I GENERATORI TERMOELETTRICI

Principio di Funzionamento dei Generatori Termoelettrici, Esperimenti e Risultati Ottenuti Illustrando infine Circuiti con questi Generatori…

 

 

 

 



 

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

I generatori termoelettrici, conosciuti come generatori Seebeck e abbreviati con la sigla TEG (Termo Electric generator) sono dei dispositivi a semiconduttore che trasformano un flusso di calore in energia elettrica in modo diretto grazie ad un fenomeno chiamato effetto Seebeck.

L’effetto Seebeck è lo stesso che si ha nelle termocoppie, solo che nei TEG è amplificato dal tipo mdi materiale usato. In particolare i generatori termoelettrici sono costituiti come le celle di Peltier da blocchetti di materiale semiconduttore con differente drogaggio, ovvero di tipo P (drogato con atomi accettori) e di tipo N (ovvero drogati con atomi donori).

Servono almeno due blocchetti, uno di tipo N e uno di tipo P solo che per generare una tensione maggiore vengono messi in serie più blocchettini creando una termopila come si può vedere nella seguente immagine:

I blocchettini di tipo N (in blu nell’immagine) sono elettricamente connessi con una lamella metallica ai blocchettini di tipo P (in rosa nell’immagine). Quando vi è una differenza di tensione tra le due superfici vi sarà una migrazione degli elettroni nei blocchetti N verso la superficie fredda e in modo corrispondente migrano le lacune nei blocchetti di tipo P sempre verso la superficie fredda. Questa migrazione genera un campo elettrico che genera un potenziale elettrico con il negativo ai capi dell’estremo dei blocchetti N e il positivo all’estremo dei blocchetti di tipo P.

Più blocchetti sono connessi in serie maggiore sarà la tensione generata.

Per quanto riguarda i materiali usati si hanno materiali con ottima conducibilità elettrica e una bassa conduzione termica in modo tale che il lato freddo non venga influenzato dal lato freddo. Si usano semiconduttori come il Bismuto-Telluride, Piombo-Telluride e il Silicio-Germanio e poi vi sono materiali più rari e difficili da realizzare per TEG molto costosi e ad alte prestazioni.

Questi sistemi vengono usati ad esempio nei motori a combustibili fossili in modo tale da recuperare il calore prodotto, su stufe a legno e sulle canne fumarie in modo tale da recuperare l’energia sprecata.

 



VALORI DI TENSIONI E POTENZA RAGGIUNGIBILI

Applicando una differenza di temperature tra le due piastre i generatori termoelettrici generano una tensione. Questa tensione dipende ovviamente dalla differenza di temperature tra le due piastre ma anche dai materiali usati nelle termocoppie.

Prendiamo ad esempio un generatore termoelettrico prodotto da una azienda che si occupa solo di questi componenti, la TEC (https://thermoelectric-generator.com), e in particolare analizziamo le prestazioni del modello PBTAGS-200.009A4 analizzando i vari parametri.

Dalla descrizione fornita dal costruttore il seguente generatore termoelettrico genera una potenza di 12W con una differenza di temperatura di 415°C, lavora ad un massimo di 600°C con una potenza massima di 23W, sono costituiti da Piombo-Telluride con un’efficienza del 12%. Utilizza 36 coppie di blocchettini e può essere usata in fornaci, motori a combustibili fossili, inceneritori o altre fonti di calore per alimentare circuiti interni a queste strutture o per generare semplicemente energia.

Il grafico sovrastante rappresenta la potenza in funzione della tensione e della differenza di temperatura tra i due lati. Analizzando le varie curve si vede che è una parabola, quindi vi è un determinato punto che dà la massima potenza per una determinata tensione.

Serve quindi un sistema MPPT (Maximum Power Point Tracker ovvero un integrato o un circuito che faccia lavorare il TEG al determinato punto di potenza massima) che riceve la tensione in ingresso e fornisca la potenza in uscita.

L’altra cosa che si nota è che maggiore è la differenza di temperatura maggiore è la potenza che si riesce ad avere, inoltre maggiore è la differenza di temperatura inoltre maggiore è la tensione in uscita che si riesce ad avere.

Analizzando il grafico corrente-tensione in funzione della differenza di temperatura si ha:

Non è quindi possibile definire una esatta tensione ad una differenza di temperatura perché questa dipende dalla corrente assorbita che a sua volta dipende dalla resistenza interna del sistema. Il valore di resistenza a 25°C è pari a 0.29 Ohm e sale fino a 0.45 Ohm quando la temperatura dal lato caldo è 400°C.

 

ESPERIMENTI EFFETTUATI

È stato effettuato un semplice esperimento utilizzando una economica cella di Peltier modello TEC127145SP1848 Comprata a pochi euro su ebay. Il primo esperimento è stato eseguito posizionando un dissipatore sul lato caldo e immergendolo in acqua a 15°C e posizionando sul lato freddo un pentolino con acqua bollente, quindi 100°C. il risultato ottenuto è il seguente:

Quindi a circuito aperto si ottiene una tensione negativa perché i due lati sono stati invertiti con valore pari a circa 1.5V. Questa tensione diminuisce perché piano piano il lato freddo si riscalda per via del flusso di calore.

Il secondo esperimento è stato eseguito connettendo il lato freddo ad un termosifone e al lato caldo un semplice dissipatore. Il risultato è il seguente:

Appena il TEG viene connesso con colla termica al termosifone ha una tensione di -572mV che poi scendono ad un valore di -328 quando il sistema si stabilizza.

 

CIRCUITI CHE UTILIZZANO I TEG

La casa produttrice Linear Tecnologies produceva alcuni chip che utilizzano termocoppie, ora invece questa azienda è stata acquisita dalla Analog Semiconductor quindi potete trovare sul sito di questo produttore i chip. Analizziamone uno:

Il generatore termoelettrico viene connesso ad un trasformatore con rapporto di conversione 1 a 100, il pin SW fa sì che vi sia una tensione alternata sul primario in modo tale da generare una tensione sul secondario maggiore rispetto l’ingresso. Con la tensione in uscita dal trasformatore si va a caricare un supercapacitore che immagazzina la carica per poi alimentare i circuiti quando il TEG non fornisce tensione. Si hanno inoltre tre uscite, una VLDO che è pari a 2.2V e viene assorbita dal secondario del trasformatore dopo essere stata raddrizzata, Vout invece è pari a 3.3V e viene assorbita sempre dal raddrizzatore successivo al secondario e infine Vout2 che può essere connessa o meno (in funzione dallo stato logico di Vout2_EN) a Vout ma dispone di un limitatore di corrente a 300mA.

 

DOWNLOAD

Potete scaricare il datasheet dell’integrato LTC3108 al seguente LINK!!!



 

[Voti Totali: 0 Media Voti: 0]
Segui la Nostra Pagina Facebook: Facebook

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *