Sé que los termopares producen corriente eléctrica cuando hay una diferencia de temperatura entre sus dos extremos. Esta corriente es directamente proporcional a la diferencia de temperatura. También entiendo que los termopares no son muy eficientes por sí solos, con una eficiencia promedio de entre 3 y 8%. Lo que me gustaría saber es que los conjuntos de termopares conectados en una combinación de serie y en paralelo producen energía moderadamente suficiente (de 30 -50%)?
El hecho de que los termopares produzcan un EMF (relativamente bajo) es clave para entender cómo obtener energía de ellos.
No puede hacer nada respecto al EMF de una única unión (para una diferencia de temperatura dada, que está limitada por su fuente de calor y los puntos de fusión del material), pero puede aumentar la corriente al reducir la resistencia eléctrica (es decir, usar más grueso). alambre).
Sin embargo, esto también reduce la resistencia térmica, conduciendo el calor desde la unión caliente directamente a la unión fría, y de ahí proviene el límite de eficiencia. No puede conducir más corriente desde esa unión sin conducir más calor precioso lejos de la unión caliente.
Los parámetros cruciales en un termopar son, por lo tanto:
Es uno de esos hechos molestos de la vida que los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos, por lo que (2) tiende a ser bastante similar (y más bajo de lo que se desea) para todos los materiales.
Los metales típicos producen eficiencias del 3% o menos: para obtener el 8% se necesitan materiales bastante exóticos (compuestos de bismuto y teluro, creo). No veo ninguna posibilidad de mejorar esto sin un avance fundamental en la física del estado sólido.
Las combinaciones en serie o en paralelo de uniones no pueden afectar esto: todos esos cortocircuitos térmicos están siempre en paralelo. Puede aumentar la potencia usando más en serie (aumentando el voltaje) o más en paralelo (otra forma de engrosar el cable) pero la eficiencia no mejorará: esos cortocircuitos térmicos aún están en paralelo.
Sé que los termopares producen corriente eléctrica cuando hay una diferencia de temperatura entre sus dos extremos. Esta corriente es directamente proporcional a la diferencia de temperatura.
No, producen un voltaje que es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus dos extremos. Cualquier corriente que fluye es dibujada por una carga conectada. La mayor salida de potencia eléctrica disponible se produce cuando la resistencia de carga es igual a la resistencia interna del termopar, es decir, a la mitad de la tensión de circuito abierto y la mitad de la corriente de cortocircuito.
La combinación de termopares en serie aumenta el voltaje de salida. Esto suele ser necesario ya que la mayoría de los convertidores de potencia no funcionarán con la salida de voltaje de uno solo.
La combinación de termopares no cambia el calor global a la eficiencia de la energía eléctrica.
Hay dos tipos principales de termopares que puedes comprar. Hay termopares de medición de temperatura, que se conectan a un medidor. Con sus cables largos que no son de cobre, estos tienen una resistencia relativamente alta y no pueden producir mucha energía. Los termopares con sensor de llama encajan en calderas y placas de gas, y en realidad alimentan directamente el solenoide de la válvula de retención de gas. Estos son de muy baja resistencia, y más adecuados para la potencia. Pero en el uso normal, tienen una gran cantidad de energía de entrada "libre" disponible, y una enorme diferencia de temperatura con la que trabajar.
Para obtener la máxima potencia de un termopar, considere el siguiente experimento mental. Tome dos cables largos de termopar y haga dos uniones. Ahora corta cada cable en dos, y haz 4 uniones. La tensión de salida se duplicará para la misma resistencia, por lo que puede extraer más energía. Sin embargo, la longitud de la ruta de fuga de calor a través de los cables se ha reducido a la mitad, por lo que necesita más energía térmica para mantener la diferencia de temperatura. Si tuviera el calor disponible, podría repetir esta reducción a la mitad de la longitud y duplicar el número de uniones para aumentar tanto la entrada térmica como la salida eléctrica sin límite, pero siempre con el mismo calor para la eficiencia eléctrica.
Si desea disminuir la cantidad de calor que utiliza para cualquier salida eléctrica, entonces necesita aumentar la resistencia térmica de la trayectoria del calor. Desafortunadamente, con los metales, tanto la conductividad eléctrica como la térmica tienden a variar entre sí, por lo que no es posible obtener una buena relación con los metales.
Ingrese semiconductores y meta-materiales. Los semiconductores tienen una salida de voltaje mucho más alta que los metales y una mayor relación de conductividad eléctrica a térmica. Es por eso que se utilizan en dispositivos Peltier. Se están realizando muchas investigaciones para comprender la conductividad térmica y diseñar nuevos meta-materiales que tengan mejores proporciones y, por lo tanto, hagan que los Peltiers sean más eficientes.
Si desea algo más eficiente que los termopares de metal, deséchelos y cambie a un Peltier.
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