Na física, sabemos que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas pode mudar de forma. Esta é a lei da conservação da energia, que leva os engenheiros a encontrar formas de converter a energia em formas mais úteis.
A geração de energia térmica é um bom exemplo, que pode converter diretamente calor em energia elétrica. Este efeito foi descoberto pela primeira vez por Thomas Seebeck e agora é conhecido como efeito Seebeck, que foi aplicado a dispositivos chamados geradores termoelétricos (TEGs). Somente no século 20 é que esses dispositivos de estado sólido fizeram progressos significativos em aplicações práticas, com as primeiras versões comerciais aparecendo na década de 1960. Desde então, o TEG entrou em muitos tipos diferentes de campos de aplicação.
Conhecimento básico do módulo TEG
O princípio de funcionamento do módulo gerador termoelétrico (geralmente denominado TEG) é converter a diferença de temperatura em tensão e vice-versa. Essa característica é chamada de efeito termoelétrico, que inclui três partes relacionadas: 1) Efeito Seebeck, que gera eletricidade por meio de gradiente de temperatura; 2) O efeito Peltier refere-se à absorção ou liberação de calor quando a corrente flui através de dois materiais diferentes; 3) O efeito Thomson refere-se à geração ou absorção de calor com base na direção do fluxo da corrente.
Um ponto de confusão comum na tecnologia termelétrica é a diferença entre geradores termoelétricos (TEGs) e resfriadores termoelétricos (TECs). O TEG utiliza o efeito Seebeck para gerar eletricidade através do calor, enquanto o TEC utiliza o efeito Peltier para fornecer resfriamento ou manter uma temperatura estável. Ambos os efeitos dependem de materiais semicondutores semelhantes, mas com designs diferentes: o TEG pode atingir altos diferenciais de temperatura e produção de energia eficiente, enquanto o TEC utiliza materiais como cerâmica e cobre para otimizar a condução de calor.
Na verdade, se o objetivo é gerar eletricidade através de energia térmica, então o módulo TEG é a escolha certa. Os módulos TEC ou Peltier são mais eficazes para resfriamento ou estabilidade de temperatura. Same Sky fornece módulos TEG e módulos Peltier, facilitando a seleção de dispositivos adequados de acordo com as necessidades do projeto.
Nos modernos geradores termoelétricos (TEGs), a energia elétrica é gerada quando há uma diferença de temperatura entre as superfícies quentes e frias. Dentro do módulo, vários pares de semicondutores tipo n e tipo p (geralmente feitos de telureto de bismuto) são colocados entre duas placas (Figura 1). Nos materiais do tipo n, os elétrons fluem do lado quente para o lado frio, enquanto nos materiais do tipo p, o movimento é causado pela migração de lacunas (isto é, vagas de elétrons) na mesma direção. Esses dois fluxos geram tensão em conjunto, e quanto maior a diferença de temperatura, maior será a tensão de saída.
O TEG é particularmente valioso em situações onde pode ocorrer desperdício de calor, como na produção industrial, pois ajuda a recuperar a energia perdida. O TEG também pode operar em ambientes remotos ou extremos. Por exemplo, quando há luz solar insuficiente, o calor gerado pelo decaimento radioativo é convertido em energia elétrica para fornecer energia às sondas espaciais.
Estruturas comuns de módulos TEG
Figura 1: Estrutura comum do módulo TEG. (Fonte da imagem: Mesmo Céu)
Vantagens e desvantagens do TEG
A principal vantagem dos módulos de geração de energia termoelétrica semicondutora (TEG) é a sua capacidade de converter o calor residual em energia elétrica utilizável, o que ajuda a capturar energia que de outra forma seria perdida. Portanto, os módulos TEG não são apenas práticos, mas também ecológicos.
Como o TEG é um dispositivo de estado sólido, não existem partes móveis, o que significa que este módulo não apresenta ruído audível, é resistente e durável e quase não requer manutenção. Este módulo tem aparência compacta, pode ser instalado em espaços pequenos e fornece múltiplas tensões e correntes, sem depender de redes elétricas tradicionais para fornecer energia confiável. Isto torna o TEG uma escolha ideal para dispositivos remotos ou sistemas de bateria alternativos.
Embora os geradores termoelétricos (TEGs) forneçam uma fonte confiável de eletricidade, eles também apresentam limitações de projeto. O desempenho deste gerador depende em grande parte de fortes diferenças de temperatura, o que limita a sua utilização em determinadas aplicações com gradientes térmicos. Além disso, a eficiência de conversão do TEG é geralmente baixa, normalmente em torno de 10%, o que não é alta em comparação com muitas outras tecnologias de geração de energia.
Principais critérios de seleção para TEG
Ao integrar módulos geradores termoelétricos (TEG) ao sistema, devem ser consideradas as principais especificações que afetam diretamente seu desempenho. O fator mais crítico na operação de um gerador é a diferença de temperatura entre as superfícies quentes e frias (geralmente referida como Δ T). Embora isto afete a geração de energia do TEG, a tabela de dados nem sempre a exibe desta forma. Pelo contrário, os fabricantes geralmente listam Tmax, que é a temperatura operacional segura mais alta, o que ajuda a determinar condições extremas, mas pode não ser necessariamente as condições operacionais ideais.
Outras especificações úteis incluem tensão de circuito aberto, tensão de carga correspondente, corrente, resistência e potência. Através destes valores pode-se compreender o desempenho do gerador termoelétrico sob cargas térmicas e elétricas reais. Em tabelas de dados (como a tabela de dados do Same Sky), essas informações geralmente são exibidas na forma de tabelas (Figura 2) e gráficos de desempenho (Figura 3) para facilitar o design do nível do sistema.