Desarrollo de un modelo matemático fenomenológico que permita simular el comportamiento de sistemas termoeléctricos

Abstract

Resumen: El uso irracional y desmedido de la energía ha llevado al planteamiento de nuevas formas de generaciones energéticas, conocidas como tecnologías limpias. Uno de los retos actuales es la generación de frío de forma limpia debido a que los métodos más comunes son aquellos que utilizan la compresión de gases (CFC), que contribuyen a la contaminación ambiental y al creciente efecto invernadero. La ingeniería hace posible el desarrollo de máquinas de refrigeración que evitan el uso de gases tóxicos y se basan en la aplicación de fenómenos irreversibles acoplados como las máquinas termoeléctricas. Su operación se basa en flujo de corriente eléctrica, sin la necesidad de sustancia refrigerante y pueden competir en el mercado de sistemas de refrigeración a baja escala, con productos como cajas de refrigeración para vacunas, sistemas de refrigeración para CPUs, aire acondicionado al interior de los automóviles. Igualmente, se desarrollan sistemas de refrigeración para interiores, compitiendo con los tradicionales sistemas de aire acondicionado por compresión. Uno de los principales desafíos en la refrigeración termoeléctrica, es mejorar el coeficiente operación (COP) de estos dispositivos, debido a que hasta la fecha son bajos comparados con los refrigeradores convencionales. Éste tema toma particular interés en las investigaciones de nuevos materiales, ya que las propiedades del material termoeléctrico definen el COP teórico de los refrigeradores termoeléctricos. Por otro lado, para mitigar el problema de sostenibilidad energética, la termoelectricidad se presenta como una alternativa, ya que es una tecnología renovable y versátil, de calentamiento, refrigeración y generación de corriente eléctrica. Focalizando la atención en ésta última aplicación, donde los sistemas termoeléctricos pueden ser utilizados para 1. Introducción 17 convertir energía en forma de calor en energía eléctrica. Dicha posibilidad abre paso a una gran cantidad de aplicaciones, teniendo en cuenta que muchas de las tecnologías actuales desperdician el 65% de la energía necesaria para su funcionamiento (carros, bombillas, calentadores, entre otros) en forma de calor y que éste desperdicio representa un costo, solo en estados unidos, para el año 2004, de 265 mil millones de dólares (Service 2004).Por lo tanto, la tecnología termoeléctrica puede jugar un papel clave en la recuperación de energía, a partir de calores residuales. Desde la perspectiva del desarrollo en Colombia de investigaciones y/o aplicaciones de sistemas termoeléctricos, hay algunos grupos de investigación en el área de estado sólido, estudiando películas termoeléctricas. Pero hasta la fecha no existe reporte de máquinas de refrigeración o generación desarrolladas en el país. Tampoco, existen estudios donde se presenten modelos matemáticos que describen el comportamiento de materiales y sistemas termoeléctricos. Por lo tanto, el estudio de sistemas termoeléctricos, el desarrollo de aplicaciones termoeléctricas y modelos que permitan el diseño y comprensión del fenómeno, es una importante rama de investigación abierta en el país y un tema de desarrollo actual en el mundo.