Gerador termoelétrico

Um gerador termoelétrico (GTE) (em inglês: thermoelectric generator ou TEG), também chamado de gerador Seebeck, é um dispositivo de estado sólido que converte calor (impulsionado por diferenças de temperatura diretamente em energia elétrica por meio de um fenómeno chamado efeito Seebeck^[1] (uma forma de efeito termoelétrico). Os geradores termoelétricos funcionam como motores térmicos, mas são menos volumosos e não têm partes móveis. No entanto, os TEGs são normalmente mais caros e menos eficientes.^[2] Quando o mesmo princípio é usado ao contrário para criar um gradiente de calor a partir de uma corrente elétrica, é chamado de refrigerador termoelétrico (ou Peltier).

Os geradores termoelétricos podem ser usados em centrais de energia e fábricas para converter calor residual em energia elétrica adicional e em automóveis como geradores termoelétricos automotivos (em inglês: ATGs) para aumentar a eficiência de combustível. Os geradores termoelétricos de radioisótopos usam radioisótopos para gerar a diferença de temperatura necessária para alimentar sondas espaciais.^[2] Os geradores termoelétricos também podem ser usados junto com painéis solares.^[3][4]

Em 1821, Thomas Johann Seebeck descobriu que um gradiente térmico formado entre dois condutores diferentes pode produzir eletricidade.^[5][6] No cerne do efeito termoelétrico está o facto de que um gradiente de temperatura num material condutor resulta em fluxo de calor; isto 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 a passagem de uma corrente elétrica pela junção de dois condutores diferentes poderia, dependendo da direção da corrente, fazer com que ela atuasse como um aquecedor ou resfriador.^[7]

George Cove inventou acidentalmente um painel fotovoltaico, apesar de pretender inventar um gerador termoelétrico com termopares, em 1909.^[9] Cove observa que o calor por si só não produzia energia, apenas luz incidente, mas não tinha explicação de como isso poderia funcionar. O princípio operacional é agora compreendido como uma forma muito simples de junção de Schottky .

A eficiência típica dos TEGs é de cerca de 5–8%, embora possa ser maior. Dispositivos mais antigos usavam junções bimetálicas e eram volumosos. Dispositivos mais recentes usam semicondutores altamente dopados feitos de telureto de bismuto (Bi₂Te₃), telureto de chumbo (PbTe),^[10] óxido de cálcio e manganês (Ca₂Mn₃O₈),^[11][12] ou combinações destes,^[13] dependendo da temperatura da aplicação. Estes são dispositivos de estado sólido e, ao contrário dos dínamos, não têm partes móveis, com a exceção ocasional de um ventilador ou bomba para melhorar a transferência de calor. Se a região quente estiver em torno de 1273K e os valores ZT de 3 - 4 forem implementados, a eficiência é de aproximadamente 33-37%; permitindo que os TEGs concorram com certas eficiências de motores térmicos.^[14]

A partir de 2021, existem materiais (alguns contendo arsénio e estanho amplamente disponíveis e baratos) que atingem um valor ZT > 3; monocamada${\displaystyle {\ce {AsP3}}}$ (ZT = 3,36 no eixo da poltrona); dopado com tipo n ${\displaystyle {\ce {InP3}}}$ (ZT = 3,23); dopado com tipo p ${\displaystyle {\ce {SnP3}}}$ (ZT = 3,46); dopado com tipo p ${\displaystyle {\ce {SbP3}}}$ (ZT = 3,5).^[15]

Os geradores de energia termoelétrica consistem em três componentes principais: materiais termoelétricos, módulos termoelétricos e sistemas termoelétricos que interagem com a fonte de calor.^[16]

• Gerador elétrico
• Motor Stirling

Referências

• Geradores Termoelétricos: uma Tecnologia Sustentável com Impacto no Futuro Próximo (Outubro de 2023, Gazeta de Física da Sociedade Portuguesa de Física)