Modelado de módulos termoeléctricos en LTspice

Modelado TEG en LTspice

Fundamentos teóricos del modelo.

LTspice se puede utilizar para una evaluación numérica de un sistema con un TEM.

Para facilitar los cálculos, el modelo SPICE de un TEM debe ser fácilmente comprensible y configurable, según los datos de la hoja de datos del módulo. Un buen ejemplo de este modelo TEM SPICE se describe en la anotación [2].

Este modelo se basa en el hecho de que un módulo termoeléctrico consta básicamente de dos uniones termoeléctricas y la autorresistencia masiva del TEM.

La estructura del módulo se puede representar simplemente como dos fuentes de voltaje y una resistencia, como se muestra esquemáticamente en la figura 3.

El equilibrio de energía en el módulo TEM [8] se puede mostrar de la siguiente manera en el lado de absorción de energía (enfriamiento):

 , (1)

.

Y en el lado emisor (calefacción):

  

, (2)

.

Donde “Se” es el coeficiente de Seebeck del módulo, “Th” y “Tс” son las temperaturas absolutas en las superficies del TEM (respectivamente h – caliente, c – frío) y “Rq” es la resistencia térmica del módulo. Para modelar los procesos térmicos se utiliza la fórmula del efecto Peltier-Seebeck-Thomson:

, (3)

Por otro lado, la fuerza electromotriz del efecto Peltier se describe mediante la fórmula:

, (4)

Usando estas fórmulas, es posible implementar un modelo Spice de un módulo TEM programando las secciones térmica y eléctrica del sistema.

Modelo LTspice TEM

En la figura 4 se muestra un modelo LTspice del TEM. Este modelo consta de secciones eléctricas y térmicas, unidas entre sí mediante una ecuación de equilibrio de voltaje termoeléctrico.

La sección eléctrica del modelo está determinada por el efecto termoeléctrico Peltier-Seebeck-Thomson. Este efecto describe una tensión que depende de la temperatura de la unión. Por lo tanto, para modelar esta transferencia de calor, se utilizó una fuente de voltaje conductual. Estas fuentes de voltaje dependen de las temperaturas en los lados frío y caliente de un TEM (“Tc” y “Th” respectivamente) multiplicadas por el parámetro “Se” (coeficiente de Seebeck).

Además, se utiliza la resistencia “R0”, que representa la resistencia eléctrica general del TEM.

En general, el modelo aprovecha el hecho de que los parámetros térmicos y eléctricos son análogos de la siguiente manera:

• Voltaje – temperatura
• Corriente – potencia

Por ejemplo, el voltaje en el nodo “Th” corresponde con la temperatura del lado caliente del TEM.

Las características dinámicas del TEM se modelan utilizando “Cq”, la capacitancia térmica del módulo TEM y “Rq”, su conductancia térmica.