APLICACIONES

Ya que los sistemas que funcionan con termoelectricidad carecen de parte móviles esto los hace más fiables y durables, sin embargo sus costos y su rendimiento son un problema, costos muy altos por un rendimiento muy bajo. Como consecuencia, la mayor parte de las aplicaciones termoeléctricas, que han ido desarrollándose desde hace más de 30 años han sido para campo militar, donde es más importante la robustez y precisión que la eficiencia o el coste. En el mercado civil actual, la refrigeración termoeléctrica tiene un sitio en aplicaciones de medicina, aparatos científicos y en dispositivos en los cuales la potencia de refrigeración es muy pequeña y de puntual aplicación.

Sin embargo la termoelectricidad fue utilizada extensamente en las partes alejadas de la Unión Soviética durante la década de 1920 para accionar radios. El equipo utilizaba barras metálicas para formar un termopar, donde un extremo se insertaba en la chimenea para conseguir calor, y el otro extremo se ponía en el exterior, en el frío.

Imagen 7. Diferencial de temperatura

Por otro lado, el uso de los termopares actualmente tienen grandes e importantes aplicaciones industriales ya que casi todos lo procesos en la industria requieren un estricto control de la temperatura y el uso de termopares ayuda a la automatización del control de la temperatura, ya que se pueden implementar programas que ejecuten acciones específicas dependiendo de la temperatura que se tenga en un momento dado del proceso industrial.

La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.

ANTECEDENTES

El primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura.

Imagen 6. Thomas J. Seebeck

Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares. Este efecto es el que se pondrá en práctica en la creación de nuestro proyecto para ayudarnos a comprender mejor la termoelectricidad.

En 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas.

El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1851 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos .

En 1885 el físico inglés Rayleigh J.W. planteó la posibilidad del uso de dispositivos termoeléctricos como generadores de corriente eléctrica. Sin embargo, pese a que los fenómenos termoeléctricos son bien conocidos desde hace ya más de cien años, su desarrollo, tanto como generador de corriente o como refrigeración, estuvo totalmente frenado debido a los escasos rendimientos que se obtenían.

EFECTO SEEBECK

El termopar esta construido con dos metales diferentes, que en la figura se denominan material X y material Y.

En una aplicación de medida de temperatura el termopar A se utiliza como referencia, por lo que se mantiene a una temperatura Tc. 

El termopar B se usa para medir la temperatura de interés Th, que en este ejemplo será superior a Tc. Con la temperatura a la que se halla sometido el termopar B, aparece una diferencia de potencial entre los puntos T1 y T2 (Salida del termopar). Esta tensión Vo se conoce como f.e.m de Seebeck y se puede expresar como una serie de potencias de la diferencia de temperatura entre el foco caliente, T_h , y el foco frío, T_c :

V_{ab}~ =~ C_1 ~(Th-Tc)~+~ {C_2 over2}~ (Th-Tc)^2 ~ + ~{C_3 over3}~ (Th-Tc)^3 2.1)

El coeficiente de Seebeck se define en función de la variación del voltaje con la temperatura como:

alpha_{ab}~=~{ partial V_{ab} over partial T_h}~=~C_1~+~C_2~(Th-Tc)~+ ~C_3~ (Th-Tc)^2~ 2.2)

Las unidades del coeficiente de Seebeck, alpha , en S.I. son {V over K} .

Imagen 5. Diagrama de termopar

INTRODUCCIÓN

Mediante la realización de un horno solar casero, y una fuente fría que será agua con hielo, unidas a un termopar (unión de dos elementos altamente conductores) se generará una tensión eléctrica por diferencia de temperaturas. Más adelante se mostrará paso a paso la realización del horno, junto con los modelos teórico-matemáticos empleados. Para poder comprender como el calor se puede convertir en electricidad y viceversa.

La termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas.

Imagen 4. Gráfico de la comparación de los efectos

Los dispositivos termoeléctricos están sometidos, principalmente, a cuatro efectos físicos:

1. El efecto Seebeck
2. El efecto Peltier
3. El efecto Thomson 
4. El efecto Joule

El efecto Seebeck, es la fuerza electromotriz generada cuando dos lados de un modulo termoeléctrico se mantienen a distinta temperatura.

El efecto Peltier, consiste en el calentamiento o enfriamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de dos uniones distintas.

El efecto Thomson, consiste en el calentamiento o enfriamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor homogéneo en la dirección del gradiente de temperatura.

El efecto Joule, consiste en el calentamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor.

Para este proyecto estudiaremos únicamente el efecto Seebeck.

GLOSARIO

Efecto Termoeléctrico: Consiste en la generación de energía eléctrica a través de temperaturas opuestas,  o viceversa.

Efecto de Seebeck: Es la conversión de las diferencias de temperaturas a electricidad.

Semiconductor: Sustancia que se comporta como conductor o aislante dependiendo de ciertos factores como: la temperatura ambiente a la que se encuentre, el campo eléctrico o magnético, la presión, etc.

Termopar: Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado punto caliente o unión caliente o de medida y el otro llamado punto frío o unión fría o de referencia.

Imagen 3. Termopar

ABSTRACT

The project to be developed, will target the energy generation through temperature difference created by a solar oven and a cold base, in this case water with ice. This effect will be studied in a theoretically and practice way. Where, it will be appreciated that by joining two different materials and submit them to a temperature difference it will appears a potential difference which it will generate the energy that is need, this is know as the Seebeck effect, one of the phenomena that represent thermoelectricity.

RESUMEN

En el proyecto a desarrollar, se tendrá como objetivo la generación de energía eléctrica través de la diferencia de temperatura creada por un horno solar y una base fría que en este caso será agua con hielo. Se estudiará este efecto de manera tanto teórica como práctica. En donde, se podrá apreciar que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial que será la que generará, a esto se le llama efecto Seebeck uno de los fenómenos que representan la termoelectricidad.

Imagen 1. Horno solar 

Imagen 2, Fuente fría (hielo)