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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:
______________________
4
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.
5
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.
6
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.
7
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
8
LISTA DE SÍMBOLOS
A Área da secção transversal [m
2
]
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/m
2
]
Q
C Taxa de bombeamento de calor [W]
Q
J Calor de Joule gerado por unidade de volume na unidade de tempo [W/m
3
]
Q
P Taxa de transferência de calor por efeito Peltier [W]
Q
T Taxa de calor de Thomson [W]
R Resistência elétrica [Ω]
R
c Resistência de contato na junção quente ou junção quente [Ω]
T Temperatura [ºC, K]
T Temperatura média da junção [ºC]
T
c Temperatura do lado frio do módulo termoelétrico [ºC, K]
T
h 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
]
9
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]
ϕ
máx 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]
10
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
11
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
12
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
14
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:
Q
J
= R.I
2
(2.1)
onde:
Q
J
= 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/m
2
]
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:
Q
T
= τ. I.∆T (2.3)
onde:
Q
T
=
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 Q
T
>
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/m
2
]
α = Coeficiente Seebeck [V / ºC]
T = Temperatura absoluta [ºC]
I = Corrente elétrica no circuito [A]
Se o calor é absorvido pelo sistema, a quantidade Q
P
é positiva.
A junção quente absorve:
q
1
= αTI
(2.11)
A junção fria dissipa:
q
0
= αTI
(2.12)
Já quando o calor é dissipado pelo sistema, Q
P
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
T
c
T
h
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 ma
ior 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 materiai
s. 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;
V
L
representa a tensão nos terminais de saída do módulo termoelétrico;
R
i
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
R
i
V
L
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 (R
L
) 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:
+
-
R
i
+
-
R
L
I
L
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:
R
L
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:
αT
h
I = calor referente ao efeito Peltier (Eq.: 2.10)
I
2
R = 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 η
r
definido como a
relação do rendimento da maquina de Carnot,
η
η
η
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=R
L
/ R, logo pode-se dizer que o rendimento é dado por:
η
(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:
(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.
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.
(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, P
0
/ A
T
. 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.
e
(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 A
n
é igual a zero, podemos
observar que a relação que maximiza a relação P
0
/ A
T
é (HEIKES E URE, 1961):
(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 =
(2.32)
a condutância térmica em paralelo é:
(2.33)
e a potência de saída é:
(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
} (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
T
h
T
c
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
o
C; 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 (
o
C) Tc (
o
C) Delta T (
o
C) 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
Tensão (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 (
o
C) Tc (
o
C) ∆T (
o
C) 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
Tensão (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 (
o
C) Tc (
o
C) ∆T (
o
C) 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
Tensão (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 (T
h
) foi a
mesma, logo o ∆T se deu apenas em função da variação da temperatura do lado frio
(T
c
), 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 (
o
C) Tc (
o
C) ∆T (
o
C) 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)(
o
C)
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
Paghi, C. E. et al. - Um estudo sobre o circuito de detecção do efeito Seebeck no
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