8.7: Aplicaciones de Termoeléctricos

Los dispositivos termoeléctricos se utilizan para enfriar la electrónica, los alimentos y las personas. Las CPU de computadora, las tarjetas gráficas y otros tipos de electrónica generan calor, y estos componentes pueden dañarse por el calor excesivo. Los dispositivos termoeléctricos pequeños pueden aumentar la confiabilidad y la vida útil de dichos componentes. Se han utilizado refrigeradores termoeléctricos en vehículos todo terreno y submarinos [3]. Estos dispositivos suelen ser menos eficientes que los refrigeradores tradicionales, pero pueden ser pequeños y silenciosos y requieren bajo mantenimiento. Algunos dispensadores de mantequilla y crema en los restaurantes utilizan dispositivos termoeléctricos para mantener frescos los alimentos perecederos [118], y se utilizan refrigeradores termoeléctricos del tamaño de un camión para mantener frescos los productos farmacéuticos [118]. Los ingenieros han intentado fabricar unidades de aire acondicionado con estos dispositivos [110]. Son mejores para el medio ambiente que las unidades de aire acondicionado tradicionales que requieren freón u otros productos químicos. Sin embargo, no suelen utilizarse porque las eficiencias son de unos pocos por ciento en el mejor de los casos [110]. También se han incorporado dispositivos termoeléctricos a la ropa militar para mantener frescos a los soldados [118].

Los dispositivos termoeléctricos se utilizan tanto para hacer sensores como para controlar la temperatura de los circuitos de detección. Un termopar es un pequeño dispositivo termoeléctrico hecho de una unión de dos materiales que se utiliza como sensor de temperatura. Convierte una pequeña cantidad de energía de una diferencia de temperatura a electricidad, y se puede utilizar para medir la temperatura con mucha precisión. Los termopares son muy comunes y a menudo económicos. Los dispositivos termoeléctricos se utilizan para enfriar microscopios electrónicos de barrido y otros tipos de dispositivos de imagen. Se necesita enfriamiento cuando se obtienen imágenes de objetos muy pequeños porque el calor hace que los átomos vibren, lo que puede manchar imágenes microscópicas. El nitrógeno líquido se utilizó para enfriar los dispositivos de imagen antes de que los dispositivos termoeléctricos estuvieran disponibles, y era mucho menos conveniente de usar. La respuesta de muchos tipos de sensores depende de la temperatura. Un dispositivo termoeléctrico puede ser parte de un circuito de control que mantiene el sensor a una temperatura fija, por lo que la sensibilidad se conoce con precisión.

Los dispositivos termoeléctricos se utilizan para generar energía para satélites y rovers planetarios porque los dispositivos termoeléctricos no tienen partes móviles y no requieren reabastecimiento regular. El rover Mars Curiosity funciona con el Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multi-Misión de la NASA [119]. La figura\(\PageIndex{1}\) ilustra sus principales componentes. Esta fuente de alimentación contiene alrededor de 10 libras de plutonio 238 en forma de dióxido de plutonio. El plutonio se descompone de forma natural y produce calor. El calor interactúa con un dispositivo termoeléctrico y produce electricidad, y la electricidad se almacena en una batería hasta su uso. La fuente de alimentación produce alrededor de 2 kW de calor y alrededor de 120 W de energía eléctrica, por lo que la eficiencia general es de alrededor del 6% [119]. Esta tecnología no es nueva. La misión Apolo 12 en 1969 utilizó un tipo similar de fuente de alimentación, pero esa fuente produjo solo 70 W y tuvo una vida útil de 5-8 años. Los dispositivos termoeléctricos también se han utilizado en centrales nucleares como sistema secundario para recuperar algo de electricidad del calor producido [5].

Figura\(\PageIndex{1}\): Vista desplegable etiquetada que muestra los componentes principales del Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multimisiones de la NASA. Esta cifra se utiliza con permiso [120].

Si bien los efectos termoeléctricos suelen ser fundamentales para el funcionamiento de sensores y fuentes de alimentación, a veces los efectos son indeseados [23, p. 457]. Los circuitos eléctricos contienen uniones de cables hechos de diferentes metales. Tal unión ocurre, por ejemplo, cuando una traza de aluminio en una placa de circuito impreso se encuentra con el cable de estaño de una resistencia o cuando una junta de soldadura de plomo de estaño se encuentra con un cable de cobre. El efecto Seebeck ocurre en todas estas uniones. El coeficiente de Seebeck en una unión de soldadura de plomo de cobre y estaño, por ejemplo, es\(2 \frac{\mu V}{K}\) [23, p. 457]. Estos voltajes no deseados que se desarrollan pueden introducir ruido o distorsiones en circuitos sensibles.

Los ingenieros eléctricos suelen pensar en el calor como “energía desperdiciada”. Casi todos los circuitos eléctricos contienen resistencias que se calientan cuando la corriente fluye a través de ellos. En algunas aplicaciones, este calentamiento es el resultado deseable. Por ejemplo, algunas estaciones de tren cuentan con lámparas de calor para su uso en invierno, y una sala de conciertos en una noche de invierno se llena de gente y se calienta de los cuerpos. Sin embargo, por lo general el calor solo se considera un producto de desecho o una molestia.

En el límite de tiempo largo, los sistemas alcanzarán una temperatura de equilibrio, pero en escalas de tiempo cortas, a menudo existen diferenciales de temperatura. El interior de un automóvil puede estar a una temperatura más alta que el aire exterior. El aire cerca de una bombilla incandescente puede estar más caliente que el aire en otra parte de una habitación, y así sucesivamente. En un momento en el pasado, asumimos que la tierra tenía una cantidad casi infinita de petróleo, carbón y otros combustibles fósiles. Hoy, sabemos que estos recursos son finitos. Recientemente, ha aumentado el interés en la recolección de energía tanto por razones ambientales como económicas, y se pueden utilizar dispositivos termoeléctricos para convertir este calor en electricidad utilizable.