Principios básicos de los generadores termoeléctricos

En física aprendemos que la energía no se crea ni se destruye, solo cambia de forma. Esta idea, llamada Ley de Conservación de la Energía, impulsa a los ingenieros a encontrar formas de convertir la energía en formas que sean más útiles.

Un buen ejemplo de ello es la generación termoeléctrica, que convierte el calor directamente en electricidad. Este efecto, descubierto por primera vez por Thomas Seebeck y denominado ahora Efecto Seebeck, se utiliza en dispositivos denominados generadores termoeléctricos (TEG). Estos dispositivos de estado sólido no experimentaron grandes avances en el mundo real hasta el siglo XX y las primeras versiones comerciales aparecieron en la década de 1960. Desde entonces, los TEG se han introducido en muchos tipos de aplicaciones.

Principios básicos del módulo TEG

Los módulos generadores termoeléctricos (a menudo llamados TEG) funcionan transformando las diferencias de temperatura en tensión eléctrica, o al revés. Este comportamiento, conocido como efecto termoeléctrico, engloba tres partes relacionadas: el Efecto Seebeck, que genera electricidad a partir de un gradiente de temperatura; el efecto Peltier, en el que se absorbe o libera calor cuando la corriente fluye a través de dos materiales diferentes; y el efecto Thomson, en el que se produce o absorbe calor dependiendo de la dirección de la corriente.

Un punto común de confusión en la tecnología termoeléctrica es la diferencia entre generadores termoeléctricos (TEG) y refrigeradores termoeléctricos (TEC). Los TEG aprovechan el Efecto Seebeck para generar electricidad a partir del calor, mientras que los TEC utilizan el efecto Peltier para refrigerar o mantener temperaturas estables. Ambos se basan en materiales semiconductores similares, pero sus diseños difieren: Los TEG se construyen para conseguir grandes diferencias de temperatura y eficiencia en la producción de energía, mientras que los TEC se optimizan para la transferencia de calor utilizando materiales como la cerámica y el cobre.

En la práctica, si el objetivo es generar energía a partir del calor, un módulo TEG es la elección correcta. Para enfriar o estabilizar la temperatura, un TEC -o módulo Peltier- es más eficaz. Same Sky ofrece tanto módulos TEG como módulos Peltier, lo que facilita la elección del dispositivo adecuado a las necesidades del diseño.

En un generador termoeléctrico (TEG) moderno, la electricidad se produce cuando existe una diferencia de temperatura entre sus lados caliente y frío. En el interior del módulo, varios pares de semiconductores de tipo n y tipo p -a menudo fabricados con teluro de bismuto- se colocan entre dos placas (Figura 1). En los materiales de tipo n, los electrones fluyen desde el lado caliente hacia el lado frío, mientras que en los materiales de tipo p, el movimiento se debe a que los huecos (la ausencia de electrones) se desplazan en el mismo sentido. Juntos, estos flujos crean un voltaje, y cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será el rendimiento.

Los TEG son especialmente valiosos en situaciones en las que, de otro modo, se desperdiciaría calor, como en las operaciones industriales, donde ayudan a recuperar la energía perdida. También prestan servicio en entornos remotos o extremos. Por ejemplo, alimentar sondas espaciales convirtiendo el calor de la desintegración radiactiva en electricidad cuando la luz solar es insuficiente.

Figura 1: Construcción general de un módulo TEG. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Ventajas e inconvenientes de los TEG

La principal ventaja de los módulos generadores termoeléctricos (TEG) es su capacidad para convertir el calor residual en electricidad utilizable, ayudando a capturar energía que de otro modo se perdería. Esto hace que no solo sean prácticos, sino también respetuosos con el medio ambiente.

Como los TEG son dispositivos de estado sólido, no tienen piezas móviles, lo que significa que son silenciosos, duraderos y apenas requieren mantenimiento. Su formato compacto les permite caber en espacios reducidos y, con opciones disponibles en una amplia gama de tensiones y corrientes, pueden suministrar energía fiable sin depender de una red eléctrica tradicional. Esto hace que los TEG sean ideales para instalaciones remotas o como alternativas eficientes a los sistemas basados en baterías.

Aunque los generadores termoeléctricos (TEG) proporcionan una fuente fiable de energía eléctrica, tienen limitaciones de diseño. Su rendimiento depende en gran medida de que exista una gran diferencia de temperatura, lo que los limita a determinadas aplicaciones en las que se dispone de gradientes térmicos. Además, los TEG suelen funcionar con eficiencias de conversión relativamente bajas -a menudo en torno a 10%-, modestas en comparación con muchas otras tecnologías de generación de energía.

Criterios clave de selección del TEG

Al integrar módulos de generadores termoeléctricos (TEG) en un sistema, es importante tener en cuenta las especificaciones clave que afectan directamente al rendimiento. El factor más crítico en el funcionamiento es la diferencia de temperatura entre los lados caliente y frío (a menudo denominada ΔT). Aunque esto determina la potencia que puede generar un TEG, no siempre se indica en las hojas de datos. En su lugar, los fabricantes suelen indicar la Tmáx, la temperatura máxima de funcionamiento seguro, que ayuda a definir los límites, pero no necesariamente las mejores condiciones de trabajo.

Otras especificaciones útiles son la tensión de circuito abierto, la tensión de carga adaptada, la corriente, la resistencia y la potencia. Estos valores permiten saber cómo funcionará el dispositivo bajo cargas térmicas y eléctricas reales. Las hojas de datos, como las de Same Sky, suelen presentar esta información tanto en tablas (Figura 2) como en gráficos de rendimiento (Figura 3) para facilitar el diseño a nivel de sistema.

Figura 2: Tabla de especificaciones del TEG extraída de una hoja de datos de Same Sky. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los gráficos de rendimiento representan la potencia eléctrica en función de la temperatura del lado caliente (T_h) y de las condiciones correspondientes del lado frío. Los gráficos más comunes son:

• Tensión en circuito abierto frente a T_h: muestra la tensión máxima cuando no se aplica carga.
• Resistencia de carga emparejada frente a T_h: indica la resistencia interna a un ΔT determinado.
• Tensión de carga ajustada frente a T_h: muestra la tensión de salida cuando el dispositivo está bajo carga.
• Corriente de carga adaptada frente a T_h: muestra la corriente suministrada bajo carga
• Potencia de salida de la carga adaptada frente a T_h: representa la potencia útil generada, que también puede obtenerse a partir de la tensión y la corriente mediante la ley de Ohm.

Estos gráficos permiten a los ingenieros identificar los puntos de máximo rendimiento, normalmente en la resistencia de carga óptima, y comprender cómo varía la eficiencia con diferentes condiciones térmicas y eléctricas. Al estudiar estos gráficos, los diseñadores pueden adaptar mejor un TEG a su aplicación, comparar distintos módulos o solucionar problemas de rendimiento en un sistema real.

Figura 3: Gráficos típicos de rendimiento de un TEG con las temperaturas del lado caliente en el eje X, varias curvas de rendimiento para las temperaturas del lado frío y la métrica analizada en el eje Y. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Para elegir el generador termoeléctrico (TEG) adecuado, el diseñador debe determinar primero las temperaturas previstas del lado caliente y del lado frío. Con estos valores, se pueden utilizar los gráficos de tensión, corriente, potencia y resistencia de la carga adaptada de la hoja de datos para estimar el rendimiento. Por ejemplo, el módulo SPG176-56 de Same Sky a T_h=200 °C y T_c=30 °C produce unos 5.9 V, 1.553 A y 9.16 W de potencia con una resistencia cercana a 3.8 Ω. Estos valores pueden obtenerse de cada gráfico de rendimiento trazando una línea vertical desde T_h=200 °C en el eje X hasta que se cruce con la curva T_c=30 °C. A partir de este punto, trace una línea horizontal sobre el eje Y para recoger el resultado esperado. Una vez más, como los TEG siguen la Ley de Ohm, cualquier combinación de gráficos y el uso de la fórmula de potencia puede llevar al diseñador a la salida esperada del TEG.

En la práctica, este proceso es sencillo en condiciones ideales, pero los diseñadores a menudo tienen que ajustar las diferencias de temperatura o los desajustes de carga mediante la interpolación entre las curvas de rendimiento.

Conclusión

Los generadores termoeléctricos (TEG) son valiosos en aplicaciones que requieren energía a distancia o en las que la recuperación de energía puede aumentar la eficiencia global del sistema. Por lo general, hay dos tipos: grandes TEG, capaces de suministrar desde varios vatios hasta cientos de vatios para fines industriales, y micro TEG, que suministran desde unos pocos vatios hasta milivatios para necesidades a menor escala. Los usos actuales abarcan una amplia gama de campos, incluyendo dispositivos de consumo como dispositivos para vestir, sondas espaciales y sistemas aeroespaciales, recuperación de calor residual industrial, conversión de energía solar, sensores IoT, motores de automoción, electrónica industrial, equipos HVAC, dispositivos de monitorización médica, sistemas militares, instrumentos científicos e infraestructura de telecomunicaciones.

Con una amplia gama de potencias y eficiencias disponibles, los TEG aportan valor al diseño de sistemas al permitir la portabilidad, el funcionamiento a distancia y la recuperación de energía. Para la selección, Same Sky ofrece módulos TEG en varios tamaños y potencias de salida para adaptarse a los diferentes requisitos de diseño.