Un equipo internacional de científicos dirigido por un físico de la Universidad de Houston ha presentado un nuevo método para construir módulos termoeléctricos. El novedoso método permite convertir la energía que producen en electricidad sin emisiones.
Los módulos Peltier o termoeléctricos son dispositivos de control térmico que tienen efectos tanto de calentamiento como de enfriamiento. Haciendo pasar una corriente eléctrica a través de los módulos, es posible cambiar la temperatura de la superficie y mantenerla en un límite objetivo. Estos módulos son habituales en la generación de energía, ya que pueden utilizarse tanto para calentar como para enfriar, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de control preciso de la temperatura.
En un artículo publicado en la revista Nature Energy, los investigadores de la Universidad de Houston afirman que su invento utiliza nanopartículas de plata para conectar los electrodos y las capas de metalización de los módulos.
Se espera que el trabajo acelere el desarrollo de módulos avanzados para la generación de energía y otros usos.
En el artículo, el grupo explica que se probó la estabilidad del uso de nanopartículas de plata en módulos construidos con tres materiales termoeléctricos diferentes de última generación, diseñados para funcionar en una amplia gama de temperaturas.
“Los materiales termoeléctricos han suscitado un interés creciente por su potencial como fuente de energía limpia, producida cuando el material convierte el calor -como el calor residual generado por centrales eléctricas u otros procesos industriales- en electricidad aprovechando el flujo de corriente térmica de una zona más caliente a otra más fría”, señala el comunicado. “Pero aprovechar esa capacidad requiere encontrar un material que pueda conectar los lados caliente y frío del material tanto eléctrica como térmicamente, sin interferir en el rendimiento del material”.
Según los científicos, el material de conexión, o soldadura, se funde normalmente para crear una interfaz entre las dos caras. Eso significa que la soldadura debe tener un punto de fusión más alto que la temperatura de funcionamiento del dispositivo para permanecer estable mientras éste funciona. Si el material termoeléctrico funciona a temperaturas más elevadas, la capa de unión volverá a fundirse.
Encontrar el punto óptimo
Zhifeng Ren, director del Centro de Superconductividad de Texas en la UH y autor del artículo, también señaló que si el material de conexión tiene un punto de fusión demasiado alto también puede causar problemas, ya que las altas temperaturas pueden afectar a la estabilidad y el rendimiento de los materiales termoeléctricos durante el proceso de conexión.
“Por lo tanto, el material de conexión ideal tendría un punto de fusión relativamente bajo para ensamblar el módulo y no desestabilizar los materiales termoeléctricos, pero también sería capaz de soportar altas temperaturas de funcionamiento sin volver a fundirse”, explica Ren.
La plata tiene propiedades valiosas para un material de conexión de este tipo, con una elevada conductividad térmica y eléctrica. Pero también tiene un punto de fusión relativamente alto, de 962 grados Celsius, que puede afectar a la estabilidad de muchos materiales termoeléctricos.
Por eso, para este trabajo, los investigadores aprovecharon que las nanopartículas de plata tienen un punto de fusión mucho más bajo que la plata a granel. Una vez ensamblado el módulo, las nanopartículas volvieron a su estado a granel, recuperando el punto de fusión más alto para las operaciones.
“Si se convierte la plata en nanopartículas, el punto de fusión podría ser tan bajo como 400 o 500 grados C, dependiendo del tamaño de las partículas. Eso significa que se puede utilizar el dispositivo a 600 C o 700 C sin problemas, siempre que la temperatura de funcionamiento se mantenga por debajo del punto de fusión de la plata a granel, o 962 C”, explica Ren.
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Pruebas con nanopartículas de plata
Los investigadores probaron las nanopartículas de plata con tres materiales termoeléctricos conocidos, cada uno de los cuales funciona a una temperatura diferente.
Un módulo basado en telurio de plomo, que funciona a una temperatura baja de entre 300 C y 550 C, produjo una eficiencia de conversión de calor en electricidad de alrededor del 11% y se mantuvo estable tras 50 ciclos térmicos.
También utilizaron las nanopartículas de plata como material conectivo en módulos que empleaban teluro de bismuto a baja temperatura y un material de media Heusler a alta temperatura, lo que indica que el concepto funcionaría con diversos materiales y fines termoeléctricos.
Según Ren, se utilizan distintos materiales en función de la fuente de calor prevista, para garantizar que puedan soportar el calor aplicado.
“Pero este trabajo demuestra que, sea cual sea el material, podemos utilizar las mismas nanopartículas de plata para la soldadura siempre que el calor aplicado no supere los 960 grados C, para permanecer por debajo del punto de fusión de la plata a granel”.
Noticia tomada de: MINING / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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