Gerador termoelétrico - Thermoelectric generator

Efeito termoelétrico
Thermoelectric Seebeck power module.jpg
Princípios
Formulários

Um gerador termoelétrico ( TEG ), também chamado de gerador Seebeck , é um dispositivo de estado sólido que converte o fluxo de calor ( diferenças de temperatura ) diretamente em energia elétrica por meio de um fenômeno denominado efeito Seebeck (uma forma de efeito termoelétrico ). Os geradores termoelétricos funcionam como motores térmicos , mas são menos volumosos e não têm peças móveis. No entanto, os TEGs são normalmente mais caros e menos eficientes.

Geradores termoelétricos podem ser usados ​​em usinas de energia para converter calor residual em energia elétrica adicional e em automóveis como geradores termoelétricos automotivos (ATGs) para aumentar a eficiência do combustível . Os geradores termoelétricos com radioisótopos usam radioisótopos para gerar a diferença de calor necessária para alimentar as sondas espaciais.

História

Em 1821, Thomas Johann Seebeck redescobriu que um gradiente térmico formado entre dois condutores diferentes pode produzir eletricidade. No centro do efeito termoelétrico está o fato de que um gradiente de temperatura em um material condutor resulta em fluxo de calor; isso resulta na difusão de portadores de carga. O fluxo de portadores de carga entre as regiões quentes e frias, por sua vez, cria uma diferença de voltagem. Em 1834, Jean Charles Athanase Peltier descobriu o efeito inverso, que passar uma corrente elétrica através da junção de dois condutores diferentes poderia, dependendo da direção da corrente, fazer com que ela funcionasse como um aquecedor ou resfriador.

Construção

Efeito Seebeck em uma termopilha feita de fios de ferro e cobre

Os geradores de energia termoelétrica consistem em três componentes principais: materiais termoelétricos, módulos termoelétricos e sistemas termoelétricos que fazem interface com a fonte de calor.

Materiais termoelétricos

Artigo principal: Materiais termoelétricos

Os materiais termoelétricos geram energia diretamente do calor, convertendo as diferenças de temperatura em voltagem elétrica. Esses materiais devem ter alta condutividade elétrica (σ) e baixa condutividade térmica (κ) para serem bons materiais termoelétricos. A baixa condutividade térmica garante que, quando um lado fica quente, o outro lado fica frio, o que ajuda a gerar uma grande tensão em um gradiente de temperatura. A medida da magnitude do fluxo de elétrons em resposta a uma diferença de temperatura nesse material é dada pelo coeficiente de Seebeck (S). A eficiência de um dado material para produzir uma energia termoelétrica é simplesmente estimada por sua “ figura de mérito ” zT = S 2 σT / κ.

Por muitos anos, os três principais semicondutores conhecidos por terem baixa condutividade térmica e alto fator de potência foram telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ), telureto de chumbo (PbTe) e silício germânio (SiGe). Alguns desses materiais têm elementos raros que os tornam caros.

Hoje, a condutividade térmica dos semicondutores pode ser reduzida sem afetar suas altas propriedades elétricas usando a nanotecnologia . Isso pode ser alcançado criando recursos em nanoescala, como partículas, fios ou interfaces em materiais semicondutores a granel. No entanto, os processos de fabricação de nanomateriais ainda são desafiadores.

Circuito termoelétrico composto por materiais de diferentes coeficientes de Seebeck (semicondutores dopados com p e semicondutores dopados com n), configurado como gerador termoelétrico.

Vantagens termelétricas

Os geradores termoelétricos são dispositivos de estado sólido que não requerem nenhum fluido para combustível ou resfriamento, tornando-os não dependentes da orientação, permitindo o uso em aplicações de gravidade zero ou em alto mar. O design de estado sólido permite a operação em ambientes severos. Os geradores termoelétricos não possuem partes móveis, o que produz um dispositivo mais confiável que não requer manutenção por longos períodos. A durabilidade e a estabilidade ambiental tornaram a termoelétrica a favorita dos exploradores do espaço profundo da NASA, entre outras aplicações. Uma das principais vantagens dos geradores termoelétricos fora dessas aplicações especializadas é que eles podem ser potencialmente integrados às tecnologias existentes para aumentar a eficiência e reduzir o impacto ambiental, produzindo energia utilizável a partir do calor residual.

Módulo termoelétrico

Um módulo termoelétrico é um circuito que contém materiais termoelétricos que geram eletricidade diretamente do calor. Um módulo termoelétrico consiste em dois materiais termoelétricos dissimilares unidos em suas extremidades: um semicondutor do tipo n (com portadores de carga negativa) e um tipo p (com portadores de carga positiva). A corrente elétrica direta fluirá no circuito quando houver diferença de temperatura entre as extremidades dos materiais. Geralmente, a magnitude da corrente é diretamente proporcional à diferença de temperatura:

onde é a condutividade local , S é o coeficiente de Seebeck (também conhecido como energia termelétrica), uma propriedade do material local, e é o gradiente de temperatura.

Na aplicação, os módulos termelétricos na geração de energia funcionam em condições mecânicas e térmicas muito difíceis. Como eles operam em um gradiente de temperatura muito alta, os módulos estão sujeitos a grandes tensões e deformações induzidas termicamente por longos períodos. Eles também estão sujeitos à fadiga mecânica causada por um grande número de ciclos térmicos.

Portanto, as junções e os materiais devem ser selecionados para que sobrevivam a essas difíceis condições mecânicas e térmicas. Além disso, o módulo deve ser projetado de forma que os dois materiais termoelétricos estejam termicamente em paralelo, mas eletricamente em série. A eficiência de um módulo termelétrico é muito afetada pela geometria de seu projeto.

Sistemas termoelétricos

Usando módulos termoelétricos, um sistema termoelétrico gera energia absorvendo calor de uma fonte, como uma chaminé de exaustão quente. Para operar, o sistema precisa de um grande gradiente de temperatura, o que não é fácil em aplicações do mundo real. O lado frio deve ser resfriado por ar ou água. Trocadores de calor são usados ​​em ambos os lados dos módulos para fornecer esse aquecimento e resfriamento.

Existem muitos desafios no projeto de um sistema TEG confiável que opere em altas temperaturas. Alcançar alta eficiência no sistema requer um projeto de engenharia extensivo para equilibrar entre o fluxo de calor através dos módulos e maximizar o gradiente de temperatura entre eles. Para fazer isso, projetar tecnologias de trocador de calor no sistema é um dos aspectos mais importantes da engenharia TEG. Além disso, o sistema requer a minimização das perdas térmicas devido às interfaces entre os materiais em vários locais. Outra restrição desafiadora é evitar grandes quedas de pressão entre as fontes de aquecimento e resfriamento.

Se a energia CA for necessária (como para alimentar equipamentos projetados para funcionar com energia da rede CA), a energia CC dos módulos TE deve ser passada por um inversor, o que diminui a eficiência e aumenta o custo e a complexidade do sistema.

Materiais para TEG

Apenas alguns materiais conhecidos até o momento são identificados como materiais termoelétricos. A maioria dos materiais termoelétricos hoje tem um valor zT, a figura do mérito, em torno de 1, como em telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ) à temperatura ambiente e telureto de chumbo (PbTe) em 500-700 K. No entanto, para ser competitivo com outros sistemas de geração de energia, os materiais TEG devem ter um conjunto de 2–3. A maioria das pesquisas em materiais termoelétricos tem se concentrado em aumentar o coeficiente de Seebeck (S) e reduzir a condutividade térmica, especialmente pela manipulação da nanoestrutura dos materiais termoelétricos. Como a condutividade térmica e elétrica se correlacionam com os portadores de carga, novos meios devem ser introduzidos a fim de conciliar a contradição entre alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica, conforme necessário.

Ao selecionar materiais para geração termelétrica, uma série de outros fatores precisam ser considerados. Durante a operação, idealmente, o gerador termoelétrico tem um grande gradiente de temperatura através dele. A expansão térmica irá então introduzir tensão no dispositivo que pode causar fratura das pernas termoelétricas ou separação do material de acoplamento. As propriedades mecânicas dos materiais devem ser consideradas e o coeficiente de expansão térmica do material tipo n e p deve ser razoavelmente compatível. Em geradores termelétricos segmentados, a compatibilidade do material também deve ser considerada.

O fator de compatibilidade de um material é definido como

.

Quando o fator de compatibilidade de um segmento para o próximo difere por mais de um fator de cerca de dois, o dispositivo não funcionará com eficiência. Os parâmetros de material que determinam s (assim como zT) são dependentes da temperatura, portanto, o fator de compatibilidade pode mudar do lado quente para o lado frio do dispositivo, mesmo em um segmento. Esse comportamento é conhecido como autocompatibilidade e pode se tornar importante em dispositivos projetados para operação em baixa temperatura.

Em geral, os materiais termoelétricos podem ser categorizados em materiais convencionais e novos:

Materiais convencionais

Muitos materiais TEG são empregados em aplicações comerciais hoje. Esses materiais podem ser divididos em três grupos com base na faixa de temperatura de operação:

  1. Materiais de baixa temperatura (até cerca de 450 K): Ligas à base de bismuto (Bi) em combinações com antimônio (Sb), telúrio (Te) ou selênio (Se).
  2. Temperatura intermediária (até 850 K): como materiais à base de ligas de chumbo (Pb)
  3. Material para temperaturas mais altas (até 1300 K): materiais fabricados a partir de ligas de silício-germânio (SiGe).

Embora esses materiais ainda sejam a pedra angular para aplicações comerciais e práticas na geração de energia termoelétrica, avanços significativos foram feitos na síntese de novos materiais e na fabricação de estruturas de materiais com desempenho termoelétrico aprimorado. Pesquisas recentes têm se concentrado em melhorar a figura de mérito do material (zT) e, portanto, a eficiência de conversão, reduzindo a condutividade térmica da rede.

Novos materiais

Geração de eletricidade agarrando os dois lados de um dispositivo termoelétrico PEDOT: PSS flexível
PEDOT: modelo baseado em PSS embutido em uma luva para gerar eletricidade pelo calor do corpo

Os pesquisadores estão tentando desenvolver novos materiais termoelétricos para geração de energia, melhorando a figura de mérito zT. Um exemplo desses materiais é o composto semicondutor ß-Zn 4 Sb 3 , que possui uma condutividade térmica excepcionalmente baixa e exibe um zT máximo de 1,3 a uma temperatura de 670K. Este material também é relativamente barato e estável até esta temperatura no vácuo, e pode ser uma boa alternativa na faixa de temperatura entre materiais baseados em Bi 2 Te 3 e PbTe. Entre os desenvolvimentos mais interessantes em materiais termoelétricos estava o desenvolvimento de seleneto de estanho de cristal único, que produziu um zT recorde de 2,6 em uma direção. Outros novos materiais de interesse incluem Skutterudites, Tetrahedrites e cristais de íons de chocalho.

Além de melhorar a figura de mérito, há um foco crescente no desenvolvimento de novos materiais, aumentando a produção de energia elétrica, diminuindo custos e desenvolvendo materiais ecológicos. Por exemplo, quando o custo do combustível é baixo ou quase gratuito, como na recuperação de calor residual , o custo por watt é determinado apenas pela potência por unidade de área e pelo período de operação. Como resultado, ele iniciou uma busca por materiais com alta potência de saída, em vez de eficiência de conversão. Por exemplo, os compostos de terras raras YbAl 3 têm uma figura de mérito baixa, mas tem uma saída de energia de pelo menos o dobro de qualquer outro material e podem operar na faixa de temperatura de uma fonte de calor residual.

Processamento de romance

Para aumentar a figura de mérito (zT), a condutividade térmica de um material deve ser minimizada enquanto sua condutividade elétrica e coeficiente de Seebeck são maximizados. Na maioria dos casos, os métodos para aumentar ou diminuir uma propriedade resultam no mesmo efeito em outras propriedades devido à sua interdependência. Uma nova técnica de processamento explora o espalhamento de diferentes frequências de fônons para reduzir seletivamente a condutividade térmica da rede sem os efeitos negativos típicos na condutividade elétrica do aumento simultâneo do espalhamento de elétrons. Em um sistema ternário de telúrio de antimônio de bismuto, a sinterização em fase líquida é usada para produzir contornos de grão semicoerentes de baixa energia, que não têm um efeito de espalhamento significativo nos elétrons. O avanço é então aplicar uma pressão ao líquido no processo de sinterização, o que cria um fluxo transitório do líquido rico em Te e facilita a formação de deslocamentos que reduzem muito a condutividade da rede. A capacidade de diminuir seletivamente a condutividade da rede resulta no valor zT relatado de 1,86, que é uma melhoria significativa em relação aos atuais geradores termoelétricos comerciais com zT ~ 0,3–0,6. Essas melhorias destacam o fato de que, além do desenvolvimento de novos materiais para aplicações termelétricas, o uso de diferentes técnicas de processamento para projetar a microestrutura é um esforço viável e compensador. Na verdade, muitas vezes faz sentido trabalhar para otimizar a composição e a microestrutura.

Eficiência

A eficiência típica dos TEGs é de cerca de 5–8%. Dispositivos mais antigos usavam junções bimetálicas e eram volumosos. Dispositivos mais recentes usam semicondutores altamente dopados feitos de telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ), telureto de chumbo (PbTe), óxido de manganês de cálcio (Ca 2 Mn 3 O 8 ) ou combinações dos mesmos, dependendo da temperatura. Esses são dispositivos de estado sólido e, ao contrário dos dínamos , não têm partes móveis , com a exceção ocasional de um ventilador ou bomba.

Usos

Os geradores termoelétricos (TEG) têm uma variedade de aplicações. Freqüentemente, os geradores termoelétricos são usados ​​para aplicações remotas de baixa potência ou onde motores térmicos mais volumosos, mas mais eficientes , como os motores Stirling , não seriam possíveis. Ao contrário dos motores térmicos, os componentes elétricos de estado sólido normalmente usados ​​para realizar a conversão de energia térmica em elétrica não têm partes móveis. A conversão de energia térmica em elétrica pode ser realizada usando componentes que não requerem manutenção, têm alta confiabilidade inerentemente e podem ser usados ​​para construir geradores com longa vida útil sem manutenção. Isso torna os geradores termoelétricos adequados para equipamentos com necessidades de energia baixas a modestas em locais remotos desabitados ou inacessíveis, como topos de montanhas, o vácuo do espaço ou o oceano profundo.

Os principais usos dos geradores termelétricos são:

  • Sondas espaciais , incluindo o Mars Curiosity rover , geram eletricidade usando um gerador termoelétrico radioisotópico cuja fonte de calor é um elemento radioativo.
  • Recuperação de calor residual. Toda atividade humana, transporte e processo industrial gera calor residual, sendo possível captar energia residual de automóveis, aeronaves, navios, indústrias e do corpo humano. Dos carros, a principal fonte de energia são os gases de escape. A colheita dessa energia térmica com um gerador termoelétrico pode aumentar a eficiência de combustível do carro. Geradores termelétricos foram investigados para substituir os alternadores em carros, demonstrando uma redução de 3,45% no consumo de combustível, representando bilhões de dólares em economia anualmente. As projeções para melhorias futuras são de até 10% de aumento na quilometragem para veículos híbridos. Afirmou-se que o potencial de economia de energia poderia ser maior para os motores a gasolina do que para os motores a diesel. Para mais detalhes, consulte o artigo: Gerador termelétrico automotivo . Para aeronaves, os bicos do motor foram identificados como o melhor local para recuperar energia, mas o calor dos rolamentos do motor e o gradiente de temperatura existente no revestimento da aeronave também foram propostos.
  • As células solares usam apenas a parte de alta frequência da radiação, enquanto a energia térmica de baixa frequência é desperdiçada. Diversas patentes sobre o uso de dispositivos termoelétricos em configuração paralela ou em cascata com células solares já foram registradas. A ideia é aumentar a eficiência do sistema combinado solar / termoelétrico para converter a radiação solar em eletricidade útil.
  • Os geradores termoelétricos são usados ​​principalmente como geradores de energia remotos e fora da rede para locais não tripulados. Eles são o gerador de energia mais confiável em tais situações, pois não têm peças móveis (portanto, praticamente livres de manutenção), funcionam dia e noite, funcionam em todas as condições climáticas e podem funcionar sem bateria reserva. Embora os sistemas solares fotovoltaicos também sejam implementados em locais remotos, o Solar PV pode não ser uma solução adequada onde a radiação solar é baixa, ou seja, áreas em latitudes mais altas com neve ou sem sol, áreas com muita nuvem ou cobertura de copa de árvores, desertos empoeirados, florestas, etc. Geradores termoelétricos são comumente usados ​​em gasodutos, por exemplo, para proteção catódica, comunicação de rádio e telemetria. Em gasodutos para consumo de energia de até 5 kW, os geradores térmicos são preferíveis a outras fontes de energia. Os fabricantes de geradores para gasodutos são Gentherm Global Power Technologies (anteriormente Global Thermoelectric) (Calgary, Canadá) e TELGEN (Rússia).
  • Os microprocessadores geram calor residual. Os pesquisadores consideraram se parte dessa energia poderia ser reciclada. (No entanto, veja abaixo os problemas que podem surgir.)
  • Os geradores termoelétricos também foram investigados como células solares térmicas autônomas. A integração dos geradores termelétricos foi integrada diretamente a uma célula solar térmica com eficiência de 4,6%.
  • A Maritime Applied Physics Corporation em Baltimore, Maryland, está desenvolvendo um gerador termoelétrico para produzir energia elétrica no fundo do mar offshore usando a diferença de temperatura entre a água do mar fria e os fluidos quentes liberados por fontes hidrotermais , infiltrações quentes ou de poços geotérmicos perfurados. Uma fonte de alta confiabilidade de energia elétrica do fundo do mar é necessária para observatórios e sensores oceânicos usados ​​nas ciências geológicas, ambientais e oceânicas, pelos desenvolvedores de recursos minerais e energéticos do fundo do mar e pelos militares. Estudos recentes descobriram que geradores termelétricos de alto mar para usinas de energia de grande escala também são economicamente viáveis.
  • Ann Makosinski, da Colúmbia Britânica , Canadá, desenvolveu vários dispositivos usando telhas Peltier para coletar calor (de uma mão humana, da testa e de bebida quente) que afirma gerar eletricidade suficiente para alimentar uma luz LED ou carregar um dispositivo móvel , embora o inventor admite que o brilho da lâmpada LED não é competitivo com os do mercado.

Limitações práticas

Além de baixa eficiência e custo relativamente alto, existem problemas práticos no uso de dispositivos termoelétricos em certos tipos de aplicações resultantes de uma resistência de saída elétrica relativamente alta, que aumenta o autoaquecimento, e uma condutividade térmica relativamente baixa, o que os torna inadequados para aplicações onde o calor a remoção é crítica, como ocorre com a remoção de calor de um dispositivo elétrico, como microprocessadores.

  • Alta resistência de saída do gerador: para obter níveis de saída de tensão na faixa exigida por dispositivos elétricos digitais, uma abordagem comum é colocar muitos elementos termoelétricos em série dentro de um módulo gerador. As tensões do elemento aumentam, mas também sua resistência de saída. O teorema de transferência de potência máxima determina que a potência máxima é fornecida a uma carga quando as resistências da fonte e da carga são idênticas. Para cargas de baixa impedância próximas de zero ohms, conforme a resistência do gerador aumenta, a potência fornecida à carga diminui. Para diminuir a resistência de saída, alguns dispositivos comerciais colocam mais elementos individuais em paralelo e menos em série e empregam um regulador de reforço para aumentar a tensão para a tensão necessária pela carga.
  • Baixa condutividade térmica: como uma condutividade térmica muito alta é necessária para transportar a energia térmica para longe de uma fonte de calor, como um microprocessador digital, a baixa condutividade térmica dos geradores termoelétricos os torna inadequados para recuperar o calor.
  • Remoção de calor do lado frio com ar: Em aplicações termoelétricas resfriadas a ar, como ao coletar energia térmica do cárter de um veículo motorizado, a grande quantidade de energia térmica que deve ser dissipada no ar ambiente representa um desafio significativo. À medida que a temperatura do lado frio de um gerador termoelétrico aumenta, a temperatura diferencial de trabalho do dispositivo diminui. Conforme a temperatura aumenta, a resistência elétrica do dispositivo aumenta, causando maior autoaquecimento do gerador parasita. Em aplicações em veículos motorizados, às vezes é usado um radiador suplementar para melhorar a remoção de calor, embora o uso de uma bomba d'água elétrica para circular um refrigerante acrescente perda parasitária à potência total de saída do gerador. O resfriamento com água do lado frio do gerador termoelétrico, como na geração de energia termoelétrica a partir do cárter quente de um motor de barco interno, não sofreria desta desvantagem. A água é um refrigerante muito mais fácil de usar com eficácia em comparação com o ar.

Mercado futuro

Embora a tecnologia TEG tenha sido usada em aplicações militares e aeroespaciais por décadas, novos materiais e sistemas da TE estão sendo desenvolvidos para gerar energia usando calor residual em baixas ou altas temperaturas, e isso pode fornecer uma oportunidade significativa no futuro próximo. Esses sistemas também podem ser escalonáveis ​​para qualquer tamanho e têm menor custo de operação e manutenção.

Em geral, o investimento em tecnologia TEG está aumentando rapidamente. O mercado global de geradores termelétricos é estimado em US $ 320 milhões em 2015. Um estudo recente estimou que a TEG deverá atingir US $ 720 milhões em 2021, com uma taxa de crescimento de 14,5%. Hoje, a América do Norte detém 66% da participação de mercado e continuará a ser o maior mercado no futuro próximo. No entanto, projeta-se que os países da Ásia-Pacífico e da Europa cresçam a taxas relativamente mais altas. Um estudo descobriu que o mercado da Ásia-Pacífico cresceria a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 18,3% no período de 2015 a 2020 devido à alta demanda de geradores termelétricos pelas indústrias automotivas para aumentar a eficiência geral de combustível, também como a crescente industrialização da região.

Geradores termoelétricos de pequena escala também estão nos estágios iniciais de investigação em tecnologias vestíveis para reduzir ou substituir a carga e aumentar a duração da carga. Estudos recentes focaram no novo desenvolvimento de uma termoelétrica inorgânica flexível, o seleneto de prata, em um substrato de náilon. A termoelétrica representa uma sinergia particular com os vestíveis ao coletar energia diretamente do corpo humano, criando um dispositivo com alimentação própria. Um projeto usou seleneto de prata tipo n em uma membrana de náilon. O seleneto de prata é um semicondutor bandgap estreito com alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica, tornando-o perfeito para aplicações termoelétricas.

O mercado de TEG de baixa potência ou "subwatt" (ou seja, gerando até 1 Watt de pico) é uma parte crescente do mercado de TEG, capitalizando nas tecnologias mais recentes. As principais aplicações são sensores, aplicativos de baixo consumo de energia e, de forma mais global, aplicativos da Internet das coisas . Uma empresa de pesquisa de mercado especializada indicou que 100.000 unidades foram enviadas em 2014 e espera 9 milhões de unidades por ano até 2020.

Veja também

Referências

links externos