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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ Leonardo Paiva Santos

ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM GERADOR TERMOELÉTRICO BASEADO NO EFEITO

SEEBECK

Taubaté, SP 2010

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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ Leonardo Paiva Santos

ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM GERADOR TERMOELÉTRICO BASEADO NO EFEITO

SEEBECK

Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Mestrado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Automação Industrial e Robótica Orientador: Prof. Dr. José Rui Camargo

Taubaté, SP 2010

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LEONARDO PAIVA SANTOS

ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM GERADOR TERMOELÉTRICO BASEADO NO EFEITO SEEBECK

Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Mestrado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Automação Industrial e Robótica

Data: 05 de Março de 2010. Resultado: ______________________ BANCA EXAMINADORA Prof. Dr.: José Rui Camargo Universidade de Taubaté Assinatura: ______________________ Prof. Dr.: João Bosco Gonçalves Universidade de Taubaté Assinatura: ______________________ Prof. Dr.: Edilson Alexandre Camargo ITA - Instituto Tecnológico da Aeronáutica Assinatura: ______________________

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Dedico este trabalho aos meus pais, Ataliba e Graça, meus irmãos Izabella e Victor e à minha noiva Renata pela paciência e incentivos durante todo esse período.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por permitir a concretização deste trabalho.

Ao estimado Professor Dr. José Rui Camargo pela orientação na

condução do trabalho, pelo incentivo, com seus profundos conhecimentos e

ajuda a pesquisa bibliográfica e elaboração de artigo.

Ao corpo docente do Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica

da Universidade de Taubaté que souberam transmitir conhecimentos,

colaborando com o desenvolvimento científico.

Ao funcionário Flavinho e todos os estagiários, que nos auxiliaram na

execução dos ensaios

Aos colegas do curso que durante as disciplinas tanto foram solidários.

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Resumo

Sabe-se que a transformação (reversibilidade) térmica e os efeitos elétricos

podem ser detectados a partir de um circuito constituído de dois materiais

semicondutores similar, tendo suas junções colocadas a diferentes temperaturas. Esses

fenômenos, chamados efeito Seebeck e efeito Peltier, podem ser usados para geração de

energia elétrica e para resfriamento. O efeito Seebeck, foi observado pela primeira vez

pelo físico Thomas Johann Seebeck, em 1821, quando ele estava estudando o fenômeno

termoelétrico, que consiste na produção de energia elétrica entre dois semicondutores

ligados através de uma liga condutora, formando as junções, as quais são submetidas a

diferentes temperaturas. Os módulos termoelétricos são constituídos de vários pares

termoelétricos feitos de materiais semicondutores conectados em série e colados entre

duas placas de cerâmica, uma através da junção fria e outra através da junção quente,

onde circula uma corrente continua e, de acordo com esse caminho, um lado torna-se

quente ou frio, e a potência dissipada é uma função do fluxo da corrente elétrica através

do modulo. Esse trabalho apresenta a equação teórica que permite uma evolução do

desempenho do modulo termoelétrico aplicado na geração de energia elétrica e os

resultados experimentais da associação desses elementos. Durante os testes foi usado

um motor da 10HP de potência como fonte de calor, acopladores térmicos para elevação

da temperatura nos lados quente e frio dos módulos termoelétricos, anemômetros

térmicos para medir a velocidade do ar e a temperatura no lado quente e o software

obtém, armazena e analisa os dados. O principal objetivo é saber o comportamento dos

parâmetros mais importantes, que são o rendimento do sistema, temperatura no lado

quente e a temperatura do lado frio e potência elétrica de saída.

Palavra-chave: Módulo termoelétrico, efeito Seebeck e geração de energia

termelétrica.

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Abstract

It is known that reversible thermal and electrical effects can be detected in a circuit

consisting on two similar semiconductor materials having their junctions at different

temperatures. This phenomenon, called Seebek effect and Peltier effect, can be used to

generate electric power and cooling. The Seebeck effect was first observed by the

physician Thomas Johann Seebeck, in 1821, when he was studying thermoelectric

phenomenon, and it consists in the production of an electric power between two

semiconductors joint between of conductor material, creating the junction, which it are

submitted at different temperatures. The thermoelectric modules are made out of

several thermoelectric pairs made of semiconductors materials joined in series and

sealed between two surfaces of ceramic, one covers the hot joins and the other covers

the cold ones, through which a continuous current flows and, according to its way, one

board becomes hot or cold, and the dissipated power is a function of the electric current

flowing through the module. This research presents, initially, the theoretical equations,

which allows evaluating the thermoelectric module performance applied in the electric

power generation and the experimental results of this elements association. During tests

there was used an electrical motor of 10HP power as heat source, thermocouples to

evaluate the temperatures in the thermoelectric module’s heat and cold sides, thermo-

anemometers to measure the air speed and temperature measurements in the heat sink

and a software to obtain, store and analyze the data. The main objective is to know the

behavior of the most important design parameters: that are the efficiency, and the out

electric power and the hot side temperature and the cold side temperature.

Keywords: Thermoelectric module, Seebeck effect, and thermoelectric power

generation

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LISTA DE SÍMBOLOS A Área da secção transversal [m2] E Força eletromotriz [V] I Intensidade da corrente elétrica [A] k Condutividade térmica [W/ºC.m] K Condutância térmica [W/ºC] P Potência elétrica [W] q Taxa de condução de calor por unidade de area. [W/m2] QC Taxa de bombeamento de calor [W] QJ Calor de Joule gerado por unidade de volume na unidade de tempo [W/m3] QP Taxa de transferência de calor por efeito Peltier [W] QT Taxa de calor de Thomson [W] R Resistência elétrica [Ω] Rc Resistência de contato na junção quente ou junção quente [Ω] T Temperatura [ºC, K] T Temperatura média da junção [ºC] Tc Temperatura do lado frio do módulo termoelétrico [ºC, K] Th Temperatura do lado quente do módulo termoelétrico [ºC, K] V Tensão elétrica [V] x, l Comprimento dos elementos semicondutores [m] W Potência elétrica gerada [W] Z Figura de Mérito [ºC-1]

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SIMBOLOGIA GREGA

α Coeficiente de Seebeck [V/ºC] γ Razão A/L [m] ρ Resistividade elétrica [Ω. m] ρ’ Resistividade elétrica aparente [Ω. m] τ Coeficiente de Thomson [V/ºC] ϕ Coeficiente de desempenho [adimensional] ϕmáx Coeficiente de desempenho ótimo [adimensional] η Rendimento [adimensional] ∆T Diferença de temperatura entre o lado quente e o lado frio do

módulo termoelétrico [ºC] π Coeficiente de Peltier da ligação térmica [V]

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Refrigerador termoelétrico - Efeito Peltier 21 Figura 2.2 Constituição química das junções P e N 23 Figura 2.3 Gerador termoelétrico - Efeito Seebeck 23 Figura 2.4. Circuito equivalente do sistema de geração termoelétrico sem carga 24

Figura 2.5. Circuito equivalente do sistema de geração termoelétrico com carga 25 Figura 3.1 Esquema de um sistema de geração termoelétrica experimental, por conversão direta 33 Figura 3.2 Dissipadores de calor lado quente e lado frio, e módulo

termoelétrico – Subconjunto 35

Figura 3.3 Maquina de combustão interna (Motor 10 HP) – Subconjunto 36 Figura 3.4 Módulo termoelétrico e dissipador de calor acoplados no

duto de exaustão de gases 36 Figura 4.1 Tensão gerada sem carga e sem controle da temperatura do lado frio 39 Figura 4.2 Tensão gerada sem carga e com controle da temperatura do lado frio 40 Figura 4.3 Tensão gerada com carga e sem controle da temperatura do lado frio 41 Figura 4.4 Tensão gerada com carga e com controle da temperatura do lado frio 43 Figura 4.5 Potência de saída em relação à diferença de temperatura 43

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LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 Tensão gerada sem carga e sem controle da temperatura do lado frio 38 Tabela 4.2 Tensão gerada sem carga e com controle da temperatura do lado frio 40 Tabela 4.3 Tensão gerada com carga e sem controle da temperatura do lado frio 41 Tabela 4.4. Tensão gerada com carga e com controle da temperatura do lado frio 42

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 13

1.1. Considerações Iniciais 13

1.2. Objetivos 14

1.3. Desenvolvimento teórico 15

1.4. Revisão Bibliográfica 16

2. EFEITO TERMOELÉTRICO 18

2.1. Efeito Joule 18

2.2. Efeito Thomson 19

2.3. Efeito Peltier 19

2.4. Efeito Seebeck 21

2.5. Modulo termoelétrico 27

2.6. Geração de energia 28

2.6.1. Máximo rendimento 29

2.6.2. Máxima potência de saída 30

3. METODOLOGIA 33

3.1. Sistema experimental para geração termelétrica 33

3.1.1. Componentes do sistema e suas principais características 34

3.2. Subconjuntos e conjunto do equipamento experimental 35

4. ENSAIOS EXPERIMENTAIS 37

4.1. Ensaio 37

4.2. Resultados 38

5. CONCLUSÃO 44

REFERÊNCIAS 45

13

1 INTRODUÇÃO:

1.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Ultimamente muito se têm discutido sobre fontes de energia limpas e

renováveis; a energia proveniente do fenômeno termoelétrico, através do efeito

Seebeck, surgiu como uma alternativa. Sabe-se há mais de um século que a

reversibilidade térmica e os efeitos elétricos podem ser detectados em um circuito

constituído de dois cabos estando suas junções expostas a diferentes temperaturas.

Existem inúmeras formas de se aproveitar o efeito termoelétrico. As mais conhecidas e

aplicadas são a geração de energia elétrica e a refrigeração.

Hoje em dia encontram-se diversas aplicações do sistema termoelétrico em

diferentes áreas, tais como: militar, aeroespacial, medicina, microeletrônica, sensores,

dentre outros.

Porém alguns problemas vêm sendo encontrados para aplicação do sistema,

como por exemplo, a especificação de um material capaz de dissipar o calor excessivo

que pode vir a danificar a placa termoelétrica e o projeto do circuito de controle de

temperatura. Além disso, há uma dificuldade no desenvolvimento de novas tecnologias

capazes de prover um melhor rendimento do sistema.

No Brasil, esse assunto vem sendo explorado cada vez mais e nesse trabalho a

ênfase está no sistema de geração de energia elétrica, a partir do efeito Seebeck.

Esse fenômeno foi observado pela primeira vez pelo físico Thomas Johann

Seebeck, em 1821 quando ele juntou dois fios de metais diferentes (fio de cobre e fio de

bismuto) para formar um circuito. A junção era feita pela ligação dos dois fios entre si.

Ele então descobriu que se ele aquecer um lado a uma temperatura elevada, e o outro

permanecer a uma temperatura mais fria iria gerar um campo magnético ao redor do

circuito de diferentes temperaturas. Ele não reconheceu, acreditou ou relatou que uma

corrente elétrica estava sendo gerada quando o calor foi aplicado a um lado da junção

dos dois metais. Ele usou o termo corrente termomagnética ou termo magnetismo para

manifestar a sua descoberta.

Os módulos termoelétricos são formados por materiais semicondutores, sendo

mais utilizada a liga Telureto de Bismuto, selados entre duas placas e conforme o

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sentido que a corrente flui uma placa torna-se aquecida e a outra resfriada. Um módulo

termoelétrico é constituído de elementos semicondutores tipo p e n que são fortemente

dopados com cargas elétricas. Os elementos são eletricamente ligados em série, mas

termicamente em paralelo. Esse arranjo é então montado sobre dois substratos de

cerâmica, um em cada lado dos elementos.

Durante o desenvolvimento do trabalho, serão apresentados mais detalhes sobre

a teoria do efeito Seebeck e sobre os módulos termoelétricos.

1.2.OBJETIVO

Esse trabalho apresenta o estudo teórico e os resultados obtidos após ensaios

feitos em laboratório, para que possa avaliar o rendimento e a viabilidade de um gerador

de energia, baseado no efeito termoelétrico (efeito Seebeck). Também é apresentada

toda a modelagem matemática, através do qual se determinam os valores ótimos das

variáveis para que o sistema tenha o melhor rendimento possível

Essa tecnologia de geração de energia elétrica, através dos módulos

termoelétricos, pode ser muito bem aproveitada por apresentar diversas vantagens, tais

como: utilização de um subproduto de qualquer processo que gere calor, e

conseqüentemente sem emissão de poluentes; baixa necessidade de manutenção; além

de poucas restrições de aplicação, principalmente quando se diz respeito a áreas

classificadas (HEIKES & URE JR., 1961).

Por outro lado, existem algumas dificuldades, dependendo do lugar onde o

mesmo será aplicado, tal como isolamento térmico, uma vez que a placa tem uma

temperatura máxima de trabalho. Outra dificuldade também detectada é a aplicação, em

relação à fixação dos módulos, uma vez que muitos lugares estão expostos a vibração

intensa, o que pode causar mau contato entre as conexões, bem como o desprendimento

dos módulos termoelétricos e dos dissipadores.

Os parâmetros mais importantes para a avaliação do desempenho de um gerador

termoelétrico são: Rendimento do sistema, a temperatura no lado quente e no lado frio e

potência elétrica de saída. O nível de tensão na saída do sistema está relacionado

diretamente com a diferença de temperatura entre as junções quente e fria. Essa

tecnologia pode ser muito utilizada em sistema que necessite de baixa potência, como

15

por exemplo, ar condicionado automotivo, instrumentos e sensores entre outros, desde

que haja uma fonte de calor.

Logo podemos definir que esse trabalho tem como objetivo principal, a

comprovação teórica dos conceitos que serão explanados ao longo desse trabalho,

através dos resultados obtidos nos ensaios experimentais e assim poder definir se o

método de geração é eficaz, quais as variáveis importantes e como se obter um maior

desempenho do sistema e quais os problemas encontrados durante os experimentos.

Para os ensaios laboratoriais realizados, foi utilizado um motor de dois tempos

com 10 HP de potência, dissipadores de calor, dois termômetros (um medindo a

temperatura da junção fria o outro a quente), um voltímetro para monitorar o nível de

tensão na saída do sistema, além de uma fonte de ar para manter o lado frio em uma

temperatura que forneça um melhor rendimento dos módulos termoelétricos.

1.3.DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

O trabalho será apresentado em quatro capítulos.

O primeiro capítulo que se refere à introdução e as considerações iniciais sobre o

desenvolvimento do trabalho traz uma breve introdução sobre o efeito Seebeck, bem

como seu principio de funcionamento. Além disso, o objetivo também é apresentado

nesse primeiro capitulo que contém o desenvolvimento teórico e as revisões

bibliográficas usadas para desenvolvimento do trabalho.

O segundo capítulo apresenta os efeitos termoelétricos e o desenvolvimento das

equações que permitem avaliar o desempenho de um sistema de geração termoelétrico,

bem como determinar os valores que fornecerá um maior rendimento do sistema.

No terceiro capitulo será apresentado toda a metodologia adotada para os

ensaios, o diagrama esquemático da montagem do protótipo construído para ensaios

laboratoriais com os instrumentos utilizados para aquisição de dados.

Já no quarto capítulo estão os ensaios experimentais, resultados obtidos através

de tabelas de dados e gráficos.

Por último o quinto capitulo apresenta as conclusões, comentários e as

discussões sobre os resultados obtidos, além de futuras propostas de trabalho.

16

Além desses capítulos para finalizar o trabalho é apresentado também, todas as

referências usadas para o desenvolvimento do mesmo.

1.4.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Wu (1996) fez um estudo sobre geradores termoelétricos usando o calor

dissipado nas placas como fonte para geração de energia, incluído os diferentes

modelos, suas características, as equações que determinam as variáveis para

especificação de cada modelo, bem como o estudo de alguns casos.

Paghi e Güths (2001) propuseram algumas alterações para o circuito de detecção

do sinal Seebeck no anemômetro a efeito Peltier. Primeiramente, uma breve introdução

ao princípio de funcionamento é apresentada. Depois, os problemas do circuito original

de detecção são comentados. Finalmente, dois novos circuitos são propostos e

resultados obtidos através de simulações são apresentados.

Chen et al (2001) analisaram as equações que determinam a potência de saída e

o rendimento de um gerador termoelétrico composto de multi-elementos, considerando

irreversível troca de calor entre o gerador e o reservatório. Nesse trabalho foram

analisados também os efeitos da transferência de calor e a influencia na quantidade de

elementos.

Chen et al (2004) estudaram a performance de um gerador termoelétrico multi-

elementos assumindo a transferência de calor irreversível, a qual obedece à lei da

transferência de calor. Nesse estudo combinou-se a termodinâmica de tempo finito com

o desequilíbrio termodinâmico. Foram apresentados ainda a performance, através de

exemplos numéricos das características do gerador, tais como: potência de saída,

rendimento e a corrente elétrica de trabalho.

Chen et al (2005) fizeram um estudo sobre performance ótima de um gerador

termoelétrico com dois estágios semicondutores, onde foram apresentadas as principais

características. O estudo foi baseado na lei de Newton “Transferência de calor”. O

gráfico da potência de saída pela corrente de trabalho e da eficiência térmica pela

corrente, de acordo com a quantidade de placas, são apresentados no estudo.

17

Kathab e Shenawy (2005) fizeram um estudo sobre a possibilidade de usar um

gerador solar termoelétrico (TEG) para alimentar pequenas maquinas de resfriamento

termoelétrico (TEC). Nesse trabalho foi dado ênfase na especificação da quantidade de

módulos TEG que serão necessários para fornecer a potência requerida pelo TEC. São

apresentados também alguns modelos experimentados, bem como os resultados obtidos.

Camargo et al (2008), propuseram um modelo experimental para avaliação

deperformance de um módulo termoelétrico utilizado na geração de energia elétrica. O

sistema foi avaliado em condições de circuito aberto e com uma carga de 51_. Foram

apresentadas as curvas de performance baseado nas duas situações de teste mencionadas

anteriormente.

Camargo et all (2009) propuseram uma demonstração do efeito Peltier, aplicado

ao sistema de ar condicionado, baseado no efeito termoelétrico. O estudo foi baseado na

teoria do efeito Peltier, e os gráficos foram gerados a partir de ensaios experimentais

realizados com os protótipos. Nos protótipos foram usados módulos termoelétricos, uma

bateria de 12V e um ventilador, como fonte de ar soprado.

Camargo et all (2009) fizeram um estudo sobre um gerador termoelétrico

baseado no efeito Seebeck, onde tem-se um sistema composto de módulos

termoelétricos e uma fonte de calor. Nesse sistema a tensão é gerada quando os lados do

módulo termoelétrico estão expostos a diferentes temperaturas, ou seja, um lado do

módulo está mais quente que o outro, criando-se assim uma diferença de temperatura.

18

2. EFEITO TERMOELÉTRICO

Nesse capitulo serão estudados os principais fenômenos termoelétricos que

poderão ser observado ao longo do desenvolvimento desse trabalho. Dentre esses

fenômenos destacam-se: o EFEITO JOULE, o qual foi descoberto por James Prescott

Joule; o EFEITO THOMSOM, descoberto por Joseph John Thomson; o EFEITO

PELTIER, observado pela primeira vez por Jean Charles Althanase Peltier; o EFEITO

SEEBECK descoberto por Thomas J. Seebeck.

Desses fenômenos acima apresentado, o mais importante para o esse estudo é o

EFEITO SEEBECK.

2.1.EFEITO JOULE

Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, calor é gerado. A

intensidade desse efeito é proporcional ao quadrado da intensidade da corrente elétrica e

independe do sentido da corrente. O calor de Joule produzido é dado por:

QJ = R.I2 (2.1)

onde:

QJ = calor Joule gerado por unidade de volume na unidade de tempo

R = Resistência elétrica

I = Corrente elétrica do circuito

A condução térmica resulta do fato que o gradiente de temperatura num material

induz o calor a fluir na direção de menor temperatura. A taxa na qual este calor é

conduzido por unidade de área é proporcional ao gradiente da temperatura e é dado por:

q = -k. ∆T (2.2)

onde:

q = Taxa de condução de calor por unidade de area. [W/m2]

19

k = Condutividade térmica [W / ºC.m] ∆T = Diferença de temperatura entre os lados do módulo [ºC]

2.2.EFEITO THOMSON

Quando um condutor homogêneo é submetido a um gradiente de temperatura,

flui uma corrente elétrica, o calor é absorvido ou dissipado, em adição ao “calor Joule”.

O efeito Thomson é a diferença entre o calor total dissipado ou absorvido e o efeito

Joule, que é definido por:

QT = τ. I.∆T (2.3)

onde:

QT = Taxa de calor Thomson. [W]

τ = Coeficiente Thomson [V / ºC]

∆T = Diferença de temperatura entre os lados do módulo [ºC]

O coeficiente de Thomson (τ) é positivo quando o calor é absorvido pelo

material e quando a corrente flui em direção à região de maior temperatura. Logo QT >

0 significa que o calor é absorvido da vizinhança.

2.3.EFEITO PELTIER

Descoberto por Jean Charles Athanase Peltier em 1834, de acordo com este

fenômeno, quando uma corrente elétrica e contínua flui na junção de dois materiais

semicondutores de propriedades diferentes, calor é dissipado ou absorvido, e a direção

de bombeamento de calor é revertida invertendo a polaridade da tensão aplicada. Parte é

o “calor de Joule”, sempre dissipado, e é proporcional ao quadrado da intensidade da

corrente elétrica.

Há uma parcela adicional de calor denominado “calor de Peltier”, é linear com a

corrente e é o principal efeito referente a bombeamento de calor e refrigeração

termoelétrica. De acordo com este fenômeno, quando uma corrente elétrica contínua flui

20

na junção de dois materiais semicondutores de propriedades diferentes, calor é dissipado

ou absorvido, e a direção de bombeamento de calor é revertida invertendo a polaridade

da tensão aplicada. Parte é o efeito “Joule”, sempre dissipado, e é proporcional ao

quadrado da intensidade da corrente elétrica. Há uma parcela adicional de calor

denominado “efeito de Peltier”, que é linear com a corrente e é o principal efeito

referente ao bombeamento de calor e refrigeração termoelétrica.

O calor de Peltier é dado por:

Q P = ± πI = ± IαT (2.10)

onde:

Q P = Taxa de calor Peltier por unidade de area da junção. [W/m2]

α = Coeficiente Seebeck [V / ºC]

T = Temperatura absoluta [ºC]

I = Corrente elétrica no circuito [A]

Se o calor é absorvido pelo sistema, a quantidade QP é positiva.

A junção quente absorve:

q1 = αTI (2.11)

A junção fria dissipa:

q0 = αTI (2.12)

Já quando o calor é dissipado pelo sistema, QP torna-se negativo, e o processo se

dá de forma inversa, ou seja, a junção quente dissipa, enquanto a junção fria absorve. A

Figura 2.1 ilustra um refrigerador termoelétrico, aplicando-se o efeito Peltier.

21

L A D O F R IO

L A D O Q U E N T E

D IS S IP A D O R D E C A L O R

P N P N P N+ -

I

Q (C A L O R A B S O R V ID O )

F O N T E D E C O R R E N T E C O N T ÍN U A

(+ )( - )

Figura 2.1. Refrigerador termoelétrico (Efeito Peltier)

Os braços são formados por materiais semicondutores tipo P e tipo N, por onde

circula uma corrente contínua.

O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente,

permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém de sentido

oposto.

2.4. EFEITO SEEBECK

Thomas Johann Seebeck nasceu no dia 9 de Abril de 1770, em Reval

(atualmente Tallin), a capital da Estônia, que era então parte da Prússia Oriental, em

uma família abastada comerciante. Ele recebeu seu diploma médico em 1802, mas

desde que ele preferiu se dedicar a Física e a prática da medicina ele fez na educação e

pesquisas uma carreira. Ele é mais conhecido como um físico.

Seebeck fez pesquisas sobre foto luminescência (a emissão luminescente de

certos materiais causados pela luz), o aquecimento e os efeitos químicos de diferentes

Tc

Th

22

partes do espectro solar, polarização, e o caractere magnético de corrente elétrica.

Descobriu os efeitos do aquecimento em 1806.

No início de 1820, Seebeck pesquisou experimentalmente para achar uma

relação entre a eletricidade e calor. Em 1821, ele juntou dois fios de metais diferentes

(fio de cobre e fio de bismuto) para formar um circuito. A junção era feita pela ligação

dos dois fios entre si. Ele então descobriu que se aquecer um lado a uma temperatura

elevada, e o outro permanecer a uma temperatura mais fria geraria-se um campo

magnético ao redor do circuito de diferentes temperaturas. Ele não reconheceu,

acreditou ou relatou que uma corrente elétrica estava sendo gerada quando o calor foi

aplicado a um lado da junção dos dois metais. Usou o termo corrente termomagnética

ou termo magnetismo para manifestar a sua descoberta. Durante os dois anos seguintes,

1822-1823, relatou sobre suas observações na Academia de Ciências Prussiana, onde

ele descreve esta observação como "a polarização magnética de metais e minérios

produzidos por uma temperatura diferença."

Na Figura 2.2 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.

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.

Figura 2.2 – Constituição química das junções P e N

O efeito seebeck consiste na produção de energia elétrica em um circuito

composto por materiais condutores submetidos a diferentes temperaturas, conforme

apresenta a Figura 2.3. A diferença de temperatura causa um fluxo de elétrons nos

condutores; esse fluxo tem seu sentido definido pela temperatura dos condutores, ou

seja, ele flui do material de ma

diferença de potencial entre eles. A amplitude dessa diferença de potencial está

relacionada com o tipo material dos condutores aplicado e principalmente com a

diferença de temperatura entre os materiai

funcionamento dos termopares, um sensor comumente usado na indústria para

monitoramento de temperatura.

Figura 2.3. – Gerador Termoelétrico

Constituição química das junções P e N.

O efeito seebeck consiste na produção de energia elétrica em um circuito

condutores submetidos a diferentes temperaturas, conforme

apresenta a Figura 2.3. A diferença de temperatura causa um fluxo de elétrons nos

condutores; esse fluxo tem seu sentido definido pela temperatura dos condutores, ou

seja, ele flui do material de maior temperatura para o de menor, criando

diferença de potencial entre eles. A amplitude dessa diferença de potencial está

relacionada com o tipo material dos condutores aplicado e principalmente com a

diferença de temperatura entre os materiais. Esse fenômeno é o principio de

funcionamento dos termopares, um sensor comumente usado na indústria para

monitoramento de temperatura.

Gerador Termoelétrico (Efeito Seebeck)

23

O efeito seebeck consiste na produção de energia elétrica em um circuito

condutores submetidos a diferentes temperaturas, conforme

apresenta a Figura 2.3. A diferença de temperatura causa um fluxo de elétrons nos

condutores; esse fluxo tem seu sentido definido pela temperatura dos condutores, ou

ior temperatura para o de menor, criando-se assim uma

diferença de potencial entre eles. A amplitude dessa diferença de potencial está

relacionada com o tipo material dos condutores aplicado e principalmente com a

s. Esse fenômeno é o principio de

funcionamento dos termopares, um sensor comumente usado na indústria para

24

A Figura 2.4, mostra o circuito elétrico que representa o sistema de geração

termoelétrico por conversão direta, sem carga, onde:

V representa a tensão gerada pelo módulo termoelétrico;

VL representa a tensão nos terminais de saída do módulo termoelétrico;

Ri representa a resistência interna do módulo;

I é a corrente elétrica do circuito

Figura 2.4. - Circuito equivalente do sistema de geração termoelétrico, por conversão direta sem carga

A diferença de potencial gerada entre os terminais do módulo termoelétrico é

diretamente proporcional a diferença de temperatura, na qual o mesmo é submetido,

conforme a Eq. 2.4.

V = α∆T (2.4)

onde:

∆T= T1 – T0 é a diferença de temperatura entre as junções. T1 é a temperatura

no lado quente e T0 no lado frio;

α = α1 + α2 é chamado de coeficiente de SEEBECK, expresso em V/ºC, onde

α1 e α2 são propriedades dos materiais do circuito e são as forças eletromotrizes

+

-

R it

V L t

IL t

V t+

-

R it

V L t

IL t

V t V

Ri

VL

25

que aparecem nos materiais 1 e 2 devido à diferença de temperatura de 1 ºC entre as

extremidades.

Dessa forma, tem-se que a diferença de potencial será dada por:

V = (T1 – T0) (α1 + α2) (2.5)

Enquanto nenhuma carga é ligada aos terminais do módulo, não haverá nenhuma

corrente elétrica circulando pelo circuito. Já na Figura 2.5, uma carga elétrica (RL) é

ligada ao circuito

Figura 2.5 – Circuito equivalente do sistema de geração termoelétrico, por

conversão direta com carga Com base na Figura 2.5, é possível definir que a corrente elétrica que flui no

circuito é determinada pela seguinte equação.

(2.5)

Consequetemente a tensão na carga, pode ser definida por:

+

-

Ri

+

-

RL

IL

V

26

(2.6) A potência gerada na carga é dada por:

(2.7)

Substituindo as Equações (2.5) e (2.6) na Equação (2.7), tem-se:

(2.8)

27

2.5. Módulo Termoelétrico

Como mencionado anteriormente, quando um diferencial de temperatura é

estabelecido entre as extremidades quentes e frias do material semicondutor, uma tensão

é gerada. A essa tensão dá-se o nome de tensão Seebeck.

Os módulos termoelétricos, ou placas termelétricas também podem converter

energia elétrica em um gradiente de temperatura. Este fenômeno foi descoberto por

Peltier em 1834. Com o advento dos materiais semicondutores surgiram diferentes

aplicações dos módulos termoelétricos, para sistemas de refrigeração termelétrica,

baseado nos estudos de Peltier.

Como o efeito de Seebeck é um efeito inverso do efeito de Peltier. Baseado neste

efeito de Seebeck, os dispositivos termoelétricos podem agir também como geradores

de energia elétrica. Na pratica, é necessário um grande número de termopares

conectados eletricamente em série para formar um módulo.

Geralmente mais de um par de semicondutores são montados juntos para dar

forma a um dispositivo termoelétrico (módulo). Dentro do módulo, cada um dos

semicondutores são chamados termo elementos, que por sua vez são chamados de

termopar. Para descrever o funcionamento dos módulos termoelétricos podemos

compará-los com os termopares. Os termopares são dispositivos que geram uma

diferença de potencial ( d.d.p. ) a partir de duas junções de metais diferentes que são

expostas a temperaturas diferentes.

Devido a esta característica, eles são utilizados para indicação de temperatura em

muitos processos industriais. Tal sinal pode ser transformado para análise comparativa

de outra grandeza, como temperatura.

Um dispositivo termoelétrico típico é composto por duas carcaças cerâmicas, as

quais servem como estrutura para preservar a integridade mecânica do módulo e como

isolação elétrica para os termo elementos de telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são

conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas

cerâmicas). Os dispositivos em geral contêm de 3 a 127 termopares. O cobre é usado

como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em série. O sistema é

conectado por solda.

Os módulos normalmente são utilizados em conjunto com os dissipadores de

calor, de forma que no caso da geração, a temperatura do lado frio fique mais baixa

possível com ajuda do desse elemento.

28

2.6.Geração de energia

O desenvolvimento matemático e as equações contidas neste capítulo são

conforme Heikes e Ure Jr, 1961

Uma das aplicações dos módulos termoelétricos é geração de energia, usando

como fundamento básico o efeito Seebeck. Para o projeto de um gerador termoelétrico,

vários parâmetros devem ser considerados para se ter um melhor aproveitamento do

sistema. Os mais importantes deles são o rendimento e a potência de saída do sistema,

além da diferença de temperatura entre os lados quente e frio.

O rendimento do sistema acima proposto é definido como a relação entre a

potência elétrica de saída e a potência térmica de entrada do módulo, conforme a

Equação 2.11.

η (2.11)

Quando fala-se sobre gerador de energia, o sentido positivo da corrente elétrica

se dá da junção P para a junção N, ou da junção quente para a junção fria. A potência

elétrica de saída é dada por:

(2.12)

onde:

RL é a resistência da carga.

Já a corrente elétrica pode ser definida pela combinação entre as Eqs. 2.5 e 2.6:

(2.13)

A potência térmica de entrada da junção quente é dada pela soma de três

fenômenos, que acontecem no sistema, e que foram discutidos anteriormente. Esse valor

é dado por:

29

! " #$ (2.14)

onde:

αThI = calor referente ao efeito Peltier (Eq.: 2.10)

I2R = calor dissipado

K∆T = bombeamento de calor entre 2 reservatórios térmicos

Como definição, tem-se que a potência de saída é a potência dissipada na carga.

O valor do rendimento máximo do sistema é o rendimento da maquina de Carnot, desde

que não há perdas irreversíveis na maquina de Carnot. Isso é dado por:

η% & (2.15)

O valor freqüentemente usado é o rendimento reduzido ηr definido como a

relação do rendimento da maquina de Carnot,

η' ηη( η& (2.16)

Considerando que a tensão de circuito aberto é α∆T, tem-se que o rendimento é

dado por:

η )&)* + ),&

(2.17)

2.6.1. Máximo rendimento

Considera-se que s=RL / R, logo pode-se dizer que o rendimento é dado por:

η -&. /012 " / &

"32 " /! ,&

45 (2.18)

30

Logo, é possível perceber que o rendimento poderá ser maximizado ao

minimizarmos a relação RK (Heikes e Ure Jr, 1961). Considerando essa relação, tem-se

que o rendimento é:

-&. /012 " / &

"3 67&45 (2.19)

2.6.2. Máxima potência de saída

Na seção anterior, a resistência da carga e a equação que determina o rendimento

foram ajustadas de forma a se obter o rendimento máximo. Nessa seção esses

parâmetros serão ajustados de modo a conseguir uma maior potência de saída, que é um

dos principais objetivos desse estudo.

Para definir o valor da resistência de carga que possibilitará que o sistema opere

em sua máxima potência, considerando a Figura 2.4. O ponto onde a potência é máxima

é onde se tem a derivada da potência pela resistência de carga igual a zero.

88 9

Utilizando a Equação (2.8), tem-se:

*

= 0

: " !

: " !

: (2.9)

31

Assim para obter a potência máxima, deve-se ter a resistência de carga igual à

resistência interna do módulo termoelétrico. Esse será o valor da resistência para a

maximização de potência na carga.

: ;<=>?@> (2.10)

Substituindo a Equação (2.10) na Equação (2.8), tem-se a Equação (2.11) que

representa a potência máxima na carga.

;<=> $ A<B>CDE>A<B>CDE>A<B>CDE>

;<=> $ ;<=>?@>F ;<=>?@>

;<=> GA<B>CDE>

(2.11)

Durante essa seção será considerado que as junções N e P têm o mesmo

comprimento (L).

Usualmente, o objetivo no projeto para maximizar a potência de saída é atingir

uma determinada potência de saída com um tamanho, peso e quantidade de material

termoelétrico mínimo. Como no caso de um refrigerador, esses objetivos requerem que

o termo, o qual deverá ser maximizado, seja a potência de saída pela unidade de área da

secção transversal, P0 / AT. O comprimento dos elementos deverá ser minimizado ao

menor valor possível sendo ajustado pela resistência de contato.

A potência de saída por unidade de área da secção transversal vem das Eqs.

-HIJI. "HKJK e G

LM

1NLILKGO-PIQI.

PKQKR5

(2.30)

32

O máximo valor é obtido, quando o denominador é minimizado ao menor valor

possível. Quando a derivada do denominador, em relação à An é igual a zero, podemos

observar que a relação que maximiza a relação P0 / AT é (HEIKES E URE, 1961):

LILK HIHK

S (2.31)

Essa é a mesma relação de área que maximiza o rendimento, exceto quando a

condutividade térmica diminui. Considerando essa relação de área, a resistência interna

é determinada por:

R = TPKU S

LK V WXY S " XZ S [ - LM. \XY

S " XZ S ] (2.32)

a condutância térmica em paralelo é:

# T LKPCU S V \XY S #Y " X S #Z] (2.33)

e a potência de saída é:

-LMG. \

^HIU S HCU S _] (2.34)

Note que a condutividade térmica do material não entra nessa equação, pois na

pratica a importância da condutividade térmica está apenas em determinar quanto de

calor deverá ser fornecido e quanto deverá ser dissipado, para que a diferença de

temperatura seja a mesma. Essa diferença de temperatura deverá ser a maior possível

para que a tensão gerada também seja de maior intensidade, conforme mostrado na

Eq.2.27. A potência térmica de entrada, com a resistência da carga e a relação da área

ajustadas para maximizar a potência de saída por unidade de área é:

33

& ` LM\HIU S HCU S ]5N

` LW^HY + HZ + _[a 3-

b . c " d " #eXe. #e " #f] (2.35)

3. METODOLOGIA

3.1. Sistema experimental para geração termoelétrica por conversão direta

Para a validação do modelo matemático apresentado no capítulo dois, com o

objetivo de avaliar o desempenho de um sistema de geração de energia, foi construído

um equipamento termoelétrico experimental conforme é mostrado na Figura. 3.1.

Figura 3.1 – Esquema de um sistema de geração termoelétrica experimental, por conversão direta

A

V

Maquina de combustão

Interna Exaustão do

Gás

Ar Fresco

Módulo Terméletrico

Th

Tc

Dissipador

i

Carga

Ventilador

Ar Quente

34

Nesse equipamento é possível o monitoramento das temperaturas do lado quente

e do lado frio do módulo termoelétrico, das temperaturas de entrada, a tensão gerada

pelo sistema, bem como a corrente na carga. Com esses dados é possível obter e analisar

o desempenho do sistema, verificar a potência, a tensão e a corrente para maximizar o

coeficiente de desempenho.

Nesse trabalho, o módulo termoelétrico é colocado em contato com a fonte de

calor, como por exemplo, um duto de exaustão do processo de queima de combustível,

através de um dissipador de calor, que faz a primeira etapa de eliminação do calor.

Além do dissipador, existe também um ventilador (fonte de ar frio) que é o responsável

por manter a temperatura do modulo dentro dos parâmetros que irão fornecer o máximo

rendimento.

3.1.1 COMPONENTES DO SISTEMA E SUAS PRINCIPAIS

CARACTERÍSTICAS

A Figura. 3.1 ilustra um sistema que é composto por módulos termoelétricos,

uma fonte de calor, um dispositivo dissipador de calor, um sistema de ventilação e uma

resistência, através da qual pode-se mensurar o valor da corrente elétrica e

consequentemente da potência de saída do sistema. A quantidade de módulos

termoelétricos que serão aplicados ao sistema irá depender do valor da potência de saída

designada no projeto. O sistema de ventilação se faz necessário, pois o modulo

termoelétrico possui um limite de temperatura no qual o mesmo pode estar submetido.

Nesse sistema é de suma importância o monitoramento da temperatura do lado

quente, pois caso essa exceda o limite de temperatura do módulo termoelétrico, esse

poderá ser danificado.

O protótipo construído para a realização dos ensaios é composto dos seguintes

componentes:

1 - Ventilador lado frio – Potência e Vazão ajustáveis

2 - Ventilador lado quente – Potência e Vazão ajustáveis

3 - Dissipador Lado Frio e Dissipador Lado Quente – Em alumínio, medindo

150 x 80 x 40mm, 19 aletas e espaçamento entre aletas 2 mm.

4 - Duto em alumínio isolado termicamente com fibra de vidro e isopor

35

5 - Módulo Termoelétrico HT8-12-40

6 - Medição de Temperatura – Termopares Tipo J – Sensor Termoelemento Fé-Co,

modelo TE/AA.

7 – Motor 2 tempos modelo IntekT I/CR OHV, 10 HP

8 – Medição do fluxo de ar - Anemômetro modelo “Instrutherm TAFR-180”.

9 – Medição de corrente e tensão – Multimetros “Minipa ET-1502 and ET-2052”.

10 – Resistência de 50Ω

3.2 SUBCONJUNTOS E CONJUNTO DO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL

Para realizar os testes foi usado um motor 2 tempos de 10 HP de potência; no

escapamento, foram montados os módulos termoelétricos. A Figura. 3.2 mostra os

módulos, bem como os dissipadores de calor, cujo objetivo é o de manter as placas

numa temperatura dentro dos valores recomendados pelo fabricante (dados do manual

técnico). A Figura.3.3, mostra o motor usado para o experimento.

Figura 3.2 - Dissipadores de calor lado quente e lado frio, e módulo termoelétrico, comercialmente disponíveis

36

Figura 3.3 – Maquina de combustão interna (Motor 10 HP) - Subconjunto

A Figura.3.4, ilustra o sistema montado sobre o duto do escapamento do motor.

Percebe-se que entre o módulo termoelétrico e o duto de exaustor foram instalados

isoladores térmicos, que são responsáveis por limitar a temperatura do lado quente da

placa. Esses isoladores vão impedir que o calor emitido pelo duto de exaustão de gases

(quente) atinja o lado frio do módulo, e consequentemente reduza o ∆T. Já sobre os

módulos instalou-se os dissipadores de calor, que vão ajudar no resfriamento da placa.

Figura 3.4 – Módulo termoelétrico e dissipador de calor acoplados no duto de exaustão de gases

37

4. ENSAIOS EXPERIMENTAIS

4.1. ENSAIOS

A fim de comprovar a eficácia do sistema, foram realizados ensaios

experimentais, monitorando-se as principais variáveis, tais como: temperatura do lado

quente do módulo (Th), temperatura do lado frio (Tc), corrente elétrica (I), tensão

gerada pelo sistema (V).

Para que esses ensaios pudessem ser realizados, foi construído um protótipo com

um módulo termoelétrico com um limite de temperatura do lado quente de 180 oC; Um

dissipador de calor e um sistema de ventilação forçada (ventilador), os quais irão

dissipar todo o calor que viesse a se transferir para lado frio, de modo a manter o

mesmo com o menor valor de temperatura possível; Entre o duto de ar quente e o

módulo, foram usados isolantes térmicos, afim de limitar a temperatura no lado quente

do módulo. Para simular a carga foi colocada uma resistência de 50 Ω, através da qual é

possível mensurar a potência elétrica de saída do sistema e consequentemente o

rendimento do mesmo.

Os testes foram realizados em em quatro etapas diferentes. Na primeira etapa,

foram feitos testes com circuito aberto (sem carga) e sem o controle de temperatura

(ventilador desligado); Já na segunda etapa, foi inserida a resistência (carga) nos

terminais do módulo, permanecendo o sistema de ventilação forçada do lado frio

desligada, ou seja, sem controle de temperatura para o mesmo. Na terceira etapa, a carga

foi retirada, porém o ventilador foi ligado, dando inicio ao processo de controle de

temperatura do lado frio. E finalmente na quarta e ultima etapa, a carga foi novamente

inserida, porém dessa vez o controle de temperatura permaneceu acionado.

Os resultados dos ensaios acima citados, serão apresentados adiante.

38

4.2. RESULTADOS

Como foi dito anteriormente, foram realizados diferentes ensaios, a fim de se

avaliar a eficácia do sistema, e nesse tópico os mesmos serão apresentados.

A Tabela 4.1 apresenta os valores de tensão gerada, quando o sistema estava

vazio (circuito aberto), ou seja, sem carga ligada aos terminais do módulo, e não existia

controle de temperatura do lado frio (Tc) do módulo, ou seja, o sistema de ventilação

que mantém a temperatura do lado frio o mais baixo possível estava desligado. A Figura

4.1, mostra o gráfico da tensão gerada em função da diferença de temperatura entre os

módulos com os valores referentes à Tabela 4.1

Tabela 4.1 – Tensão gerada sem carga e sem controle da temperatura do lado frio

Th (oC) Tc (oC) Delta T (oC) Tensão (V) 65 30 35 1.50 70 33 37 1.60 75 37 38 1.62 80 40 40 1.67 85 42 43 1.72 90 45 45 1.89 95 47 48 1.92 100 50 50 2.05 105 52 53 2.10 110 53 57 2.32 115 55 60 2.40 120 56 64 2.58 125 57 68 2.70 130 59 71 2.76 135 61 74 2.90 140 62 78 3.05 145 63 82 3.20 150 63 87 3.33 155 65 90 3.45 160 66 94 3.7 165 67 98 3.82

39

A Tabela 4.2 também apresenta os valores de tensão gerada quando o sistema

ainda estava vazio (circuito aberto), ou seja, sem carga ligada aos terminais do módulo,

porém, nesse ensaio foi feito controle da temperatura do lado frio (Tc) do módulo

através do sistema de ventilação, o qual manteve a temperatura do lado frio o mais

baixo possível. Para isso, foi acionado o ventilador que compõe esse sistema, o qual

soprou ar fresco, mantendo a temperatura do lado frio baixa. A Figura 4.2, mostra o

gráfico da tensão gerada em função da diferença de temperatura entre os lados do

módulo, com os valores referentes à Tabela 4.2, onde podemos observar o

comportamento da tensão com o aumento de ∆T.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 104 109 113 118 123 127 132

Tens

ão (V

)

ΔT (°C)

Figura 4.1 – Tensão gerada sem carga e sem controle da temperatura do lado frio

40

Tabela 4.2 – Tensão gerada sem carga e com controle da temperatura do lado frio Th (oC) Tc (oC) ∆T (oC) Tensão (V)

65 30 35 1.50 70 30 40 1.67 75 30 45 1.89 80 30 50 2.05 85 30 55 2.24 90 30 60 2.40 95 30 65 2.60 100 30 70 2.76 105 30 75 2.95 110 30 80 3.12 115 30 85 3.29 120 30 90 3.45 125 30 95 3.70 130 30 100 3.90 135 31 104 4.17 140 31 109 4.28 145 32 113 4.45 150 32 118 4.58 155 32 123 4.72 160 33 127 4.85 165 33 132 4.96

Figura 4.2 – Tensão gerada sem carga e com controle da temperatura do lado frio.

Na Tabela 4.3 são apresentados os valores de tensão gerada com uma resistência

de 50 Ω, simulando a carga, ligada aos terminais do módulo, porém sem o controle de

temperatura do lado frio (Tc) do módulo, ou seja, o sistema de ventilação que mantém a

temperatura do lado frio o mais baixo possível estava desligado. A medição dos valores

0

1

2

3

4

5

6

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

104

109

113

118

123

127

132

Tens

ão (V

)

ΔT (°C)

41

de tensão foi feita sobre a carga. A Figura 4.3, mostra o gráfico da tensão gerada em

função da diferença de temperatura entre os lados do módulo, com os valores referentes

à Tabela 4.3, através do qual é possível perceber que há uma queda de tensão, fazendo

com que o valor da diferença de potencial seja menor em relação ao circuito aberto (sem

carga).

Tabela 4.3 – Tensão gerada com carga e sem controle da temperatura do lado frio

Th (oC) Tc (oC) ∆T (oC) Tensão (V) 65 30 35 0.70 70 33 37 0.80 75 37 38 0.82 80 40 40 0.87 85 42 43 0.90 90 45 45 0.93 95 47 48 0.95 100 50 50 1.00 105 52 53 1.05 110 53 57 1.09 115 55 60 1.13 120 56 64 1.16 125 57 68 1.19 130 59 71 1.22 135 61 74 1.27 140 62 78 1.30 145 63 82 1.37 150 63 87 1.42 155 65 90 1.46 160 66 94 1.52 165 67 98 1.58

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

104

109

113

118

123

127

132

Tens

ão (V

)

ΔT (°C)

Figura 4.3 - Tensão gerada com carga e sem controle da temperatura do lado frio

42

Já na tabela 4.4, a situação é a mesma apresentada anteriormente (sistema com

carga), porém agora foi acionado o sistema de ventilação forçada, a fim de se obter o

controle de temperatura do lado frio. A Figura 4.4, apresenta o gráfico referente à

Tabela 4.4 onde podemos ver que a tensão gerada, com o valor de ∆T controlado, é

maior no sistema com carga também, assim como no sistema com circuito aberto,

porém nesse caso com uma intensidade menor a encontrada no sistema sem carga, em

virtude da queda de tensão na carga. É importante ressaltar que em todos os ensaios

realizados a faixa de variação da temperatura do lado quente do módulo (Th) foi a

mesma, logo o ∆T se deu apenas em função da variação da temperatura do lado frio

(Tc), como observado nas Tabelas 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4.

Tabela 4.4 – Tensão gerada com carga e com controle da temperatura do lado frio

Th (oC) Tc (oC) ∆T (oC) Tensão (V) 65 30 35 0.71 70 30 40 0.87 75 30 45 0.93 80 30 50 1.00 85 30 55 1.07 90 30 60 1.13 95 30 65 1.18 100 30 70 1.22 105 30 75 1.28 110 30 80 1.35 115 30 85 1.40 120 30 90 1.46 125 30 95 1.55 130 30 100 1.66 135 31 104 1.72 140 31 109 2.00 145 32 113 2.10 150 32 118 2.27 155 32 123 2.31 160 33 127 2.35 165 33 132 2.40

43

Uma das variáveis mais importantes nesse sistema é a potência elétrica que o

sistema é capaz de fornecer à carga. Essa grandeza pode ser observada e analisada na

Figura 4.5, cujas informações comprovam a modelagem apresentada nesse trabalho, ou

seja, quanto maior for a diferença de temperatura entre os lados da placa, maior será a

potência elétrica que o sistema será capaz de fornecer a carga. Pode-se comprovar a

veracidade da Eq. 2.29, a qual diz que para um valor de carga pré-estabelecido a

potencia de saída do sistema será diretamente proporcional ao quadrado diferença de

temperatura, o que justifica uma curva exponencial.

Figura 4.5 – Potência de saída em relação à diferença de temperatura

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

104

109

113

118

123

127

132

Tensão (V)

ΔT (°C)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 20 40 60 80 100 120 140

P

(Th-Tc)(oC)

Figura 4.4 - Tensão gerada com carga e com controle da temperatura do lado frio

(W)

44

5. CONCLUSÕES

Analisando os resultados obtidos, pode-se concluir que os parâmetros mais

importantes de serem observados e monitorados no sistema de geração de energia

termoelétrico são: A temperatura do lado quente e do frio, e conseqüentemente o ∆T, a

tensão gerada (V) e a potência elétrica do circuito, quando esse é submetido a uma

carga.

Conclui-se, através dos experimentos realizados com o protótipo, que o sistema

de geração de energia proposto, pode realmente ser uma solução para a geração de

energia limpa, uma vez que utiliza apenas o calor gerado por um determinado processo

e não apresenta nenhum tipo de resíduo.

Porém, ainda existem alguns problemas que necessitam ser resolvidos e que a

evolução dos módulos termoelétricos e dos materiais isolantes térmicos pode ajudar-nos

a resolver, no que diz respeito principalmente à limitação térmica dos módulos. Isso é

muito importante, pois os módulos encontrados hoje em dia não suportam altas

temperaturas, o que passa a ser um problema, uma vez que os sistemas que geram calor,

muitas das vezes dissipam uma energia com temperaturas elevadas, e com isso faz-se

necessários usos de isoladores térmicos, o que nem sempre é possível já que não

conseguem reduzir a temperatura até os valores limites dos módulos.

Os resultados obtidos experimentalmente mostram que não é suficiente apenas

manter o “lado quente” da placa a uma temperatura elevada, mas também é

importantíssimo que o “lado frio” esteja o mais frio possível, ou seja, deve-se preocupar

em manter o ∆T o maior possível para que haja uma d.d.p. elevada. Por esse motivo,

usa-se um ventilador para manter a temperatura do lado frio da placa o mais baixa

possível.

Importante observar também que uma das vantagens que o sistema nos oferece é

a possibilidade de usar vários módulos em série, a fim de se obter valores de tensão

mais elevados, suprindo assim a necessidade de alguns processos.

45

Referencias

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anemômetro a efeito Peltier - VII Workshop de Iberchip – IWS´2001. Universidade

Federal de Santa Catarina – UFSC, Laboratório de Circuitos Integrados – LCI 2001

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Mechanical Engineering. Applied Thermal Engineering. Estados Unidos. 1996.

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CHEN, L., SUN, F., WU, C., Thermoelectric-generator with linear

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CHEN, L. et al. Performance optimization of a two-stage semiconductor

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KHATTAB, N.M., SHENAWY, E.T. El, Optimal operation of thermoelectric cooler

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CAMARGO, J.R. et al. Analysis and optimization of a thermoelectric cooling air

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CAMARGO, J.R. et al. Experimental Performance of a Thermoelectric

Power Generator – The 8th Latin-American Congress on Eletricity Generation and

Transmission – CLAGTEE 2009

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