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Jun 18, 2023

Tecnologías termoeléctricas emergen de EE.UU.

Dos recolectores de energía termoeléctrica radicalmente diferentes surgieron de los EE. UU.

Dos recolectores de energía termoeléctrica radicalmente diferentes surgieron de los Estados Unidos esta semana.

Uno es una prueba de concepto termoacústica de la Universidad Estatal de Pensilvania, el otro es la última versión del generador Seebeck de producción de Nextreme.

El dispositivo termoacústico es un intento de obtener suficiente electricidad de un fuego para cocinar en un mundo en desarrollo para hacer funcionar un ventilador.

La idea es que el ventilador que aumentará la eficiencia del fuego mientras reduce las emisiones: el humo de la cocina mata a 1,9 millones de personas al año, estima la ONU.

La confiabilidad es clave, por lo que el investigador Paul Montgomery decidió que debería haber pocas o ninguna pieza móvil que se desgastara, de ahí la elección de la conversión acústica, y Penn State es reconocida por la termodinámica acústica.

Viene en dos partes, un oscilador termoacústico para crear una columna de aire vibrante y un convertidor de vibración a electricidad: un altavoz que funciona a la inversa en el demostrador.

El oscilador es un tubo con un extremo cerrado y material de transferencia de calor justo dentro del extremo abierto.

Con las dimensiones, condiciones y orientación del intercambiador de calor adecuadas; una pequeña parte del aire se calienta y su expansión hace que se mueva a una parte fría de la cámara. Aquí se enfría, se contrae y vuelve a la parte caliente.

Este ciclo se repite, a una frecuencia determinada por el rebote de la columna de aire elástica y la longitud del tubo.

El efecto se conoce desde hace un siglo desde que el científico victoriano Lord Rayleigh reconoció que cuando se agrega calor a una onda de sonido durante la compresión y se elimina durante la expansión, la amplitud de la onda de sonido crece.

"Se ha construido un generador termoacústico de muy alta tecnología para aplicaciones espaciales, empleó gas helio presurizado y alternadores lineales muy costosos", dijo Montgomery. "Para la aplicación de la estufa de cocina, intentamos un prototipo mucho más simple".

Utiliza aire atmosférico en un conducto rectangular plegado de chapa.

El calor se transfiere al gas a través de un panal de cerámica con orificios a lo largo del conducto.

"La cerámica es en realidad un material que se produce en masa como sustrato para los convertidores catalíticos utilizados en los sistemas de escape de los automóviles", dijo el profesor de Penn State, Steven Garrett, a Electronics Weekly. "Hasta que la cerámica se recubre con el catalizador, generalmente platino, es bastante económica, tan barata que se usa como ladrillo refractario en barbacoas".

Un extremo de la cerámica está ennegrecido y absorbe 20W de calor por radiación electromagnética del extremo caliente del resonador que está en la estufa.

El otro está conectado a un disipador de calor externo estilo computadora para enfriamiento. El demostrador produce 25mW, aunque Montgomery estima que el producto terminado produciría 10W de una estufa de 4-8kW y costaría $25.

"Incluso un motor térmico relativamente ineficiente sería capaz de generar suficiente electricidad a partir de pequeñas cantidades de calor residual para alimentar un ventilador y posiblemente tener suficiente capacidad adicional para cargar un teléfono o una batería que podría proporcionar iluminación durante la noche", dijo.

Los hallazgos fueron presentados en la 2ª Reunión Panamericana/Ibérica sobre acústica, organizada por el Instituto Americano de Física, y Montgomery ha escrito un documento de antecedentes.

El otro desarrollo, del fabricante de dispositivos de semiconductores Peltier/Seebeck Nextreme, está dirigido al extremo inferior de las escalas de diferencia de potencia y temperatura.

eTEG HV37 es un dispositivo de "alto voltaje" que genera un circuito abierto de 170 mV a partir de una diferencia de temperatura de 10 K, momento en el que puede entregar 1 mW con la carga adecuada.

Con una diferencia de 50K, puede entregar 24mW o un voltaje de circuito abierto de 850mV.

Tiene 6 mm2, 0,6 mm de alto y se une a otros dos generadores: HV56 y HV14.

"La implementación de sensores distribuidos y redes de sensores ha llevado a un mayor interés en las fuentes de energía renovables y autónomas", dijo Dave Koester, vicepresidente de ingeniería de Nextreme. "El uso del calor residual es una fuente atractiva de energía para muchas aplicaciones donde se requiere una potencia del orden de µW-mW".

El voltaje de salida relativamente alto proviene de la conexión de muchas uniones en serie utilizando soldadura eutéctica de oro y estaño y un proceso de fabricación de impacto térmico patentado que puede lograr miles de elementos por centímetro cuadrado.

HV37 reemplaza el generador termoeléctrico original de la empresa, UPF40, con algo más pequeño que produce la misma energía a un voltaje más alto.