Gerador Termoelétrico: Princípio, Mecanismo E Materiais
Sabemos que os geradores são usados na produção de eletricidade, e a imagem de um gerador que a maioria de nós tem em mente é que eles são máquinas enormes com um campo magnético e um rotor que o corta com a ajuda de forças mecânicas para gerar eletricidade. . No entanto, e se eu lhe dissesse que a geração de eletricidade nem sempre requer uma máquina com peças rotativas? Vamos dar uma olhada em um desses dispositivos, comumente conhecido como o Gerador Termoelétrico.
O lado quente de um gerador termoelétrico (Photo Credit: Gerardtv / Wikimedia Commons)
Princípio
O efeito termoelétrico é a conversão direta de calor em eletricidade. De acordo com a Lei de Joules, um condutor de corrente produz calor proporcional ao produto da resistência do condutor e ao quadrado da corrente que passa por ele. Na década de 1820, Thomas J. Seebeck testou essa lei interpretando-a de maneira diferente. Ele trouxe dois metais diferentes, onde as junções em que os metais tocam são de diferentes temperaturas. Ele notou que uma tensão desenvolvida entre as junções era proporcional à diferença no calor. A corrente gerada devido à diferença de temperatura na junção de dois metais diferentes é conhecida comoEfeito Seebeck.O efeito Seebeck produz quantidades mensuráveis de tensão e corrente. A densidade de corrente gerada por um gerador termoelétrico pode ser calculada com a seguinte equação.
A intensidade do campo eletromotriz pode ser calculada usando o coeficiente de Seebeck, que é inerentemente único para cada material sendo usado, enquanto o delta T é o gradiente de temperatura. Outro efeito que ajuda na descrição do efeito termoelétrico é oEfeito Peltier.
O efeito Peltier ajuda na descrição da dissipação ou absorção de calor na conexão dos materiais condutores. Dependendo da direção do fluxo de corrente, o calor é dissipado ou absorvido por esse ponto no material.
Mecanismo
O Efeito Seebeck produz uma corrente elétrica quando metais diferentes são expostos a uma variação de temperatura. As aplicações de efeitos Seebeck são a base de geradores termoelétricos (TEGs) ou geradores Seebeck, que convertem calor em energia. A tensão produzida pelos geradores TEGs ou Seebeck é proporcional à diferença de temperatura entre as duas junções metálicas.
Os geradores termoelétricos são motores térmicos de estado sólido feitos de duas junções primárias, conhecidas como elementos do tipo p (alta concentração de carga positiva) e do tipo n (contendo alta concentração de carga negativa). Os elementos do tipo p são dopados de forma a ter um alto número de cargas ou orifícios positivos, dando-lhes um coeficiente de Seebeck positivo. Os elementos do tipo n são dopados para conter uma alta concentração de carga negativa ou elétrons, o que lhes confere um coeficiente de Seebeck negativo.
Quando ocorre uma conexão elétrica entre o elemento tipo p e o elemento tipo n, para cada furo que migra para o material do tipo n, um elétron do tipo n se move para o material do tipo p.
Materiais
Apenas muito poucos elementos até o momento foram identificados como materiais termoelétricos. Dois importantes materiais termoelétricos são o telureto de bismuto (Bi2Te 3) à temperatura ambiente 9K (atuando como o lado frio) e o telureto de chumbo (PbTe), que está em 500K a 600K (atuando como o lado quente). Esses materiais termoelétricos têm uma métrica de medida que ajuda a avaliar as propriedades termoelétricas do material; essa medida é conhecida como a figura do mérito. A figura de mérito para o telureto de bismuto (Bi2Te 3) e telureto de chumbo (PbTe) é uma das temperaturas acima mencionadas. Para ser uma fonte viável de poder credível, a figura do mérito deve ser de 2 a 3.
Existem inúmeros outros fatores que também precisam ser considerados na seleção de um material termoelétrico. Idealmente, um material termoelétrico deve ter um amplo gradiente de temperatura. Se não possuir um amplo gradiente de temperatura, será suscetível a estresse induzido pelo calor, o que pode levar à fratura do material. As propriedades mecânicas dos materiais devem ser consideradas, e o coeficiente de expansão térmica dos materiais tipo-p e tipo-p deve ser razoavelmente adequado.
A eficiência da geração atual em um gerador termoelétrico é de cerca de 5 a 8%. Os dispositivos mais antigos eram ainda menos eficientes, pois usavam junções bimetálicas, que levam à perda severa de energia através do calor. Dispositivos mais modernos têm um material semicondutor dopado presente dentro deles, como o telureto de chumbo (PbTe), o telureto de bismuto (Bi2Te 3) e o óxido de manganês de cálcio, ou alguma combinação desses materiais.
Embora a energia termoelétrica não possa compensar a energia convencional, é útil, até certo ponto, usar a energia latente perdida como calor em um sistema como energia útil. Embora possa não ser muito, um pouco de energia servida durante um longo período de tempo pode ser um longo caminho!
