DAVIDE SCULLINO OTTENERE ELETTRICITÀ DAL CALORE MEDIANTE MODULI TERMOELETTRICI

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1 DAVIDE SCULLINO ENERGY HARVESTING CON LE CELLE DI PELTIER OTTENERE ELETTRICITÀ DAL CALORE MEDIANTE MODULI TERMOELETTRICI

2 Prefazione La scoperta dell Effetto Peltier, della cella di Peltier e della possibilità di realizzarla con dei semiconduttori in modo da ottenere prestazioni di elevato livello, hanno permesso di realizzare applicazioni ora altamente tecnologiche, ora caratteristiche e di nicchia. La possibilità di usare le celle come generatori di elettricità ottenibile dal recupero del calore, ha riportato in auge tali dispositivi, che dopo la nascita dei moduli termoelettrici a semiconduttore e la loro diffusa applicazione, avevano visto scemare l attenzione sulle loro qualità uniche. In un epoca in cui il consumo mondiale di elettricità e il riscaldamento globale non possono più essere trascurati, concetti come quello di Energy Harvesting, ossia del recupero di energia altrimenti sprecata durante il funzionamento di macchine elettriche, elettroniche e termiche, per esempio, diventano di drammatica attualità. In questo contesto le celle di Peltier, grazie alla loro proprietà di essere reversibili e perciò di poter generare elettricità partendo dal calore, si candidano ad assumere un ruolo di primo piano in applicazioni dove viene generato molto calore e sprecata con esso molta energia, che fino a ieri ci si limitava a dissipare con sistemi di ventilazione, raffreddamento a liquido e condizionamento d aria. Questo volume, partendo dalla teoria della cella di Peltier e dall Effetto Seebeck, spiegherà il funzionamento dei moduli termoelettrici (TEC) sia nel raffreddamento, sia, soprattutto, nel recupero di elettricità dal calore; quest ultimo è reso possibile proprio dall Effetto Seebeck e si realizza semplicemente appoggiando il lato caldo delle celle di Peltier alla superficie che genera il calore da recuperare (o al liquido di raffreddamento di una macchina termica) e smaltendo il calore in eccesso (cioè quello che non viene trasformato in elettricità) mediante dissipatori, ventilatori o impianti a liquido. Verrà spiegato come utilizzare praticamente i moduli termoelettrici per recuperare il calore prodotto nelle situazioni più comuni e in che modo sfruttare l energia del sole in un modo anticonvenzionale ma originale. Buona lettura! Davide Scullino I

3 INDICE CAPITOLO 1 LA CELLA DI PELTIER Richiami di fisica 2 L importanza dell effetto termoelettrico 4 L effetto Seebeck 5 L effetto Peltier 6 La cella a semiconduttore 5 Teoria dei semiconduttori 8 Giunzione PN e giunzione di semiconduttori 9 Struttura della cella di Peltier a semiconduttori 11 Moduli termoelettrici (TEC) 14 Connessioni elettriche 16 CAPITOLO 2 REFRIGERARE CON I MODULI TERMOELETTRICI Parametri caratteristici delle celle 20 Il salto termico 21 Smaltire il calore del lato caldo 22 Sistemi di raffreddamento statici 24 Calcolo del dissipatore 25 Utilizzo pratico delle celle 26 Dimensionamento del sistema 28 La potenza refrigerante 29 III

4 Scegliere la potenza della cella 30 Utilizzo di più celle 32 Celle termicamente in parallelo 32 Celle termicamente in cascata 33 Metodi di raffreddamento 34 Raffreddamento ad aria forzata 35 Raffreddamento a liquido 36 CAPITOLO 3 APPLICAZIONE NELLA PRODUZIONE DEL FREDDO Celle di Peltier industriali 40 Come si alimentano le celle 43 Controllo analogico 48 Software per progettazione da PC 50 Esempi applicativi 54 Cella frigorifera 54 Macchina per la neve 55 Raffreddamento di dispositivi elettronici 55 Umidità condensata 56 Danni da condensa alle celle di Peltier 58 CAPITOLO 4 ENERGY HARVESTING Recupero del calore 62 Elettronica e calore 63 Recupero dell energia meccanica 65 CAPITOLO 5 ELETTRICITÀ DAL CALORE Pile termoelettriche a celle di Peltier 68 La pila termoelettrica in pratica 70 Pila termoelettrica multistadio 71 I parametri utili 72 Salto termico e massima temperatura lato caldo 74 Gruppi di generazione a celle di Peltier 76 Applicazioni pratiche 78 IV

5 Elettricità dal sole 79 Elettricità dai bruciatori 80 Recupero da cucine e caldaie a gas 80 Recupero da stufe e camini a legna e carbone 81 Recupero da condizionatori d aria 82 Recupero dai Data Center 83 Recupero dai motori termici 84 V