L’articolo, pubblicato sul numero 286 di Elettronica In, analizza la conversione del calore in elettricità tramite dispositivi termoelettrici, con particolare attenzione alle celle di Peltier impiegate in modalità generatore (TEM). Il punto di partenza è il calore dissipato in ambito tecnologico ed elettronico, considerato perdita energetica ma potenziale sorgente per Energy Harvesting. La conversione si basa sull’effetto termoelettrico: l’effetto Seebeck genera una differenza di potenziale quando esiste un gradiente di temperatura, mentre l’effetto Peltier produce riscaldamento da un lato e raffreddamento dall’altro quando scorre corrente. Nei moduli TEM queste proprietà vengono sfruttate al contrario per ottenere energia elettrica dal salto termico tra le due facce.
Dalle strutture bimetalliche si è passati ai semiconduttori (blocchetti P ed N) che, grazie alla maggiore resistenza termica e alla banda proibita, consentono salti termici più elevati e quindi tensioni più utilizzabili. I moduli sono realizzati con molte giunzioni collegate in serie termica ed elettrica, con strati in allumina per isolamento elettrico e alta conducibilità termica. Un modulo “nato” per raffreddare (TEC) può operare anche come generatore (TEM) se sottoposto a differenza di temperatura. Tuttavia, l’efficienza è limitata: i moduli commerciali convertono in genere fino a circa il 7% dell’energia termica.
Per la sperimentazione è indicato un modulo termoelettrico da 5,4 W che fornisce 5,4 V a 1 A ed è progettato per ΔT continui fino a 300 °C e lato caldo fino a 330 °C con lato freddo a 30 °C. Abbinando un regolatore dedicato all’Energy Harvesting, come l’integrato BQ25504 (convertitore boost e caricabatterie ad alta efficienza, avvio da 600 mV e funzionamento fino a 130 mV, MPPT programmabile, consumo a riposo di 330 nA), è possibile stabilizzare la tensione, caricare batterie e alimentare sensori a basso assorbimento.
Le prestazioni dipendono in modo non lineare dal ΔT e dalle temperature di lato caldo e lato freddo. Esempi pratici mostrano che, con ΔT di 270 °C (300 °C vs 30 °C), una cella da 30×30 mm può erogare 5,4 W con potenza termica attraversante di 96 W (≈5,6%); un altro modulo eroga 7,8 W con 132 W termici (≈5,9%). Esistono celle ad alta temperatura che sopportano fino a 500 °C in continuo e 600 °C intermittente, con rendimenti di picco pari a circa 7,4% (lato caldo 600 °C, lato freddo 30 °C).
Dal punto di vista progettuale, per massimizzare la potenza trasferita al carico si applica il principio di matching tra resistenza interna del modulo e resistenza del carico. La potenza elettrica disponibile è tanto maggiore quanto più si mantiene bassa la temperatura del lato freddo senza superare i limiti indicati dal costruttore. Per potenze utili si ricorre a più moduli in serie, in parallelo o in pile multistadio, distribuendoli sulla superficie calda e gestendo il flusso termico in cascata. I materiali e gli accoppiamenti termici (paste e gel idonei) sono cruciali per reggere le temperature in gioco e garantire l’affidabilità del sistema.
