Fabricación y conversión termoeléctrica de ladrillo termoeléctrico de hormigón con unileg N enterrado

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 916 (2023) Citar este artículo

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Para investigar el efecto de la reducción de la pérdida de calor debido al aislante térmico y la resistencia de la interfaz térmica debido a la estructura multicapa con el fin de mejorar la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico, se fabricó un ladrillo de concreto termoeléctrico utilizando un módulo termoeléctrico CaMnO3 tipo n de Unileg en su interior. Los materiales termoeléctricos CaMnO3 se sintetizaron a partir de los materiales de partida CaCO3 y MnO2 para producir un módulo CaMnO3 tipo Unileg N. El ladrillo de hormigón termoeléctrico constaba de dos tipos: ladrillo de I capa (una capa de aislante térmico de hormigón) y ladrillo de III capa (tres capas de diferentes aislantes de hormigón). Se midieron la diferencia de temperatura, la corriente eléctrica y el voltaje en el módulo CaMnO3 y en el ladrillo de hormigón termoeléctrico en circuito cerrado y abierto. Se midieron la diferencia de temperatura, la distribución térmica y el voltaje de salida al aplicar temperaturas constantes de 100, 200 y 400 °C. Se realizaron simulaciones por computadora del Método de Elementos Finitos (FEM) para comparar con los resultados experimentales. Las tendencias de la diferencia de temperatura y el voltaje de salida de las simulaciones experimentales y por computadora coincidieron. Los resultados de la diferencia de temperatura durante la temperatura del lado más caliente de 200 °C mostraron la diferencia de temperatura a lo largo de la dirección vertical de los ladrillos de hormigón termoeléctrico para ambos tipos de ladrillo de capa III de 172 °C y ladrillo de capa I de 132 °. C son mayores que los del módulo CaMnO3 TEG sin utilizar un aislante térmico de hormigón de 108 °C. Los ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo de III capa de 27,70 mV mostraron resultados de voltaje de salida superiores a los del ladrillo de capa I de 26,57 mV y el módulo CaMnO3 TEG sin utilizar un aislante térmico de hormigón de 24,35 mV. El ladrillo de hormigón termoeléctrico del tipo de ladrillo de capa III mostró una mayor potencia de generación eléctrica que el ladrillo de capa I y el módulo CaMnO3 TEG. Además, los resultados mostraron la capacidad del ladrillo de hormigón termoeléctrico en el modelo de ladrillo de tercera capa para generar energía eléctrica en función de la diferencia de temperatura. El ladrillo de hormigón TEG de hormigón en I capa que cubre el circuito combinado en serie-paralelo de 120 módulos de CaMnO3 tipo n de Unileg se construyó y luego se incrustó en la superficie exterior del horno. Durante la temperatura máxima del lado más caliente de 580 °C del ladrillo de hormigón, la diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el lado más frío del ladrillo se produjo a 365 °C y el voltaje de salida máximo se obtuvo a 581,7 mV.

Los Generadores Termoeléctricos (TEG) son dispositivos que generan energía eléctrica directamente a partir de energía térmica. Los TEG pueden funcionar sin piezas mecánicamente móviles ni reacciones no químicas, ya que la ventaja de los TEG es que no contaminan ni silencian1. Las aplicaciones de TEG incluyen generación de electricidad en el espacio y áreas remotas, recuperación de calor residual en automóviles e industrias, microelectrónica y sensores2, estufas de biomasa3,4, generador termoeléctrico solar (STEG)5, textiles6, pintura7 y dispositivos termoeléctricos portátiles8,9,10,11. .

La eficiencia de conversión termoeléctrica del TEG (η) se define como la relación entre la potencia de salida eléctrica (P) entregada a la carga y la tasa de entrada de calor (Q̇h) absorbida en la unión caliente del TEG usando la siguiente ecuación \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: La eficiencia del TEG también se calcula en forma de figura de mérito de los materiales mediante13:

donde ZT es la figura de mérito adimensional; \(T_{H}\) y \(T_{C}\), son la temperatura del lado más caliente y del lado más frío, respectivamente. Como se muestra en la ecuación. (1), la eficiencia de los módulos TEG depende de ZT y de la diferencia de temperatura mantenida durante el funcionamiento del TEG. En las últimas dos décadas, ha habido avances significativos en la mejora del rendimiento ZT de los materiales termoeléctricos (TE). Sin embargo, el rendimiento de los módulos TE es mucho menor que la eficiencia teórica debido a una optimización ineficaz de la estructura del módulo TEG, pérdidas de calor y pérdidas eléctricas13.

La reducción de la pérdida de calor mediante el llenado de aisladores térmicos promete un enfoque para mantener una diferencia de temperatura alta del módulo que mejora la eficiencia TEG del módulo. Recientemente, Song et al.1 informaron resultados matemáticos y experimentales sobre la reducción de la pérdida de calor del módulo TEG utilizando aire, aerogel, Min-K y fibra de vidrio como material de relleno aislante térmico. El relleno de aerogel como aislante térmico cubre los módulos dando como resultado una mejora de eficiencia del 8,225%. Lee et al.14 instalaron un módulo TEG en la superficie de la muestra de concreto y un disipador de enfriamiento para mantener la diferencia de temperatura y generar una pequeña energía eléctrica a partir de luz solar simulada. Whalen et al.15 construyen termopilas de telururo de bismuto y aislamiento de aerogel que generan un promedio de 1,1 mW de electricidad a partir del flujo de calor diurno a través de la capa del suelo de México. Este rango de potencia es competitivo con las baterías químicas. Wu et al.16 construyen un sistema de recolección de energía que produce electricidad a partir del gradiente térmico a través de las estructuras del pavimento. El aislamiento multicapa (MLI), múltiples láminas de Kapton recubiertas con metal altamente reflectante y espaciadores de baja conductividad térmica capaces de mantener cientos de gradientes de temperatura en unos pocos milímetros de espesor de aislamiento, se introdujo para misiones espaciales en 195017. Gallegos et al.18 Informe computacional Análisis de dinámica de fluidos (CFD) de la transferencia de calor conjugada en una pared multicapa incluida una capa de aire para hornos cerámicos. El resultado muestra que una capa de aire con un espesor de 10 cm con cuatro particiones reduce aproximadamente el 44% del flujo de calor a través de la pared con respecto a una sola capa de aire con el mismo espesor. Las losas de hormigón armado multicapa con materiales aislantes del calor son prácticas y se utilizan ampliamente en todo el mundo. Varias investigaciones numéricas19,20 informaron de una reducción significativa en el consumo de energía en edificios con paredes multicapa. Varios estudios de simulación por ordenador dan como resultado una excelente concordancia con el experimento21,22,23,24,25.

Dado que la capacidad de energía eléctrica se utiliza ampliamente a aproximadamente 200 mV/K, resulta esencial aumentar el voltaje de salida de los TEG combinando varios cientos de patas del módulo TEG como un circuito en serie26,27. Sin embargo, la estructura de módulo de tipo p/n convencional es complicada de producir. La estructura del módulo tipo p/n crea varios puntos de unión que provocan resistencia interna del módulo TE26. Los entornos operativos típicos de los TEG implican fluctuaciones de temperatura28 y también causaron un desajuste de expansión térmica entre las patas tipo p y tipo n de la estructura de los TEG28,29,30. La estructura Unileg del módulo TEG ofrece una estructura fácil de fabricar, que también reduce este desajuste de expansión térmica. Además, esta estructura proporciona una buena resistencia mecánica y aumenta la vida útil del módulo TEG29. La estructura TEG de tipo p/n puede funcionar con diferentes valores ZT incompatibles, lo que perjudica el rendimiento general del módulo TEG.

Los materiales TE de óxidos y perovskita tienen muchas ventajas sobre los materiales TE de última generación. Son elementos baratos y abundantes. Su alta estabilidad térmica y química permite su uso en el aire sin ningún recubrimiento especial. Las propiedades químicas versátiles y las estructuras complejas de los óxidos TE facilitan la modificación de su estructura. El compuesto CaMnO3 es un material TE de perovskita muy conocido. Dependiendo de los precursores, el proceso de síntesis y la microestructura, la conductividad eléctrica del CaMnO3 oscila entre 10−2 y 6,3 S/cm a temperatura ambiente6.

En este documento, este artículo tiene como objetivo investigar el efecto de la reducción de la pérdida de calor utilizando un aislante térmico de una capa y aisladores multicapa, obteniendo mayores diferencias de temperatura y luego mejorando la eficiencia del módulo TEG. Para probar el concepto combinado de reducción de la pérdida de calor mediante aislantes térmicos y el concepto de conversión directa de la pérdida de calor de las paredes de hormigón para generar electricidad mediante el dispositivo termoeléctrico, se utilizó hormigón como aislante térmico que cubre el módulo TEG. Se midió como muestra de control un módulo CaMnO3 TEG tipo Unileg n sin aislante térmico. El módulo TEG enterrado en ladrillos de hormigón se fabricó utilizando una estructura Unileg de módulo TEG CaMnO3 tipo n (llamado módulo CaMnO3 tipo n Unileg). El módulo CaMnO3 se sintetizó a partir de los materiales de partida CaCO3 y MnO2 mediante un método de reacción en estado sólido. El aislante térmico que cubre el módulo CaMnO3 tipo n de Unileg se fabricó con distintas capas de hormigón térmicamente aislante en 2 modelos tipo ladrillo: 1) una capa de hormigón térmicamente aislante (llamada ladrillo de capa I) y 2) tres capas de hormigón térmicamente aislante. hormigón (llamado ladrillo de III capa). Se utilizó una simulación por computadora del Método de Elementos Finitos (MEF) para optimizar el rendimiento de los ladrillos de hormigón termoeléctrico. Se investigó la distribución térmica de módulos CaMnO3 TEG sin aislante térmico y ambos tipos de ladrillos de hormigón termoeléctricos cuando se aplica temperatura constante. También se estudiaron los comportamientos térmicos y eléctricos al aplicar temperatura constante, tanto en medidas en circuito cerrado como en abierto.

Los patrones de XRD de la muestra de CaMnO3 se muestran en la información complementaria (Fig. S1). Los patrones XRD mostraron la fase estructural de la estructura de perovskita del compuesto CaMnO3, correspondiente al archivo JCPDS# 89–0666. Esto confirmó que la muestra de CaMnO3 formó la fase de la estructura de perovskita CaMnO3. Según los refinamientos de Rietveld (bondad de ajuste 1,14), el tamaño de cristalización calculado de CaMnO3 fue de 2,78 μm y la tensión de red calculada fue de 0,022%. Además, la muestra de CaMnO3 se utilizó para fabricar el módulo Unileg TEG para el ladrillo de hormigón termoeléctrico.

El análisis SEM y el mapeo EDS de las muestras de CaMnO3 se muestran en la información complementaria (Fig. S2). La imagen SEM de la muestra de CaMnO3 sinterizada en la información complementaria (Fig. S2a) mostró una amplia gama de distribuciones de tamaño que varían en tamaño de aproximadamente 1 a 3 μm. EDS en la información complementaria (Fig. S2b) muestra los resultados al presentar átomos de Ca, Mn y O como un indicador de la estructura de fase de formación de CaMnO3. Mapeo EDS del polvo de CaMnO3 en la información complementaria (Fig. S2c) que muestra una distribución elemental homogénea de los átomos de Ca, Mn, O y C en las superficies del polvo. Las distribuciones elementales de los átomos de Ca, Mn, O y C en las superficies del polvo de las muestras de CaMnO3 fueron 24,74%: 38,57%: 30,73%: 5,96% para las proporciones de % en peso de Ca: Mn: O: C, y 16,52%: 18,79. %: 51,41%: 13,28% para la relación % atómico de Ca:Mn:O:C, respectivamente. Los resultados experimentales tanto de la proporción de % en peso como de la proporción de % atómico son estrechamente consistentes con las referencias30,31.

La Figura 1 muestra la conductividad térmica experimental, el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica de las muestras de CaMnO3 en función de la temperatura entre el rango de temperatura de 300 a 600 K y la curva ajustada correspondiente a cada dato. Los datos experimentales y las curvas ajustadas confirman el comportamiento dependiente de la temperatura del coeficiente de Seebeck, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. Según la Fig. 1a, la conductividad térmica de las muestras osciló entre 0,65 y 0,85 W/mK durante el rango de temperatura de 300 a 600 K. Los valores de conductividad térmica aumentaron ligeramente con el aumento de la temperatura. La curva ajustada correspondiente a la conductividad térmica confirma el comportamiento positivo de la conductividad térmica en función de la temperatura. Según la Fig. 1b, los valores del coeficiente de Seebeck presentaron un signo negativo, lo que sugiere un conductor de materiales de tipo n (el electrón es el portador principal). Los valores del coeficiente de Seebeck estaban en el rango de −520 a −457 µV/K entre el rango de temperatura de 300 a 600 K. El valor absoluto del coeficiente de Seebeck disminuyó con el aumento de la temperatura. La curva ajustada correspondiente al coeficiente de Seebeck confirma el comportamiento positivo de dependencia de la temperatura del coeficiente de Seebeck. Esta tendencia indica el comportamiento de los semiconductores y la baja concentración de portadores de la muestra de CaMnO331. Según la Fig. 1c, el valor de conductividad eléctrica se presentó en el rango de 100 a 200 S/m durante el rango de temperatura de 300 a 600 K. Los valores aumentaron con el aumento de la temperatura. La curva ajustada correspondiente a la conductividad eléctrica confirma el comportamiento positivo de la conductividad eléctrica con la temperatura.

Propiedades termoeléctricas de la muestra de CaMnO3: (a) conductividad térmica, (b) coeficiente de Seebeck, (c) conductividad eléctrica, (d) factor de potencia (PF) y (e) figura de mérito (ZT) en función de la temperatura.

El factor de potencia (PF) calculado y el factor de mérito (ZT) correspondientes a la conductividad térmica experimental, el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica de las muestras de CaMnO3 durante el rango de temperatura de 300 a 600 K, como se muestra en las figuras 1d y e, respectivamente. . Según la Fig. 1d, el valor de PF se presentó en el rango de 29 a 50 µW/(mK2) durante el rango de temperatura de 300 a 600 K. Según la Fig. 1e, el valor de ZT se presentó en el rango de 0,012 a 0,025 durante el rango de temperatura de 300 a 600 K. El valor tanto de PF como de ZT aumentó con el aumento de la temperatura. La curva ajustada correspondiente al PF y ZT calculados confirma el comportamiento positivo de dependencia de la temperatura del PF y ZT entre el rango de temperatura de 300 a 600 K.

Las varillas termoeléctricas se fabricaron usando polvos de CaMaO3 prensados en frío por una máquina semiautónoma en varillas con un diámetro de 1,0 cm, 2,0 cm de altura vertical y sinterizadas usando un horno eléctrico a una temperatura de 1100 °C durante 12 h, como se muestra en la Fig. 2. El módulo Unileg CaMnO3 TEG sin aislante térmico se muestra en la Fig. 3a. Los cables eléctricos, que son cables eléctricos de protección térmica, se conectaron con electrodos de aluminio superiores e inferiores para medir las propiedades eléctricas. El lado inferior del módulo TEG se calentó con una placa caliente, como se muestra en la Fig. 3b, para la conversión de energía termoeléctrica.

Las barras de CaMnO3.

Se utilizó hormigón térmicamente aislante para fabricar ladrillos de hormigón termoeléctrico. Hay tres tipos de mortero de cemento utilizados en este trabajo, incluidos los tipos CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW. Las composiciones químicas de los morteros de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW proporcionadas por el proveedor comercial como se muestra en la información complementaria (Tabla S1). Los patrones XRD de los morteros de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW se muestran en la información complementaria (Fig. S3). El pico característico de las muestras se indexó a Ca(OH)232,33,34, Ca2H0.60 O4.30Si35,36, Ca6H2O13Si337,38, SiO239. Como se muestra en la información complementaria (Tabla S2), las conductividades térmicas de los morteros de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW entre el rango de temperatura de 400 a 1000 °C dependen de la temperatura.

CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW se utilizan habitualmente como aislantes térmicos del horno. Como se muestra en la información complementaria (Tabla S2), la conductividad térmica de 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW durante el rango de temperatura de 400 a 1000 entre 0,25 y 0,63 W/m·K. Los ladrillos de hormigón termoeléctricos que se muestran en la Fig. .4 se fabricaron en dos tipos de (1) ladrillo de capa I y (2) ladrillo de capa III. Para lograr la mayor reducción de pérdida de calor, CAST 11 LW (el valor de conductividad térmica más bajo) se fabricó en ladrillo de capa I. La Figura 4b muestra el diagrama esquemático de los ladrillos de concreto termoeléctrico del tipo ladrillo I-capa, que utilizan el mortero de cemento CAST 11 LW para concreto aislante térmico, con el módulo CaMnO3 TEG tipo unileg n dentro de un ladrillo. Nuestro ladrillo de III capa se compone de tres capas de diferentes tipos de hormigón. Para aumentar la diferencia de temperatura al aumentar la reducción de la pérdida de calor a lo largo de la dirección vertical del módulo TEG de ladrillo de III capa, nuestras tres capas de concreto fueron diseñadas para (1) bloquear el calor en la capa más baja, (2) liberar calor en la capa más alta. y (3) generar resistencia de interfaz térmica en el contacto de la capa intermedia. Para obtener el bloque térmico más alto en el lado inferior del módulo TEG, se fabricó CAST 11 LW (la conductividad térmica más baja) en la primera capa (capa más cercana a la fuente de calor) del ladrillo de capa IIII. Para generar resistencia de interfaz térmica entre (1) la primera capa y la segunda capa, y (2) la segunda capa y la tercera capa, se fabricó CAST 13 LW (el valor de conductividad térmica medio) como segunda capa (capa intermedia). Finalmente, para lograr la mayor liberación térmica en el lado más frío del módulo, se fabricó CAST 15 LW (el valor de conductividad térmica más alto) como la tercera capa (capa superior) del ladrillo de capa IIII. La Figura 4c muestra el diagrama esquemático de los ladrillos de concreto termoeléctrico tipo ladrillo de III capa que utilizan el mortero de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW para concreto aislante térmico, con el módulo CaMnO3 TEG tipo unileg n dentro de un ladrillo. .

(a) El módulo CaMnO3 TEG tipo n de Unileg y (b) diagrama esquemático del módulo TEG CaMnO3 tipo n de Unileg calentado por una fuente de calor (placa caliente)

Para simular el comportamiento térmico y eléctrico del módulo termoeléctrico se utilizó una simulación por computadora del ladrillo de concreto termoeléctrico, el software Multiphysics®, que es el Método de Elementos Finitos (FEM) integrado en el software COMSOL Multiphysics v.5.540. Las ecuaciones rectoras que se utilizan en la simulación FEM como se muestran en la información complementaria.

El modelo computacional del módulo TEG sin aislante térmico y el tipo de ladrillo de capa I del ladrillo de hormigón termoeléctrico se muestran en la Fig. 5. El módulo CaMnO3 TEG constaba de una pieza cilíndrica de CaMnO3 tipo n con un diámetro de 10,0 mm. y una longitud vertical de 20,0 mm. Los lados superior e inferior del módulo CaMnO3 TEG se pusieron en contacto con un electrodo de aluminio con un tamaño de 20,0 mm × 20,0 mm × 10,0 mm. Se utilizó una placa caliente como fuente de calor del módulo CaMnO3 TEG en la posición base. Los electrones libres en el lado de temperatura más caliente (TH) del módulo CaMnO3 TEG tenían mayor energía cinética que los del lado de temperatura más fría (TC). Después de eso, el electrón se difunde desde TH hacia TC. La concentración diferencial de cargas negativas y positivas a lo largo de la dirección vertical de la pieza de CaMnO3 debido a la diferencia de temperatura entre temperaturas más calientes y más frías (dT = TH-TC) causó la diferencia de potencial (dV). Este fenómeno puede explicarse mediante los efectos Seebeck, los efectos Peltier y los efectos Thomson como efectos termoeléctricos. El tipo de ladrillo de hormigón termoeléctrico de capa I, que es el módulo CaMnO3 TEG dentro de un ladrillo para una capa de hormigón CAST 11 LW, tenía un tamaño de 20,0 cm × 20,0 cm × 4,5 cm. La Figura 5a muestra el diagrama esquemático del modelo geométrico utilizado para la simulación del módulo TEG sin el modelo de aislante térmico y el tipo de ladrillo de capa I del modelo de ladrillo de hormigón termoeléctrico. La Figura 5b muestra la malla de elementos finitos del modelo utilizado para la simulación del módulo TEG sin el modelo de aislante térmico y el tipo de ladrillo de capa I del modelo de ladrillo de hormigón termoeléctrico. La condición límite de temperatura y la condición límite potencial del módulo TEG estaban cubiertas por aire; y, el modelo de ladrillo de hormigón termoeléctrico tipo I-capa se cubrió con hormigón CAST 11 LW. La condición inicial del modelo de simulación por computadora es temperatura ambiente y potencial cero en el momento inicial. La condición de contorno del modelo consiste en la temperatura más caliente constante en el lado inferior del módulo TEG sin el modelo de aislante térmico y el lado inferior del tipo de ladrillo de capa I del modelo de ladrillo de concreto termoeléctrico, como se muestra en la Fig. 5c. La condición de límite del potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y el ladrillo de concreto termoeléctrico se estableció en potencial cero (conectado a tierra), como se muestra en la Fig. 5d. La corriente de calor fluía hacia el módulo TEG desde la fuente de calor únicamente y salía del módulo TEG en el electrodo superior. La conducción de calor, la convección de calor y la radiación de calor se incluyeron en la simulación de los módulos CaMnO3 TEG. Se despreció la resistencia eléctrica del contacto del material.

Diagrama esquemático de (a) ladrillos de concreto termoeléctrico que contienen el módulo Unileg CaMnO3 TEG dentro del concreto, (b) el tipo de ladrillo de capa I (CAST 11 LW) y (c) el tipo de ladrillo de capa III (CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW).

El modelo computacional del tipo de ladrillo de III capa de los ladrillos de concreto termoeléctrico se muestra en la Fig. 6a mostrando la geometría del modelo de ladrillo de III capa, que es el módulo CaMnO3 TEG dentro de un ladrillo de tres capas de CAST 11 LW, CAST 13 LW y hormigón CAST 15 LW. La Figura 6b muestra la malla de elementos finitos del modelo de ladrillo de III capa. La condición inicial del modelo de simulación por computadora es temperatura ambiente y potencial cero en el momento inicial. Las Figuras 6c yd muestran la condición de límite de temperatura y la condición de límite potencial utilizadas en el modelo de simulación por computadora del tipo de ladrillo de III capa de ladrillos de concreto termoeléctrico.

Modelo de cálculo del módulo TEG y del tipo I-ladrillo de hormigón termoeléctrico utilizando el software COMSOL Multiphysics v.5.5 (https://www.comsol.com) 40: (a) Diagrama esquemático del modelo geométrico, (b) malla de elementos finitos del modelo de simulación y condición de contorno del modelo de simulación, (c) temperatura más caliente constante y (d) condición de contorno del potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y hormigón termoeléctrico.

Como se describió anteriormente en la condición límite, a la simulación por computadora se le asignó una temperatura más alta y un potencial conectado a tierra (V = 0) en el lado inferior del módulo TEG o del módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III. Los resultados de la simulación por computadora de la temperatura, la temperatura de la superficie y el voltaje de salida, como se muestra en la información complementaria (Fig. S4), concuerdan bien con las condiciones límite asignadas.

Se utilizó una cámara de imágenes térmicas (Keysight Technologies, U5856A) con un rango de temperatura de −20 a 650 °C para registrar la distribución térmica infrarroja del módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico y los ladrillos de hormigón termoeléctricos del tipo I y III. Ladrillo de dos capas a temperaturas del lado caliente de 100, 200 y 400 °C se muestran en la Fig. 7. Los resultados del módulo TEG sin aislante térmico muestran una pequeña diferencia de temperatura a lo largo de la dirección vertical dentro del módulo cuando se aplica una temperatura más caliente. de 100 ºC. Los resultados de la aplicación de temperaturas más altas de 200 y 400 °C mostraron temperaturas altas a lo largo del módulo TEG. Los ladrillos de capa I mostraron la diferencia de temperatura a la temperatura más alta de 100 y 200 °C, mientras que mostraron una temperatura alta a lo largo del módulo TEG durante la temperatura más alta de 400 °C. Los resultados de los ladrillos de la tercera capa mostraron una diferencia de temperatura dentro del módulo TEG a lo largo de la dirección vertical de 100, 200 y 400 °C. La mayor parte del calor se limita cerca del lado más caliente del ladrillo al aplicar la temperatura más caliente de 100 y 200 °C. Los resultados indicaron que la temperatura de cobertura a lo largo de los ladrillos de las capas I y III fue más efectiva que el módulo TEG sin aislante térmico para mantener la diferencia de temperatura.

Modelo de cálculo del módulo TEG y del tipo ladrillo de hormigón termoeléctrico de III capa utilizando el software COMSOL Multiphysics v.5.5 (https://www.comsol.com) 40(a) Diagrama esquemático del modelo de geometría, (b) finito malla de elementos del modelo de simulación y condición de contorno del modelo de simulación, (c) temperatura más caliente constante y (d) condición de límite de potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y el hormigón termoeléctrico.

La Figura 8 muestra la distribución térmica en el módulo CaMnO3 TEG y los ladrillos de hormigón termoeléctrico. Las imágenes de distribución térmica del módulo CaMnO3 TEG sin el aislante, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III se muestran en las figuras 8a, byc, respectivamente. Una cámara infrarroja registró las propiedades térmicas del módulo CaMnO3 TEG y de los hormigones aislantes térmicos al aplicar una temperatura más caliente constante a 200 °C. Para validar la simulación, los resultados FEM se compararon con las imágenes infrarrojas. La imagen de distribución térmica de la simulación FEM dependiente del tiempo con la aplicación de una temperatura más alta constante a 200 ° C se muestra en las Fig. 8d, ey f. Todos los resultados experimentales y de simulación FEM muestran una disminución de la temperatura a lo largo de la dirección vertical. Las Figuras 8a yd muestran las imágenes de distribución térmica del módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico. La imagen IR muestra que la alta temperatura cubre todas las partes a lo largo de la dirección vertical del módulo. Este resultado también lo confirma la simulación FEM indicada por la alta temperatura alrededor del módulo sin aislante térmico. Las Figuras 8b ye muestran la imagen de distribución térmica experimental y de simulación por computadora del módulo CaMnO3 TEG dentro del ladrillo de capa I. Ambos resultados muestran un gradiente de temperatura en dirección vertical tanto en el interior del módulo como en el aislante térmico cubierto. Las Figuras 8c yf muestran la imagen de distribución térmica del módulo TEG dentro del ladrillo de capa III a partir de la imagen IR y la simulación por computadora. Ambos resultados muestran un pequeño gradiente de temperatura a lo largo de la dirección vertical tanto en el interior del módulo como en el aislante térmico cubierto.

(a) El módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico, (b) Los ladrillos de concreto termoeléctricos, la imagen de la cámara IR usando Keysight Technologies, U5856A (https://www.keysight.com/) de (c) el módulo CaMnO3 TEG, y (d, e) los ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo de ladrillo de I capa y del tipo de ladrillo de III capa cuando se aplica la temperatura del lado caliente a 100 °C, (d–f) para la temperatura a 200 °C, y (g– i) para temperatura a 400 °C.

La conversión eléctrica del módulo CaMnO3 TEG y del módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III se midió tanto en circuito abierto como en circuito cerrado. Para el módulo TEG sin aislante térmico, la parte inferior del módulo TEG se calentó mediante una placa calefactora. La temperatura más caliente (TH) y la temperatura más fría (TC) se midieron utilizando multímetros con la sonda de termopar tipo K en el lado inferior y superior del módulo, respectivamente. Para el módulo TEG en ladrillos de I y III capas, la parte inferior del ladrillo de hormigón termoeléctrico se calentó mediante una placa calefactora. La temperatura más caliente (TH) y la temperatura más fría (TC) se midieron utilizando multímetros con una sonda de termopar tipo K en el lado inferior y superior de los ladrillos de concreto termoeléctrico, respectivamente. La diferencia de temperatura (dT) entre la temperatura más caliente y la temperatura más fría se calculó a partir de dT = TH-TC. El módulo TEG sin aislante térmico y el módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III se conectaron con cables eléctricos y electrodos de aluminio inferiores y superiores para mediciones de voltaje y corriente eléctrica. Para la medición de circuito abierto, como se muestra en las figuras 9a, byd, el voltaje de salida entre los electrodos inferior y superior del módulo se midió utilizando un multímetro. La resistencia interna también se midió con un multímetro. Para la medición en circuito cerrado, como se muestra en la Fig. 9c, las resistencias eléctricas externas se conectaron al circuito. El voltaje de salida se midió usando un multímetro. La corriente de salida también se midió usando un multímetro. Todos los datos medidos se registraron utilizando un software de registro de datos. Para la medición de circuito abierto, se realizó el voltaje de salida (dV) para la diferencia de temperatura (dT) para describir el voltaje de circuito abierto de los dispositivos termoeléctricos. También se midieron las propiedades eléctricas de dispositivos termoeléctricos a temperaturas constantes más altas de 100, 200 y 400 °C. Para la medición de circuito cerrado, las propiedades eléctricas de los dispositivos termoeléctricos se caracterizaron a partir de la curva IV y la curva IP.

Imagen de distribución térmica del módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico y los ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo de I capa y del tipo ladrillo de III capa al aplicar una temperatura del lado caliente a 200 °C: (a – c) resultados experimentales de la imagen infrarroja usando Keysight Technologies, U5856A (https://www.keysight.com/), y (d – f) resultados de cálculo de la simulación FEM usando el software COMSOL Multiphysics v.5.5 (https://www.comsol.com ) 40

Como se muestra en la Fig. 10, el voltaje de salida generado del módulo TEG sin aislante térmico, el módulo en ladrillo de capa I y el módulo en ladrillo de capa III variaron linealmente con la diferencia de temperatura. Obtuvimos las relaciones \(\Delta V = 0.26\Delta T,\)\(\Delta V = 0.37\Delta T\) y \(\Delta V = 0.50\Delta T\) que describieron el voltaje de circuito abierto del TEG módulo sin aislante térmico, el módulo en ladrillo de I capa y el módulo en ladrillo de III capa, respectivamente.

(a, b) Diagrama esquemático de medición de circuito abierto del módulo TEG, (c) Diagrama esquemático de medición de circuito cerrado del módulo TEG, (d) Configuración experimental del ladrillo de concreto termoeléctrico (ladrillo de capa I y capa III) tipos).

Los resultados experimentales de la medición en circuito abierto del módulo CaMnO3 TEG y el ladrillo de hormigón termoeléctrico en el tipo de ladrillo de I capa y el tipo de ladrillo de III capa a una temperatura más alta de 200 °C se muestran en la Fig. 11. La temperatura más alta y la temperatura más fría en función del tiempo a partir de los resultados experimentales se presentan en la Fig. 11a. Como fuente de calor del experimento, se calentó una placa calefactora de control de temperatura comenzando desde la temperatura ambiente hasta alcanzar la temperatura objetivo más alta de 200 °C. Como se muestra en la Fig. 11a, la temperatura estable más alta se alcanzó aproximadamente 15 minutos después. La temperatura promedio más alta durante 40 a 60 minutos para el módulo TEG sin aislante térmico, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III es de 172, 172 y 210 °C, respectivamente. La temperatura promedio del refrigerador durante 40 a 60 minutos para el módulo TEG sin aislante térmico, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III es de 62, 41 y 37 °C, respectivamente. La temperatura más fría en función del tiempo a partir de los resultados de la simulación FEM se muestra en la Fig. 11d. Los resultados indican que la temperatura más fría de los resultados de la simulación FEM fue cercana a la de los resultados experimentales.

Tensión de salida en función de la diferencia de temperatura obtenida en la medición de circuito abierto.

La diferencia de temperatura en función del tiempo a partir de los resultados experimentales se muestra en la Fig. 11b. La diferencia de temperatura promedio durante 40 a 60 minutos para el módulo TEG sin aislante térmico, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III es de 108, 132 y 172 °C, respectivamente. Como se muestra en la información complementaria (Fig. S5), durante la temperatura más alta de aproximadamente 200 °C, la diferencia de temperatura del módulo TEG sin aislante térmico es de 108 °C y la del ladrillo de capa I es de 132 °C. Este resultado indicó que el módulo TEG en ladrillo de capa I permite una menor transferencia de calor (mayor reducción de pérdida de calor) que el módulo TEG sin aislante térmico.

Teniendo en cuenta la transmitancia térmica (valor U) de (1) el módulo TEG sin aislante térmico y (2) el módulo TEG en ladrillo de capa I se calculó utilizando la misma geometría de ladrillo, como se muestra en la información complementaria (Fig. S6). . Según la información complementaria (Fig. S6), la geometría del ladrillo consta de tres partes. La parte inferior y la parte superior son el área rectangular con un tamaño de 20,0 cm × 20,0 cm × 1,25 cm y la parte media es la varilla vertical con un tamaño de 1,0 cm de diámetro y 2,0 cm de alto vertical dentro del área rectangular con el tamaño de 20,0 cm × 20,0 cm × 2,0 cm. La zona interior de la parte media es el módulo CaMnO3 TEG. La resistencia térmica total se calculó a partir de la suma en serie de la resistencia térmica de las partes inferior, media y superior. La resistencia térmica de la parte media se calculó a partir de la suma paralela de la resistencia térmica de la varilla interior y el área exterior. La transmitancia térmica es el recíproco de la resistencia térmica total.

El mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG sin aislante térmico consiste en (1) conducción de calor de la varilla CaMnO3 TEG dentro de la parte media y (2) convección de calor del aire natural en las áreas inferior, superior y exterior de la parte media. En primer lugar, la resistencia térmica debida a la conducción de calor se calcula utilizando la ecuación de \(R_{cond} = L/(\kappa A)\), donde L es la longitud de la varilla de TEG de 2,0 cm, A es el área de la sección transversal de 1,0 cm de diámetro de la varilla de TEG y \(\kappa\) es la conductividad térmica de la varilla de CaMnO3 TEG de aproximadamente 0,65 W/m·K. En segundo lugar, la convección de calor del aire natural en las áreas inferior, superior y exterior de la parte media se calcula utilizando la ecuación de \(R_{conv} = 1/(hA)\), donde h es la transferencia de calor por convección. coeficiente de aire natural de aproximadamente 25 W/m2·K41,42, A es el área de la sección transversal del área inferior, superior y exterior de la parte media, respectivamente. La resistencia térmica total calculada en torno a 3 K/W y la transmitancia térmica del módulo sin aislante térmico equivalen a 8,25 W/m2·K.

El mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de capa I consiste en (1) conducción de calor de la varilla de TEG CaMnO3 dentro de la parte media y (2) conducción de calor de CAST 11 LW como aislante térmico en la parte inferior, superior y exterior. zona de la parte media. La resistencia térmica debida a la conducción de calor de la varilla de CaMnO3 TEG se calcula utilizando la conductividad térmica de la varilla de CaMnO3 TEG que es igual a 0,65 W/m·K. Según la información complementaria (Tabla S2), los valores de conductividad térmica entre el rango de temperatura de 400 a 1000 °C del mortero de cemento CAST 11 LW son de aproximadamente 0,25 a 0,40 W/m·K. Se realizó la extrapolación lineal de la conductividad térmica de CAST 11 LW durante el rango de temperatura de 400 a 1000 °C y se obtuvo la conductividad térmica extrapolada del mortero de cemento CAST 11 LW a 200 °C igual a 0,20 W/m·K. La conductividad térmica del CAST 11 LW igual a 0,20 W/m·K se utiliza para calcular la resistencia térmica del aislante térmico que cubre el módulo TEG del ladrillo de capa I. La resistencia térmica total calculada es de alrededor de 51,2 K/W y la transmitancia térmica del ladrillo de doble capa es de 0,49 W/m2·K.

Según la información complementaria (Fig. S6), el mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de III capa consiste en la conducción de calor de la varilla CaMnO3 TEG dentro de la parte media, la conducción de calor de 1,25 cm de longitud de CAST 11 LW en la parte inferior parte (R1), 0,25 cm de CAST 11 LW (R2), 1,5 cm de longitud de CAST 13 LW (R3) y 0,25 cm de longitud de CAST 15 LW (R4) en el área exterior de la parte media, respectivamente y conducción de calor de 1,25 cm de largo de CAST 15 LW en la parte superior (R5). La resistencia térmica debida a la conducción de calor de la varilla de CaMnO3 TEG se calcula utilizando la conductividad térmica de la varilla de CaMnO3 TEG que es igual a 0,65 W/m·K. Según la información complementaria (Tabla S2), los valores de conductividad térmica entre el rango de temperatura de 400 a 1000 °C de los morteros de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW son de aproximadamente 0,25 a 0,63 W/m·K. Se realizó la extrapolación lineal de la conductividad térmica de CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW durante el rango de temperatura de 400 a 1000 °C y se obtuvo la conductividad térmica extrapolada a 200 °C que es 0,20, 0,34 y 0,58 W/m ·K, respectivamente. La conductividad térmica extrapolada de CAST 11 LW CAST 13 LW y CAST 15 LW se aplica para calcular la resistencia térmica del aislante térmico que cubre el módulo TEG del ladrillo de III capa. La resistencia térmica total calculada es de aproximadamente 3,69 K/W y la transmitancia térmica del ladrillo de doble capa es de 6,7 W/m2·K.

La transmitancia térmica calculada del módulo TEG sin aislante térmico aproximadamente 16,8 veces mayor que la del ladrillo de capa I demostró el concepto de usar aislante térmico para mantener una mayor diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el más frío del ladrillo de capa I con respecto al Módulo TEG sin aislante térmico. La transmitancia térmica calculada del ladrillo de la tercera capa es aproximadamente 13,6 veces mayor que la del ladrillo de la primera capa. Este resultado calculado contrasta con la diferencia de temperatura experimental según la información complementaria (Fig. S5). Sin embargo, como informaron Grujicic et al.43, el efecto de la resistencia de la interfaz térmica debe incluirse como un papel importante en la gestión del calor de los dispositivos electrónicos.

Los resultados de la simulación FEM se demuestran en la Fig. 11e. La tendencia de la diferencia de temperatura de los tres modelos concuerda bien entre el experimento y la simulación a una temperatura constante más alta de 200 °C. La diferencia de temperatura alcanzó el valor más alto cerca de la hora de inicio. Hay diferencias de temperatura que disminuyen a medida que la temperatura aumenta hasta la temperatura objetivo. Después de eso, hay diferencias constantes de temperatura durante la temperatura constante más alta. La diferencia de temperatura de ambos módulos TEG en ladrillos de I y III capas tuvo valores similares y fue mayor que la diferencia de temperatura del módulo TEG sin aislante térmico.

El voltaje de salida en función del tiempo a partir de los resultados experimentales se muestra en la Fig. 11c. El voltaje de salida promedio del módulo TEG sin aislante térmico, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III durante 40 a 60 minutos es de 24,35, 26,57 y 27,70 mV, respectivamente. Los resultados de la simulación FEM se muestran en la Fig. 11f. Las tendencias tanto de la simulación por computadora como de los resultados experimentales coinciden. En función del tiempo y el voltaje de salida del módulo TEG sin aislante térmico, el módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III alcanza el voltaje de salida más alto entre 20 y 30 mV cuando la temperatura aumenta desde la temperatura ambiente hasta la constante objetivo. temperatura. A una temperatura constante más alta de 200 °C, hay algunas reducciones en los voltajes de salida tanto experimentales como de simulación FEM del módulo TEG en los ladrillos de las capas I y III. A una temperatura constante más alta, el voltaje de salida del módulo TEG sin aislante térmico es menor que el voltaje de salida del módulo TEG en ladrillos de capa I y III.

Como se muestra en las figuras 11d, e y f, los resultados de la simulación FEM tanto del ladrillo de capa I como del ladrillo de capa III muestran la misma temperatura más fría, diferencia de temperatura y voltaje de salida. La investigación de Hogblom y Andersson25 realizó simulaciones de elementos finitos en 3D, incluida la resistencia de la interfaz térmica del módulo comercial basado en TEG Bi2TE3. Los resultados de la simulación se realizaron en las mismas condiciones que en los experimentos, lo que permitió una predicción excelente y precisa del rendimiento del módulo en el rango de condiciones de operación de las entradas. Sinceramente, no tenemos pruebas de que la simulación FEM incluya la resistencia de la interfaz térmica en esta etapa, pero creemos que la razón de nuestros resultados FEM es que nuestras simulaciones FEM realizadas no incluyeron el efecto de la resistencia de la interfaz térmica entre las capas media-baja y media-superior. de ladrillo de III capa.

Los valores de resistencia interna del módulo TEG sin aislante térmico y del ladrillo de hormigón termoeléctrico de los ladrillos de capa I y III en función del tiempo se muestran en la Fig. 12. Un diagrama esquemático de la medición interna en circuito abierto del El módulo termoeléctrico se puede ver en la Fig. 4. La resistencia interna de todos los modelos disminuyó durante el comienzo del experimento mientras que la temperatura TH aumentó desde la temperatura ambiente hasta la temperatura constante objetivo de 200 °C. La resistencia interna del módulo tanto en los ladrillos de capa I como en los de capa III tenía el mismo valor de aproximadamente 100 Ω, que era menor que la resistencia interna del módulo sin aislante térmico de aproximadamente 600 Ω.

(a – c) Los resultados experimentales y (d – f) Los resultados de la simulación FEM de temperatura más caliente y más fría, (a, d), diferencia de temperatura, (b, e) voltaje de salida, (c, f) durante el objetivo más caliente temperatura de 200 °C en función del tiempo.

Según los resultados experimentales en la Fig. 11a, la temperatura del lado más caliente aumentó desde el punto inicial a temperatura ambiente hasta alcanzar la temperatura objetivo estable del lado más caliente de 200 °C después de 20 minutos más tarde. Según la Fig. 1c, la conductividad eléctrica experimental de Las muestras de CaMnO3 durante el rango de temperatura de 300 a 600 K aumentan con la temperatura. Según la Fig. 12, la resistencia interna como recíproco de la conductividad eléctrica disminuyó con el aumento de la temperatura.

Basado en la definición de camino libre medio, que es la distancia más larga de movimiento del portador sin ninguna colisión. El camino libre medio más alto indica una mayor conductividad de la muestra. Resistencia interna, el obstáculo provoca un recorrido libre medio menor de los portadores. Los portadores de alta energía cinética (alta temperatura) se mueven más rápido que los que tienen menor energía cinética y luego archivan un camino libre medio más alto. Para el módulo CaMnO3 TEG, el movimiento del portador eléctrico debido a la diferente energía cinética (diferencia de temperatura) causa la diferencia en el recorrido libre medio del portador en el lado más caliente y más frío del módulo. En resumen, la mayor diferencia de camino libre medio entre el portador en el lado más caliente y el lado más frío (debido a la mayor diferencia de temperatura) provoca una mayor conductividad eléctrica y una menor resistencia interna de la muestra.

Según la Fig. 8 y la Fig. 11b, durante el mismo lado de temperatura más caliente de 200 °C, diferentes mecanismos de transferencia de calor provocaron tres valores distintos de la diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el más frío de las muestras. Según el detalle del siguiente párrafo, la conducción de calor es una parte importante del mecanismo de transferencia de calor de (1) el módulo TEG sin aislante térmico, (2) el módulo en la capa I y (3) el módulo en la capa III. ladrillo. En resumen, la conducción de calor afecta la diferencia de temperatura y luego afecta la conductividad eléctrica y la resistencia interna de las muestras.

Despreciando el efecto de la radiación térmica, el mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG sin aislante térmico consiste en la conducción de calor dentro del módulo CaMnO3 TEG y la convección de calor del aire natural alrededor del módulo TEG. El mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de capa I es la conducción de calor del módulo TEG CaMnO3 y la conducción de calor del aislante térmico circundante de CAST 11 LW con una conductividad térmica extrapolada de 0,2 W/m·K durante el lado de temperatura más caliente de 200°C. El mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de III capa consiste en la conducción de calor del módulo CaMnO3 TEG y la conducción de calor de la serie circundante de aislante térmico CAST 11 LW (la parte inferior), CAST 13 LW (la parte media) y CAST 15 LW (la parte superior) con una conductividad térmica extrapolada de 0,2, 0,34 y 0,58 W/m·K durante el lado de temperatura más caliente de 200 °C, respectivamente. Según Grujicic et al.43, el efecto de la resistencia de la interfaz térmica debe incluirse como un mecanismo significativo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillos de III capa. Estos resultados demostraron que el concepto de utilizar aislante térmico de ladrillos de capa I y capa III mantiene una mayor diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el más frío del módulo TEG.

En la medición de circuito cerrado, la resistencia de carga externa variable se conectó al circuito. La temperatura del lado más caliente se elevó desde la temperatura ambiente. Se midieron la temperatura del lado más caliente, la temperatura del lado más frío, el voltaje de salida (V) y la corriente de salida (I) y se calculó la diferencia de temperatura a partir de dT = TH—TC. Cuando la diferencia de temperatura alcanza la temperatura objetivo de 100 o 150 °C, la potencia de generación eléctrica calculada (P = IV) en función de la resistencia de carga entre 0 y 2000 Ω del módulo TEG sin aislador, entre 0 y 1000 Ω de El módulo TEG en el ladrillo de capa I y III se presenta en la Fig. 13a. La potencia de generación eléctrica en función de la corriente eléctrica y el voltaje de salida en función de la corriente eléctrica se muestran en las figuras 13b yc, respectivamente.

Resistencia interna del módulo TEG sin aislante térmico y del ladrillo de hormigón termoeléctrico de los ladrillos de I y III capa en función del tiempo.

Como se muestra en las figuras 13a y b, la potencia de generación eléctrica del módulo sin aislante, el ladrillo de hormigón termoeléctrico del ladrillo de capa I y del ladrillo de capa III a las temperaturas diferentes aplicadas de 100 y 150 °C muestra una parte de funciones parabólicas de la resistencia de carga externa y de la corriente eléctrica, respectivamente. La potencia de generación eléctrica en función de la resistencia de la carga externa y la potencia en función de la corriente eléctrica aumentaron cuando aumentaba la diferencia de temperatura. El ladrillo de capa I tiene la mayor potencia de generación eléctrica, que es mayor que el ladrillo de capa III y el módulo TEG sin aislante. Estos resultados indicaron que la potencia de generación eléctrica del ladrillo de hormigón termoeléctrico para el tipo de ladrillo de III capa fue mayor que la del ladrillo de I capa y el módulo TEG. La curva del voltaje de salida en función de la corriente de salida correspondiente a la diferencia de temperatura de 100 y 150 °C como se muestra en la Fig. 13c. Durante la diferencia de temperatura de 100 y 150 °C, nuestros resultados experimentales muestran la misma pendiente de la curva IV del módulo sin aislante térmico y del módulo en ladrillo de III capa. Según la literatura44,45,46, la curva IV correspondiente a cada diferencia de temperatura muestra la línea lineal con la misma pendiente. Estos resultados indicaron que la resistencia interna del módulo durante cada diferencia de temperatura tuvo un comportamiento lineal. Sin embargo, la Fig. 13c muestra la pendiente diferente de la curva IV del módulo en ladrillo de capa III. Esto se debe a que existe una diferencia en la tasa de aumento de la temperatura del lado más caliente durante nuestro experimento del módulo en ladrillo de capa I.

Se realizó una conversión directa de electricidad a partir de experimentos de calor utilizando un ladrillo de hormigón TEG incrustado en una pared lateral de un horno de alta temperatura. El voltaje de salida en función de la diferencia de temperatura entre la temperatura del lado más caliente y la temperatura del lado más frío se muestra en la Fig. 14. Según la inserción (a) de la Fig. 14, se conectaron veinte módulos de CaMnO3 tipo n de Unileg como un circuito paralelo utilizando los electrodos de aluminio superior e inferior. Como se muestra en la inserción (b) de la Fig. 14, se compuso un circuito combinado en serie-paralelo de 120 módulos de CaMnO3 tipo n de Unileg utilizando un circuito en serie de 6 circuitos en paralelo de los veinte módulos. En la inserción (c) de la Fig. 14, el ladrillo de hormigón TEG se construyó utilizando una capa de hormigón en I como aislante térmico para cubrir el circuito combinado en serie-paralelo de 120 módulos de CaMnO3 tipo n de Unileg. De acuerdo con la fuente de calor dentro del horno, el lado exterior de la pared del horno se utilizó como el lado de temperatura más caliente para suministrar calor al ladrillo de hormigón TEG. Mediante la inserción (d) de la Fig. 14, el ladrillo de hormigón TEG se incrustó en la superficie exterior del horno para conectarlo a la fuente de calor del horno. Según la Fig. 14, a una temperatura máxima de 580 °C desde la temperatura del lado más caliente del ladrillo de hormigón, la diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el lado más frío del ladrillo se produjo a 365 °C. El voltaje máximo de salida se obtuvo 581,7 mV. En la inserción (e) de la Fig. 14, las imágenes de distribución térmica obtenidas por una cámara de imágenes térmicas infrarrojas del ladrillo de hormigón incrustado en la pared superficial del horno indexadas por S1 (71,3 °C) y S3 (67,0 °C) mostraron la Temperatura del lado más frío del ladrillo de hormigón. Las imágenes de distribución térmica obtenidas por una cámara termográfica infrarroja del extremo abierto indexadas por S2 (493,7 °C) también mostraron la temperatura del lado más caliente del ladrillo de hormigón TEG tan cerca de la temperatura de la fuente de calor del horno.

(a) Potencia de salida en función de la resistencia de carga, (b) potencia de salida en función de la corriente eléctrica, (c) voltaje de salida en función de la corriente eléctrica del módulo TEG sin aislante, el ladrillo de capa I y el Ladrillo de III capa.

Voltaje de salida de los 120 módulos Unileg CaMnO3 TEG en un ladrillo de concreto empotrado en una pared lateral del horno de alta temperatura.

Los ladrillos de hormigón termoeléctrico que bloquean eficazmente el calor y convierten el calor residual directamente en energía eléctrica fueron diseñados y construidos por el módulo CaMnO3 TEG tipo n de Unileg, los ladrillos de hormigón termoeléctrico de las capas I y III. El resultado de la diferencia de temperatura indica una mayor eficiencia para mantener la diferencia de temperatura a lo largo de la dirección vertical del módulo TEG en los ladrillos de capa I y III en lugar del módulo TEG CaMnO3 sin aislante térmico. El voltaje de salida predice un mayor rendimiento para convertir el calor residual directamente en electricidad de los ladrillos de hormigón termoeléctricos de la capa I y de la capa III que el módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico. Las tendencias de la diferencia de temperatura y el voltaje de salida de las simulaciones experimentales y por computadora son similares. El valor de temperatura y el valor potencial de salida del experimento y la simulación por computadora siguen siendo ligeramente diferentes. El tipo de ladrillo de tercera capa mostró energía de generación eléctrica de alto rendimiento. Además, estos materiales mostraron un alto rendimiento del ladrillo de hormigón termoeléctrico en el modelo de ladrillo de III capa en la generación eléctrica debido a la diferencia de temperatura.

El polvo de CaMnO3 se sintetizó mediante un método de reacción en estado sólido utilizando materiales de partida de CaCO3 comercial (99% de pureza Sigma-Aldrich) y MnO2 (99% de pureza Sigma-Aldrich). Los polvos de partida se pesaron en cantidades estequiométricas, se mezclaron mediante el método de molienda de bolas y se prensaron en frío mediante una máquina semiautónoma casera, como se muestra en la información complementaria (Fig. S8), en varillas con un diámetro de 10,0 mm y una vertical de 20,0. Las varillas termoeléctricas se sinterizaron utilizando un horno eléctrico a una temperatura de 1373 K durante 12 h.

Las fases de síntesis de las muestras de CaMnO3 se caracterizaron mediante XRD en polvo utilizando un difractómetro PHILIPS X' Pert MPD con radiación Cu Ka en el rango de 10 a 80 °C. Se utilizó microscopía electrónica de barrido (JEOL SEM JSM-5800 LV) para observar las morfologías y tamaños de grano de las muestras de CaMnO3 y para determinar la distribución homogénea de átomos en las superficies del polvo de CaMnO3 mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (mapeo EDX). El coeficiente de Sebeck y la resistividad eléctrica se llevaron a cabo simultáneamente en una barra de muestra utilizando un.

Unidad de resistividad eléctrica y coeficiente Linseis Seebeck LSR -3 de Linseis Inc. El calor específico y la conductividad térmica se midieron en muestras planas de aproximadamente 10 mm de diámetro y 2 a 3 mm de espesor utilizando un analizador de difusividad térmica NETZSCHLFA 477 Nano-Flash.

Se construyó un módulo Unileg CaMnO3 TEG, como se muestra en la Fig. 3, a partir de una pieza cilíndrica de una varilla de CaMnO3 con un diámetro de 10,0 mm y una longitud vertical de 20,0. Tanto la parte inferior como la superior de la pieza termoeléctrica estaban cubiertas por un electrodo de aluminio de tamaño 10,0 mm × 20,0 mm × 20,0 mm. El módulo Unileg CaMnO3 TEG sin aislante térmico se muestra en la Fig. 3a. Los cables eléctricos, que son cables eléctricos de protección térmica, se conectaron con electrodos de aluminio superiores e inferiores para medir las propiedades eléctricas. El lado inferior del módulo TEG se calentó mediante una placa caliente, como se muestra en la Fig. 3b.

El módulo CaMnO3 TEG tipo n de Unileg (módulo CaMnO3 TEG) se aplicó para la construcción de ladrillos de hormigón termoeléctricos. Los ladrillos de hormigón termoeléctrico se fabricaron enterrando el módulo CaMnO3 TEG dentro del hormigón, como se muestra en la Fig. 4a. El ladrillo moldeado de hormigón se preparó con unas dimensiones de 20,0 cm x 20,0 cm x 4,5 cm. Según las figuras 4b y c, el ladrillo de hormigón se produjo en el tipo de ladrillo de I capa y en el tipo de ladrillo de III capa. Luego, el módulo CaMnO3 TEG se colocó en el centro del ladrillo de hormigón envuelto en plástico. A continuación, los ladrillos de hormigón se calentaron para secar el hormigón y derretir la envoltura de plástico mediante calentamiento gradual desde temperatura ambiente hasta 350 °C en 24 h.

Mediante el proceso anterior, se fabricaron ladrillos de hormigón termoeléctrico en dos tipos: 1) una capa de ladrillo de hormigón (ladrillo de capa I) y 2) tres capas de ladrillo de hormigón (ladrillo de capa III). El ladrillo tipo I capa fue del tipo ladrillo de hormigón termoeléctrico obtenido mediante fabricación utilizando el módulo CaMnO3 TEG cubierto por una capa de hormigón CAST 11 LW. La composición química del mortero de cemento tipo CAST 11 LW se muestra en la información complementaria (Tabla S1). Se utilizó para ladrillos moldeables con aislamiento térmico (ASTM C 401 Clase 0) con una conductividad térmica extrapolada de 0,20 W/mK a una temperatura de 200 °C. La Figura 4b muestra un diagrama esquemático de ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo de I capa.

Además, el ladrillo de concreto termoeléctrico del tipo ladrillo de III capa se fabricó utilizando el módulo CaMnO3 TEG cubierto por tres capas de concreto CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW. La composición química de los tipos de mortero de cemento CAST 13 LW y CAST 15 LW se muestra en la información complementaria (Tabla S1). Se utilizaron para aislamiento térmico de ladrillos moldeables en ASTM C 401 Clase Q para CAST 13 LW y ASTM C 401 Clase S para CAST 15 LW. El cemento CAST 13 LW y CAST 15 LW tuvieron conductividades térmicas extrapoladas de 0,34 W/mK y 0,58 W/mK a la temperatura de 200 °C, respectivamente. La Figura 4c muestra un diagrama esquemático de ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo de III capa. La disposición del mortero de cemento para los ladrillos de hormigón termoeléctrico se dispuso por valores de conductividad térmica de mayor a menor desde 0,20 W/mK de CAST 11 LW, hasta 0,34 W/mK de CAST 13 LW) y hasta 0,58 W/mK de CAST 15 LW. desde abajo hacia arriba de los ladrillos.

La conversión eléctrica del módulo CaMnO3 TEG y del módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III se midió tanto en circuito abierto como en circuito cerrado. Para el módulo TEG sin aislante térmico, la parte inferior del módulo TEG se calentó mediante una placa calefactora. La temperatura más caliente (TH) y la temperatura más fría (TC) se midieron utilizando multímetros de 4 dígitos (KEYSIGHT Technologies, U1242C) con la sonda de termopar tipo K en el lado inferior y superior del módulo, respectivamente. Para el módulo TEG en ladrillos de I y III capas, la parte inferior del ladrillo de hormigón termoeléctrico se calentó mediante una placa calefactora. La temperatura más caliente (TH) y la temperatura más fría (TC) se midieron utilizando multímetros de 4 dígitos (KEYSIGHT Technologies, U1242C) con la sonda de termopar tipo K en el lado inferior y superior de los ladrillos de concreto termoeléctrico, respectivamente. La diferencia de temperatura (dT) entre la temperatura más caliente y la temperatura más fría se calculó a partir de dT = TH—TC. El módulo TEG sin aislante térmico y el módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III se conectaron con cables eléctricos y electrodos de aluminio inferiores y superiores para mediciones de voltaje y corriente eléctrica. Para la medición de circuito abierto, como se muestra en las figuras 9a y b, el voltaje de salida entre los electrodos inferior y superior del módulo se midió utilizando un multímetro de 3,5 dígitos (KEYSIGHT Technologies, U1232A). La resistencia interna también se midió utilizando un multímetro de 3,5 dígitos (KEYSIGHT Technologies, U1232A). Para la medición en circuito cerrado, como se muestra en la Fig. 9c, las resistencias eléctricas externas se conectaron al circuito. El voltaje de salida se midió utilizando un multímetro de 3,5 dígitos (KEYSIGHT Technologies, U1232A). La corriente de salida se midió utilizando un multímetro digital (UNI-T, UT30A). Todos los datos medidos se registraron utilizando el software Keysight Handheld Meter Logger. Se utilizó la cámara termográfica infrarroja (Keysight Technologies U5856A) para observar la distribución de la temperatura de la superficie.

Para la medición de circuito abierto, se realizó el voltaje de salida (dV) para la diferencia de temperatura (dT) para describir el voltaje de circuito abierto de los dispositivos termoeléctricos. También se midieron las propiedades eléctricas de dispositivos termoeléctricos a temperaturas constantes más altas de 100, 200 y 400 °C. Para la medición de circuito cerrado, las propiedades eléctricas del dispositivo termoeléctrico se caracterizaron a partir de la curva IV y la curva IP.

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto de Tecnología Ladkrabang del Rey Mongkut (la beca de doctorado KMITL id KDS2018/007). Los autores desean agradecer que el Centro de Excelencia en Física de Tailandia (ThEP) haya proporcionado el servidor COMSOL. Este proyecto fue financiado en parte por el Consejo Nacional de Investigación de Tailandia (NRCT), número de subvención: NRCT5-RSA63024-01.

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Instituto de Tecnología del Rey Mongkut Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Keerati Maneesai, Sunisar Khammahong, Pongsakorn Siripoom y Chesta Ruttanapun

Unidad de Investigación e Innovación de Materiales Inteligentes, Facultad de Ciencias, Instituto de Tecnología King Mongkut Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Keerati Maneesai, Sunisar Khammahong, Pongsakorn Siripoom, Chaiwat Phrompet, Chaval Sriwong y Chesta Ruttanapun

Centro de Excelencia en Investigación e Innovación de Materiales Inteligentes, Instituto de Tecnología Ladkrabang del Rey Mongkut, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Keerati Maneesai, Sunisar Khammahong, Chaiwat Phrompet, Chaval Sriwong y Chesta Ruttanapun

Centro de Excelencia en Física de Tailandia, Ministerio de Educación Superior, Ciencia, Investigación e Innovación, 328 Si Ayutthaya Road, Bangkok, 10400, Tailandia

Keerati Maneesai, Sunisar Khammahong, Chaiwat Phrompet, Chaval Sriwong y Chesta Ruttanapun

Facultad de Física, Instituto de Ciencias, Universidad Tecnológica de Suranaree, Nakhon Ratchasima, 30000, Tailandia

Santi Maensiri

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Instituto de Tecnología del Rey Mongkut Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Chaval Sriwong

Facultad de Innovación y Gestión Industrial, Instituto de Tecnología Ladkrabang del Rey Mongkut, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Phrompet Chaiwat

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KM: curación de datos, análisis formal, visualización, investigación, redacción: borrador original, adquisición de fondos, SK: curación de datos, análisis formal, visualización, investigación, PS: curación de datos, análisis formal, visualización, investigación, CP: curación de datos, formal análisis, visualización, investigación, CS: curación de datos, análisis formal, visualización, investigación, SM: conceptualización, supervisión, validación, CR: conceptualización, análisis formal, adquisición de fondos, visualización de recursos, supervisión, validación, redacción (borrador original, redacción) revisión y edición.

Correspondencia a Chesta Ruttanapun.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Maneesai, K., Khammahong, S., Siripoom, P. et al. Fabricación y conversión termoeléctrica de ladrillo termoeléctrico de hormigón con módulo termoeléctrico Unileg N tipo CaMnO3 enterrado en su interior. Informe científico 13, 916 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28080-7

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Recibido: 11 de diciembre de 2021

Aceptado: 12 de enero de 2023

Publicado: 17 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28080-7

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