Gerador termoelétrico

Gerador termoelétrico de energia, qualquer um dos dispositivos de estado sólido que convertem calor diretamente em eletricidade ou transformam energia elétrica em energia térmica para aquecimento ou resfriamento. Tais dispositivos são baseados em efeitos termoelétricos que envolvem interações entre o fluxo de calor e eletricidade através de corpos sólidos.

Todos os geradores termoelétricos têm a mesma configuração básica, como mostrado na figura. Uma fonte de calor fornece a alta temperatura e o calor flui através de um conversor termoelétrico para um dissipador de calor, que é mantido a uma temperatura abaixo da da fonte. O diferencial de temperatura entre o conversor produz corrente contínua (DC) a uma carga (R _L), que tem um terminal de tensão (V) e uma corrente de terminais (I). Não há processo intermediário de conversão de energia. Por esse motivo, a geração de energia termoelétrica é classificada como conversão direta de energia. A quantidade de energia elétrica gerada é dada por I ² R _L ou VI.

Um aspecto único da conversão de energia termoelétrica é que a direção do fluxo de energia é reversível. Assim, por exemplo, se o resistor de carga for removido e uma fonte de alimentação CC for substituída, o dispositivo termoelétrico mostrado na figura pode ser usado para extrair calor do elemento "fonte de calor" e diminuir sua temperatura. Nesta configuração, é invocado o processo de conversão de energia reversa de dispositivos termoelétricos, usando energia elétrica para bombear calor e produzir refrigeração.

Essa reversibilidade distingue conversores de energia termoelétrica de muitos outros sistemas de conversão, como conversores de energia termiônicos. A energia de entrada elétrica pode ser convertida diretamente em energia térmica bombeada para aquecimento ou refrigeração, ou a energia de entrada térmica pode ser convertida diretamente em energia elétrica para iluminação, operação de equipamentos elétricos e outros trabalhos. Qualquer dispositivo termoelétrico pode ser aplicado em qualquer um dos modos de operação, embora o design de um determinado dispositivo seja geralmente otimizado para sua finalidade específica.

O estudo sistemático começou em termoeletricidade entre 1885 e 1910. Em 1910, Edmund Altenkirch, um cientista alemão, calculou satisfatoriamente a eficiência potencial dos geradores termoelétricos e delineou os parâmetros dos materiais necessários para a construção de dispositivos práticos. Infelizmente, os condutores metálicos eram os únicos materiais disponíveis na época, tornando inviável a construção de geradores termoelétricos com uma eficiência de mais de 0,5%. Em 1940, um gerador semicondutor com uma eficiência de conversão de 4% havia sido desenvolvido. Depois de 1950, apesar do aumento da pesquisa e desenvolvimento, os ganhos na eficiência de geração de energia termoelétrica eram relativamente pequenos, com eficiências de não mais de 10% no final da década de 1980. Serão necessários melhores materiais termoelétricos para ir muito além desse nível de desempenho. No entanto, algumas variedades de baixa energia de geradores termoelétricos provaram ser de considerável importância prática. Aqueles alimentados por isótopos radioativos são a fonte de energia mais versátil, confiável e geralmente usada para locais isolados ou remotos, como para gravar e transmitir dados do espaço.

Principais tipos de geradores termoelétricos

Os geradores termoelétricos variam em geometria, dependendo do tipo de fonte de calor e dissipador de calor, a necessidade de energia e o uso pretendido. Durante a Segunda Guerra Mundial, alguns geradores termoelétricos foram usados ​​para alimentar transmissores de comunicações portáteis. Melhorias substanciais foram feitas em materiais semicondutores e em contatos elétricos entre 1955 e 1965, que expandiram o alcance prático da aplicação. Na prática, muitas unidades requerem um condicionador de energia para converter a saída do gerador em uma voltagem utilizável.

Geradores de combustíveis fósseis

Os geradores foram construídos para usar gás natural, propano, butano, querosene, combustíveis para aviação e madeira, para citar apenas algumas fontes de calor. As unidades comerciais geralmente estão na faixa de potência de saída de 10 a 100 watts. Eles são para uso em áreas remotas em aplicações como auxílios à navegação, sistemas de coleta e comunicação de dados e proteção catódica, que evita que a eletrólise corroa tubulações metálicas e estruturas marítimas.

Geradores de fonte solar

Os geradores termoelétricos solares têm sido utilizados com algum sucesso para alimentar pequenas bombas de irrigação em áreas remotas e regiões subdesenvolvidas do mundo. Foi descrito um sistema experimental no qual a água oceânica de superfície quente é usada como fonte de calor e a água oceânica mais fria como dissipador de calor. Os geradores termoelétricos solares foram projetados para fornecer energia elétrica em naves espaciais em órbita, embora não tenham sido capazes de competir com células solares de silício, que têm melhor eficiência e menor peso unitário. No entanto, foram considerados sistemas que incluem bombeamento de calor e geração de energia para controle térmico de naves espaciais em órbita. Utilizando calor solar do lado da sonda orientado para o Sol, os dispositivos termoelétricos podem gerar energia elétrica para uso por outros dispositivos termoelétricos em áreas escuras da sonda e para dissipar o calor do veículo.

Geradores a combustível nuclear

Os produtos de decomposição dos isótopos radioativos podem ser usados ​​para fornecer uma fonte de calor de alta temperatura para geradores termoelétricos. Como os materiais dos dispositivos termoelétricos são relativamente imunes à radiação nuclear e porque a fonte pode ser fabricada para durar por um longo período de tempo, esses geradores fornecem uma fonte de energia útil para muitas aplicações não assistidas e remotas. Por exemplo, geradores termoelétricos por radioisótopos fornecem energia elétrica para estações isoladas de monitoramento climático, para coleta de dados em oceanos profundos, para vários sistemas de alerta e comunicação e para espaçonaves. Além disso, um gerador termoelétrico de radioisótopo de baixa potência foi desenvolvido desde 1970 e usado para alimentar marcapassos cardíacos. A faixa de potência dos geradores termoelétricos por radioisótopos é geralmente entre 10 e ⁶ e 100 watts.