L‘utilizzo della tecnologia termoelettrica è il metodo più diretto per convertire l‘energia elettrica in trasferimento di calore.
Infatti, mentre nei sistemi di refrigerazione tradizionali, il trasferimento di calore è effettuato tramite un mezzo di veicolazione gas o liquido, nel caso del sistema termoelettrico sono gli elettroni stessi che fungono da veicolo per il calore.
Essendo questo fenomeno reversibile, si può ottenere energia elettrica quando del calore è disponibile ma, dato che il rendimento di questo processo è estremamente basso, sono molto rari i casi in cui un generatore di elettricità termoelettrico risulti preferibile ad uno di tipo tradizionale.
Anni di ricerca spesi per migliorare il rendimento dei moduli termoelettrici (componenti base delle unità), nonché la loro continua riduzione di costo stanno rendendo sempre più conveniente l‘applicazione di questa tecnologia sia nel campo civile che industriale.
Le unità termoelettriche non sono altro che delle piccole pompe di calore statiche che operano secondo i principi scoperti più di un secolo fa dal fisico francese Jean-Charles Peltier (1785-1845).
I principi base della termodinamica si possono applicare a questi congegni proprio come si fa per le pompe di calore convenzionali, frigoriferi ad assorbimento o altri tipi di apparecchiature atte al trasferimento del calore.
Il "motore" del sistema è rappresentato dal modulo termoelettrico, più conosciuto con il nome di "Cella di Peltier". Questo è composto da un certo numero di coppie, tutte uguali, di materiale semiconduttore con i due componenti della coppia aventi caratteristiche elettriche diverse. Queste coppie vengono connesse elettricamente in serie e termicamente in parallelo in modo da creare diverse giunzioni. Quindi vengono raccolte a "sandwich" tra due piastrine ceramiche molto sottili che fungono sia da supporto meccanico che da isolante elettrico. Applicando tensione ai due capi del circuito si mette in funzione il sistema, quindi, al passaggio della corrente, un lato del modulo si raffredda (cede energia al lato opposto) mentre quello opposto si riscalda (assorbe energia dal lato freddo).
Il fenomeno risulta reversibile semplicemente
invertendo il senso di percorrenza della corrente.
I moduli possono essere realizzati in un enorme varietà di dimensioni, tensioni di alimentazione, correnti assorbite, numero di termocoppie e potenze frigorifere.
Il fenomeno sfrutta la legge fisica per la quale la velocità di spostamento degli elettroni dipende dal materiale che questi attraversano. L‘illustrazione che segue esemplifica il comportamento degli elettroni nel passaggio attraverso un circuito elettrico costituito da conduttori metallici uguali (A) e due semiconduttori diversi (B e C).
Alla giunzione A-B gli elettroni in movimento vengono frenati e perciò emettono energia. Questo causa in quel punto il fenomeno di riscaldamento.
Alla giunzione B-A gli elettroni accelerano, tornando alla velocità originale e quindi assorbono energia. L‘effetto relativo è il raffreddamento di quel punto.
Alla giunzione A-C accelerano ulteriormente e perciò assorbono ulteriore energia provocando il raffreddamento della giunzione.
Infine alla giunzione C-A gli elettroni sono nuovamente frenati e tornano ad emettere energia. Come nel primo caso il punto si riscalda.