In fisica sappiamo che l’energia non può essere creata né distrutta, può solo cambiare forma. Questa è la legge di conservazione dell’energia, che spinge gli ingegneri a trovare modi per convertire l’energia in forme più utili.
Un buon esempio è la produzione di energia termica, che può convertire direttamente il calore in energia elettrica. Questo effetto è stato scoperto per la prima volta da Thomas Seebeck ed è ora noto come effetto Seebeck, che è stato applicato a dispositivi chiamati generatori termoelettrici (TEG). Fu solo nel XX secolo che questi dispositivi a stato solido fecero progressi significativi nelle applicazioni pratiche, con le prime versioni commerciali apparse negli anni ’60. Da allora, TEG è entrata in moltissimi campi applicativi diversi.
Conoscenza base del modulo TEG
Il principio di funzionamento del modulo generatore termoelettrico (solitamente indicato come TEG) è convertire la differenza di temperatura in tensione e viceversa. Questa caratteristica è chiamata effetto termoelettrico, che comprende tre parti correlate: 1) effetto Seebeck, che genera elettricità attraverso il gradiente di temperatura; 2) L'effetto Peltier si riferisce all'assorbimento o al rilascio di calore quando la corrente scorre attraverso due materiali diversi; 3) L'effetto Thomson si riferisce alla generazione o all'assorbimento di calore in base alla direzione del flusso di corrente.
Un punto di confusione comune nella tecnologia termoelettrica è la differenza tra generatori termoelettrici (TEG) e raffreddatori termoelettrici (TEC). TEG utilizza l'effetto Seebeck per generare elettricità attraverso il calore, mentre TEC utilizza l'effetto Peltier per fornire raffreddamento o mantenere una temperatura stabile. Entrambi questi effetti si basano su materiali semiconduttori simili, ma con design diversi: TEG può ottenere differenziali di temperatura elevati e una produzione di potenza efficiente, mentre TEC utilizza materiali come ceramica e rame per ottimizzare la conduzione del calore.
Se infatti l’obiettivo è generare energia elettrica sfruttando l’energia termica, allora il modulo TEG è la scelta giusta. I moduli TEC o Peltier sono più efficaci per il raffreddamento o la stabilità della temperatura. Same Sky fornisce sia moduli TEG che moduli Peltier, facilitando la selezione dei dispositivi idonei in base alle esigenze di progettazione.
Nei moderni generatori termoelettrici (TEG), l'energia elettrica viene generata quando c'è una differenza di temperatura tra le superfici calde e fredde. All'interno del modulo, più coppie di semiconduttori di tipo n e di tipo p (solitamente realizzati in tellururo di bismuto) sono posizionate tra due piastre (Figura 1). Nei materiali di tipo n, gli elettroni fluiscono dal lato caldo al lato freddo, mentre nei materiali di tipo p, il movimento è causato dalla migrazione delle lacune (cioè posti vacanti di elettroni) nella stessa direzione. Questi due flussi generano congiuntamente tensione e maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la tensione di uscita.
Il TEG è particolarmente prezioso in situazioni in cui possono verificarsi sprechi di calore, come nella produzione industriale, poiché aiuta a recuperare l'energia persa. TEG può funzionare anche in ambienti remoti o estremi. Ad esempio, quando la luce solare è insufficiente, il calore generato dal decadimento radioattivo viene convertito in energia elettrica per fornire energia alle sonde spaziali.
Strutture comuni dei moduli TEG
Figura 1: struttura comune del modulo TEG. (Fonte immagine: Stesso cielo)
Vantaggi e svantaggi del TEG
Il vantaggio principale dei moduli di generazione di energia mediante semiconduttori termoelettrici (TEG) è la loro capacità di convertire il calore di scarto in energia elettrica utilizzabile, il che aiuta a catturare l’energia che altrimenti andrebbe persa. Pertanto, i moduli TEG non sono solo pratici ma anche rispettosi dell'ambiente.
Poiché TEG è un dispositivo a stato solido, non sono presenti parti mobili, il che significa che questo modulo non emette alcun rumore udibile, è robusto e durevole e non richiede quasi alcuna manutenzione. Questo modulo ha un aspetto compatto, può essere installato in piccoli spazi e fornisce più tensioni e correnti, senza fare affidamento sulle reti elettriche tradizionali per fornire energia affidabile. Ciò rende TEG la scelta ideale per dispositivi remoti o sistemi di batterie alternativi.
Sebbene i generatori termoelettrici (TEG) forniscano una fonte affidabile di elettricità, presentano anche limitazioni di progettazione. Le prestazioni di questo generatore dipendono in gran parte da forti differenze di temperatura, che ne limitano l'utilizzo in determinate applicazioni con gradienti termici. Inoltre, l’efficienza di conversione del TEG è solitamente bassa, tipicamente intorno al 10%, un valore non elevato rispetto a molte altre tecnologie di generazione di energia.
Principali criteri di selezione per TEG
Quando si integrano i moduli del generatore termoelettrico (TEG) nel sistema, è necessario considerare le specifiche chiave che influiscono direttamente sulle loro prestazioni. Il fattore più critico nel funzionamento di un generatore è la differenza di temperatura tra le superfici calde e fredde (solitamente indicata come Δ T). Sebbene ciò influisca sulla produzione di energia del TEG, la tabella dei dati non sempre la visualizza in questo modo. Al contrario, i produttori solitamente elencano la Tmax, che è la temperatura operativa sicura più alta, che aiuta a determinare condizioni estreme ma potrebbe non essere necessariamente la condizione operativa ottimale.
Altre specifiche utili includono tensione a circuito aperto, tensione di carico adattata, corrente, resistenza e potenza. Attraverso questi valori si può comprendere il rendimento del generatore termoelettrico agli effettivi carichi termici ed elettrici. Nelle tabelle dati (come la tabella dati di Same Sky), queste informazioni vengono solitamente visualizzate sotto forma di tabelle (Figura 2) e grafici delle prestazioni (Figura 3) per semplificare la progettazione a livello di sistema.