¿Cuáles son algunos avances recientes en termoeléctrica?

Answer 1

La termoeléctrica es uno de los santos griales de la ingeniería eléctrica. Todas las plantas de energía impulsadas por motores térmicos, como fósiles, nucleares, biomasa e incluso energía solar térmica, están limitadas por la ley de Carnot sobre la máxima eficiencia para convertir el calor en trabajo. En la práctica, esto significa que se pierde una gran cantidad (estimada en un 70%) de la energía térmica. Explicado: El límite de Carnot

Las termoeléctricas son dispositivos de estado sólido que se rigen por la ley de Carnot y pueden convertir el calor en electricidad mediante el efecto Seebeck. Wikipedia – Efecto termoeléctrico

La eficiencia de las termoeléctricas se mide con la unidad ZT. Desde la década de 1950, el material termoeléctrico estándar ha sido el telururo de bismuto. Esto normalmente tiene un ZT demasiado bajo para uso general (alrededor de 1). La búsqueda de nuevos materiales ha estado activa durante un tiempo, recientemente impulsada por los enfoques de nano, cuántica y grafeno, con algunos resultados de investigación prometedores:

– Investigadores de MgAgSb encuentran nuevo material termoeléctrico de alta eficiencia
– LiPB La nueva visión de los materiales termoeléctricos puede impulsar las tecnologías verdes
– Porosidad Nuevos materiales para futuros dispositivos de tecnología verde.
– Tetrahedrita. Mineral natural para la generación de energía termoeléctrica.
– Materiales termoeléctricos Half-Heusler próximos a la escala de producción.
– TinSelenide Page en sciencemag.org
– Incluso el grafeno tiene potencial El grafeno muestra una respuesta termoeléctrica inusual a la luz

El compuesto Tin Selenide actualmente tiene el récord mundial de un ZT de 2.6.

Es probable que veamos la comercialización de varios de estos compuestos en los próximos 5 a 10 años, lo que podría dar paso a algo similar al auge actual de la fotovoltaica. Las termoeléctricas simplemente se “sujetan” a las fuentes de energía térmica “libres” existentes y prácticamente no ocupan espacio, requieren poco mantenimiento y tienen un factor de capacidad igual a la fuente de calor, teóricamente hasta el 100%.

El sector será impulsado por una gran cantidad de nuevas empresas que ofrecen dispositivos termoeléctricos “plug and play” para la generación de energía, que se han centrado en el desarrollo de paquetes y los sistemas que forman parte de la solución, como:

Líder mundial de Tellurex en soluciones termoeléctricas
Generador Termoeléctrico Alphabet Energy | Recuperación de calor residual | Energía del alfabeto y
GMZ Energy GMZ Energy es el líder de la industria en termoelectricidad – GMZ Energy

Otro método completamente diferente de obtener electricidad del calor es a través de la termoacústica, donde el calor genera ondas de sonido en las tuberías de helio que posteriormente se convierten en electricidad mediante generadores piezoeléctricos. Los primeros dispositivos comerciales ahora están llegando al mercado de compañías como http://www.nirvana-es.com/

También tengo que mencionar la termiónica mejorada de fotones (PETE), que es una tecnología concentrada específica para la energía solar. A diferencia de la energía fotovoltaica, se proyecta convertir la luz solar en electricidad a temperaturas muy altas (800C) a eficiencias superiores al 50%, generalmente antes de que el calor ingrese al motor.

http://en.wikipedia.org/wiki/The…

Dado que las fuentes de calor vienen en cualquier temperatura, desde la temperatura ambiente hasta los 1000C +, se necesitarán diferentes materiales para resolver de manera óptima. Las fuentes de bajo calor requerirán un material de menor costo, mientras que las temperaturas más altas pueden usar materiales de mayor costo. Es probable que haya un punto de venta comercial de 350-400C, que es la temperatura de escape típica de la mayoría de los motores y turbinas.

Hasta ahora, todos los sistemas termoeléctricos están generando CC, por lo que la mayoría de las veces se requiere un inversor como con el PV. Sin embargo, el factor de capacidad más alto (80% generalmente, frente a 20% para PV) significa que el costo por kW para el inversor es menor.

La adopción inicial ocurrirá en los sistemas de escape de los generadores diesel, y los autos híbridos e ICE pueden operar sistemas eléctricos a partir del calor residual. A medida que el costo por ZT se reduzca, la paridad de la red ocurrirá, lo que significa una adopción generalizada de hasta el 70% de los generadores de energía existentes. Después de este evento, el mercado termoeléctrico podría crecer a cientos de miles de millones de dólares.

La termoeléctrica es vista como una fuente de energía limpia. Incluso si se utiliza energía de calor fósil, este calor se habría generado independientemente, y de lo contrario se habría desperdiciado. Por otro lado, puede ofrecer el extraño efecto secundario de hacer que la energía fósil sea más rentable y, por lo tanto, prolongar su uso. Pero incluso con todas las fuentes fósiles desaparecidas, las termoeléctricas desempeñarán un papel clave en los sistemas de energía solar térmica para la generación de carga base.

Answer 2

Eficiencia del sistema termoeléctrico y sus propiedades de transporte:

El sistema termoeléctrico es un motor térmico, es decir, funciona entre dos temperaturas diferentes que se mantienen en dos extremos diferentes. Cualquier motor térmico está limitado por el período de eficiencia de Carnot. Por lo tanto, las termoeléctricas nunca pueden alcanzar una eficiencia más allá del ciclo ideal de Carnot (tales eficiencias solo son posibles para los motores isotérmicos, como las baterías). Solo cuando alcanzas ZT de infinito, alcanzarías la eficiencia de Carnot. El santo grial se trata de alcanzar un valor de ZT = 3 a 4, que corresponde a la eficiencia de un tercio de la eficiencia de los motores termo-mecánicos, como los motores de circuitos integrados.

[math] ZT = \ frac {S ^ 2 \ sigma} {\ kappa} T [/ math]

donde [math] S [/ math] es el coeficiente de Seebeck (o termopoder), [math] \ sigma [/ math] es conductividad eléctrica, [math] \ kappa [/ math] es conductividad térmica & [math] T [/ Matemáticas] es la temperatura promedio. ¿Cómo entender intuitivamente esta relación? La eficiencia de la termoeléctrica depende de la cantidad de electrones que se pueden transportar a través del material cuando el material está sujeto a una diferencia de temperatura.

(1) Cuanto mayor sea la diferencia de voltaje (o potencial químico), mayor será la fuerza termodinámica. El coeficiente de Seebeck cuantifica la diferencia de voltaje que surge debido a una diferencia de temperatura aplicada. Así que cuanto mayor sea el coeficiente de Seebeck, mayor será la eficiencia

(2) Aunque la diferencia de voltaje puede ser alta, si los electrones se enfrentan a una gran resistencia al transporte (baja conductividad eléctrica), entonces el transporte electrónico general sería bajo, lo que significaría una menor eficiencia (ZT).

(3) Si la conductividad térmica es alta, la cantidad de energía (calor) suministrada para crear la diferencia de temperatura desaparecerá inmediatamente si el calor fluye desde el extremo de alta temperatura hasta el final de baja temperatura, lo que a su vez disminuye la eficiencia. Por lo tanto, la eficiencia debe estar inversamente relacionada con la conductividad térmica.

Entonces, en un material termoeléctrico ideal, necesita maximizar [math] S [/ math] y [math] \ sigma [/ math] mientras disminuye [math] \ kappa [/ math]. Crear tal material ahora parece casi imposible. ¿Pero por qué?

Interdependencia de las propiedades de transporte:

Por un momento olvidemos la conductividad térmica. ¿Cómo puedo ahora simultáneamente maximizar tanto el coeficiente de Seebeck como la conductividad eléctrica? Esto es casi imposible en un material semiconductor 3D normal. ¿Y por qué es eso? Esto se debe a que las bandas de materiales 3D dan lugar a la densidad de estados: DoS (número de estados por unidad de energía) que aumenta aproximadamente a medida que [math] \ sqrt (E) [/ math] (que es el DoS de un electrón libre en 3D gas). Además, uno podría mostrar que

[math] \ sigma \ propto DoS \ propto \ sqrt {E} [/ math]
[math] S \ propto \ frac {d} {dE} DoS \ propto \ frac {1} {\ sqrt {E}} [/ math]

Menos mal que ambos no aumentan simultáneamente. Entonces, ¿qué podemos hacer? Podemos eliminar la dimensionalidad para hacer que el DoS varíe como una función diferente de la energía y esta es una de las razones por las que las personas están trabajando en materiales de dimensiones inferiores como el grafeno (2D), los nanotubos de carbono (1D) o los puntos cuánticos (0D).

Y ahora qué hacer con la conductividad térmica. El transporte térmico se realiza a través de electrones y fonones (vibraciones de red). Usted prácticamente no puede hacer casi nada con la conductividad térmica electrónica, ya que quiere que esos electrones se transporten, pero puede hacer algo con respecto al transporte de calor a través de los fonones. Los fonones son en su mayoría los modos armónicos de vibraciones. Estos modos pueden dispersarse introduciendo un potencial perturbador a través de defectos o átomos intersticiales que pueden reducir la conductividad térmica en gran medida.

Materiales termoeléctricos con alto ZT:

Los materiales termoeléctricos en investigación que muestran potencial son Skutterudites (ZT∼ 1.25 a 900K), Clathrates (ZT∼0.9 a 1000K), Half-heusler compuestos (ZT∼ 0.7 a 800K) y Chalcogenides (ZT∼ 1.2 a 500K).

Dispositivo termoeléctrico:
El diagrama esquemático de un dispositivo termoeléctrico típico se muestra en el siguiente artículo de wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/The …

Aquí tiene un semiconductor de tipo n y un semiconductor de tipo p que están conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Por lo tanto, para un rendimiento real del dispositivo, necesitamos un material de tipo p y un material de tipo n que tengan valores altos similares de ZT. El análisis completo en esta respuesta solo considera la eficiencia y nada sobre la potencia de salida requerida que lleva el problema a un plano completamente nuevo.

Por lo tanto, en resumen, algunos materiales muestran un potencial de alta eficiencia, pero en realidad, el desarrollo de un dispositivo que pueda convertir el calor en electricidad de manera efectiva aún es largo en el futuro.

Referencia
1. Mercouri G Kanatzidis. Nuevos y viejos conceptos en materiales termoeléctricos . Edición Internacional Angewandte Chemie, 48 (46): 8616–8639, 2009.