Generatore Termoelettrico – Generatore Seebeck
Un generatore termoelettrico (GTE), conosciuto anche come generatore Seebeck, è un dispositivo a stato solido che converte il flusso di calore (differenze di temperatura) direttamente in energia elettrica attraverso un fenomeno chiamato effetto Seebeck. I materiali termoelettrici sono utilizzati per la generazione di energia in luoghi remoti, su veicoli spaziali utilizzati per l’esplorazione interplanetaria e in luoghi dove il calore di scarto può essere recuperato. Una semplice stufa a legna o un fuoco aperto potrebbero diventare stazioni di ricarica per telefoni cellulari o persino fornire illuminazione a LED in piccoli villaggi.
Effetto Seebeck e Principio di Funzionamento
L’effetto Seebeck è un fenomeno in cui una differenza di temperatura tra due conduttori elettrici o semiconduttori dissimili produce una differenza di tensione tra le due sostanze. Se esiste un gradiente di temperatura in una giunzione di due conduttori dissimili collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo, viene prodotta una tensione. Questa caduta di potenziale è il risultato dell’effetto termoelettrico scoperto da Thomas Seebeck nel 1821. La tensione generata dipende dal coefficiente Seebeck S (S = V/ΔT) e dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni nel termocoppia.
Effetto Peltier e Coefficiente Peltier
L’effetto Peltier è l’analogia dell’effetto Seebeck. Si tratta della presenza di riscaldamento o raffreddamento in una giunzione elettrificata di due conduttori diversi. Il coefficiente Peltier (π) è determinato dal rapporto tra la corrente (I) e la velocità di riscaldamento (q): π = I/q. Rappresenta quanto calore viene trasportato per unità
di carica. Il segno di π è determinato da quale giunzione è riscaldata e quale è raffreddata. Un tipico dispositivo termoelettrico sfrutta questo fenomeno, come avviene nei dispositivi di raffreddamento termoelettrici trovati nei frigoriferi.
Effetto Thomson e le Relazioni di Kelvin
L’effetto Thomson descrive la corrente elettrica che si sviluppa in un singolo conduttore quando viene applicato un piccolo gradiente di temperatura. Questa relazione è descritta dall’equazione q = βIΔT, dove q è la velocità di riscaldamento, I è una corrente elettrica, ΔT è il cambiamento di temperatura e β è il coefficiente di Thomson. Lord Kelvin ha collegato tutti e tre i coefficienti termoelettrici nelle relazioni di Kelvin, descrivendo come i coefficienti di Seebeck, Peltier e Thomson si interrelazionano.
Potenzialità e Sfide del Generatore Termoelettrico
La generazione di energia termoelettrica svolgerà un ruolo importante nell’offrire fonti di energia necessarie per le nazioni in via di sviluppo in aree remote. Usi recenti includono ventilatori per stufe, illuminazione alimentata dal calore corporeo e un orologio intelligente alimentato dal calore corporeo. Nonostante i dispositivi termoelettrici tradizionali offrano buona affidabilità, durata e scarsa degradazione delle prestazioni nel tempo, l’uso più esteso è stato limitato dalla bassa efficienza del sistema e dal costo specifico di potenza ($/W) dei dispositivi esistenti. Per esempio, si stima che utilizzando i materiali termoelettrici comuni attualmente disponibili, l’efficienza sia limitata a forse 1/6 dell’efficienza massima possibile secondo il ciclo di Carnot.
Conclusione
Il generatore termoelettrico Seebeck rappresenta una tecnologia promettente per la conversione diretta di calore in energia elettrica, offrendo una soluzione potenziale per il recupero di energia in ambienti remoti e inutilizzati. Nonostante le sfide attuali, i continui sviluppi in questo campo potrebbero portare a soluzioni innovative per il riscaldamento globale e la crisi energetica, trasformando fonti di calore semplici e abbondanti in energia elettrica preziosa.
