar el calor.

• Eliminación de calor del lado frío con aire: En aplicaciones termoeléctricas refrigeradas por aire, como por ejemplo al cosechar energía térmica del cárter de un vehículo de motor, la gran cantidad de energía térmica que debe disiparse en el aire ambiente representa un reto importante. A medida que la temperatura del lado frío de un generador termoeléctrico aumenta, la temperatura diferencial de trabajo del dispositivo disminuye. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia eléctrica del dispositivo aumenta, causando un mayor autocalentamiento del generador parásito.

Ventajas de la energía termoeléctrica

Los generadores termoeléctricos o de electricidad por calor son dispositivos de estado sólido que no requieren ningún tipo de fluidos para combustible o refrigeración, por lo que no dependen de la orientación, lo que permite su uso en aplicaciones de gravedad cero o en alta mar. El diseño de estado sólido permite su funcionamiento en entornos severos.

Los generadores termoeléctricos no tienen partes móviles que producen un dispositivo más confiable que no requiere mantenimiento por largos períodos. La durabilidad y la estabilidad ambiental han hecho de los termoeléctricos los favoritos de los exploradores del espacio profundo de la NASA, entre otras aplicaciones.

Una de las ventajas clave de los generadores termoeléctricos fuera de estas aplicaciones especializadas es que pueden integrarse potencialmente en las tecnologías existentes para aumentar la eficiencia y reducir el impacto ambiental al producir energía utilizable a partir del calor residual.

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