Cosa sono i generatori di energia termoelettrica?

Cos'è un Generatore Termoelettrico?

Definizione di Generatore Termoelettrico

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 conduttori diversi 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 residuo da varie fonti, come processi industriali, automobili, centrali elettriche e persino dal 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 fonte di calore.

Principio di Funzionamento

Un generatore termoelettrico è composto da due componenti principali: materiali termoelettrici e moduli termoelettrici.

I materiali termoelettrici sono materiali che mostrano l'effetto Seebeck, generando una tensione elettrica quando c'è una differenza di temperatura. Sono classificati in due tipi: n-type e p-type. I materiali n-type hanno elettroni in eccesso, mentre i materiali p-type mancano di elettroni. Quando collegati in serie con elettrodi metallici, questi materiali formano una termocoppia, l'unità di base di un generatore termoelettrico.

Un modulo termoelettrico è un dispositivo che contiene molte termocoppie 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 fonte di calore e il lato freddo è esposto a un dissipatore di calore, viene creata una differenza 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 termocoppie, 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 il calore di ingresso. Questa efficienza è limitata dall'efficienza Carnot, l'efficienza massima possibile per qualsiasi motore termico tra due temperature. L'efficienza Carnot è data da:

dove Tc è la temperatura del lato freddo, e Th è la temperatura del lato caldo.

L'efficienza reale 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 reale 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:

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 degli elettroni e dei 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 tra loro.

Materiali Comuni

• Bismuto tellururo (Bi2Te3) e le sue leghe

• Piombo tellururo (PbTe) e le sue leghe

• Skutteruditi

• Complessi Half-Heusler

Applicazioni

• Dispositivi di raffreddamento

• Generazione di energia da calore residuo

• Generazione di energia da radioisotopi

 Sfide

• Bassa efficienza

• Alto costo

• Gestione termica

• Integrazione del sistema

Future Direzioni

• Nuovi materiali termoelettrici

• Moduli termoelettrici avanzati

• Sistemi termoelettrici innovativi

Conclusione

I generatori termoelettrici sono dispositivi che possono convertire l'energia termica in energia elettrica utilizzando l'effetto Seebeck. I generatori termoelettrici presentano molti vantaggi rispetto ai metodi convenzionali di generazione di energia, come compattezza, affidabilità, silenziosità e conversione diretta. I generatori termoelettrici hanno varie applicazioni in diversi campi, come dispositivi di raffreddamento, generazione di energia da calore residuo e generazione di energia da radioisotopi. Tuttavia, i generatori termoelettrici affrontano anche alcune sfide e limitazioni che devono essere superate per una implementazione pratica, come bassa efficienza, alto costo, gestione termica e integrazione del sistema. Le future direzioni per la ricerca e lo sviluppo dei generatori termoelettrici includono nuovi materiali termoelettrici, moduli termoelettrici avanzati e sistemi termoelettrici innovativi. I generatori termoelettrici hanno un grande potenziale per le applicazioni di conversione e raccolta di energia in vari settori e scenari.