-
AlessandroTesla.
User deleted
Cari i miei kokki,
in barba a chi sostiene il fotovoltaico, sfruttando l' effetto seebeck si ottengono 1000w dal tubo di scappamento di un camion! Questo per quando sostenevo che si può recuperare senza parti in movimento elettricità dal calore residuo di tante caldaiette domestiche a gas con moduli a basso costo. E' vero che sono richiesti i semiconduttori per la produzione del modulo di recupero ma in quantità molto minori rispetto al fotovoltaico quindi con costi infinitamente minori, senza correre il rischio di dover regalare fra 10 anni l' impianto solare che oggi ci costa 15/20 milioni alle suore perchè è obsoleto.
Amen!
Leggete un po' qui sotto. Mi spiace ma il sistema non mi permette di allegare il file pdf coi disegni, disponibile a chiunque lo voglia per e-mail
Ovviamente attendo le ire di Furio
AlessandroTesla
L’effetto Seebeck:
la trasformazione diretta di calore in elettricità
Sara Romer (*)
In un’automobile, due terzi dell’energia del motore va persa sotto forma di calore (a 200-400°C)
attraverso il tubo di scappamento e il sistema di raffreddamento. Se si potesse recuperare
vantaggiosamente anche solo una parte di questo calore, una nuova generazione di veicoli più
efficienti e dunque più ecologici potrebbe venire sviluppata. Semplice utopia o possibile realtà futura?
È stato il fisico tedesco Thomas Seebeck a scoprire nel 1821 che è possibile trasformare in modo
diretto il calore in elettricità usando un circuito formato da due metalli diversi. Figura 1 mostra in
modo schematico questa osservazione. Due metalli diversi, a e b, sono uniti ad una estremità in modo
da formare un circuito. Quando una delle due giunzioni del circuito viene riscaldata ad una
temperatura TC e l’altra giunzione viene mantenuta ad una temperatura inferiore TF (
conosciuto come effetto Seebeck ed è in generale un fenomeno termoelettrico. Un circuito che
incorpora sia effetti termici che elettrici viene chiamato dunque circuito termoelettrico. Nel 1834 il
fisico francese Jean Charles Athanase Peltier scoprì il fenomeno contrario all’effetto Seebeck: quando
una corrente elettrica percorre un circuito costituito da due metalli diversi, una differenza di
temperatura tra le giunzioni viene generata. Questo fenomeno viene chiamato effetto Peltier e sta alla
base della refrigerazione termoelettrica.
Fig. 1: L’effetto Seebeck: una tensione elettrica V viene generata riscaldando una delle giunzioni di un circuito
formato da due metalli diversi (temperatura TC >TF). Una lampadina può così venire alimentata.
Una delle più note applicazioni dell’effetto Seebeck è la misurazione di temperatura. La tensione
elettrica generata in un circuito termoelettrico dipende infatti non solo dai suoi materiali costituenti,
ma pure dalla differenza di temperatura tra le due giunzioni, TC – TF. Pertanto è possibile effettuare
precise misure di temperatura mediante semplici misure di tensione elettrica. In questo caso il circuito
termoelettrico viene chiamato termocoppia. Una delle termocoppie più utilizzate è quella costituita da
un filo di rame e uno di costantana: essa genera una tensione elettrica di circa 40 µV per grado Celsius
di differenza temperatura tra le due giunzioni.
Un’altra importante e sempre più apprezzata applicazione dell’effetto Seebeck è proprio la diretta
produzione di energia elettrica. Un generatore termoelettrico ha come base lo schema mostrato in
Figura 1. Invece di usare un fluido evolvente esterno come i comuni motori termici, esso sfrutta la
corrente degli elettroni (le cariche elettriche libere) nei conduttori. Si può immaginare che gli elettroni
formano un gas che si muove attraverso i materiali conduttori a causa della differenza di temperatura
tra le due giunzioni. In un generatore termoelettrico una quantità di calore QC viene quindi trasferita da
una sorgente alla giunzione calda, mentre una quantità di calore QF viene ceduta dalla giunzione
fredda ad un pozzo termico. La differenza tra le due quantità di calore, QC – QF, è pari al lavoro
elettrico prodotto dal generatore. Poiché il funzionamento di un generatore termoelettrico è simile a
quello di un ordinario motore termico, il suo rendimento termico non può superare il limite dato dalle
leggi della termodinamica, cioè il rendimento termico del ciclo della macchina termica di Carnot
funzionante tra gli stessi limiti di temperatura TC e TF. Pertanto nel caso ideale, in assenza per esempio
di dissipazioni di calore, un generatore termoelettrico ha lo stesso rendimento di quello di Carnot.
Il principale svantaggio dei generatori (o dei refrigeratori) termoelettrici è la loro bassa efficienza.
Dopo la scoperta di Seebeck, più di un secolo è trascorso prima che sistemi termoelettrici siano stati
usati nell’ambito della produzione di elettricità. Solo negli anni 1950-1965, a seguito della scoperta dei
semiconduttori (materiali le cui proprietà stanno a metà tra quelle tipiche dei metalli e quelle degli
isolatori), si è infatti potuto aumentare in modo consistente la tensione elettrica fornita dai dispositivi
termoelettrici. La sostituzione di coppie di metalli con coppie di semiconduttori nei circuiti
termoelettrici non è però sufficiente a garantire un rendimento superiore del 10%. Un tale rendimento
rimane troppo basso per un impatto decisivo nel campo dell’elettronica o del recupero di calore in
eccesso. Un circuito termoelettrico non è ancora competitivo nei confronti di un classico sistema a
compressione di vapore (rendimento del 35-40%). Questo ha portato ad un progressivo abbandono
della ricerca e per i più pessimisti la termoelettricità era un tema senza sbocchi futuri. Tuttavia, negli
ultimi dieci anni nuovi esperimenti ed idee hanno risvegliato l’interesse del mondo della ricerca per la
termoelettricità e per le sue possibili applicazioni. Nuovi materiali con caratteristiche più favorevoli e
rendimenti più elevati sono prodotti e studiati in numerosi laboratori di Stati Uniti, Giappone e Europa
[1]. Anche in Svizzera, all’EMPA-Dübendorf (Laboratorio Federale di prova dei materiali e di ricerca
[2]) è stato recentemente iniziato un progetto per lo studio di nuovi materiali termoelettrici.
Malgrado il loro basso rendimento, sistemi termoelettrici sono comunque già utilizzati con successo in
alcune applicazioni ad alta tecnologia (ed alto costo) grazie alle loro piccole dimensioni, alla loro
semplicità, silenziosità e affidabilità. Ad esempio, a partire dal 1980 generatori termoelettrici a base
dei semiconduttori silicio e germanio hanno alimentato le sonde spaziali Voyager e Galileo.
Attualmente si cerca di espandere l’uso di generatori termoelettrici nel campo della conversione
ecologica di calore in eccesso in elettricità, come pure nel campo dei sistemi miniaturizzati. Computer
sempre più potenti ci offrono un esempio dell’importanza dell’integrazione di generatori e refrigeratori
termoelettrici miniaturizzati nell’elettronica.
Ecco alcuni esempi pratici. Durante gli scorsi anni, la ditta Hi-Z Technology di San Diego ha costruito
un generatore termoelettrico di 1000 Watt di potenza capace di sfruttare il calore emesso dal motore
diesel di un camion [3]. Il circuito termoelettrico è situato nel tubo di scappamento del camion ed è
formato da 49 coppie termoelettriche. Esso sfrutta la differenza di temperatura tra il tubo di
scappamento e l’ambiente esterno (circa 200°C). La sua efficienza è del 5%. L’energia elettrica
riguadagnata può alimentare diversi sistemi (accessori) elettrici presenti nel camion, diminuendo in tal
modo il consumo totale di diesel o, usando al stessa quantità di carburante, aumentando la potenza
utile del sistema. Tuttavia anche questa tecnologia non sfrutta ancora abbastanza il calore presente nel
tubo di scappamento. Un migliore sfruttamento può venire raggiunto combinando parecchi circuiti
termoelettrici o migliorando l’efficienza dei materiali utilizzati. Un circuito termoelettrico con una
efficienza del 20% (un obiettivo ambizioso, ma realistico) aumenterebbe considerevolmente la potenza
utile del motore. I risultati ottenuti per i camion potranno poi essere estesi anche alle automobili, dove
la perdita di energia in forma di calore è ancora maggiore.
Fig. 2: Generatori termoelettrici possono sfruttare il calore emesso dal tubo di scappamento di camion e
automobili [3]. Un lato del modulo termoelettrico si trova alla temperatura TC e l’altro lato alla temperatura TF.
TF
TC Tensione V
per gli
accessori elettrici
3
Fig. 3: Diagramma del flusso energetico per un motore diesel senza (a) o con (b) circuito termoelettrico
La ditta islandese Varmaraf ha progettato una serie di generatori termoelettrici che sfruttano l’energia
geotermica (semplice acqua calda) di cui l’isola è ricca [4].
Nel campo della ricerca di materiali termoelettrici da incorporare in sistemi miniaturizzati, la ditta
Infineon a Monaco di Baviera ha sviluppato i primi modelli [5]. Alcuni di questi possono perfino
venire integrati in capi di abbigliamento. Tali generatori termoelettrici miniaturizzati sfruttano la
differenza di temperatura tra la superficie del corpo e i vestiti (circa 5°C) e generano una tensione
elettrica che può poi essere sfruttata per alimentare sensori per il controllo medico o microchip. Gli
attuali modelli generano una tensione di parecchi microwatt per cm 2 .
A dispetto delle più nere ipotesi, il mondo della ricerca sulla termoelettricità non ha ancora esaurito il
suo potenziale. Esso sembra invece offrire nuove e affascinanti sorprese che nel corso degli anni
potrebbero avere un impatto radicale nelle vita quotidiana.
(*) Dr. Sara Romer, EMPA Dübendorf
Referenze
[1] Sito ufficiale della Società Internazionale di Termoelettricità www.its.org
[2] www.empa.ch
[3] www.hi-z.com
[4] www.varmaraf.is
[5] www.infineon.com
b)
a) Diesel
Potenza meccanica
Perdite termiche
Diesel
Potenza meccanica
Perdite termiche
Potenza
riguadagnata
con il
termoelemento.
EFFETTO SEEBECKEnergia diretta dal calore |