Geradores Termelétricos: Princípios Materiais e Aplicações

Um gerador termoelétrico (TEG) é um dispositivo que converte energia térmica em energia elétrica utilizando o efeito Seebeck. O efeito Seebeck é um fenômeno que ocorre quando existe uma diferença de temperatura entre dois condutores diferentes ou um circuito de condutores, criando uma diferença de potencial elétrico. Os TEGs são dispositivos de estado sólido que não possuem partes móveis e podem operar silenciosamente e com confiabilidade por longos períodos. Os TEGs podem ser usados para capturar calor residual de várias fontes, como processos industriais, automóveis, centrais elétricas e até mesmo o calor corporal humano, convertendo-o em eletricidade útil. Os TEGs também podem ser usados para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmissores sem fio e naves espaciais, usando radioisótopos ou calor solar como fonte de calor.

Como Funciona um Gerador Termoelétrico?

Um gerador termoelétrico consiste em dois componentes principais: materiais termoelétricos e módulos termoelétricos.

Materiais termoelétricos são materiais que exibem o efeito Seebeck, o que significa que eles geram uma tensão elétrica quando submetidos a um gradiente de temperatura. Materiais termoelétricos podem ser classificados em dois tipos: n-type e p-type. Materiais do tipo n têm excesso de elétrons, enquanto materiais do tipo p têm deficiência de elétrons. Quando um material do tipo n e um material do tipo p são conectados em série por eletrodos metálicos, formam-se um termopar, que é a unidade básica de um gerador termoelétrico.

Um módulo termoelétrico é um dispositivo que contém muitos termopares conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo. Um módulo termoelétrico tem dois lados: um lado quente e um lado frio. Quando o lado quente é exposto a uma fonte de calor e o lado frio é exposto a um dissipador de calor, cria-se uma diferença de temperatura através do módulo, causando a circulação de corrente pelo circuito. A corrente pode ser usada para alimentar uma carga externa ou carregar uma bateria. A tensão e a potência de saída de um módulo termoelétrico dependem do número de termopares, da diferença de temperatura, do coeficiente Seebeck e das resistências elétricas e térmicas dos materiais.

A eficiência de um gerador termoelétrico é definida como a razão entre a potência elétrica de saída e a entrada de calor da fonte. A eficiência de um gerador termoelétrico é limitada pela eficiência de Carnot, que é a eficiência máxima possível para qualquer motor térmico operando entre duas temperaturas. A eficiência de Carnot é dada por:

ηCarnot=1−ThTc

onde Tc é a temperatura do lado frio e Th é a temperatura do lado quente.

A eficiência real de um gerador termoelétrico é muito menor que a eficiência de Carnot devido a várias perdas, como aquecimento Joule, condução térmica e radiação térmica. A eficiência real de um gerador termoelétrico depende do mérito de figura (ZT) dos materiais termoelétricos, que é um parâmetro adimensional que mede o desempenho de um material para aplicações termoelétricas. O mérito de figura é dado por:

ZT=κα2σT

onde α é o coeficiente Seebeck, σ é a condutividade elétrica, κ é a condutividade térmica e T é a temperatura absoluta.

Quanto maior o mérito de figura, maior a eficiência do gerador termoelétrico. O mérito de figura depende tanto de propriedades intrínsecas (como transporte de elétrons e fonons) quanto de propriedades extrínsecas (como nível de dopagem e geometria) dos materiais. O objetivo da pesquisa de materiais termoelétricos é encontrar ou projetar materiais que tenham um alto coeficiente Seebeck, alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica, que são frequentemente requisitos conflitantes.

Quais São Alguns Materiais Termoelétricos Comuns?

Os materiais termoelétricos podem ser classificados em três categorias: metais, semicondutores e compostos complexos.

Os metais têm alta condutividade elétrica, mas baixo coeficiente Seebeck e alta condutividade térmica, resultando em um baixo mérito de figura. Os metais são principalmente usados como eletrodos ou interconexões em módulos termoelétricos.

Os semicondutores têm condutividade elétrica moderada e coeficiente Seebeck, mas alta condutividade térmica, resultando em um mérito de figura moderado. Os semicondutores podem ser dopados para criar materiais do tipo n ou p com diferentes concentrações de portadores e mobilidades. Os semicondutores são amplamente utilizados como materiais termoelétricos para aplicações de baixa temperatura (abaixo de 200°C).

Os compostos complexos têm baixa condutividade elétrica, mas alto coeficiente Seebeck e baixa condutividade térmica, resultando em um alto mérito de figura. Os compostos complexos geralmente são compostos por múltiplos elementos com diferentes estados de valência e estruturas cristalinas, que criam estruturas de bandas eletrônicas complexas e mecanismos de dispersão de fonons que melhoram o desempenho termoelétrico. Os compostos complexos são amplamente utilizados como materiais termoelétricos para aplicações de alta temperatura (acima de 200°C).

Alguns exemplos de materiais termoelétricos comuns são:

• Telureto de bismuto (Bi2Te3) e suas ligas: Estes são os materiais termoelétricos mais amplamente utilizados para aplicações de baixa temperatura (abaixo de 200°C), como dispositivos de resfriamento e geração de energia a partir de fontes de calor residual. O Bi2Te3 tem uma estrutura laminada que consiste em camadas alternadas de Bi2 e Te3 átomos ligados por forças de van der Waals fracas. Essa estrutura resulta em baixa condutividade térmica devido à dispersão de fonons nas fronteiras das camadas. O Bi2Te3 pode ser ligado com outros elementos, como antimônio (Sb), selênio (Se) ou enxofre (S), para ajustar suas propriedades elétricas e otimizar seu mérito de figura.

• Telureto de chumbo (PbTe) e suas ligas: Estes são entre os materiais termoelétricos mais amplamente utilizados para aplicações de temperatura média (200-600°C), como geração de energia a partir de escapamentos de automóveis ou fontes de calor residual industrial. O PbTe tem uma estrutura de sal de rocha que consiste em camadas alternadas de íons Pb2+ e Te2- ligados por forças iônicas fortes. Essa estrutura resulta em um alto coeficiente Seebeck devido aos átomos pesados de Pb que criam grande degenerescência de banda perto do nível de Fermi. O PbTe pode ser ligado com outros elementos, como estanho (Sn), tálio (Tl) ou sódio (Na), para aumentar seu mérito de figura.

• Skutteruditas: Estes são compostos complexos com a fórmula geral MX3, onde M é um metal de transição (como cobalto, Co) e X é um pnictogênio (como antimonio, Sb).

           
   

• Os skutteruditas têm uma estrutura cúbica que consiste em uma rede tridimensional de unidades M4X12 com grandes vazios que podem acomodar átomos convidados (como elementos de terras raras, RE). Os átomos convidados atuam como dispersores de fonons que reduzem a condutividade térmica, enquanto os átomos hospedeiros fornecem alta condutividade elétrica e coeficiente Seebeck. Os skutteruditas são promissores materiais termoelétricos para aplicações de temperatura média a alta (300-800°C), como geração de energia a partir de recuperação de calor residual ou energia solar concentrada.

• Compostos Half-Heusler: Estes são compostos ternários com a fórmula geral XYZ, onde X é um metal de transição (como titânio, Ti), Y é outro metal de transição (como níquel, Ni) e Z é um elemento principal (como estanho, Sn).

           
   

• Os compostos Half-Heusler têm uma estrutura cúbica que consiste em quatro subreticulados fcc interpenetrantes, um ocupado por átomos X e os outros três ocupados por átomos Y e Z em uma proporção de 1:2. Os compostos Half-Heusler têm alto coeficiente Seebeck e condutividade elétrica devido às suas complexas estruturas de bandas eletrônicas e baixa condutividade térmica devido aos seus átomos constituintes pesados. Os compostos Half-Heusler são promissores materiais termoelétricos para aplicações de alta temperatura (acima de 800°C), como geração de energia a partir de reatores nucleares ou motores aeroespaciais.

Quais São Algumas Aplicações de Geradores Termoelétricos?

Os geradores termoelétricos têm diversas aplicações em diferentes campos, dependendo da faixa de temperatura, potência de saída e disponibilidade da fonte de calor. Alguns exemplos de aplicações de geradores termoelétricos são:

• Dispositivos de resfriamento: Os geradores termoelétricos podem ser usados para resfriar componentes eletrônicos, como microprocessadores, lasers ou sensores, aplicando uma corrente elétrica para criar uma diferença de temperatura entre os lados quente e frio do módulo. Este processo é chamado de resfriamento termoelétrico ou efeito Peltier, que é o inverso do efeito Seebeck. Os dispositivos de resfriamento termoelétrico têm vantagens sobre métodos de resfriamento convencionais, como compactação, confiabilidade, ausência de ruído e controle preciso de temperatura.

• Geração de energia a partir de calor residual: Os geradores termoelétricos podem ser usados para capturar calor residual de várias fontes, como processos industriais, automóveis, centrais elétricas e até mesmo o calor corporal humano, e convertê-lo em eletricidade útil. Isso pode melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões de gases de efeito estufa dessas fontes. Por exemplo, os geradores termoelétricos podem ser integrados nos sistemas de escapamento de automóveis para recuperar parte do calor perdido durante a combustão e gerar eletricidade para eletrônicos a bordo ou recarga de baterias. Os geradores termoelétricos também podem ser anexados à pele ou roupas humanas para gerar eletricidade a partir do calor corporal para alimentar dispositivos vestíveis ou implantes médicos.

• Geração de energia a partir de radioisótopos: Os geradores termoelétricos podem ser usados para alimentar dispositivos remotos, como sensores, transmissores sem fio e naves espaciais, usando radioisótopos como fonte de calor.

           
   

• Radioisótopos são isótopos instáveis que emitem radiação e se decompõem em outros elementos. A radiação pode ser convertida em calor usando um material que a absorva, como chumbo ou tungstênio. O calor pode então ser convertido em eletricidade usando módulos termoelétricos. Os geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) têm vantagens sobre outras fontes de energia, como baterias ou painéis solares, em termos de longa vida útil, alta confiabilidade e independência de condições ambientais. RTGs foram usados para alimentar muitas missões espaciais, como Voyager 1 e 2, rover Curiosity e rover Perseverance.

Quais São Alguns Desafios e Direções Futuras para Geradores Termoelétricos?