Principi base dei generatori termoelettrici

La fisica ci insegna che l'energia non si può creare o distruggere, ma può solo cambiare forma. Questa idea, chiamata legge di conservazione dell'energia, spinge gli ingegneri a trovare modi per convertire l'energia in forme più utili.

Un buon esempio è la generazione termoelettrica, che trasforma il calore direttamente in elettricità. Scoperto da Thomas Seebeck e oggi chiamato effetto Seebeck, questo effetto viene utilizzato in dispositivi che prendono il nome di generatori termoelettrici (TEG). Questi dispositivi a stato solido non si sono evoluti molto fino al XX secolo e le prime versioni commerciali sono apparse negli anni Sessanta. Da allora, i TEG sono utilizzati in molti tipi di applicazioni diverse.

Principi base di un modulo TEG

I generatori termoelettrici (spesso chiamati TEG) funzionano trasformando le differenze di temperatura in tensione elettrica o viceversa. Questo comportamento, noto come effetto termoelettrico, si compone di tre parti correlate: l'effetto Seebeck, che genera elettricità da un gradiente di temperatura, l'effetto Peltier, in cui il calore viene assorbito o rilasciato quando la corrente attraversa due materiali diversi e l'effetto Thomson, in cui il calore viene prodotto o assorbito a seconda della direzione della corrente.

Un aspetto che crea confusione nella tecnologia termoelettrica è la differenza tra generatori termoelettrici (TEG) e raffreddatori termoelettrici (TEC). I TEG sfruttano l'effetto Seebeck per generare elettricità dal calore, mentre i TEC sfruttano l'effetto Peltier per raffreddare o mantenere stabili le temperature. Entrambi si basano su materiali semiconduttori simili, ma differiscono nella progettazione: i TEG sono progettati per differenze elevate di temperatura ed efficienza nella potenza di uscita, i TEC invece sono ottimizzati per il trasferimento di calore utilizzando materiali come la ceramica e il rame.

In pratica, se l'obiettivo è generare energia dal calore, un modulo TEG è la scelta giusta. Per il raffreddamento o la stabilizzazione della temperatura, è più efficace un TEC, anche detto cella di Peltier. Same Sky offre sia moduli TEG sia celle di Peltier, semplificando l'abbinamento del dispositivo giusto alle esigenze di progettazione.

In un moderno generatore termoelettrico (TEG), l'elettricità viene prodotta quando esiste una differenza di temperatura tra il lato caldo e quello freddo. All'interno del modulo, tra due piastre sono posizionate diverse coppie di semiconduttori di tipo N e di tipo P, spesso realizzati in telluluro di bismuto (Figura 1). Nei materiali di tipo N, gli elettroni fluiscono dal lato caldo verso quello freddo, mentre nei materiali di tipo P il movimento è dovuto alle lacune (l'assenza di elettroni) che si spostano nello stesso modo. L'insieme di questi flussi crea una tensione e quanto maggiore è la differenza di temperatura, tanto maggiore è l'uscita.

I TEG sono particolarmente utili in situazioni in cui il calore andrebbe altrimenti sprecato, come nelle attività industriali, dove aiutano a recuperare l'energia persa. Sono anche utili in ambienti remoti o estremi, ad esempio, per alimentare le sonde spaziali convertendo il calore del decadimento radioattivo in elettricità quando la luce solare non è sufficiente.

Figura 1: Struttura generale di un modulo TEG. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Vantaggi e svantaggi dei TEG

Il vantaggio principale dei moduli di generazione termoelettrica (TEG) è la loro capacità di trasformare il calore disperso in elettricità utilizzabile, contribuendo a catturare l'energia che altrimenti andrebbe persa. Ciò li rende non solo pratici ma anche rispettosi dell'ambiente.

Poiché i TEG sono dispositivi allo stato solido, non hanno parti in movimento e sono pertanto silenziosi, duraturi e richiedono poca o nessuna manutenzione. Il loro fattore di forma compatto consente di inserirli in spazi ristretti e, grazie alle opzioni disponibili per vari livelli di tensioni e correnti, possono fornire energia affidabile senza dipendere da una rete elettrica tradizionale. Ciò rende i TEG ideali per le installazioni remote o come alternativa efficiente ai sistemi a batteria.

Sebbene i generatori termoelettrici (TEG) siano una fonte affidabile di energia elettrica, presentano comunque dei limiti di progettazione. Le loro prestazioni dipendono fortemente dalla presenza di una sensibile differenza di temperatura, il che li limita ad alcune applicazioni in cui sono disponibili gradienti di calore. Inoltre, i TEG funzionano generalmente con efficienze di conversione relativamente basse, spesso intorno al 10%, che sono modeste rispetto a molte altre tecnologie per la generazione di energia.

Criteri di selezione dei TEG

Quando si integrano moduli di generazione termoelettrica (TEG) in un sistema, è importante considerare le specifiche chiave che influenzano direttamente le prestazioni. Il fattore operativo più critico è la differenza di temperatura tra il lato caldo e quello freddo (spesso chiamata ΔT), che determina la potenza generabile da un TEG, ma che non è sempre indicata nelle schede tecniche. Invece, i produttori in genere indicano il valore Tmax, la temperatura massima di funzionamento in sicurezza, che aiuta a definire i limiti ma non necessariamente le migliori condizioni di lavoro.

Altre specifiche utili sono la tensione a circuito aperto, la tensione adattata al carico, la corrente, la resistenza e la potenza. Questi valori forniscono indicazioni sulle prestazioni del dispositivo in presenza di carichi termici ed elettrici reali. Le schede tecniche, come quelle prodotte da Same Sky, di solito presentano queste informazioni prestazionali sia in formato tabellare (Figura 2) che grafico (Figura 3) per facilitare la progettazione a livello di sistema.

Figura 2: Tabella delle specifiche nella scheda tecnica di un TEG di Same Sky. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I grafici prestazionali mostrano le uscite elettriche in funzione della temperatura del lato caldo (T_h) e le corrispondenti condizioni del lato freddo. I grafici più comuni includono:

• Tensione a circuito aperto rispetto a T_h – mostra la tensione massima quando non è applicato alcun carico.
• Resistenza adattata al carico rispetto a T_h – indica la resistenza interna a una data ΔT
• Tensione adattata al carico rispetto a T_h – visualizza la tensione di uscita quando il dispositivo è sotto carico
• Corrente adattata al carico rispetto a T_h – mostra la corrente erogata sotto carico
• Potenza di uscita adattata al carico rispetto a T_h – rappresenta la potenza utilizzabile generata, che può anche essere derivata dalla tensione e dalla corrente con la legge di Ohm.

Questi grafici consentono agli ingegneri di identificare i punti di massima prestazione, tipicamente in corrispondenza della resistenza di carico ottimale, e di capire come varia l'efficienza in base alle diverse condizioni termiche ed elettriche. Studiando questi grafici, i progettisti possono adattare meglio un TEG alla loro applicazione, confrontare diversi moduli o risolvere i problemi di prestazione in un sistema reale.

Figura 3: Tipici grafici delle prestazioni dei TEG con le temperature del lato caldo sull'asse X, varie curve di prestazioni per le temperature del lato freddo e il parametro in analisi sull'asse Y. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Per scegliere il generatore termoelettrico (TEG) giusto, il progettista deve anzitutto identificare le temperature previste per il lato caldo e per quello freddo. Con questi valori, è possibile stimare le prestazioni utilizzando i grafici di tensione, corrente, potenza e resistenza adattata al carico riportati sulla scheda tecnica. Ad esempio, il modulo SPG176-56 di Same Sky a T_h = 200 °C e T_c =30 °C genera circa 5,9 V, 1,553 A e 9,16 W di potenza con una resistenza di quasi 3,8 Ω. Questi valori possono essere ricavati da ciascun grafico delle prestazioni tracciando una linea verticale da T_h = 200 °C sull'asse X fino all'intersezione con la curva T_c = 30 °C. Da questo punto, tracciare una linea orizzontale sull'asse Y per trovare l'uscita prevista. Anche in questo caso, poiché i TEG seguono la legge di Ohm, qualsiasi combinazione dei grafici e dell'uso della formula della potenza può portare il progettista all'uscita prevista dal TEG.

Questo processo è semplice nelle condizioni ideali, ma nella realtà i progettisti devono spesso tener conto di differenze di temperatura non perfette o di disadattamenti del carico utilizzando l'interpolazione tra le curve delle prestazioni.

Conclusione

I generatori termoelettrici (TEG) sono molto utili nelle applicazioni in cui è richiesta energia a distanza o in cui il recupero di energia può aumentare l'efficienza complessiva del sistema. Sono generalmente disponibili in due forme: i TEG di grandi dimensioni, in grado di erogare da diversi watt fino a centinaia di watt per scopi industriali, e i micro TEG, che forniscono da pochi watt fino ai milliwatt per esigenze su scala ridotta. Gli utilizzi attuali soddisfano numerosi campi applicativi, tra cui dispositivi consumer come gli indossabili, sonde spaziali e sistemi aerospaziali, recupero del calore disperso industriale, conversione dell'energia solare, sensori IoT, motori automotive, elettronica industriale, apparecchiature HVAC, dispositivi di monitoraggio medicale, sistemi militari, strumenti scientifici e infrastrutture di telecomunicazione.

Con un'ampia gamma di potenze di uscita ed efficienze disponibili, i TEG apportano un valore aggiunto alla progettazione dei sistemi, supportando la portabilità, il funzionamento a distanza e il recupero dell'energia. Per la selezione, Same Sky offre moduli TEG di varie dimensioni e potenze in uscita, per soddisfare le diverse esigenze di progettazione.