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

Jul 12, 2023

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 aislamiento térmico y la resistencia de la interfaz térmica debido a la estructura multicapa para mejorar la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico, se fabricó un ladrillo de concreto termoeléctrico utilizando un módulo termoeléctrico de CaMnO3 de tipo n unileg en el interior. Los materiales termoeléctricos de CaMnO3 se sintetizaron a partir de los materiales de partida CaCO3 y MnO2 para producir un módulo de CaMnO3 de tipo n de una sola pata. El ladrillo de hormigón termoeléctrico constaba de dos tipos: ladrillo de capa I (una capa de aislante térmico de hormigón) y ladrillo de capa III (tres capas de diferentes aislantes de hormigón). Se midió la diferencia de temperatura, la corriente eléctrica y el voltaje en el módulo de CaMnO3 y el ladrillo de hormigón termoeléctrico en circuitos cerrados y abiertos. Se midió 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 estaban en buen acuerdo. Los resultados de la diferencia de temperatura durante la temperatura del lado más caliente de 200 °C exhibieron la diferencia de temperatura a lo largo de la dirección vertical de los ladrillos de concreto termoeléctrico para ambos tipos de ladrillo de capa III de 172 °C y ladrillo de capa I de 132 ° C son mayores que las del módulo CaMnO3 TEG sin utilizar un aislante térmico de hormigón de 108 °C. Los ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo III capa de 27,70 mV presentaron resultados de tensión de salida superiores a los del ladrillo I capa de 26,57 mV y el módulo CaMnO3 TEG sin utilizar aislador 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 III capa para la generación de energía eléctrica en función de la diferencia de temperatura. El ladrillo de hormigón TEG de hormigón en I-capa que cubre el circuito de combinación serie-paralelo de 120 módulos del CaMnO3 tipo n 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 máximo de salida se obtuvo a 581,7 mV.

Los generadores termoeléctricos (TEG) son dispositivos que generan energía eléctrica directamente a partir de energía térmica. Los trietilenglicol pueden funcionar sin piezas móviles mecánicas ni reacciones no químicas, ya que la ventaja de los trietilenglicol 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 solar termoeléctrico (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 de 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 Ec. (1), la eficiencia de los módulos TEG depende de ZT y la diferencia de temperatura se mantiene durante la operación TEG. En las últimas dos décadas, ha habido un progreso significativo en la mejora del rendimiento ZT de los materiales termoeléctricos (TE). Sin embargo, el rendimiento de los módulos TE es mucho más bajo que la eficiencia teórica debido a la optimización ineficaz de la estructura del módulo TEG, las pérdidas de calor y las 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 mejorar la eficiencia de TEG del módulo. Recientemente, Song et al.1 informaron resultados matemáticos y experimentales de la reducción de la pérdida de calor del módulo TEG utilizando aire, aerogel, Min-K y fibra de vidrio como material de relleno del aislante térmico. El relleno de aerogel como aislante térmico cubre los módulos, lo que da como resultado una mejora de la eficiencia del 8,225 %. Lee et al.14 instalaron un módulo TEG en la superficie de la muestra de concreto y el disipador de enfriamiento para mantener la diferencia de temperatura y generar una pequeña energía eléctrica a partir de la 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 energía eléctrica 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), láminas múltiples de Kapton recubiertas con metal altamente reflectante y espaciadores de baja conductividad térmica capaces de mantener cientos de gradientes de temperatura a través de unos pocos milímetros de espesor de aislamiento, se introdujo para misiones espaciales en 195017. Gallegos et al.18 Report Computational Análisis de dinámica de fluidos (CFD) de la transferencia de calor conjugada en una pared multicapa que incluye una capa de aire para hornos de cerámica. El resultado muestra que una capa de aire con un espesor de 10 cm con cuatro particiones reduce alrededor del 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 de aislamiento térmico son prácticas y se utilizan ampliamente en todo el mundo. Varias investigaciones numéricas19,20 informaron una reducción significativa en el consumo de energía de los edificios con paredes multicapa. Varios estudios de simulación por computadora dan como resultado una excelente concordancia con el experimento21,22,23,24,25.

Dado que la capacidad de energía eléctrica se usa ampliamente a aproximadamente 200 mV/K, se vuelve esencial aumentar el voltaje de salida de los TEG al combinar 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 una resistencia interna del módulo TE26. Los entornos operativos típicos de los TEG involucran fluctuaciones de temperatura28 que 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 de una sola pierna del módulo TEG ofrece una estructura fácil de fabricar, que también reduce este desajuste de expansión térmica. Además, esta estructura otorga 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 hace posible su uso en el aire sin ningún recubrimiento especial. Las propiedades químicas versátiles y las estructuras complejas de los óxidos de TE facilitan la modificación de su estructura. El compuesto CaMnO3 es un material de perovskita TE bien 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 documento tiene como objetivo investigar el efecto de la reducción de la pérdida de calor utilizando aisladores térmicos 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 usando aislantes térmicos y el concepto de conversión directa de la pérdida de calor de las paredes de hormigón genera electricidad usando el dispositivo termoeléctrico, se utilizó hormigón como aislante térmico que cubre el módulo TEG. Se midió un módulo de CaMnO3 TEG de tipo n de una sola pata sin aislante térmico como muestra de control. El módulo de trietilenglicol enterrado en ladrillos de hormigón se fabricó utilizando una estructura de una sola pata del módulo de TEG de CaMnO3 de tipo n (denominado módulo de CaMnO3 de tipo n de una sola pata). El módulo de 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 de CaMnO3 tipo n unileg se fabricó con diferentes capas de hormigón termoaislante en 2 modelos tipo ladrillo: 1) una capa de hormigón termoaislante (llamado ladrillo de capa I) y 2) tres capas de material termoaislante hormigón (llamado ladrillo de III capa). Se utilizó una simulación por computadora del Método de Elementos Finitos (FEM) para optimizar el desempeño de los ladrillos de concreto termoeléctrico. Se investigó la distribución térmica de módulos TEG CaMnO3 sin aislante térmico y los dos tipos de ladrillos de hormigón termoeléctrico cuando se aplica temperatura constante. También se estudiaron los comportamientos térmico y eléctrico al aplicar temperatura constante tanto en medidas de circuito cerrado como abierto.

Los patrones 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 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 reticular calculada fue de 0,022 %. Además, la muestra de CaMnO3 se utilizó para fabricar el módulo TEG unileg 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 sinterizado 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 la 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 de 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 de % atómico de Ca: Mn: O: C, respectivamente. Los resultados experimentales tanto de la relación de % en peso como de la relación de % atómico son muy 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 de dependencia 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 dependencia de la temperatura de la conductividad térmica. De acuerdo con 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 un 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. De acuerdo con la Fig. 1c, el valor de la 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 de dependencia positiva de la temperatura de la conductividad eléctrica.

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) y la figura de mérito (ZT) calculados 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 la Fig. 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 de PF y ZT aumentó con el aumento de la temperatura. La curva ajustada correspondiente al PF y ZT calculados confirma el comportamiento de dependencia positiva 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 y una altura vertical de 2,0 cm y sinterizados usando un horno eléctrico a una temperatura de 1100 °C durante 12 h, como se muestra en la Fig. 2. El módulo de TEG CaMnO3 unileg sin aislante térmico se muestra en la Fig. 3a. Los cables eléctricos, que son cables eléctricos de protección contra el calor, se conectaron con electrodos de aluminio inferior y superior 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 varillas de CaMnO3.

Se utilizó hormigón termoaislante para fabricar ladrillos de hormigón termoeléctrico. Se utilizan tres tipos de mortero de cemento 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 comúnmente 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 termoeléctrico 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, se fabricó CAST 11 LW (el valor de conductividad térmica más bajo) 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 TEG CaMnO3 unileg tipo n dentro de un ladrillo. Nuestro ladrillo de III capa consta de tres capas de diferentes tipos de hormigón. Para aumentar la diferencia de temperatura aumentando la reducción de la pérdida de calor a lo largo de la dirección vertical del módulo TEG de ladrillo de capa III, 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 medio de conductividad térmica) como la segunda capa (capa intermedia). Finalmente, para lograr la liberación térmica más alta 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 hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo de III capa que utilizan el mortero de cemento CAST 11 LW, CAST 13 LW y CAST 15 LW para hormigón termoaislante, con el módulo TEG CaMnO3 tipo n unileg en el interior de un ladrillo. .

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

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, para simular el comportamiento térmico y eléctrico del módulo termoeléctrico. Las ecuaciones de gobierno que se utilizan en la simulación FEM como se muestra 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 usó 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 una energía cinética más alta 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 las temperaturas más calientes y más frías (dT = TH-TC) causó la diferencia de potencial (dV). Este fenómeno puede explicarse por los efectos Seebeck, los efectos Peltier y los efectos Thomson como efectos termoeléctricos. El tipo de ladrillo de capa I de ladrillos de hormigón termoeléctrico, 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 de geometría utilizado para la simulación del módulo TEG sin el modelo de aislante térmico y el modelo de ladrillo tipo I-capa 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 aislador térmico y el modelo de ladrillo de tipo I-capa del modelo de ladrillo de hormigón termoeléctrico. La condición límite de temperatura y la condición límite potencial del módulo TEG fueron 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 límite del modelo consiste en la temperatura más alta constante en el lado inferior del módulo TEG sin el modelo de aislante térmico y el lado inferior del modelo de ladrillo de capa I del modelo de ladrillo de concreto termoeléctrico, como se muestra en la Fig. 5c. La condición límite del potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y el ladrillo de concreto termoeléctrico se establecieron en cero potencial (puesto a tierra), como se muestra en la Fig. 5d. La corriente de calor fluía hacia el módulo TEG solo desde la fuente de calor 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 de TEG CaMnO3 unileg 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 hormigón 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 y d muestran la condición límite de temperatura y la condición límite potencial utilizadas en el modelo de simulación por computadora del tipo de ladrillo de capa III de los ladrillos de concreto termoeléctrico.

Modelo de cálculo del módulo TEG y el tipo de ladrillo de capa I de 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 alta constante y (d) condición de contorno de potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y el hormigón termoeléctrico.

Como se describió anteriormente en la condición de contorno, 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 el módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III. Los resultados de la simulación por computadora de la temperatura, la superficie de temperatura 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 -20–650 °C para registrar la distribución térmica infrarroja del módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico y los ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo de ladrillo de capa I y el III La Fig. 7 muestra una capa de ladrillo a temperaturas del lado caliente de 100, 200 y 400 °C. 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 alta de 100 °C. Los resultados de aplicar temperaturas más altas de 200 y 400 °C mostraron alta temperatura 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 III capa mostraron una diferencia de temperatura dentro del módulo TEG en dirección vertical para 100, 200 y 400 °C. La mayor parte del calor se confinó cerca del lado más caliente del ladrillo al aplicar la temperatura más alta para 100 y 200 °C. Los resultados indicaron que la temperatura de recubrimiento a lo largo de los ladrillos de capa I y capa III fue más efectiva que el módulo TEG sin aislante térmico para mantener la diferencia de temperatura.

Modelo de cálculo del módulo TEG y el tipo de ladrillo de III capa de ladrillo de hormigón termoeléctrico usando el software COMSOL Multiphysics v.5.5 (https://www.comsol.com) 40(a) Diagrama esquemático del modelo geométrico, (b) finito malla de elementos del modelo de simulación y condición límite del modelo del modelo de simulación, (c) temperatura más alta constante y (d) condición límite de potencial eléctrico en el lado más caliente del módulo TEG y el concreto 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 aislador, el ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III se muestran en la Fig. 8a, b y c, respectivamente. Las propiedades térmicas del módulo CaMnO3 TEG y los hormigones aislantes térmicos al aplicar una temperatura constante mayor a 200 °C fueron registradas por una cámara infrarroja. Para validar la simulación, los resultados de FEM se compararon con las imágenes infrarrojas. La imagen de distribución térmica de la simulación FEM dependiente del tiempo con la aplicación de la temperatura más caliente constante a 200 °C se muestra en la Fig. 8d, e y 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 y d 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 es confirmado por la simulación FEM indicada por la alta temperatura alrededor del módulo sin aislante térmico. Las figuras 8b y e 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 a lo largo de la dirección vertical tanto en el interior del módulo como en el aislante térmico cubierto. Las Figuras 8c y f 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 hormigón termoeléctrico, 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 ladrillo I-capa y del tipo ladrillo III-capa al aplicar la temperatura del lado caliente a 100 °C, (d–f) para temperatura a 200 °C, y (g– i) para temperatura a 400 °C.

La conversión eléctrica del módulo CaMnO3 TEG y el 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, el lado inferior del módulo TEG se calentó mediante una placa caliente. 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 el lado superior del módulo, respectivamente. Para el módulo TEG en ladrillos de I-capa y III-capa, la parte inferior del ladrillo de hormigón termoeléctrico fue calentada por una placa caliente. La temperatura más alta (TH) y la temperatura más fría (TC) se midieron usando multímetros con la sonda de termopar tipo K en el lado inferior y el lado 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 inferior y superior para mediciones de tensión y corriente eléctricas. Para la medición de circuito abierto, como se muestra en la Fig. 9a, b y d, el voltaje de salida entre los electrodos inferior y superior del módulo se midió con un multímetro. La resistencia interna también se midió usando 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 los dispositivos termoeléctricos a temperaturas más altas constantes 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 tipo I-capa y tipo III-capa al aplicar una temperatura lateral caliente a 200 °C: (a–c) resultados experimentales de la imagen infrarroja utilizando Keysight Technologies, U5856A (https://www.keysight.com/) y los resultados de cálculo (d–f) de la simulación FEM utilizando 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 describían 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 de circuito abierto del módulo CaMnO3 TEG y el ladrillo de hormigón termoeléctrico en el tipo de ladrillo de capa I y el tipo de ladrillo de capa III 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 a partir de la temperatura ambiente hasta alcanzar la temperatura objetivo más alta de 200 °C. Como se muestra en la Fig. 11a, la temperatura más alta estable se alcanzó unos 15 minutos más tarde. La temperatura promedio más alta durante 40–60 min 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 más fría promedio durante 40–60 min 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 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 estuvo cerca de la de los resultados experimentales.

Tensión de salida en función de la diferencia de temperatura obtenida en la medida 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 40–60 min 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 I-capa permite una menor transferencia de calor (mayor reducción de pérdida de calor) que el módulo TEG sin aislante térmico.

Considerando 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 usando la misma geometría de ladrillo, como se muestra en la información complementaria (Fig. S6) . De acuerdo con 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 central es la barra vertical con un tamaño de 1,0 cm de diámetro y 2,0 cm de altura vertical dentro del área rectangular con el tamaño de 20,0 cm × 20,0 cm × 2,0 cm. El área interna 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 consta de (1) conducción de calor de la varilla de CaMnO3 TEG dentro de la parte media y (2) convección de calor del aire natural en la parte 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 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 el área inferior, superior y exterior de la parte media se calcula usando 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 de la parte 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 es igual a 8,25 W/m2·K.

El mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de capa I consta de (1) conducción de calor de la varilla de CaMnO3 TEG dentro de la parte media y (2) conducción de calor de CAST 11 LW como aislante térmico en la parte inferior, superior y exterior área 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 igual a 0,65 W/m·K. De acuerdo con la información complementaria (Tabla S2), los valores de conductividad térmica entre el rango de temperatura de 400-1000 °C del mortero de cemento CAST 11 LW son de aproximadamente 0,25-0,40 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 capa I es igual a 0,49 W/m2·K.

De acuerdo con la información complementaria (Fig. S6), el mecanismo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de capa III consiste en la conducción de calor de la barra de CaMnO3 TEG dentro de la parte media, conducción de calor de 1,25 cm de longitud de CAST 11 LW en la parte inferior (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 la zona exterior de la parte media, respectivamente y conducción de calor de 1,25 cm de longitud 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 igual a 0,65 W/m·K. De acuerdo con 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 del orden de 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 que la conductividad térmica extrapolada a 200 °C 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 capa III. La resistencia térmica total calculada es de aproximadamente 3,69 K/W y la transmitancia térmica del ladrillo de capa I es igual a 6,7 ​​W/m2·K.

La transmitancia térmica calculada del módulo TEG sin aislante térmico es 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 lado más frío del ladrillo de capa I con respecto al Módulo TEG sin aislante térmico. La transmitancia térmica calculada del ladrillo de capa III es aproximadamente 13,6 veces mayor que la del ladrillo de capa I. Este resultado calculado contrasta con la diferencia de temperatura experimental según la información complementaria (Fig. S5). Sin embargo, según lo informado por 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 muestran 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 del tiempo de inicio. Hay diferencias de temperatura que disminuyen a medida que la temperatura aumenta hasta la temperatura objetivo. Después de eso, hay diferencias de temperatura constantes durante la temperatura más caliente constante. La diferencia de temperatura de ambos módulos TEG en ladrillos de capa I y capa III 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 40–60 min es 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 concuerdan bien. 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 más alta constante de 200 °C, hay algunas reducciones en los voltajes de salida tanto experimentales como de simulación FEM del módulo TEG en los ladrillos de capa I y capa III. A una temperatura más alta constante, el voltaje de salida del módulo TEG sin aislante térmico es más bajo que el voltaje de salida del módulo TEG en ladrillos de capa I y capa III.

Como se muestra en la Fig. 11d, e y f, los resultados de la simulación FEM del ladrillo de capa I y 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 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 excelente predicción precisa del rendimiento del módulo en el rango de entrada de las condiciones de operación. 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 la capa media inferior y la capa media superior. de ladrillo de III capa.

Los valores de resistencia interna del módulo TEG sin aislante térmico y el ladrillo de hormigón termoeléctrico de los ladrillos de capa I y capa III en función del tiempo se muestran en la Fig. 12. Un diagrama esquemático de la medición interna de circuito abierto de la 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 a 200 °C. La resistencia interna del módulo en los ladrillos de capa I y 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.

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

Basado en la definición de la ruta libre media, que es la distancia más larga del movimiento del portaaviones sin ninguna colisión. El camino libre medio más alto indica la conductividad más alta de la muestra. Resistencia interna, el obstáculo provoca un menor recorrido libre medio de los portadores. Los portadores de alta energía cinética (alta temperatura) se mueven más rápido que los de 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) provoca la diferencia en el camino libre medio del portador en el lado más caliente y más frío del módulo. En resumen, la mayor diferencia en el 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.

De acuerdo con la Fig. 8 y la Fig. 11b, durante el mismo lado de temperatura más caliente de 200 °C, diferentes mecanismos de transferencia de calor causaron tres valores distintos de la diferencia de temperatura entre el lado más caliente y el más frío de las muestras. De acuerdo con el detalle del siguiente párrafo, la conducción de calor es una parte significativa del mecanismo de transferencia de calor de (1) el módulo TEG sin aislante térmico, (2) el módulo en capa I y (3) el módulo en 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.

Desprecie 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 CaMnO3 TEG y la conducción de calor del aislante térmico circundante de CAST 11 LW con la 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 capa III consiste en la conducción de calor del módulo CaMnO3 TEG y la conducción de calor de la serie circundante de aislante térmico de CAST 11 LW (la parte inferior), CAST 13 LW (la parte media) y CAST 15 LW (la parte superior) con la conductividad térmica extrapolada de 0,2, 0,34 y 0,58 W/m·K durante el lado de temperatura más alta de 200 °C, respectivamente. Según Grujicic et al.43, el efecto de la resistencia de interfaz térmica debe incluirse como un mecanismo significativo de transferencia de calor del módulo TEG en ladrillo de capa III. Estos resultados demostraron el concepto de usar aislante térmico de ladrillos de capa I y capa III para mantener 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 conectaba al circuito. La temperatura del lado más caliente se elevó desde la temperatura ambiente. Se midieron el lado más caliente, la temperatura del lado más frío, la tensión 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 la capa I y el ladrillo de la capa III se presentan 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 Fig. 13b y c, respectivamente.

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

Como se muestra en las Fig. 13a y b, la potencia de generación eléctrica del módulo sin aislador, el ladrillo de hormigón termoeléctrico del ladrillo de capa I y el ladrillo de capa III a la diferencia de temperatura aplicada de 100 y 150 °C muestra una parte de funciones parabólicas de la resistencia de carga externa y 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 a medida que aumentaba la diferencia de temperatura. El ladrillo I-capa tiene la mayor potencia de generación eléctrica, que es mayor que el ladrillo III-capa y el módulo TEG sin aislador. Estos resultados indicaron que la potencia de generación eléctrica del ladrillo de concreto termoeléctrico para el tipo de ladrillo de capa III fue mayor que la del ladrillo de capa I 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 el módulo en ladrillo de capa III. 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 diferencia de pendiente 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 había realizado 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. De acuerdo con la inserción (a) de la Fig. 14, se conectaron veinte módulos de CaMnO3 tipo n 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 del CaMnO3 de tipo n 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 hormigón en I-capa como aislante térmico para cubrir el circuito combinado serie-paralelo de 120 módulos de CaMnO3 tipo n unipata. De acuerdo con la fuente de calor dentro del horno, el lado exterior de la pared del horno se realizó 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. La máxima tensión de salida se obtuvo 581,7 mV. En la inserción (e) de la Fig. 14, las imágenes de distribución térmica de la cámara termográfica infrarroja del ladrillo de hormigón empotradas en la pared superficial del horno como indexación 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 de la cámara termográfica infrarroja del extremo abierto indexado por S2 (493,7 °C) también exhibieron 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 aislador, 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 con incrustaciones 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 de tipo n unileg, los ladrillos de hormigón termoeléctrico de los ladrillos de capa I y capa III. El resultado de la diferencia de temperatura indica la mayor eficiencia de mantener la diferencia de temperatura a lo largo de la dirección vertical del módulo TEG en los ladrillos de capa I y capa III en lugar del módulo CaMnO3 TEG sin aislante térmico. El voltaje de salida predice un mayor rendimiento para convertir el calor residual directamente en electricidad de los ladrillos de hormigón termoeléctrico de la capa I y los ladrillos 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 la temperatura y el valor potencial de salida del experimento y la simulación por computadora siguen siendo ligeramente diferentes. El tipo de ladrillo de III capa mostró potencia de generación eléctrica de alto rendimiento. Además, estos materiales mostraron un alto desempeño del ladrillo de concreto 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 de 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 con una máquina semiautónoma casera, como se muestra en la información complementaria (Fig. S8), en varillas con un diámetro de 10,0 mm y 20,0 vertical. 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 de polvo utilizando un difractómetro PHILIPS X' Pert MPD con radiación Cu Ka en el rango de 10–80 °C. Se utilizó microscopía electrónica de barrido (JEOL SEM JSM-5800 LV) para observar las morfologías y los tamaños de grano de las muestras de CaMnO3 y para determinar la distribución homogénea de los 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 realizaron simultáneamente en una barra de muestra usando un.

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

Se construyó un módulo de TEG de CaMnO3 de una sola rama, 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 se cubrieron con 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 contra el calor, se conectaron con electrodos de aluminio inferior y superior para medir las propiedades eléctricas. El lado inferior del módulo TEG se calentó con una placa caliente, como se muestra en la Fig. 3b.

El módulo CaMnO3 TEG tipo n unileg (módulo CaMnO3 TEG) se aplicó para la construcción de ladrillos de hormigón termoeléctrico. Los ladrillos de concreto termoeléctrico se fabricaron enterrando el módulo CaMnO3 TEG dentro del concreto, como se muestra en la Fig. 4a. El ladrillo de colada de hormigón se preparó con unas dimensiones de 20,0 cm × 20,0 cm × 4,5 cm. De acuerdo con las Fig. 4b yc, el ladrillo de hormigón se produjo en el tipo de ladrillo de capa I y el tipo de ladrillo de capa III. Luego, el módulo CaMnO3 TEG se contuvo en el medio del ladrillo de fundición de hormigón envuelto en plástico. A continuación, los ladrillos de hormigón se calentaron para secar el hormigón y derretir la envoltura de plástico aumentando el calentamiento desde temperatura ambiente hasta 350 °C en 24 h.

A través del proceso anterior, los ladrillos de concreto termoeléctrico se fabricaron en dos tipos: 1) Una capa de ladrillo de concreto (ladrillo de capa I) y 2) Tres capas de ladrillo de concreto (ladrillo de capa III). El tipo de ladrillo de capa I fue el tipo de ladrillo de hormigón termoeléctrico obtenido por 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 ladrillo termoaislante moldeable (ASTM C 401 Clase 0) con una conductividad térmica extrapolada de 0,20 W/mK a la temperatura de 200 °C. La figura 4b muestra un diagrama esquemático de ladrillos de hormigón termoeléctrico del tipo ladrillo I-capa.

Además, el ladrillo de concreto termoeléctrico del tipo ladrillo de III capa se fabricó utilizando el módulo CaMnO3 TEG recubierto 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 ladrillo termoaislante moldeado en ASTM C 401 Clase Q para CAST 13 LW y ASTM C 401 Clase S para CAST 15 LW. Los cementos CAST 13 LW y CAST 15 LW presentaron 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 concreto termoeléctrico se dispuso por valores altos a bajos de conductividad térmica 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 de abajo hacia arriba de los ladrillos.

La conversión eléctrica del módulo CaMnO3 TEG y el 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, el lado inferior del módulo TEG se calentó mediante una placa caliente. 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 el lado superior del módulo, respectivamente. Para el módulo TEG en ladrillos de I-capa y III-capa, la parte inferior del ladrillo de hormigón termoeléctrico fue calentada por una placa caliente. 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 el lado 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 inferior y superior para mediciones de tensión y corriente eléctricas. Para la medición de circuito abierto, como se muestra en las Fig. 9a yb, 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 superficial.

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 los dispositivos termoeléctricos a temperaturas más altas constantes 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 de King Mongkut (KMITL Doctoral Scholarship id KDS2018/007). Los autores desean agradecer al Centro de Excelencia en Física de Tailandia (ThEP) que proporcionó 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, Escuela 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, Escuela de Ciencias, Instituto de Tecnología del Rey 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 del Rey Mongkut Ladkrabang, 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, Escuela 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 del Rey Mongkut Ladkrabang, Chalongkrung Road, Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Frompet chaiwat

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Correspondencia a Chesta Ruttanapun.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 11 diciembre 2021

Aceptado: 12 de enero de 2023

Publicado: 17 enero 2023

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

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