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Jun 18, 2023

Le tecnologie termoelettriche emergono dagli Usa

Two radically different thermo-electric energy harvesters emerged from the US

Questa settimana dagli Stati Uniti sono emersi due raccoglitori di energia termoelettrica radicalmente diversi.

Uno è un proof-of-concept termoacustico della Penn State University, l'altro è l'ultima iterazione del generatore Seebeck di produzione di Nextreme.

Il dispositivo termoacustico è un tentativo di ottenere abbastanza elettricità dal fuoco di un mondo in via di sviluppo per azionare un ventilatore.

L'idea è che un ventilatore aumenterà l'efficienza del fuoco riducendo al contempo le emissioni: il fumo della cottura uccide 1,9 milioni di persone all'anno, stima l'ONU.

L'affidabilità è fondamentale, quindi il ricercatore Paul Montgomery ha deciso che dovrebbero esserci poche o nessuna parte mobile da usurare, da qui la scelta della conversione acustica - e Penn State è famosa per l'acusto-termodinamica.

È composto da due parti, un oscillatore termo-acustico per creare una colonna d'aria vibrante e un convertitore elettrico-vibrante: un altoparlante che funziona al contrario nel dimostratore.

L'oscillatore è un tubo con un'estremità chiusa e materiale per il trasferimento di calore appena all'interno dell'estremità aperta.

Con le giuste dimensioni, condizioni e orientamento dello scambiatore di calore; una piccola parte dell'aria viene riscaldata e la sua espansione la fa spostare verso una parte fredda della camera. Qui si raffredda, si contrae e viene riportato nella parte calda.

Questo ciclo si ripete, con una frequenza determinata dal rimbalzo della colonna d'aria elastica e dalla lunghezza del tubo.

L'effetto è noto da un secolo da quando lo scienziato vittoriano Lord Rayleigh riconobbe che quando il calore viene aggiunto a un'onda sonora durante la compressione e rimosso durante l'espansione, l'ampiezza dell'onda sonora aumenta.

"È stato costruito un generatore termoacustico ad altissima tecnologia per applicazioni spaziali, che utilizzava gas elio pressurizzato e alternatori lineari molto costosi", ha affermato Montgomery. "Per l'applicazione sui fornelli, abbiamo tentato un prototipo molto più semplice."

Usa l'aria atmosferica in un condotto rettangolare piegato in lamiera.

Il calore viene ceduto al gas da un nido d'ape in ceramica con i suoi fori che corrono lungo il condotto.

"La ceramica è in realtà un materiale prodotto in serie come substrato per i convertitori catalitici utilizzati nei sistemi di scarico automobilistici", ha detto a Electronics Weekly il professor Steven Garrett della Penn State. "Finché la ceramica non viene rivestita con il catalizzatore, solitamente platino, è piuttosto economica, così economica che viene utilizzata come mattone refrattario nei barbecue."

Un'estremità della ceramica è annerita e assorbe 20 W di calore mediante radiazione elettromagnetica dall'estremità calda del risonatore che si trova nella stufa.

L'altro è collegato a un dissipatore di calore esterno in stile computer per il raffreddamento. Il dimostratore produce 25 mW, anche se Montgomery stima che il prodotto finito produrrebbe 10 W da una stufa da 4-8 kW e costerebbe 25 dollari.

"Anche un motore termico relativamente inefficiente sarebbe in grado di generare elettricità sufficiente da piccole quantità di calore di scarto per alimentare un ventilatore e possibilmente avere una capacità in eccesso sufficiente per caricare un telefono o una batteria che potrebbe fornire illuminazione notturna", ha affermato.

I risultati sono stati presentati al 2° incontro panamericano/iberico sull'acustica, organizzato dall'American Institute of Physics, e Montgomery ha scritto un documento di riferimento.

L'altro sviluppo, del produttore di dispositivi semiconduttori Peltier/Seebeck Nextreme, è mirato all'estremità inferiore delle scale di potenza e differenza di temperatura.

eTEG HV37 è un dispositivo ad 'alta tensione' in quanto genera un circuito aperto di 170 mV da una differenza di temperatura di 10 K, a quel punto può fornire 1 mW con il giusto carico.

Con una differenza di 50K, può fornire 24 mW o una tensione a circuito aperto di 850 mV.

È 6 mm2, alto 0,6 mm e si unisce ad altri due generatori: HV56 e HV14.

"L'implementazione di sensori distribuiti e reti di sensori ha portato ad un crescente interesse per le fonti di energia rinnovabili e autonome", ha affermato Dave Koester, vicepresidente dell'ingegneria presso Nextreme. "L'uso del calore di scarto è una fonte di energia interessante per molte applicazioni in cui è richiesta una potenza dell'ordine di µW-mW."