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Projeto de Energia Termoambiente - Conversão de calor ambiente em energia elétrica

MTAE - Módulo Termoelétrico de Altíssima Eficiência

Última atualização em 15/07/2019

O Efeito Seebeck foi inicialmente interpretado como tendo sua origem na região de contato (junções) dos dois metais que compõe o termopar. Mais recentemente, testando-se semicondutores, descobriu-se que uma força eletromotriz é gerada ao longo das pernas do termopar. A literatura convencional adotou então esta última interpretação como regra geral. Minhas pesquisas, no entanto, concluíram que ambas as interpretações estão corretas. Na verdade, em um termopar sob um gradiente térmico, existem 4 forças eletromotrizes conforme mostrado na figura 1, (E1, E2, E3 e E4).

Forças eletromotrizes em termopares bimetálicos

Nota: Se o material B (em azul) for um semicondutor tipo P, a força eletromotriz E4 terá o sentido inverso aumentando significativamente a voltagem de saída. É por esse motivo que atualmente todos os módulos termoelétricos são construídos com semicondutores.

Os módulos termoelétricos convencionais, tipo TEG (Thermoelectric Generator fig.2), são construídos com dois semicondutores (N e P) formando vários termopares interligados em série. Estes módulos exploram a força eletromotriz gerada pela difusão de elétrons ao longo das pernas dos termopares (E3 e E4, na figura 1). Essa difusão, no entanto, só acontece quando os extremos dos termopares (junções) estão submetidos a uma diferença de temperatura. Ou seja, os módulos convencionais só geram uma diferença de potencial elétrico, em seus terminais de saída, se houver uma diferença de temperatura entre as suas duas superfícies. Veja figura 2:

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Diferentemente dos módulos termoelétricos convencionais, o MTAE explora a força eletromotriz gerada nas junções dos termopares e não nas suas pernas. Elétrons excitados termicamente (acima de 0 Kelvin), tendem a invadir regiões fronteiriças que tenham densidade eletrônica menor. Por isso, quando juntamos dois metais dissimilares, ou semicondutores, os elétrons do material eletronicamente "mais forte" (com maior energia), empurram (deformam) o orbital dos elétrons do material "mais fraco" estabelecendo assim um desequilíbrio eletrônico no limiar da junção.

Como as junções dos termopares são simétricas, as forças eletromotrizes existentes nas junções possuem sentidos opostos. Por isso, sob a mesma temperatura, elas se anulam impossibilitando sua utilização externa, porém continuam existindo. Veja figura 3.

Forças eletromotrizes em termopares bimetálicos


O segredo do MTAE está no fato de que as junções dos seus termopares possuem adequações atômicas inovadoras e, em função disso, geram forças eletromotrizes diferentes mesmo estando à mesma temperatura. A junção diferenciada possui um nano dispositivo eletrônico que faz com que essa junção se comporte como se estivesse em torno de zero Kelvin. Com isso, o efeito termoelétrico, desses termopares especiais, age como se estivesse sob um gradiente térmico em torno de 300 Kelvin. Dessa forma, a força eletromotriz gerada em uma das junções, mesmo estando à temperatura ambiente, é maior do que a força eletromotriz gerada na junção que está sob efeito do simulador "zero Kelvin". Assim, o somatório das duas forças é diferente de zero podendo, então, ser utilizada externamente.

Forças eletromotrizes em termopares bimetálicos


Por rasões ligadas à marcas e patentes, ainda não posso tornar público a engenharia dessas junções. Mas darei detalhes minuciosos do seu formato, e da sua construção, à pessoa ou instituição que se tornar meu parceiro. Saiba mais em: Projeto de Energia Termoambiente.

Autor: Valvim M Dutra

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