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Conversão direta da energia
(Parte3 - Conversão Termoelétrica)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Passados 140 anos, Seebeck obteve seu êxito
O dispositivo mais antigo de conversão direta de energia é o termopar. Se unirmos fortemente dois materiais diferentes (geralmente dois 'arames' de distinta composição) e esquentarmos a junção (fig. 5a), aparecerá uma força-eletromotriz (f.e.m.), ou d.d.p., que poderá ser medida entre os extremos frios. 

Fig. 5a - Constatação do efeito Seebeck.

Em 1821, T.J. Seebeck foi o primeiro a observar esse efeito em seu laboratório em Berlim porém, devido a uma interpretação errônea da natureza do fenômeno, não conseguiu encontrar nenhuma aplicação prática. Até algum tempo atrás não havia sido feito nenhum progresso verdadeiro na aplicação desse descobrimento para a produção de energia. Realmente, por mais de 100 anos a termoeletricidade repousou junto á 'bela adormecida do bosque' e 'o príncipe que veio despertá-la' tinha outro nome: semicondutor. Enquanto eram utilizados os tradicionais 'arames metálicos' de pouco rendimento para a confecção do par termoelétrico, os autores de livros-textos tinham certa razão em dizer que a termoeletricidade nunca seria útil como fonte de energia elétrica. O 'segredo' para a eficiente aplicação desse efeito residia na produção de melhores materiais termoelétricos. Produção, aqui, poderia até mesmo ser melhor substituído por 'criação', uma vez que os melhores materiais para estas aplicações não existem na natureza. Para bem realizar esse trabalho de 'alquimia' teremos que entender bem o efeito Seebeck. Vamos a ele.

Elétrons e buracos
Vamos dar uma ligeira examinada na distribuição dos átomos em qualquer substância sólida. Naquelas denominadas isolantes elétricos (ou dielétricos), todos os elétrons exteriores (também chamados elétrons de valência ou de condução, os quais são responsáveis pelas propriedades químicas, das ligações com outros átomos e pela condução das cargas elétricas nos condutores) dos átomos estão fortemente unidos aos átomos adjacentes por ligações covalentes. 

Pelo contrário, todos os metais possuem muitos elétrons em um estado de relativa liberdade e que se deslocam facilmente pela estrutura metálica. A isso devemos o fato de que os metais sejam tão bons condutores de corrente elétrica.

A fig. 5b representa a distribuição dos átomos de um semicondutor, assim chamado porque sua condutividade é inferior a aquela dos metais. Os poucos elétrons disponíveis para transportar carga elétrica no fenômeno da corrente elétrica (portadores) procedem de átomos de 'impurezas', que foram introduzidas deliberadamente e que possuem elétrons de sobra para saturar as ligações com os átomos circundantes. Sem tais impurezas teríamos uma substância que seria melhor designada como isolante. Com elas, teremos um semicondutor do tipo N. Esse N (negativo) indica um excesso de elétrons.

Fig. 5b - Esquerda: Par termoelétrico construído com semicondutores de tipo P e N. Direita: Os átomos de impureza (I) são distintos em cada elemento e originam um excesso (tipo N) ou falta de elétrons de valência (tipo P). O calor faz com que os elétrons (-) e os 'buracos' (+) se desloquem para a junção fria.

Na fig. 5b também aparece um semicondutor de tipo P ou positivo. Neste caso  o átomo da impureza não tem elétrons de valência suficientes para saturar as ligações com os átomos circundantes. O conjunto de átomos tem menos elétrons que deveria, o que equivale a dizer que está cheio de 'buracos positivos'. Ainda que pareça estranho, num primeiro relance, esses buracos podem deslocar-se pela substância como se fossem cargas positivas. Este modelo de elétrons e buracos não é tão preciso como desejaria um físico, mas ajuda a compreender o comportamento dos semicondutores no nível desse trabalho. Há modelos mais sofisticados para isso.

O efeito Seebeck se manifesta bem quando se unem dois fragmentos de substâncias semicondutoras de tipos P e N, conforme ilustra a fig. 5b, esquerda. A energia térmica recebida pela junção quente propicia o deslocamento tanto dos elétrons livres como dos buracos para a junção fria, como se fossem gases que se deslocam através da substância devido a uma diferença de temperatura. Desta maneira se origina em terminal positivo e outro negativo, o que é necessário para tornar-se uma fonte de energia elétrica. Quanto maior for a diferença de temperatura maior será a diferença de potencial (d.d.p) originada. Devemos observar que poderíamos obter uma d.d.p. entre os extremos frio e quente de um mesmo semicondutor, porém com a construção do par com substâncias dopadas P e N a d.d.p. originada é bem superior.

Geradores termelétricos de energia para uso prático
O primeiro gerador termelétrico de energia aquecido por meios nucleares foi construído em 1954 no Mound Laboratory, Ohio, E.U.A. Utilizou-se de termopares de 'arames' metálicos, com rendimento inferior ao 1%. Pelo contrário, os termopares em série do SNAP 3 (fig.1 - Parte 1) são grossos semicondutores cilíndricos de telureto de chumbo (PbTe) de 5 cm de comprimento, com rendimento superior aos 5%. Essa cifra parece pequena se comparada aos 35 a 40% que se obtém em uma central elétrica moderna, porém os geradores SNAP 3 podem funcionar sem nenhuma atenção especial em lugares remotos nos quais as centrais elétricas seriam totalmente impraticáveis.

Aparências enganam. Se você observar com cuidado as figuras 1 e 5b tudo parecerá de extrema simplicidade. Não é bem assim, atrás dessa aparente simplicidade do gerador termelétrico há toda uma história de esforços de investigação e desenvolvimentos a passos curtos. Por exemplo, o par termelétrico ilustrado na fig. 1 resultou possível graças a milhares de experimentos com soldaduras. A junção dos elementos termelétricos com a placa quente (que é metálica) oferece muitas dificuldades: deve ser forte, resistir temperaturas elevadas e apresentar pouca resistência elétrica. Também pode ser observado que os elementos são envolvidos por mangas de mica para impedir que os gases circundantes alterem o delicado equilíbrio entre as impurezas e o semicondutor. A enorme fragilidade dos elementos complica ainda mais as coisas, e este é um problema ainda não totalmente resolvido.

Já se lançou ao espaço geradores termelétricos nucleares, que produzem pequenas quantidades de energia elétrica para os satélites; já foram instalados em estações terrestres nas zonas polares e também já foram submersos no fundo dos oceanos. Já se colocou à venda geradores termelétricos que queimam propano, como o que aparece na fig. 6a, para material de 'camping', bóias oceânicas e lugares remotos onde se requer apenas poucos watts de potência. Há dessas fontes termelétricas de energia elétrica até tocadas a querosene!

Fig. 6a - Gerador para usos correntes. Esse queima propano e produz suficiente potência para fazer funcionar um aparelho portátil de TV.

Para demonstrações didáticas da conversão termelétrica existem nos laboratórios de Faculdades e Institutos um dispositivo como o da fig.6b. 

Fig. 6b - Conversor termelétrico para fins didáticos.

Esse conversor termelétrico consta basicamente de um pequeno motor elétrico CC, dotado de hélice, alimentado diretamente por um elemento Peltier. Cada face do elemento Peltier está termicamente acoplada a uma grossa barra de alumínio. A extremidade livre de uma das barras é mergulhada em água quente e a da outra em água fria.

O elemento Peltier tem função reversível; quando submetido a uma d.d.p. ela produz uma diferença de temperaturas entre suas faces e quando submetemos suas faces a uma diferença de temperaturas o elemento gera uma d.d.p. 
Esse elemento consiste em uma série de pequenas células termelétricas de silício dopado tipo P e N. Aquecendo-se as células, é fornecida energia suficiente para forçar alguns elétrons livres para mover através do material tipo N e para alguns buracos migrarem através do material tipo P. Esses elétrons fluem do material N para o material P através do circuito externo que é exatamente o enrolamento do rotor do pequeno motor. Enquanto a diferença de temperatura  estiver ao redor dos 50 oC o motor funciona. Invertendo-se as posições das barras nos copos de água quente e fria observa-se a rotação do rotor em sentido inverso. Nas demonstrações pode-se usar água fervente e gelo ou água na temperatura ambiente e nitrogênio líquido.

Por hora, a energia termelétrica só está encontrando aplicações especiais, como as mencionadas (o par termelétrico entretanto, também é usado como ponta termométrica de tremenda sensibilidade). Assim que os rendimentos se tornarem mais elevados será possível que essa energia possa substituir as máquinas de conversão dinâmica em certas aplicações que requerem pouca potência.
 

Segue: Conversão Direta - Parte 4 : Conversão Termoiônica

 


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