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Wearable, energia termica trasformata in elettricità

Un generatore termoelettrico TEG è un dispositivo a stato solido impiegato nei sistemi wearable che converte i flussi di calore in energia elettrica. Una fonte di energia pulita per alimentare i propri dispositivi elettronici!

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La raccolta di energia termica è il processo di cattura di calore liberamente disponibile nell'ambiente, interpretato come l'energia di rifiuto usata dai motori, dalle macchine e da altri sistemi. L'energia termica che viene raccolta può essere utilizzata come calore per pre-riscaldare l'acqua per uso domestico o per processi industriali. In alternativa, può essere convertita in energia meccanica o elettrica.

I generatori termoelettrici o TEG funzionano come i motori termici, ovviamente sono meno ingombranti e non hanno parti in movimento. I materiali sfruttano l'effetto Seebeck, ovvero convertono il gradiente di temperatura in una differenza di tensione dell'ordine dei mV.

I materiali impiegati devono avere elevata conducibilità elettrica e bassa conducibilità termica. I principali semiconduttori noti per avere una bassa conducibilità termica sono stati il ​​telluride di bismuto (Bi2Te3), il telluride del piombo (PbTe) e il silicio germanio (SiGe). Questi materiali hanno elementi molto rari che li rendono composti molto costosi.  Oggi la conducibilità termica dei semiconduttori può essere ridotta senza compromettere le loro elevate proprietà elettriche utilizzando nanotecnologie.  

Il coefficiente Seebeck di un modulo completo dipende da molti fattori, ma per il materiale greggio del telluride bismuto può arrivare fino a -287 μV / °C per determinate composizioni. Per un modulo completo con modeste dimensioni di circa un centimetro quadrato è possibile produrre oltre 100 mV / °C (figura 1).

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Figura 1: esempio di modulo TEG commerciale

I TEG si basano sulle proprietà di una classe speciale di semiconduttori noti come materiali termoelettrici che creano un potenziale elettrico quando l'energia termica migra da loro da un lato più caldo verso uno più freddo. I dispositivi termoelettrici hanno i vantaggi di essere compatti, abbastanza leggeri e senza parti in movimento, impiegati soprattutto nelle soluzioni low-power.

Il principale vantaggio ambientale di questa tecnologia è ridurre la domanda di produzione di energia, in particolare quello di estendere la durata delle batterie o interamente sostituirle come nelle applicazioni indossabili dove le dimensioni hanno un ruolo dominante nel design. Oltre a recuperare il calore, questi sistemi potrebbero anche produrre energia da fonti di calore nell'ambiente che non possono essere sfruttate con altri metodi.

Al momento l'uso di dispositivi termoelettrici potrebbe essere limitato dalla bassa efficienza di conversione energetica. Gli sviluppi sono volti ad affrontare queste limitazioni. Da un lato si stanno sviluppando nuovi materiali e dispositivi termoelettrici che offrono costi inferiori e maggiore efficienza; dall'altro si stanno sviluppando nuovi processi produttivi per ridurre il costo dei dispositivi, e produrre materiali termoelettrici più rispettosi dell'ambiente.  

Un sistema di raccolta energetica di TE approfitta di qualsiasi differenza di temperatura tra le sue due superfici. I nostri corpi sono relativamente caldi considerando la temperatura corporea di 37 ° C. Le temperature della pelle sono tipicamente nell'intervallo dei 32 °C. Per temperature tipiche dell'ambiente, un raccoglitore collegato alla pelle di una persona offre ΔT fino a 5-10 °C.