ENGENHARIA MECÂNICA
PEDRO LEINEKER OCHOSKI MACHADO
INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL DO USO DE GERADOR
TERMOELÉTRICO PARA CONVERSÃO DE ENERGIA TÉRMICA EM
ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DO EFEITO SEEBECK
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA 2019
INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL DO USO DE GERADOR
TERMOELÉTRICO PARA CONVERSÃO DE ENERGIA TÉRMICA EM
ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DO EFEITO SEEBECK
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica, do Departamento de Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Thiago Antonini Alves
Coorientador: Prof. Dr. Romeu Miqueias Szmoski
PONTA GROSSA 2019
Diretoria de Graduação e Educação Profissional Departamento Acadêmico de Mecânica
Bacharelado em Engenharia Mecânica
– O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso – TERMO DE APROVAÇÃO
INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL DO USO DE GERADOR TERMOELÉTRICO PARA CONVERSÃO DE ENERGIA TÉRMICA EM ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO
DO EFEITO SEEBECK por
PEDRO LEINEKER OCHOSKI MACHADO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado em 2 de julho de 2019 como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
Prof. Dr.Thiago Antonini Alves Orientador
Prof. Dr.Carlos Henrique Illa Font Membro Titular
Prof. Dr.Gerson Henrique dos Santos Membro Titular
Prof.Dr. Marcos Eduardo Soares Prof. Dr. Marcelo Vasconcelos de Carvalho
Dedico este trabalho ao meu querido avô, Oswaldo Machado, que nos deixou a pouco tempo, mas fez tanto por mim ao longo de sua vida.
Primeiramente a Deus por ter me dado a capacidade de aprender e a oportunidade de estudar.
Aos meus pais Vinicius e Andréa por terem sempre me incentivado a estudar e nunca desistir. Ambos são exemplos de esforço e dedicação para mim, e o apoio que me deram foi fundamental para a conquista dos meus sonhos.
Ao meu irmão Vitor, pelo companheirismo para tudo, seja nos momentos de lazer, descontração, estudo ou quando mais precisei de ajuda.
Aos meus familiares e amigos em geral, pois acredito que sem o apoio essa jornada seria muito mais difícil e dolorosa, em especial à minha prima Taine e seu esposo Leandro, por se mostrarem sempre presentes e buscarem me proporcionar momentos de diversão, me ajudando a me desligar um pouco e aprender a apreciar as pequenas coisas da vida.
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Thiago Antonini Alves e ao meu coorientador Prof. Dr. Romeu Miqueias Szmoski, pela sabedoria com que me guiaram nesta trajetória.
Aos meus colegas de sala.
Aos membros do LABCT por toda a ajuda e cooperação durante as dificuldades encontradas para a realização dessa pesquisa.
Enfim, a todos os que por algum motivo contribuíram para a realização desta pesquisa.
As aventuras nunca acabam? Acho que não. Outra pessoa sempre tem de continuar a história. (Bilbo - O Senhor dos Anéis: A Sociedade do Anel, 2001).
MACHADO, P.L.O. Investigação Experimental do Uso de Gerador Termoelétrico para Conversão de Energia Térmica em Energia elétrica por meio do Efeito Seebeck. 2019. 94f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2019.
Neste presente trabalho foi executada uma investigação experimental da conversão direta de energia térmica em energia elétrica, de modo a apresentar uma possível alternativa para aumentar a eficiência de processos industriais com a ocorrência de calor residual. O reaproveitamento de energia térmica vem ganhando cada vez mais importância, pois traz muitos ganhos como a diminuição de impactos negativos ao meio ambiente, a redução de custos, entre outros. Neste estudo a conversão de energia térmica em elétrica ocorrerá por meio de um módulo Peltier e seu efeito Seebeck. O efeito Seebeck consiste na movimentação de elétrons devido à junção de dois metais diferentes quando expostos a um gradiente de temperatura. Esta relação entre temperatura e propriedades elétricas do material é conhecida como termoeletricidade. Os módulos de Peltier são comumente chamados de termogeradores (TEC) e podem ser utilizados para produção tanto de resfriamento quanto de aquecimento. Já no efeito Seebeck (TEG), quando o termogerador é exposto a uma superfície fria e a uma superfície quente ocorre a geração de energia elétrica. Neste estudo o gerador termoelétrico foi submetido a gradientes de temperatura simulados por resistores de alta carga e um trocador de calor arrefecido a água, tendo como objetivo obter a curva característica do gerador por meio de um sistema de aquisição de dados em ArduinoTM que simula cargas resistivas às quais o gerador é submetido. Posteriormente, foi variada a força de aperto exercida sobre o sistema e verificado qual sua influência na quantidade de potência fornecida pelo gerador. Como resultado, foi constatado que a quantidade de potência fornecida pelo gerador é diretamente proporcional ao aumento do gradiente de temperatura e ao aumento da força de aperto exercida sobre o sistema.
Palavras-chave: Reaproveitamento de energia. Termogerador. Módulo de Peltier. Diferença de temperatura. Efeito Seebeck.
MACHADO, P.L.O. Experimental Investigation of the Use of Thermoelectric Generator for Conversion of Thermal Energy into Electric Energy through the Seebeck Effect. 2019. 94p. Work of Conclusion Course (Bachelor's Degree in Mechanical Engineering) - Federal Technology University - Parana. Ponta Grossa, 2019.
In this present work was performed an experimental investigation of the direct conversion of thermal energy into electrical energy, in order to present a possible alternative to increase the efficiency of industrial processes with the occurrence of residual heat. The reuse of thermal energy is gaining more and more importance, since it brings many gains such as the reduction of negative impacts to the environment, the reduction of costs, among others. In this study the conversion of thermal energy to electric will occur through a Peltier module and its Seebeck effect. The Seebeck effect consists of the movement of electrons due to the junction of two different metals when exposed to a temperature gradient. This relation between temperature and electrical properties of the material is known as thermoelectricity. Peltier modules are commonly called thermogenerators (TEC) and can be used for both cooling and heating production. In the Seebeck (TEG) effect, when the thermogenerator is exposed to a cold surface and to a hot surface, the generation of electric energy occurs. In this study the thermoelectric generator was subjected to temperature gradients simulated by high load resistors and a water cooled heat exchanger, aiming to obtain the characteristic curve of the generator by means of an ArduinoTM data acquisition system that simulates resistive loads to which the generator is subjected. Subsequently, the clamping force exerted on the system was varied and its influence on the amount of power supplied by the generator was verified. As a result, it was found that the amount of power supplied by the generator is directly proportional to the increase in temperature gradient and the increase in the clamping force exerted on the system.
Keywords: Energy reutilization. Thermogenerator. Peltier Module. Temperature difference. Seebeck effect.
Figura 1 - Ilustração do efeito Seebeck ... 19
Figura 2 - Migração dos elétrons da região quente para fria ... 21
Figura 3 - Módulo Peltier ... 22
Figura 4 - Efeito Peltier ... 23
Figura 5 - Comportamento da Figura de Mérito de algumas ligas em função da temperatura ... 24
Figura 6 - Bancada experimental ... 27
Figura 7 - Gerador Termoelétrico utilizado ... 28
Figura 8 - Ilustração do gerador termoelétrico... 28
Figura 9 - Interior do TEG... 29
Figura 10 - Resistores de cartucho utilizados no experimento ... 30
Figura 11 - Dimensões do bloco que compõe o módulo de aquecimento ... 31
Figura 12 - Bloco que compõe o módulo de aquecimento ... 31
Figura 13 - Projeto do trocador de calor ... 32
Figura 14 - Dimensões do trocador de calor ... 32
Figura 15 - Trocador de calor finalizado ... 33
Figura 16 - Termopares com isolamento mineral ... 34
Figura 17 - Sistema de aquisição de dados ... 35
Figura 18 - Esquema das ligações elétricas do sistema de aquisição de dados ... 35
Figura 19 - Sistema de Aquisição de Temperaturas ... 36
Figura 20 - Base do aparato experimental ... 37
Figura 21 - Posicionamento do módulo de aquecimento ... 37
Figura 22 - Posicionamento do isolante térmico ... 38
Figura 23 - Posicionamento do termopar no módulo de aquecimento ... 39
Figura 24 - Posicionamento da folha de alumínio ... 39
Figura 25 - Posicionamento do TEG ... 40
Figura 29 - Força de aperto de 4,704 kgf ... 44 Figura 30 - Força de aperto de 8,296 kgf ... 44 Figura 31 - Tensão de saída Vout [mV] versus corrente de saída Iout [mA] para
diferentes gradientes de temperatura ... 45 Figura 32 - Tensão de circuito aberto Vcc [mV] e fechado Vout .. 47 Figura 33 - Resistência interna do gerador termoelétrico ... 48 Figura 34 - Potência de saída Pout [mW] versus tensão de saída Vout [mV] para diferentes diferenças de temperaturas ... 49 Figura 35 - Potência de saída Pout [mW] versus diferença de temperatura [°C] .. 51 Figura 36 - Potência de saída Pout [mW] em função da potência dissipada Pdis [W] e da força de aperto [kgf] ... 54 Figura 37 - Potência de saída Pout [mW] em função da força de aperto [kgf] ... 55
Tabela 1 - Coeficiente de Seebeck para metais, ligas e semicondutores. O termo de comparação é a platina ... 20 Tabela 2 - Especificações do gerador termoelétrico TEG1 12611-6.0. ... 29 Tabela 3 - Resumo dos resultados para caracterização do TEG à pressão constante ... 52 Tabela 4 - Potência gerada por área em função da diferença de temperaturas... 52 Tabela 5 - Diferença de temperatura em função da força de aperto e potência
dissipada ... 53 Tabela 6 - Resumo dos resultados obtidos para variação da Fap ... 56
1 INTRODUÇÃO ...13 1.1 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA ...14 1.2 JUSTIFICATIVA ...14 1.3 OBJETIVOS ...15 1.3.1 Objetivo Geral ...15 1.3.2 Objetivos Específicos ...15
1.4 DESCRIÇÃO DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ...15
2 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ...17
2.1 O USO DE ENERGIA ELÉTRICA ...17
2.2 TERMOELETRICIDADE ...18
2.2.1 Efeito Seebeck ...18
2.2.2 O Efeito Peltier e o Módulo Peltier ...21
2.2.3 Figuras de Mérito ...23 2.3 ESTADO DA ARTE ...25 3 MATERIAIS E MÉTODOS ...27 3.1 BANCADA EXPERIMENTAL ...27 3.2 APARATO EXPERIMENTAL ...28 3.2.1 Gerador Termoelétrico ...28 3.2.2 Módulo de Aquecimento ...30 3.2.3 Módulo de Resfriamento ...31 3.2.4 Termopares...33
3.2.5 Sistema de Aquisição de Dados para Aplicação de Cargas Resistivas ...34
3.2.6 Sistema de Aquisição de Temperaturas ...36
3.2.7 Montagem do Sistema ...36
3.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ...41
4.2 INFLUÊNCIA DA FORÇA DE APERTO NA QUANTIDADE DE POTÊNCIA GERADA PELO TEG ...53 5 CONCLUSÃO 57
5.1 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ...58 REFERÊNCIAS ...59 APÊNDICE A - Rotina Computacional para o Sistema de Aquisição de Dados para Aplicação de Cargas Resistivas ...62 APÊNDICE B - Capítulo de livro publicado ...66 APÊNDICE C - Artigo Sobre Calibração de Células de Carga ...81
1 INTRODUÇÃO
O advento da era digital e avanço de tecnologias modernas de uso final acarretaram em mudanças qualitativas na vida humana, tanto em quesitos econômicos como em bem-estar populacional. Grande parte dos avanços são conduzidos por serviços que fazem o uso de energia elétrica, aumentando assim seu consumo e demanda (GOLDEMBERG; MOREIRA, 2006).
Devido ao aumento na demanda de energia e a dependência da sociedade pelo uso de combustíveis fósseis, tal dependência tornou-se alvo de conferências ambientais e tema de estudo científico. A geração de energia elétrica é responsável pela emissão de cerca de 10 giga toneladas de dióxido de carbono, tornando recorrente o debate e estudo em busca de novas fontes e métodos de geração de energia (BLASCHKE et al., 2013; SCHIERMEIER et al., 2008).
Com a atual necessidade de se buscarem novos métodos de geração de energia, uma das áreas que tem seu estudo reforçado é a área da termoeletricidade. Os materiais termoelétricos são aqueles capazes de converter gradientes de temperatura diretamente em eletricidade devido a um fenômeno conhecido como efeito Seebeck. Primordialmente, tais materiais eram utilizados para fins de refrigeração, porém, com o avanço tecnológico, torna-se possível encontrar esses materiais a menor custo e com maiores possibilidades de aplicação (FLEURIAL, 2009; NASCIMENTO; LUBANCO; MOREIRA, 2012; RIFFAT; MA, 2003).
O efeito Seebeck está relacionado ao surgimento de uma diferença de potencial elétrico entre dois materiais diferentes, em contato, porém em temperaturas diferentes. O funcionamento de termopares é um exemplo de aplicação de tal efeito, já que a tensão gerada pelo sensor é proporcional ao gradiente de temperatura a que esse é submetido. Além disso, são constatadas outras aplicações desse efeito para geração de energia em relógios de pulso, geração de energia elétrica a partir dos gases de combustão de motores e até mesmo aplicações aeroespaciais (GONÇALVES, 2008; ANDO JUNIOR, 2014).
1.1 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA
Devido às questões ambientais e ao constante aumento na demanda de energia elétrica, novas formas de geração de energia são recorrentes temas de estudo. Tratando-se de sistemas térmicos, grande parte da energia gerada ou utilizada é perdida na forma de calor, como em motores à diesel, em que cerca de 40% da energia disponível é transformada em trabalho efetivo e cerca de 35% é perdida na forma de calor residual (MONREAL, 2007), sendo então necessário desenvolver e aperfeiçoar novas tecnologias que possam utilizar o calor residual para gerar energia elétrica e elevar os níveis de eficiência de sistemas térmicos.
Com isso, nesse Trabalho de Conclusão de Curso foi executado um estudo experimental sobre a potência gerada por um gerador termoelétrico (TEG) do tipo Peltier a fim de se verificar a influência do gradiente de temperatura na quantidade de potência gerada e também os principais pontos de operação a se focar para elevar a eficiência de tal gerador.
1.2 JUSTIFICATIVA
Os módulos Peltier são comumente utilizados para aquecimento e resfriamento de sistemas a partir de uma corrente de entrada. Esses materiais semicondutores também possuem a característica de utilizar uma fonte de calor para produzir energia elétrica devido ao efeito Seebeck, fato esse de difícil implantação já que os módulos possuem baixo rendimento e elevado custo. Com isso, torna-se necessário realizar estudos sobre as condições de operação de tais módulos, verificando em quais faixas de temperatura esses apresentam maior quantidade de potência gerada, além de se detectar quais pontos podem ser alterados de forma a se obter maior eficiência para esses componentes e contribuir para uma maior geração de energia elétrica sem a utilização de meios que degradam o meio ambiente.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Executar uma investigação experimental acerca da conversão de energia térmica em energia elétrica utilizando um gerador termoelétrico do tipo TEG.
1.3.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste Trabalho de Conclusão de Curso são:
Desenvolver um sistema de aquisição de dados e circuito eletrônico para controle da carga aplicada ao gerador termoelétrico;
Obter a curva característica do gerador termoelétrico, que correlaciona a quantidade de potência gerada por gradiente de temperatura;
Averiguar a aplicabilidade do gerador termoelétrico para recuperação de energia térmica em diferentes faixas de temperatura;
Verificar a eficiência do gerador termoelétrico em diferentes faixas de temperatura;
Verificar a influência da força de aperto exercida sobre o gerador na quantidade de potência gerada por esse.
1.4 DESCRIÇÃO DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
No primeiro capítulo deste Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentada uma breve introdução sobre o papel da termoeletricidade e efeito Seebeck no panorama energético global, uma descrição do problema, os objetivos que se buscam resoluções concomitantemente com o motivo da escolha do tema. No Capítulo 2 é tratado o referencial teórico apresentando alguns conceitos que são fundamentais para a compreensão do funcionamento de um gerador termoelétrico, como por exemplo, o que são o efeito e o coeficiente Seebeck, a sua diferença com o efeito Peltier e quais as principais propriedades dos materiais influenciam em seu desempenho dentro de um sistema termoelétrico. Além disso, são apresentados
quais os principais estudos já realizados sobre o assunto. O Capítulo 3 aborda qual foi a metodologia empregada, qual o aparato experimental foi utilizado, e como foi feito o procedimento experimental. No Capítulo 4 são mostrados e discutidos os dados experimentais coletados para caracterização do gerador e para verificar a influência da força de aperto em seu desempenho. As conclusões deste TCC e as sugestões para novas pesquisas são apresentadas no Capítulo 5. As referências bibliográficas são apresentadas na sequência. No Apêndice A é apresentada a programação em ArduinoTM que rege o sistema de aquisição de dados enquanto que no Apêndice B é apresentado um capítulo de livro publicado proveniente dos resultados deste TCC.
2 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
Nesta seção é apresentado um panorama sobre o uso de energia elétrica, além de uma abordagem sobre a termoeletricidade, o efeito Seebeck, o efeito Peltier e os módulos Peltier, as figuras de mérito e o estado da arte.
2.1 O USO DE ENERGIA ELÉTRICA
Desde as sociedades primitivas, energia, água e ar são fatores essenciais à vida humana. O consumo de energia, que era primeiramente realizado por meio da queima de lenha para aquecimento em geral e cozer alimentos, apresentou um grande crescimento com o passar dos anos, sendo então necessário procurar novas
utilizados como fonte geradoras, porém o consumo ainda crescente obrigou que, durante a revolução industrial, fontes como gás, petróleo e carvão começassem a serem utilizadas para gerar energia em grande escala (GOLDEMBERG; LUCON, 2007).
A previsão para a produção de energia global no ano de 2020 consiste no uso majoritário de petróleo (30,18% do total gerado), seguido por carvão (28,11%), gás (21,50%), bioenergia (10,22%), energia nuclear (5,50%), energia hidrelétrica (2,52%), além de outras fontes renováveis (1,97%). Percebe-se então que a maior parte da energia produzida provém de métodos degradantes ao meio ambiente (IEA, 2015).
O uso de fontes fósseis acarreta na emissão de poluentes e gases de efeito estufa, além de colocar em risco o suprimento de longo prazo do planeta, já que tais fontes não são inesgotáveis. Fatores como esses são responsáveis pelo elevado crescimento do uso de energias renováveis, permitindo a geração de eletricidade e calor sem emissão de poluentes e de forma sustentável (GOLDEMBERG; LUCON, 2007; ANEEL, 2008).
2.2 TERMOELETRICIDADE
Termoeletricidade pode ser caracterizada como um conjunto de fenômenos físicos que relacionam a temperatura com as propriedades elétricas dos materiais, permitindo a transformação direta de um gradiente de temperatura em eletricidade ou vice-versa (PIEDADE, 1997).
A termoeletricidade teve sua origem com o físico italiano Alessandro Volta em meados dos anos 1800, ao concluir que a eletricidade causadora dos espasmos nas pernas de sapos era devida à um contato entre dois metais diferentes. Apesar disso, os primeiros fenômenos relacionados à termoeletricidade foram descobertos por Thomas Seebeck, ao verificar que a ligação de dois elementos condutores, ligados aos terminais de um galvanômetro e sujeito a uma variação de temperatura, provoca o surgimento de uma diferença de potencial, indicada no galvanômetro (FERNANDES, 2012).
A aplicação de dispositivos termoelétricos permaneceu mínima até o momento em que se desenvolveram materiais semicondutores, o que permitiu seu uso em uma grande variedade de aplicações práticas, como, por exemplo, aquecimento de bancos de automóveis, geração elétrica e resfriamento de objetos (RIFFAT; MA, 2003).
A geração termoelétrica é caracterizada por ser obtida por sistemas totalmente sólidos, sem conter partes móveis, de pequenas dimensões, silencioso, altamente confiável e ambientalmente agradável, o que justifica seu uso e foco em novas correntes de estudo (GOU; XIAO; YANG, 2010).
2.2.1 Efeito Seebeck
Como mencionado anteriormente, o efeito Seebeck foi descoberto por Thomas Seebeck em 1821 e descreve um fenômeno em que, ao expor a união de dois metais diferentes a um gradiente de temperatura, ocorre a movimentação de elétrons de forma que se gere corrente elétrica, efeito que pode ser observado pela Figura 1.
Figura 1 - Ilustração do efeito Seebeck
Fonte: Fernandes (2012)
Pela Figura 1 pode ser observado que A e B formam a junção de dois materiais distintos, a e b, que se encontram em diferentes temperaturas, em que T1 > T2. Surgirá então uma tensão U desenvolvida nos terminais do circuito, sendo essa determinada em função da variação da temperatura e apresentada na Equação 1:
(1)
em que U corresponde à tensão desenvolvida nos terminais, T1 e T2 as temperaturas das junções A e B, respectivamente, e ab o coeficiente de Seebeck do par termoelétrico, que pode ser determinado como ab = a b (FERNANDES, 2012).
Para obtenção do valor do coeficiente Seebeck de um par termoelétrico, a Equação 1 pode ser reescrita como:
(2)
O coeficiente de Seebek para diferenças de temperatura pequenas se apresenta de forma quase linear. Esse é medido em [V/K] ou então [µV/K] e pode se apresentar positivo ou negativo dependendo do sentido da circulação de elétrons. Caso os elétrons fluam da junção fria para a quente o coeficiente é positivo, ao passo em que ao fluírem da junção quente para a fria esse é negativo. Na Tabela 1 são apresentados valores de coeficiente de Seebeck para alguns metais e semicondutores.
Tabela 1 - Coeficiente de Seebeck para metais, ligas e semicondutores. O termo de comparação é a platina Metais/Ligas e outros Materiais Coeficiente de Seebeck [µV/K] Materiais Semicondutores Coeficiente de Seebeck [µV/K] Antimônio 47,0 Se 900,0 Níquel Crômico 25,0 Te 500,0 Cadmio 7,5 Si 440,0 Tungstênio 7,5 Ge 300,0 Ouro 6,5 Bi2Te3 (tipo N) -230,0 Prata 6,5 Bi2xSbxTe3 (tipo P) 300,0 Cobre 6,5 Sb2Te3 (tipo P) 185,0 Ródio 6,0 PbTe -180,0 Tântalo 4,5 Pb3Ge39Se58 1670,0 Chumbo 4,0 Pb6Ge36Se58 1410,0 Alumínio 3,5 Pb9Ge33Se58 -1360,0 Carvão 3,0 Pb13Ge29Se58 -1710,0 Mercúrio 0,6 Pb15Ge37Se58 -1990,0 Platina 0,0 SnBb4Te7 25,0 Sódio -2,0 SnBi4Te7 120,0
KOH -9,0 SnBi3SbTe7 151,0
Níquel -15,0 SnBi2,5Sb1,5Te7 110,0
Cu Ni Mn Fe -35,0 SnBi2Sb2Te7 90,0
Bismuto -72,0 PbBi4Te7 -53,0
Fonte: Adaptado de Fernandes (2012)
O surgimento da tensão U é fundamentado no deslocamento de elétrons da camada de valência de uma substância quando essa apresenta regiões de maior e menor temperatura. A energia térmica é transmitida aos elétrons de forma que se aumente sua agitação e os torne elétrons livres, possibilitando sua migração para a região mais fria da substância, como pode ser observado na Figura 2 (FERNANDES, 2012; GONÇALVES, 2008; ANDO JUNIOR, 2014).
Figura 2 - Migração dos elétrons da região quente para fria
Fonte: Gonçalves (2008)
Como pode ser observado na Figura 2, a região quente fica com mais átomos sem elétrons na camada de valência (excesso de cargas positivas), ao passo que a região fria fica com excesso de elétrons livres. A migração de elétrons terá seu fim ao passo que a tensão gerada U seja maior que a energia que os elétrons possuam para se movimentar. Já a diferença de potencial U existirá enquanto não ocorra o equilíbrio entre a repulsão eletrostática devido ao excesso de carga negativa na parte fria e os elétrons que fluem pelo gradiente de temperaturas. Com a fonte de calor mantida, a migração de elétrons ocorre até que seja atingido o equilíbrio do gradiente térmico (FERNANDES, 2012; GONÇALVES, 2008).
2.2.2 O Efeito Peltier e o Módulo Peltier
Ao contrário do efeito Seebeck, o efeito Peltier é caracterizado quando a junção de dois materiais diferentes é percorrida por uma corrente elétrica e ocorre liberação e/ou absorção de energia térmica nas superfícies desses materiais. Esse efeito é quantificado pelo coeficiente de Peltier, , e pode ser relacionado com o coeficiente de Seebeck pela Equação 3, em que T representa a temperatura da junção (FERNANDES, 2012; GONÇALVES, 2008; ANDO JUNIOR, 2014).
(3)
O módulo Peltier consiste em um arranjo de pequenos blocos de Telureto de Bismuto (Bi2Te3) dopados do tipo N e tipo P, montados de maneira alternada, eletricamente em série e termicamente em paralelo, entre duas placas de boa condutividade térmica, fazendo com que todos os elementos conduzam calor para a mesma direção (MOURA, 2010).
A dopagem é realizada de tal forma que o material semicondutor possa conduzir energia elétrica mais facilmente, ou seja, visa-se proporcionar a formação de lacunas e a ocorrência de elétrons livres. Na dopagem do tipo N procura-se obter um excesso de elétrons, sendo então necessário substituir um átomo da estrutura cristalina por outro com maior quantidade de elétrons na camada de valência. Isso faz com que esse átomo seja mais facilmente excitado termicamente e adquira características condutoras, ao passo que na dopagem do tipo P introduz-se à estrutura cristalina átomos com deficiência de elétrons em relação ao material semicondutor, ocasionando colunas que conduzem a corrente elétrica devido à carga positiva gerada pela falta de elétrons (FREITAS, 2008).
As Figuras 3 e 4 ilustram o funcionamento de um módulo Peltier com elementos dopados P e N. A junção P-N é aquecida e a parte inferior é resfriada, obtendo assim o gradiente de temperatura. Tanto os elétrons livres do elemento dopado N como os interstícios dos elementos dopados P migram para a parte fria, fazendo com que os elementos N adquiram polaridade negativa e os elementos P carreguem-se positivamente, fechando o circuito. Com o acúmulo dos elétrons na extremidade na parte fria, gera-se um campo elétrico interno que origina a tensão Seebeck.
Figura 3 - Módulo Peltier
Figura 4 - Efeito Peltier
Fonte: Ando Junior (2014)
2.2.3 Figuras de Mérito
A dimensão utilizada para que se torne possível realizar a comparação de sistemas termoelétricos é denominada de Figura de Mérito. Essa dimensão expressa a eficiência dos materiais dopados do tipo P e N que compõe um par termoelétrico (BELL; FRANCIS J. DISALVO, 2008; HE et al., 2015).
O material termoelétrico ideal é aquele que apresenta elevado coeficiente de Seebeck ( ), baixa condutividade térmica (k) e alta condutividade elétrica ( ), sendo essas características que compõe a Figura de Mérito (Z). Isso se deve ao fato de que uma alta condutividade elétrica reduz o efeito Joule, um coeficiente de Seebeck alto maximiza a conversão de calor em eletricidade e uma baixa condutividade térmica ajuda a manter o calor em uma única junção ao manter o gradiente de temperatura entre as junções (FLIPSE et al., 2012; MARTINS et al., 2011).
A Figura de Mérito é representada pela letra Z e é medida em [K-1], sendo definida pela Equação 4:
(4)
em que representa a resistividade elétrica e k a condutividade térmica (FERNANDES, 2012).
Um metal geralmente não apresenta as três características necessárias para um elevado valor de Z simultaneamente, ao passo que geralmente um metal com coeficiente de Seebeck elevado apresenta baixo rendimento na conversão
termoelétrica. O ideal é que a Figura de Mérito se aproxime de um valor unitário, o que ocorre com o composto de telúrio de bismuto à temperatura ambiente. Apesar disso, a Figura de Mérito não é constante com a temperatura, tornando-se então viável escrevê-la na forma adimensional, como pode ser observado na Equação 5 (ANDO JUNIOR, 2014).
(5)
A Figura 5 apresenta a variação da Figura de Mérito de alguns materiais de acordo com a temperatura da junção.
Figura 5 - Comportamento da Figura de Mérito de algumas ligas em função da temperatura
Fonte: Fernandes (2012)
Como pode ser observado na Figura 5, a magnitude da Figura de Mérito Z não apresenta comportamento linear com a temperatura, já que todos os parâmetros que apresentam dependência têm seus valores alterados com mudanças de temperatura. Observa-se também que ligas como Bi2Te3 e BiSb apresentam maiores valores de Figura de Mérito para baixas temperaturas, ao passo que ligas como SiGe e PbTe apresentam melhor desempenho em temperaturas mais elevadas. Isso faz com que se torne possível identificar qual a melhor liga a se utilizar para
conversão de energia de acordo com a faixa de temperaturas disponível. Além disso, pode ser verificado que nenhuma liga apresenta comportamento linear com a temperatura, ou seja, Figura de Mérito unitária, fazendo com que o grande desafio para trabalhos futuros seja encontrar materiais que reúnam, simultaneamente, alta conversão termoelétrica, baixa condutividade térmica e elevada condutividade elétrica (GONÇALVES, 2008).
2.3 ESTADO DA ARTE
Gonçalves (2008) realizou um trabalho modelando dois dispositivos distintos, um dispositivo de arrefecimento (efeito Peltier) e um dispositivo detector de radiação (efeito Seebeck). O dispositivo de arrefecimento Peltier foi analisado por microscopia de infravermelho, ao ar e em vácuo, e uma diferença de temperatura de 5 ºC foi obtida entre a região fria e a região quente do dispositivo. A sensibilidade de 6,5×10-14 VK-4 foi obtida na termopilha do sensor de radiação IV.
Fernandes (2012) em seu trabalho realizou um estudo acerca da viabilidade de utilização de células de Peltier como gerador termoelétrico propondo um sistema de recuperação de energia de um equipamento industrial através de um gerador termoelétrico. Como resultado, para as condições ensaiadas, obteve uma rentabilidade de investimento de 0,69% e um payback de 143 anos.
Ando Júnior (2014) realizou em seu trabalho o desenvolvimento de um protótipo de um microgerador termoelétrico para captação de energias residuais baseado no efeito Seebeck. O microgerador foi composto por dois sistemas, um responsável pela captação do calor residual, destacado por ser adaptável ao processo industrial, além de um sistema de resfriamento. Como resultado, obteve uma potência máxima de 29 W para um gradiente de temperatura de 80ºC.
Singh et al. (2015) realizaram uma investigação experimental acerca do efeito do uso de adesivos no desempenho de um gerador termoelétrico. Os adesivos foram utilizados como forma de substituir sistemas mecânicos para acoplar o TEG à trocadores de calor. Foi verificado que o melhor adesivo é aquele que causa a menor alteração na resistência térmica global do sistema, sendo esse adesivo o fornecido pela Artic SilverTM.
Fachini (2016) realizou um estudo acerca da eficiência de conversão da energia térmica em energia elétrica via efeito Seebeck de um módulo Peltier, comparando dois métodos de resfriamento diferentes (convecção natural e forçada) e analisando a eficiência da conversão de energia em função do gradiente de temperaturas que o módulo foi exposto.
Lv et al. (2018) realizaram um estudo acerca da influência de diferentes sistemas de troca de calor no desempenho de um gerador termoelétrico, sendo testados trocadores de calor à ar, água e com uso de tubos de calor. Como conclusão eles obtiveram que é de extrema importância selecionar uma forma de arrefecimento adequada à TEG, podendo obter melhores resultados em relação à geração de energia, eficiência e ganhos econômicos, além de se constatar que a melhor forma de arrefecimento foi o trocador de calor com base em tubos de calor.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta seção são apresentados em detalhes a bancada e o aparato experimental, além de todos os procedimentos desenvolvidos para realizar esse Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Mecânica.
3.1 BANCADA EXPERIMENTAL
A bancada experimental, mostrada na Figura 6, foi composta por um notebook DellTM, um nobreak NHSTM, um bloco de alumínio contendo resistências elétricas de cartuchos, um gerador termoelétrico TEG1-12611-6.0, um trocador de calor arrefecido por água, um sistema automatizado de variação de cargas resistivas controlado por um ArduinoTM, um sistema de aquisição de dados AgilentTM 34970A com um multiplexador AgilentTM 34901A de 20 canais, fontes de alimentação PolitermTM 16E, um banho ultratermostatizado SOLABTM SL-130 e um rotâmetro de área variável Omega EngineeringTM FL-2051 com válvula reguladora.
Figura 6 - Bancada experimental
3.2 APARATO EXPERIMENTAL
3.2.1 Gerador Termoelétrico
O gerador termoelétrico utilizado para realizar uma análise da eficiência de conversão de energia térmica em energia elétrica foi o TEG1-12611-6.0, da empresa TECTEGTM. Suas características podem ser observadas nas Figuras 7 e 8 e suas condições extremas de operação (gradiente de temperaturas máximo de 270 ºC) podem ser observadas na Tabela 3. Na Figura 9 é ilustrada a composição interna do TEG, apresentando os blocos do tipo P e N.
Figura 7 - Gerador Termoelétrico utilizado
Fonte: Autor
Figura 8 - Ilustração do gerador termoelétrico
Fonte: Fachini et al. (2019)
Figura 9 - Interior do TEG
Fonte: Autor
Tabela 2 - Especificações do gerador termoelétrico TEG1 12611-6.0.
Parâmetros Valor Unidade
Temperatura do lado quente 300 [°C]
Temperatura do lado frio 30 [°C]
Tensão de circuito aberto 8,4 [V]
Resistência Interna 1,2 [ohms]
Tensão de máxima potência 4,2 [V]
Corrente de máxima
potência 3,4 [A]
Potência Máxima 14,6 [W]
Fluxo de calor pelo módulo aprox. 365 [W] Densidade de fluxo de calor 11,6 [W/cm²]
Resistência CA abaixo dos
27ºC a 1000 Hz 0,5 a 0,7 [ohms]
Fonte: TECTEGTM
Como pode ser observado nas Figuras 7 e 8, o módulo Peltier utilizado possui área superficial de 0,003136 m². Seus fios foram revestidos com TeflonTM para isolação, ao passo que seu corpo foi composto por duas placas cerâmicas revestidas com grafite, que tem como intuito proteger o módulo da corrosão, suportar esforços mecânicos, altas temperaturas e apresentar baixa resistência
térmica. Entre as placas de cerâmica encontra-se um arranjo de pequenos blocos de telureto de bismuto (Bi2Te3) dopado tipo N e tipo P, montados de maneira alternada eletricamente em série e termicamente em paralelo.
3.2.2 Módulo de Aquecimento
O método aplicado para realizar o aquecimento do módulo Peltier consistiu em utilizar dois resistores de cartucho/alta carga de 250 W de potência, uma vez que esses conseguem proporcionar alta densidade de potência, ou seja, fornecem elevada potência apesar de sua pequena área superficial. Além disso, com tais resistores é possível atingir temperaturas de até 500 ºC, superiores à temperatura máxima necessária para realizar o experimento. Os resistores são confeccionados de aço inox AISI 304, com tubos prensados hidraulicamente e isolados em óxido de magnésio com condutores de níquel-cromo espiralados envolvidos precisamente em tubos cerâmicos. Os resistores de cartucho utilizados no experimento estão ilustrados na Figura 10, possuindo 56 mm de comprimento e 12,7 mm de diâmetro.
Figura 10 - Resistores de cartucho utilizados no experimento
Fonte: Autor
Devido à forma plana do gerador termoelétrico e a forma cilíndrica dos resistores, o contato entre as duas superfícies seria apenas uma linha. Com isso, foi utilizado um bloco de alumínio de superfície plana contendo dois furos cilíndricos passantes para acoplar os resistores e outra furação para acoplar um termopar do tipo K com o intuito de aferir a temperatura superficial do bloco de alumínio. As dimensões do bloco podem ser observadas na Figura 11.
Figura 11 - Dimensões do bloco que compõe o módulo de aquecimento
(a) Vista Superior (b) Vista Frontal
Fonte: Autor
Foi selecionado o alumínio como material para o bloco devido à sua boa condutividade térmica e seu menor custo em relação ao cobre. Foi tomado como princípio que, por ser um material homogêneo, apresentaria temperatura uniforme e próxima à temperatura dos resistores. A Figura 12 ilustra o bloco de alumínio acabado.
Figura 12 - Bloco que compõe o módulo de aquecimento
Fonte: Autor
3.2.3 Módulo de Resfriamento
Tomando como base os resultados de Fachini (2016), foi escolhida a utilização do fenômeno da convecção forçada para realizar o resfriamento da TEG. Com isso, foi utilizado um trocador de calor visando aumentar a dissipação de calor pelo lado frio do TEG e consequentemente aumentar o gradiente de temperaturas em que se opera o gerador. A Figura 13 ilustra o projeto do trocador de calor.
Figura 13 - Projeto do trocador de calor
Fonte: Fachini (2016)
A Figura 13(a) demonstra o trocador de calor fechado, em sua condição de operação. A entrada de fluido é representada por (1), ao passo que a saída é representada por (2). Baseado no princípio de funcionamento do trocador de calor, é esperado que em (2) a temperatura do fluido de trabalho seja maior que em (1). A Figura 13(b) apresenta o interior do trocador de calor, que é constituído por um labirinto que tem como função aumentar a área de troca de calor e assim reduzir a temperatura da superfície fria do TEG. A Figura 14 apresenta as dimensões, em milímetros, do trocador de calor.
Figura 14 - Dimensões do trocador de calor
Foi realizado um furo de 3 mm no centro do trocador de calor de forma a se permitir a obtenção da temperatura da superfície do gerador por meio de um termopar do tipo K. Além disso, assim como realizado com o módulo de aquecimento, foi realizado um acabamento na superfície do trocador de calor que fica em contato com o gerador visando aumentar a área efetiva de contato. As vistas estão orientadas no terceiro diedro e o corte A-A foi realizado de forma a facilitar a visualização dos canais que compõe o trocador de calor.
O projeto executado pode ser observado na Figura 15. O trocador de calor foi construído em alumínio pelos mesmos motivos apresentados ao módulo de aquecimento. Além disso, é possível observar a construção dos canais, o orifício para inserção do termopar e os furos utilizados para fechar o trocador de calor com sua tampa.
Figura 15 - Trocador de calor finalizado
Fonte: Fachini (2016)
3.2.4 Termopares
Para a aferição das temperaturas superficiais do gerador termoelétrico foram utilizados dois termopares do tipo K com isolamento mineral. Foi optado por utilizar o isolamento mineral devido ao fato de os dois resistores de alta carga utilizados não apresentarem bom isolamento elétrico, ocasionando em alterações nas medidas de temperatura ao se utilizar um termopar soldado em sua extremidade, por exemplo. A Figura 16 ilustra os termopares utilizados.
Figura 16 - Termopares com isolamento mineral
Fonte: Autor
O princípio de funcionamento de um termopar é baseado no efeito Seebeck. Um termopar é composto por dois materiais distintos soldados, nos quais é gerada uma tensão proporcional à diferença de temperatura nas extremidades da junção quando essa é aquecida. Cabe então à um sistema de aquisição realizar a conversão da tensão gerada em dados de temperatura de acordo com as características do termopar (GONÇALVES, 2008; FERNANDES, 2012).
3.2.5 Sistema de Aquisição de Dados para Aplicação de Cargas Resistivas
O sistema de aquisição de dados utilizado para aplicação de cargas resistivas pode ser observado com mais detalhes na Figura 17. Esse foi composto por 11 resistores de 10 W de potência com resistência variando numa faixa entre 0 e 50 ohms, 11 relés, uma protoboard e um ArduinoTM UNO.
Seu princípio de funcionamento consistiu na comutação de cargas resistivas às quais era aplicada a tensão do gerador termoelétrico, permitindo então que se obtivesse a curva característica do mesmo. Para tal, foi realizada uma programação em ArduinoTM de forma que, ativando-se diferentes relés, associem-se em paralelo diferentes resistores e obtenham-se então cargas resistivas distintas. Os dados de tensão foram obtidos por meio de um dos pinos digitais do ArduinoTM e os dados de potência e corrente foram calculados levando-se em conta o valor da carga utilizada. Pela Figura 18 pode ser observado um esquema representativo das ligações realizadas entre o ArduinoTM, os resistores e os relés, ao passo que a programação utilizada para obtenção dos dados pode ser verificada no Apêndice A.
Figura 17 - Sistema de aquisição de dados
Fonte: Autor
Figura 18 - Esquema das ligações elétricas do sistema de aquisição de dados
Fonte: Autor
A Figura 18 demonstra um esquema resumido das ligações realizadas entre o ArduinoTM UNO utilizado, os relés e os resistores. O gerador foi ligado no Borne A, que foi conectado em paralelo com o ArduinoTM de forma que esse realize a leitura de tensão do gerador. Além disso, o gerador também foi ligado com os resistores e os relés, os últimos, apresentados de forma desativada no esquema. Os relés foram conectados ao módulo ArduinoTM em seu pino e também em outras três ou Low o mantém desativado.
3.2.6 Sistema de Aquisição de Temperaturas
O sistema de aquisição de temperaturas pode ser observado na Figura 19. Esse sistema foi composto por um sistema de aquisição de dados AgilentTM 34970A com um multiplexador AgilentTM 34901A de 20 canais. Os termopares foram conectados ao multiplexador, que por sua vez foi conectado ao sistema de aquisição de dados. A interface entre o sistema de aquisição de dados e o computador foi feita por meio do programa computacional AgilentTM Benchlink Data Logger 3, onde os dados de tensão fornecidos pelos termopares foram convertidos em dados de temperatura.
Figura 19 - Sistema de Aquisição de Temperaturas
Fonte: Autor
3.2.7 Montagem do Sistema
Esta seção descreve os passos para se realizar a montagem do aparato experimental que permite a realização dos experimentos. Primeiramente foi construída uma base para se acomodar o módulo de aquecimento, a qual pode ser observada na Figura 20.
A base consiste em quatro perfis estruturais de alumínio de 40 mm x 40 mm acoplados entre si utilizando de cantoneiras e fixados em uma plataforma de madeira MDF utilizando-se de parafusos. No espaço contido entre os perfis foi adicionada uma argamassa refratária com finalidade de garantir uma superfície
plana e proteger toda a estrutura que estará exposta à elevadas temperaturas. Além disso, foram acopladas, por meio de duas porcas, duas barras roscadas nos perfis de alumínio laterais, barras essas que foram utilizadas para exercer uma força de aperto sobre todo o sistema.
Figura 20 - Base do aparato experimental
Fonte: Autor
O próximo passo consistiu em posicionar os resistores de alta carga no interior do bloco de alumínio e posicionar o módulo de aquecimento no centro da base do aparato, como pode ser observado na Figura 21.
Figura 21 - Posicionamento do módulo de aquecimento
Pode ser observado na Figura 21 que foram tomados alguns cuidados ao se posicionar o módulo de aquecimento. Foi utilizada fita termosensível KaptonTM na região dos resistores por essa apresentar boa condutividade térmica e baixa condutividade elétrica, funcionando então como um isolante elétrico. Além disso, foram realizadas duas furações no perfil estrutural de alumínio de forma a permitir que os cabos dos resistores de alta carga permaneçam do lado de fora da estrutura, também esses sendo isolados com fita isolante na base dos resistores.
Com o módulo de aquecimento posicionado, foi necessário realizar o isolamento de suas laterais de forma a visar um fluxo de calor unidimensional. Para isso, foi colocada ao redor do módulo de aquecimento uma manta cerâmica com condutividade térmica de 0,08 W/mK que suporta temperaturas até 1000 ºC. O módulo de aquecimento envolto pela manta cerâmica pode ser visto na Figura 22.
Figura 22 - Posicionamento do isolante térmico
Fonte: Autor
Após o isolamento, foi inserido o termopar do tipo K com isolamento mineral no módulo de aquecimento por meio de uma terceira furação presente no perfil de alumínio, como pode ser observado na Figura 23.
Figura 23 - Posicionamento do termopar no módulo de aquecimento
Fonte: Autor
Após o posicionamento do termopar, esse também foi coberto com manta cerâmica. Feito isso, foi utilizada uma folha de alumínio para manter a superfície do módulo de aquecimento livre, como pode ser observado na Figura 24. A folha foi fixada utilizando tiras de acabamento para perfil estrutural de alumínio, além de que, na região próxima às bordas do módulo de aquecimento, foi utilizado silicone para alta temperatura que teve como função colar a folha na manta cerâmica.
Figura 24 - Posicionamento da folha de alumínio
O próximo passo consistiu em passar uma fina camada de pasta térmica ImplastecTM, com condutividade térmica de 1,2 W/mK, na superfície do módulo de aquecimento. Feito isso, o TEG foi posicionado sobre o módulo de aquecimento, como pode ser observado na Figura 25.
Figura 25 - Posicionamento do TEG
Fonte: Autor
A pasta térmica foi utilizada devido ao fato de que, apesar de ambas as superfícies em contato serem planas, a rugosidade de ambas faz com que existam espaços contendo ar entre essas. Com isso, devido à baixa condutividade térmica do ar e a necessidade de se utilizar a hipótese que ambas as superfícies estão na mesma temperatura, foi utilizado um material de maior condutividade térmica a fim de se aumentar a eficiência da troca de calor entre as superfícies.
Com o TEG posicionado, foi aplicada uma fina camada de pasta térmica na superfície do gerador e, então, trocador de calor foi posicionado sobre o TEG. Posteriormente, foi acoplado às duas barras roscadas uma chapa de metal contendo um furo em seu centro para a passagem do termopar. Devido à posição das barras roscadas e de o furo estar localizado no centro da chapa de metal centralizou-se o trocador de calor com o gerador termoelétrico. Com o trocador de calor centralizado, foi aplicada uma força de aperto suficiente para manter o sistema fixo utilizando-se de duas porcas borboletas, mantendo tal força constante durante a execução dos testes à pressão constante. A montagem final pode ser observada na Figura 26.
Figura 26 - Montagem final do aparato experimental
Fonte:Fachini et al (2019)
Pela Figura 26 pode ser verificado também que após o final da montagem do aparato, foram acopladas a entrada e saída de água no trocador de calor, além de se realizar a ligação elétrica entre o gerador termoelétrico e o sistema de aquisição de dados.
3.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Os testes experimentais foram executados no Laboratório de Meios Porosos e Eficiência Energética (LabMPEE) vinculado ao Programa de Pós-Graduação (Mestrado) em Engenharia Mecânica (PPGEM) do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) do Câmpus Ponta Grossa.
Para a execução dos testes experimentais, a temperatura ambiente foi mantida por um sistema de ar condicionado RheemTM em 16°C ± 1°C e a temperatura do fluido do banho ultratermostatizado também foi mantida em 16°C ± 1°C. A Figura 27 ilustra o diagrama esquemático do sistema experimental utilizado para obtenção da curva característica.
Figura 27 - Diagrama esquemático da metodologia do experimento
Fonte:Autor
Primeiramente foi realizado um teste mantendo uma pressão constante sobre o TEG. Esse foi realizado variando a DDP (diferença de potencial) aplicada às resistências do sistema de aquecimento que simula o calor residual (resistores de alta carga associados em paralelo), visando a obtenção de cargas térmicas desde 40 a 320 W com variação de 40 W por meio da associação em série de duas fontes de alimentação, ao passo que foi mantida uma vazão de 1 L/min de água a 16ºC no trocador de calor por meio do banho ultratermostatizado.
Cada carga térmica foi mantida por 20 (vinte) minutos, onde a condição de funcionamento de regime quasi permanente foi atingida. Os dados de temperatura das superfícies quente e fria do TEG foram registrados a cada 10 (dez) segundos utilizando-se os dois termopares do tipo K e um sistema de aquisição de dados de temperatura, sendo esses salvos pelo programa computacional AgilentTM Benchlink Data Logger 3.
Para a obtenção de informações referentes ao gerador termoelétrico, foi utilizado um sistema de aquisição de dados baseado em ArduinoTM, como apresentado na Seção 3.2.5. Tal sistema foi responsável por comutar cargas resistivas e obter valores de tensão e corrente, e consequentemente, a potência produzida pelo gerador termoelétrico.
Para isso, foi realizado uma programação em ArduinoTM de forma a se trabalhar com um conjunto de relês e um banco de resistores que suportam até 10W de potência cujas as resistências estavam em um intervalo de 1 a 50 . Na obtenção dos dados, diferentes relês foram ativados de forma a se realizar diferentes associações em paralelo entre os resistores e obter assim cargas distintas
às quais foi submetido o gerador termoelétrico, coletando dados de diferentes valores de tensão e corrente e, consequentemente, valores distintos de potência. Este sistema somente era acionado quando a condição do sistema térmico atingisse o regime permanente. Durante a execução do experimento, mantiveram-se os resistores sob convecção forçada por meio de um ventilador axial UltrarTM DF1203HBL2 a fim de se evitar o aquecimento desses e a alteração de seus valores de resistência. Após a obtenção dos valores de potência fornecidos para as diferentes cargas, foi utilizado um multímetro AgilentTM ligado em paralelo com o gerador para obtenção dos dados de tensão de circuito aberto para diferentes gradientes de temperatura.
Posteriormente, o teste referente à influência da força de aperto na potência gerada do TEG foi iniciado. Para tal, todo o sistema foi desmontado e, então, foi realizada a limpeza da pasta térmica das superfícies do gerador e o sistema foi montado novamente seguindo os passos da Seção 3.2.6. O primeiro teste consistiu em rodar o gerador seguindo os mesmos passos realizados para uma pressão constante, porém sem exercer uma força de aperto por meio das duas porcas borboleta, deixando o sistema sob ação apenas da força peso da chapa metálica (0,138 kgf) apresentada na Figura 26.
Após analisar todas as faixas de potência, o sistema foi resfriado, desmontado e montado novamente, sendo então aplicado uma força de aperto de 2,238 kgf (Figura 28). Repetiram-se os mesmos passos para forças de aperto de 4,704 kgf (Figura 29), e 8,296 kgf (Figura 30).
Figura 28 - Força de aperto de 2,238 kgf
Figura 29 - Força de aperto de 4,704 kgf
Fonte: Autor
Figura 30 - Força de aperto de 8,296 kgf
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção são apresentados e comentados os principais resultados obtidos durante a realização desse trabalho.
4.1 CARACTERIZAÇÃO DO GERADOR TERMOELÉTRICO OPERANDO À PRESSÃO CONSTANTE
Durante a aplicação de cargas no gerador torna-se possível a obtenção via sistema de aquisição de dados da tensão do gerador e também da corrente elétrica do sistema, dois dos principais fatores a serem observados durante o uso de tal equipamento, já que permitem pela Lei de Ohm que se determine a potência desse. A Figura 31 apresenta uma comparação entre os dados de Corrente [mA] e tensão [mV] obtidos experimentalmente em função do gradiente de temperaturas e os valores de tensão obtidos por meio da curva do gerador.
Figura 31 - Tensão de saída Vout [mV] versus corrente de saída Iout [mA] para
diferentes gradientes de temperatura
Como pode ser observado na Figura 31 os valores de tensão variam linearmente com os valores de corrente, o que já era esperado pela Lei de Ohm, em que a tensão é linearmente dependente da corrente. Além disso, os valores experimentais se apresentam muito próximos das curvas semi-analíticas, validando os dados experimentais.
Para obtenção da curva que relaciona tensão e corrente, foi utilizada a equação de um gerador elétrico, que pode ser observada na Equação 6:
(6)
em que Vout representa a tensão do gerador, E sua força eletromotriz, I o valor de corrente e Rint a resistência interna do gerador (SEARS; ZWMANSKY; YOUNG, 1984).
No caso em que um gerador possui seus terminais ligados por um condutor de resistência nula, diz-se que o gerador está em curto circuito. Com isso, a força eletromotriz e a resistência interna podem ser relacionadas com a corrente de curto circuito (Icc - Equação 7). Além disso, pela Lei de Ohm, pode ser observado que o produto entre corrente de curto circuito e resistência interna resulta na tensão de circuito aberto (Vcc), a qual pode ser observada na Equação 8 (SEARS; ZWMANSKY; YOUNG, 1984).
(7)
(8)
Comparando as Equações 7 e 8 pode ser observado que a força eletromotriz do gerador corresponde à tensão de circuito aberto desse, pode-se então reescrever a Equação 6 como a Equação 9.
(9)
Para determinar a resistência interna do gerador foi utilizada a Equação 7. A corrente de curto circuito foi obtida por meio dos dados de tensão e corrente apresentados na Figura 31. Comparando-se as Equações 8 e 9 pode ser observado que quando Vout = 0, I = Icc. Com isso, pode ser realizada uma regressão linear com os valores de tensão, obtendo a corrente de curto circuito como a raiz da equação
obtida pela regressão. A Figura 32 apresenta valores de tensão de circuito fechado (Vout) e tensão de circuito aberto (Vcc) em função do gradiente de temperatura.
Figura 32 - Tensão de circuito aberto Vcc [mV] e fechado Vout
Fonte: Autor
Pode ser notado na Figura 32 que tanto a tensão de circuito aberto como a tensão de circuito fechado variam de forma aproximadamente linear com o gradiente de temperaturas. Além disso, possuem o comportamento esperado em que a tensão de circuito aberto manteve-se maior que a tensão de circuito fechado, pelo fato de essa representar a força eletromotriz do gerador. Pela Equação 10, obtida por meio de um ajuste linear dos dados, obtém-se a tensão de circuito aberto [mV] como função do gradiente de temperaturas.
(10)
Com os valores de Vcc e Icc foi possível a obtenção dos valores de Rint, os quais podem ser observados na Figura 33. Pela Equação 11 pode ser verificada a equação da resistência interna por gradiente de temperatura, obtida por meio de uma regressão linear dos dados apresentados na figura.
Figura 33 - Resistência interna do gerador termoelétrico
Fonte: Autor
(11)
Substituindo então as Equações 10 e 11 na Equação 9 e pode ser obtida uma equação que relaciona a tensão útil do gerador (Vout), o gradiente de temperaturas e a corrente desse, equação utilizada para obter as curvas apresentadas na Figura 31 e que foi apresentada pela Equação 12, em que T é dado em [ºC], I em [mA] e Vout em [mV].
(12)
Comparando-se as Figuras 31, 32 e 33, pode ser observado que nas curvas semi-analíticas apresentadas na Figura 31, o ponto da curva que toca o eixo X foi a corrente de curto circuito, ao passo que o ponto que toca o eixo Y corresponde à força eletromotriz, ou então, tensão de circuito aberto.
Tratando agora da potência gerada pelo TEG, a Figura 34 apresenta os valores de potência gerados em função da tensão de saída do gerador e os gradientes de temperatura.
Figura 34 - Potência de saída Pout [mW] versus tensão de saída Vout [mV] para
diferentes diferenças de temperaturas
Fonte: Autor
Como esperado, as curvas características obtidas seguem um comporta-mento altamente quadrático, indicado pelo coeficiente de determinação R² próximo de 1. Além disso, pode ser notado que quanto maior o gradiente de temperaturas, maiores os valores de tensão e também maiores os valores de potência.
Os valores de maior potência para cada gradiente de temperatura foram obtidos quando a resistência de carga externa foi igual à resistência de carga interna. Isso pode ser observado ao multiplicar-se ambos os lados da Equação 9 pela corrente do sistema, obtendo então a Equação 13.
(13)
Essa equação apresenta o significado de que a potência útil do gerador corresponde à potência total do gerador menos a potência térmica dissipada, como pode ser observado nas Equações 14 e 15. A fim de se determinar o ponto de potência útil máxima, a Equação 13 pode ser derivada em função da corrente I e ao se igualar a derivada a zero, obtendo assim o ponto de inflexão, apresentado na Equação 16.
(14)
(15)
(16)
Pode ser notado então que a potência útil máxima ocorrerá quando a corrente do sistema for I = Vcc / (2Rint), ou seja, a resistência total do circuito deve ser igual à duas vezes a resistência interna do gerador. Sabendo que a carga aplicada e o gerador estão ligados em série, a resistência total deve ser a soma da carga à resistência do gerador. Conclui-se então que a potência útil máxima será gerada quando a carga aplicada for igual à resistência interna do gerador.
Pela Figura 34 pode ser verificado que para alguns gradientes de temperatura o ponto de inflexão das curvas, que corresponde à potência máxima gerada, não está contido em um ponto obtido experimentalmente. Isso se deve ao fato de que as cargas utilizadas sobre o gerador não englobavam cargas iguais à resistência interna do gerador para aquele gradiente de temperatura, seja pelo número restrito de combinações entre resistores ou pelo fato de a resistência dos resistores variar conforme a temperatura desses variasse.
Finalmente, para obtenção da curva característica do gerador termoelétrico, que relaciona a potência útil com o gradiente de temperaturas, foi realizado um ajuste de curvas entre os valores obtidos experimentalmente, valores esses apresentados na Figura 35. A curva característica do gerador é apresentada na Equação 17, em que T é medido em [ºC] e Pout é dado em [mW].
(17)
Pode ser observado que com o aumento da diferença de temperatura a potência de saída cresce de forma quadrática, sendo limitada somente pela temperatura de operação do gerador termoelétrico, que é de 270 °C. Além disso, pode ser verificado que o ajuste de curva apresenta elevado coeficiente de determinação, com R² = 0,996, indicando que os dados obtidos mantiveram um padrão de comportamento em relação à temperatura. Também pode ser observado pela Figura 5 que todos as temperaturas às quais o gerador foi exposto encontram-se dentro da faixa apreencontram-sentada de Figura de Mérito para o telureto de bismuto.
Figura 35 - Potência de saída Pout [mW] versus diferença de temperatura [°C]
Fonte: Autor
Pode ser observado na Figura 35 que quanto maior a diferença de temperaturas entre as duas superfícies do gerador, maior é a quantidade de energia térmica convertida em energia elétrica. Isso se deve ao fato de que quanto maior a energia térmica disponível no gerador, maior é a energia de agitação dos elétrons e, consequentemente, maior é a migração desses entre a parte quente e a parte fria, aumentando assim os níveis de tensão Seebeck e também de potência gerada. Foi notado também que a maior potência gerada consistiu em 7,07 W a uma diferença de temperaturas de 230ºC.
A Tabela 3 apresenta um resumo dos resultados obtidos durante a execução desse Trabalho de Conclusão de Curso, contendo as diferenças de temperatura obtidas, tensão de saída máxima, resistência interna, potência útil máxima e eficiência ( ) em função da potência dissipada (Pdis). Os valores de eficiência foram obtidos por meio da razão entre Pout e Pdis.
Tabela 3 - Resumo dos resultados para caracterização do TEG à pressão constante Pdis [W] T [ºC] Vout [V] Rint [ ] Pout [W] [%]
40 30 0,259 0,55 0,08 0,20 80 60 0,488 0,59 0,36 0,45 120 90 0,767 0,62 0,82 0,69 160 110 1,002 0,63 1,78 1,11 200 140 1,043 0,64 2,77 1,38 240 170 1,543 0,68 4,21 1,76 280 200 1,748 0,74 5,41 1,93 320 230 2,340 0,79 7,07 2,21 Fonte: Autor
Outro ponto importante para análise foi a comparação da quantidade de potência gerada por diferentes tipos de geradores. Para isso, torna-se de extrema relevância considerar a dimensão dos geradores e não somente comparar a quantidade de potência gerada [W], mas sim a densidade de potência gerada, ou seja, quantos Watts são gerados por metro quadrado de gerador [W/m²]. Com isso, na Tabela 4 são apresentados dados de potência gerada por área do gerador termoelétrico em função de seu gradiente de temperatura.
Tabela 4 - Potência gerada por área em função da diferença de temperaturas
T [°C] Potência Gerada Por Área [W/m²] 0 25,65 60 114,14 90 262,75 110 567,12 140 888,71 170 1345,38 200 1723,54 230 2253,93 Fonte: Autor
Pela Tabela 4 pode ser observado que em uma diferença de temperatura normalmente encontrada em processos com presença de calor residual, T = 60ºC, a potência gerada por área é de 114,14 W/m². Como comparação, tem-se que o valor de potência máxima produzida por um painel solar fotovoltaico SiemensTM TMSM46 de células monocristalinas é de 152,60W/m², sendo então um valor muito próximo. Apesar disso, é notável que o gerador termoelétrico pode operar em
condições ainda mais adversas, como por exemplo com uma diferença de temperaturas de 230 ºC, podendo gerar então 2.253,93 W/m², que corresponde a 14,77 vezes a capacidade de geração do painel fotovoltaico em questão e demonstra a importância de se realizarem cada vez mais estudos acerca de tal gerador.
4.2 INFLUÊNCIA DA FORÇA DE APERTO NA QUANTIDADE DE POTÊNCIA GERADA PELO TEG
A Tabela 5 apresenta as diferenças de temperatura obtidas para cada força de aperto (Fap) em função da potência dissipada.
Tabela 5 - Diferença de temperatura em função da força de aperto e potência dissipada Pdis [W] [°C] 0,138kgf 2,238kgf 4,704kgf 8,296kgf 40 59,383 30,8 32,8 41,6 80 114,95 60,7 64,0 76,0 120 167,95 90,4 95,4 108,7 160 215,77 123,5 127,9 139,4 200 - 154,2 160,7 173,1 240 - 184,2 193,7 193,7 280 - 214,7 221,7 219,7 Fonte: Autor
Dos resultados da Tabela 5 pode ser observado que, em geral, os testes realizados com maior força de aperto apresentaram, para uma mesma potência dissipada, maiores valores de T. Isso ocorre pelo fato de que a força de aperto está inversamente relacionada com a resistência térmica de contato entre as superfícies do gerador e demais componentes, ou seja, quanto maior a força de aperto, menor a resistência de contato e, consequentemente, maior a dissipação de calor pelas superfícies.
Apesar disso, foi verificado que os testes realizados com força de aperto de 0,138 kgf apresentaram maior T nas faixas em que esse foi executado. Isso se deve ao fato de que a medida de temperatura da superfície quente foi realizada na superfície do bloco que compõe o módulo de aquecimento. Ao exercer uma força de
aperto próxima de 0 kgf, a resistência de contato foi elevada de forma que dificultou a dissipação de calor do módulo de aquecimento para a TEG, fazendo com que esse atingisse temperaturas muito superiores à dos outros testes, já que suas demais superfícies se encontravam isoladas e também não permitiam a dissipação de calor. Com isso, optou-se por parar os testes com tal força de aperto antes de se atingir a potência de 280 W pelo fato de a temperatura da superfície quente ultrapassar a casa dos 270 ºC.
Ao analisar a influência da força de aperto na potência gerada pelo TEG, a Figura 36 ilustra a potência gerada em função da potência dissipada e da força de aperto.
Figura 36 - Potência de saída Pout [mW] em função da potência dissipada Pdis [W] e da
força de aperto [kgf]
Fonte: Autor
Pela Figura 36 pode ser observado que em geral, quanto maior a força de aperto, maior a potência gerada pelo TEG. Isso se deve à redução da resistência térmica de contato entre o gerador e os outros componentes, fazendo com que a potência seja dissipada de forma mais eficiente para o gerador e que a hipótese de que a superfície do módulo de aquecimento e a superfície do TEG estejam na mesma temperatura seja cada vez mais próxima da realidade. Com isso, o T foi
