Generatori Termoelettrici: Principi, Materiali e Applicazioni
Un generatore termoelettrico (TEG) è un dispositivo che converte l'energia termica in energia elettrica utilizzando l'effetto Seebeck. L'effetto Seebeck è un fenomeno che si verifica quando esiste una differenza di temperatura tra due diversi conduttori o un circuito di conduttori, creando una differenza di potenziale elettrico. I TEG sono dispositivi a stato solido che non hanno parti mobili e possono funzionare silenziosamente e affidabilmente per lunghi periodi di tempo. I TEG possono essere utilizzati per raccogliere il calore disperso da varie sorgenti, come processi industriali, automobili, centrali elettriche e persino il calore corporeo umano, e convertirlo in elettricità utile. I TEG possono anche essere utilizzati per alimentare dispositivi remoti, come sensori, trasmettitori wireless e veicoli spaziali, utilizzando radioisotopi o calore solare come sorgente di calore.
Come funziona un generatore termoelettrico?
Un generatore termoelettrico è composto da due componenti principali: materiali termoelettrici e moduli termoelettrici.
I materiali termoelettrici sono materiali che esibiscono l'effetto Seebeck, il che significa che generano una tensione elettrica quando sottoposti a un gradiente di temperatura. I materiali termoelettrici possono essere classificati in due tipi: n-type e p-type. I materiali n-type hanno un eccesso di elettroni, mentre i materiali p-type hanno una carenza di elettroni. Quando un materiale n-type e un materiale p-type sono collegati in serie tramite elettrodi metallici, formano una coppia termoelettrica, che è l'unità di base di un generatore termoelettrico.
Un modulo termoelettrico è un dispositivo che contiene molte coppie termoelettriche collegate elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Un modulo termoelettrico ha due lati: un lato caldo e un lato freddo. Quando il lato caldo è esposto a una sorgente di calore e il lato freddo è esposto a un dissipatore di calore, viene creato un gradiente di temperatura attraverso il modulo, causando il flusso di corrente nel circuito. La corrente può essere utilizzata per alimentare un carico esterno o ricaricare una batteria. La tensione e la potenza di uscita di un modulo termoelettrico dipendono dal numero di coppie termoelettriche, dalla differenza di temperatura, dal coefficiente Seebeck e dalle resistenze elettriche e termiche dei materiali.
L'efficienza di un generatore termoelettrico è definita come il rapporto tra la potenza elettrica di uscita e l'input di calore dalla sorgente. L'efficienza di un generatore termoelettrico è limitata dall'efficienza Carnot, che è l'efficienza massima possibile per qualsiasi motore termico operante tra due temperature. L'efficienza Carnot è data da:
ηCarnot=1−ThTc
dove Tc è la temperatura del lato freddo, e Th è la temperatura del lato caldo.
L'efficienza effettiva di un generatore termoelettrico è molto inferiore all'efficienza Carnot a causa di varie perdite come il riscaldamento Joule, la conduzione termica e la radiazione termica. L'efficienza effettiva di un generatore termoelettrico dipende dal merito di figura (ZT) dei materiali termoelettrici, che è un parametro adimensionale che misura le prestazioni di un materiale per applicazioni termoelettriche. Il merito di figura è dato da:
ZT=κα2σT
dove α è il coefficiente Seebeck, σ è la conducibilità elettrica, κ è la conducibilità termica, e T è la temperatura assoluta.
Più alto è il merito di figura, più alta sarà l'efficienza del generatore termoelettrico. Il merito di figura dipende sia da proprietà intrinseche (come il trasporto di elettroni e fononi) che da proprietà estrinseche (come il livello di dopaggio e la geometria) dei materiali. L'obiettivo della ricerca sui materiali termoelettrici è trovare o progettare materiali che abbiano un elevato coefficiente Seebeck, una elevata conducibilità elettrica e una bassa conducibilità termica, che sono spesso requisiti in conflitto.
Quali sono alcuni materiali termoelettrici comuni?
I materiali termoelettrici possono essere classificati in tre categorie: metalli, semiconduttori e composti complessi.
I metalli hanno una elevata conducibilità elettrica ma un basso coefficiente Seebeck e una elevata conducibilità termica, risultando in un basso merito di figura. I metalli vengono principalmente utilizzati come elettrodi o interconnessioni nei moduli termoelettrici.
I semiconduttori hanno una conducibilità elettrica e un coefficiente Seebeck moderati, ma una elevata conducibilità termica, risultando in un merito di figura moderato. I semiconduttori possono essere dopati per creare materiali n-type o p-type con diverse concentrazioni e mobilità dei portatori. I semiconduttori sono ampiamente utilizzati come materiali termoelettrici per applicazioni a bassa temperatura (al di sotto dei 200°C).
I composti complessi hanno una bassa conducibilità elettrica ma un elevato coefficiente Seebeck e una bassa conducibilità termica, risultando in un elevato merito di figura. I composti complessi sono solitamente composti da più elementi con diversi stati di valenza e strutture cristalline, che creano strutture di bande elettroniche complesse e meccanismi di scattering fononico che migliorano le prestazioni termoelettriche. I composti complessi sono ampiamente utilizzati come materiali termoelettrici per applicazioni ad alta temperatura (al di sopra dei 200°C).
Alcuni esempi di materiali termoelettrici comuni sono:
Tellururo di bismuto (Bi2Te3) e suoi leghe: Questi sono i materiali termoelettrici più ampiamente utilizzati per applicazioni a bassa temperatura (al di sotto dei 200°C), come dispositivi di raffreddamento e generazione di energia da sorgenti di calore residuo. Il Bi2Te3 ha una struttura a strati che consiste in quintuple strati alternati di Bi2 e Te3 atomi legati da forze deboli di van der Waals. Questa struttura risulta in una bassa conducibilità termica a causa dello scattering fononico ai confini dei strati. Il Bi2Te3 può essere legato con altri elementi come antimonio (Sb), selenio (Se) o zolfo (S) per regolare le sue proprietà elettriche e ottimizzare il suo merito di figura.
Tellururo di piombo (PbTe) e sue leghe: Questi sono tra i materiali termoelettrici più ampiamente utilizzati per applicazioni a temperatura media (200-600°C), come la generazione di energia dai gas di scarico automobilistici o dalle sorgenti di calore residuo industriali. Il PbTe ha una struttura a sale da roccia che consiste in strati alternati di ioni Pb2+ e Te2- legati da forze ioniche forti. Questa struttura risulta in un elevato coefficiente Seebeck a causa degli atomi pesanti di Pb che creano una grande degenerazione di banda vicino al livello di Fermi. Il PbTe può essere legato con altri elementi come stagno (Sn), tallio (Tl) o sodio (Na) per migliorare il suo merito di figura.
Skutteruditi: Questi sono composti complessi con la formula generale MX3, dove M è un metallo di transizione (come cobalto, Co) e X è un pnictogeno (come antimonio, Sb).
Gli skutteruditi hanno una struttura cubica che consiste in una rete tridimensionale di unità M4X12 con grandi vuoti che possono ospitare atomi ospiti (come elementi terra rara, RE). Gli atomi ospiti agiscono come scatterer fononici che riducono la conducibilità termica, mentre gli atomi ospiti forniscono una elevata conducibilità elettrica e un coefficiente Seebeck. Gli skutteruditi sono promettenti materiali termoelettrici per applicazioni a temperatura media-alta (300-800°C), come la generazione di energia dal recupero di calore o dalla potenza solare concentrata.
Complessi Half-Heusler: Questi sono composti ternari con la formula generale XYZ, dove X è un metallo di transizione (come titanio, Ti), Y è un altro metallo di transizione (come nichel, Ni) e Z è un elemento principale (come stagno, Sn).
I complessi Half-Heusler hanno una struttura cubica che consiste in quattro subreticoli fcc interpenetranti, uno occupato dagli atomi X e gli altri tre occupati dagli atomi Y e Z in un rapporto 1:2. I complessi Half-Heusler hanno un elevato coefficiente Seebeck e una conducibilità elettrica a causa delle loro complesse strutture di bande elettroniche e una bassa conducibilità termica a causa dei loro pesanti atomi costituenti. I complessi Half-Heusler sono promettenti materiali termoelettrici per applicazioni ad alta temperatura (al di sopra degli 800°C), come la generazione di energia dai reattori nucleari o dai motori aerospaziali.
Quali sono alcune applicazioni dei generatori termoelettrici?
I generatori termoelettrici hanno varie applicazioni in diversi campi, a seconda dell'intervallo di temperatura, dell'uscita di potenza e della disponibilità della sorgente di calore. Alcuni esempi di applicazioni di generatori termoelettrici sono:
Dispositivi di raffreddamento: I generatori termoelettrici possono essere utilizzati per raffreddare componenti elettronici, come microprocessori, laser o sensori, applicando una corrente elettrica per creare una differenza di temperatura tra i lati caldo e freddo del modulo. Questo processo è chiamato raffreddamento termoelettrico o effetto Peltier, che è l'inverso dell'effetto Seebeck. I dispositivi di raffreddamento termoelettrico hanno vantaggi rispetto ai metodi di raffreddamento convenzionali, come compattezza, affidabilità, silenziosità e controllo preciso della temperatura.
Generazione di energia da calore disperso: I generatori termoelettrici possono essere utilizzati per raccogliere il calore disperso da varie sorgenti, come processi industriali, automobili, centrali elettriche e persino il calore corporeo umano, e convertirlo in elettricità utile. Ciò può migliorare l'efficienza energetica e ridurre le emissioni di gas serra di queste sorgenti. Ad esempio, i generatori termoelettrici possono essere integrati nei sistemi di scarico automobilistici per recuperare parte del calore perso durante la combustione e generare elettricità per l'elettronica a bordo o la ricarica della batteria. I generatori termoelettrici possono anche essere attaccati alla pelle o agli abiti umani per generare elettricità dal calore corporeo per alimentare dispositivi indossabili o impianti medici.
Generazione di energia da radioisotopi: I generatori termoelettrici possono essere utilizzati per alimentare dispositivi remoti, come sensori, trasmettitori wireless e veicoli spaziali, utilizzando radioisotopi come sorgente di calore.
I radioisotopi sono isotopi instabili che emettono radiazioni e decadono in altri elementi. Le radiazioni possono essere convertite in calore utilizzando un materiale che le assorbe, come piombo o tungsteno. Il calore può quindi essere convertito in elettricità utilizzando moduli termoelettrici. I generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) hanno vantaggi rispetto ad altre fonti di energia, come batterie o pannelli solari, in termini di lunga durata, alta affidabilità e indipendenza dalle condizioni ambientali. Gli RTG sono stati utilizzati per alimentare molte missioni spaziali, come Voyager 1 e 2, Curiosity rover e Perseverance rover.
