Termoelettricità

Con il termine termoelettricità si intende rappresentare l’insieme di quei particolari fenomeni termici di conversione del calore in energia elettrica, e viceversa, che si verificano in particolari materiali conduttori o semiconduttori (detti materiali termoelettrici che cioè presentano effetti termoelettrici rilevanti), correlando il flusso di calore che vi transita alla corrente elettrica che li percorre. I principali fenomeni termoelettrici di correlazione tra forze elettromotrici e differenze di temperatura, sono:

  • l’effetto Joule;
  • l’effetto Seebeck;
  • l’effetto Peltier;
  • l’effetto Thomson.

Tali effetti trovano spiegazione nei fenomeni di diffusione dei portatori di carica (elettroni e lacune) per effetto termico nei conduttori (o semiconduttori), ed nei fenomeni di contatto tra le giunzioni fra conduttori di materiale diverso.

Storia della termoelettricità

La nascita della termoelettricità avvenne quando Alessandro Volta, più precisamente il 10 febbraio 1794, rivelò il collegamento esistente fra calore ed elettricità osservando come, riscaldando le estremità di un arco metallico, si ottenesse una “tensione elettrica” destinata a scomparire con il suo raffreddamento. 

Il primo fenomeno termoelettrico scoperto fu l’effetto Seebeck. Nel 1821, durante un esperimento, il fisico T.J. Seebeck, notò che, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori diversi (rame e bismuto) ma collegati fra loro, una differenza di temperatura generava una deviazione dell’ago magnetico di una bussola. Seebeck pensò che questo fenomeno fosse correlato con il magnetismo terrestre. Nel 1823, il fisico danese Hans Christian Ørsted, tuttavia dimostrò che l’effetto era causato da un flusso di cariche negative in movimento che, per la legge di Ampere, provocano il campo magnetico responsabile della deviazione dell’ago della bussola. La differenza di potenziale a cui si portano i due metalli è proporzionale alla differenza di temperatura. La costante di proporzionalità \(\alpha\) prende il nome di Coefficiente di Seebeck, ed è espressa in \(\mu\cdot\textrm{V}\cdot\textrm{K}^{-1}\).

\[\alpha (T)=\lim_{\Delta T\rightarrow 0}\dfrac{\Delta V}{\Delta T}\]

Gli studi di Seebeck portarono a costruire nel 1823 la prima termopila, con un rendimento di conversione del 3%, comparabile con il rendimento di molti motori a vapore. La termopila, grazie alla sua tensione molto stabile, fu usata successivamente dal fisico tedesco Georg Simon Ohm per studiare il legame tra tensione e corrente in un circuito. Il secondo effetto termoelettrico fu scoperto nel 1834 da un orologiaio francese, Jean Charles Athanase Peltier; in un conduttore costituito da due metalli diversi, una differenza di potenziale elettrico genera una differenza di temperatura (che non può essere ricondotta all’effetto Joule). Il calore assorbito o generato era proporzionale alla corrente, attraverso un coefficiente di proporzionalità, chiamato coefficiente di Peltier. Più tardi, nel 1838, il fisico russo Heinrich Lenz, dimostrò che la produzione o l’assorbimento di calore sulla giunzione dipendevano dal verso della corrente, e con un semplice esperimento riuscì a congelare e scongelare dell’acqua posta in un incavo ricavato su una giunzione tra bismuto e rame.

Gli studi sulla termoelettricità, dopo un’interruzione di circa vent’anni causata dall’entusiasmo che suscitarono le ricerche di Laplace ed Ampere sull’elettromagnetismo, trovarono nuovo slancio con il fisico britannico William Thomson (Lord Kelvin), il quale riuscì, nel 1851, in primis, a correlare l’effetto Seebeck e l’effetto Peltier e, successivamente, scoprì un terzo effetto termoelettrico: l’effetto Thomson.

Un conduttore omogeneo con le estremità a temperatura diversa (\(T_1\) e \(T_2\)) e percorso da una corrente elettrica, cede o assorbe calore a seconda che il flusso termico e la corrente siano coincidenti o opposti. Le prime applicazioni delle teorie di Thompson ci furono solo a partire dal 1909 grazie al fisico tedesco Edmund Altenkirch. I risultati delle sue ricerche portarono alla definizione di un indice di merito, con la quale classificare i materiali termoelettrici, “la figura di merito \(z\)”.

\[z=\dfrac{\alpha^2\sigma}{\lambda}\;\left[\dfrac{1}{\textrm{K}}\right]\]

dove: \(\alpha\) è il coefficiente di Seebeck o potere termoelettrico, \(\sigma\) è la conducibilità elettrica, \(\lambda\) la conducibilità termica. L’indice di merito \(z\) viene anche usato nella sua forma adimensionale \(zT\), moltiplicata per la temperatura assoluta \(T\). Un buon materiale termoelettrico deve possedere un elevato indice di merito. Questo implica che per una data temperatura, il materiale deve avere un coefficiente di Seebeck molto alto, una conducibilità termica molto bassa (per mantenere la differenza di temperatura sulla giunzione) e una bassissima resistenza elettrica (per minimizzare le perdite per effetto Joule).

Lo sviluppo delle applicazioni termoelettriche è iniziato nei primi anni ’30, con l’avvento dei materiali termoelettrici semiconduttori, principalmente ad opera della scuola russa. L’assenza di parti in movimento rendeva questi generatori silenziosi e affidabili, ideali per dispositivi militari da campo o sensori; sono state sviluppate numerose applicazioni essenzialmente per il settore militare ed aerospaziale che sono tuttora rigorosamente segrete (Radioisotope Thermoelectric Generators usati dalla NASA in molte missioni spaziali: Apollo, Pioneer, Viking, Voyager).

In occidente, in particolare negli U.S.A., l’attività di ricerca e sviluppo della termoelettricità è iniziata nell’immediato dopoguerra, ed è stata intensa fino all’inizio degli anni ’60, quando oltre 100 società erano attive in questo settore. Dieci anni più tardi, la termoelettricità vedeva impegnate solo una decina di società, fino ad arrivare a solo due industrie, Melcor e Marlow, attive all’inizio degli anni ’90. Questo progressivo disimpegno era motivato dalla constatazione che, nonostante la scoperta di nuovi materiali, l’efficienza dei generatori termoelettrici rimaneva invariabilmente un ordine di grandezza inferiore rispetto a quanto erroneamente previsto alla fine degli anni ’50. Nel 1970 è nata la “International Thermoelectric Society” che riunisce tutti i più grandi esperti di termoelettricità e la promuove, presentando tutte le innovazioni tecnologiche in un meeting internazionale che si tiene annualmente dal 1970 nelle più grandi capitali del mondo. 

A partire dal 1993 si è nuovamente acceso l’interesse per la termoelettricità. Questa volta, a spingere l’attività di ricerca è una previsione teorica: l’efficienza dei dispositivi termoelettrici può essere notevolmente incrementata (raggiungendo rendimenti fino al 17%) attraverso l’impiego di sistemi a bassa dimensionalità, cioè facendo ricorso a materiali termoelettrici nano strutturati. Parallelamente, il costo di produzione dei moduli termoelettrici è in continua discesa oltre che per motivi fisiologici del mercato, anche grazie a studi accademici, che porteranno alla definizione di nuovi standard costruttivi a basso costo, e renderanno oltremodo vantaggioso l’utilizzo di questa tecnologia nella conversione diretta del calore in energia elettrica.

Generatori termoelettrici

I generatori termoelettrici TEG (Termo Electric generator), conosciuti anche come generatori Seebeck sono dei dispositivi a semiconduttore che trasformano un flusso di calore in energia elettrica in modo diretto. In particolare i generatori termoelettrici sono costituiti come le celle di Peltier da blocchetti di materiale semiconduttore con differente drogaggio, ovvero di tipo P (drogato con atomi accettori) e di tipo N (ovvero drogati con atomi donori).

Un modulo termoelettrico è costituito dunque da n coppie di materiali termoelettrici di tipo P e N connessi elettricamente in serie a una resistenza di carico \(R_L\). I materiali di tipo P avranno coefficiente di Seebeck positivo mentre i materiali di tipo N avranno coefficiente negativo. Il coefficiente di Seebeck della termocoppia \(\alpha_{pn}=\alpha_{p}-\alpha_{n}\) sarà quindi positivo.

Le N coppie sono tenute insieme da due piastre di materiale isolante (per evitare di mettere in corto circuito tutte le giunzioni), costituito generalmente da materiale ceramico che le mette in parallelo termico. La ceramica riveste un ruolo fondamentale in quanto, deve possedere una conduttività termica estremamente elevata pur mantenendo una bassissima conducibilità elettrica. I materiali comunemente utilizzati sono l’Allumina o Ossido di Alluminio (Al2O3), il Nitruro di Alluminio (AlN) o l’Ossido di Berillio (BeO). Il modulo termoelettrico può essere usato per tre applicazioni:

  1. per riscaldare: TEH (Thermoelectric Heater)
  2. per refrigerare: TEC (Thermoelectric Cooler)
  3. Per produrre energia: TEG (Thermoelectric Generator)

Queste configurazioni differiscono per come sono polarizzate le barre di materiale termoelettrico p e n. Nel funzionamento come TEH e TEC, i termoelementi sono polarizzati da una differenza di potenziale, tale configurazione consente di controllare la differenza di temperatura tra le due piastre. Nel funzionamento come TEG invece si utilizza l’effetto opposto, i termoelementi sono polarizzati da un gradiente di temperatura che produce una differenza di potenziale ai capi dei conduttori.