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Diogo Amaral de Sousa
Reaproveitamento de Calor em
Automóveis para Geração de Energia
Elétrica Utilizando Módulos
Termoelétricos
Dissertação submetida na Universidade do Minho
para a obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho realizado sob orientação do
Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves
e coorientação do
Doutor Francisco C. Pimenta de Brito
Dezembro de 2012
DECLARAÇÃO
Diogo Amaral de Sousa
Endereço eletrónico: a48007@alunos.uminho.pt Telefone:964505481
Número do Bilhete de Identidade: 12984647
Título da Dissertação:
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia
Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Orientador:
Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves
Coorientador:
Doutor Francisco C. Pimenta de Brito
Ano de conclusão: 2012
Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO/TRABALHO
APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA
DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;
Universidade do Minho, ___/___/______
Assinatura: ________________________________________________
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos v Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Agradecimentos
Ao longo do todo o meu percurso académico pude sempre contar com o apoio de
várias pessoas cruciais nesta fase da minha vida e às quais não posso deixar de
expressar os meus sinceros agradecimentos.
Como derradeira fase da minha formatura e aquela em que a exigência foi maior,
deixo o meu agradecimento sincero aos meus orientadores neste projeto, Doutor Luís
Gonçalves e Doutor Francisco Brito por todo o apoio prestado durante a elaboração da
minha dissertação, em que o conhecimento transmitido e os conselhos dados muito
contribuíram para o meu enriquecimento a nível técnico e pessoal. Também ao Doutor
Jorge Martins, um muito obrigado pelos conselhos práticos na elaboração do projeto e
pelo acompanhamento empenhado do mesmo.
Ao Rui Sousa, que de forma aberta e franca me passou os seus conhecimentos,
acompanhando com entusiasmo todo o meu trabalho e cuja contribuição foi crucial no
meu desempenho. Obrigado!
Ao meu amigo Álvaro Santos, pelo auxílio na realização dos desenhos técnicos e
pela sua amizade, deixo também um agradecimento especial.
Aos técnicos das oficinas do Departamento de Eletrónica, Ângela Macedo,
Carlos Torres e Joel Almeida, por todo o auxílio nas partes mais práticas do projeto e
pela dedicação ao longo de todo o curso, muito obrigado!
A todos os meus amigos e colegas de curso pela camaradagem e paciência com
que me apoiaram, muito obrigado!
Aos que me acompanharam desde o ensino secundário e que com orgulho
agradeço a sua sincera amizade: Augusto Sousa, Bruno Pereira, Nuno Antunes, Paulo
Vale e Rui Ribeiro.
À Natalina, por saber compreender os meus diferentes estados de espírito e pela
motivação que sempre me tentou transmitir, muito obrigado!
Um agradecimento ao meu irmão, por todo o companheirismo e apoio em todos
os momentos deste trabalho.
Por último, mas não menos importante, agradeço a todos os elementos da minha
família que sempre me apoiaram ao longo deste percurso e em especial àqueles que tudo
fizeram para que eu chegasse até aqui e a quem dedico esta minha dissertação: Aos
meus pais!
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos vii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Resumo
Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases com efeito de estufa,
que provocam problemas bem conhecidos como alteração climática e poluição
atmosférica incomportáveis a curto/médio prazo, surgiu a necessidade de diminuir a
dependência do uso de combustíveis fósseis e consequente emissão de CO2 resultante
da sua queima. Sabendo que os automóveis são das maiores fontes não naturais de CO2
do planeta, surgiram normas internacionais que obrigam os fabricantes de automóveis a
desenvolver os seus motores tendo em conta que não podem exceder a emissão de uma
determinada quantidade desse gás por quilómetro (g/km), limite esse que vai
diminuindo gradualmente ao longo dos anos até ser alcançado um objetivo considerado
razoável. Observando todos estes fatores e restrições que a natureza indiretamente nos
impõe, somos “obrigados” a evoluir tecnologicamente de forma a mantermos e até
acrescentarmos funcionalidades nos nossos produtos sem exceder estes limites.
Tendo em conta todos os aspetos referidos, que são o contexto fundamental desta
dissertação, apresenta-se o desenho e fabrico de um gerador termoelétrico capaz de
reaproveitar o calor proveniente dos gases de escape dos automóveis para geração de
energia elétrica. Para construir o gerador termoelétrico, utilizam-se módulos
termoelétricos que funcionam segundo o efeito Seebeck, ou seja, expondo as faces do
módulo a uma diferença de temperatura obtém-se uma diferença de potencial elétrico
aos seus terminais. Tendo em conta que os módulos termoelétricos não suportam a
temperatura que os gases de escape dos automóveis atingem, é necessário recorrer a
sistemas de transferência de calor com a capacidade de controlo da temperatura, os Heat
Pipes. Estes sistemas de transferência de calor consistem num tubo vertical fechado,
onde circula um fluido (fluido de trabalho). Na extremidade inferior, o tubo recebe calor
até o fluido atingir o ponto de ebulição, evaporando. Assim, o fluido no estado gasoso
sobe pelo tubo até condensar e descer novamente. Isto, repete-se ciclicamente, sendo o
tubo, caminho de transferência de calor para os módulos (face quente). Na face oposta
do conversor instala-se um sistema de arrefecimento que ajuda a criar a diferença de
temperatura desejável ao funcionamento do sistema. Os principais parâmetros a alterar
de forma a otimizar este sistema são: a pressão dentro do tubo, o fluido que nele circula,
e tipo de módulos termoelétricos utilizados.
Palavras-Chave: Módulos Termoelétricos, Seebeck, Heat Pipes
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos ix Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Abstract
Each day, the concern about reducing the emission of greenhouse gases is
growing. This problem can cause such as climatic change and atmospheric pollution
therefore it will be unaffordable in short/medium term, so it is necessary to decrease the
dependence on the use of fossil fuels and its consequent emission of CO2 which results
from burning. By knowing that cars are one of the biggest unnatural sources of CO2 on
the planet, it emerged international standards that lead the automobiles manufacturers
develop their machines in order to not exceed a certain amount of that gas per kilometer
(g/km). That limit is gradually reduced through years until a reasonable goal is
achieved. When we watch all of these facts and constraints that nature imposes us
indirectly, we are “obliged “to develop the technology in a way to maintain and to add
features to our products without exceeding these limits.
If we think about all the aspects mentioned above, which are the main issue of
this essay, we present the design and the manufacture of a thermoelectric generator able
to reuse the heat from the exhaust of the cars into electric energy. To build the
thermoelectric generator are used thermoelectric modules using the Seebeck effect, by
exposing the faces of the module to a temperature difference and generating an electric
potential difference on its terminals. Being aware that the thermoelectric modules
cannot stand the temperature of exhaust pipes of automobiles, it is necessary to use heat
transfers systems with the ability to control the temperature level, the Heat Pipes. These
heat transfers systems consist in a vertical closed pipe where runs a fluid (Work fluid).
The inferior end the pipe (tube) captures the heat until the fluid reaches the boiling point
and then it evaporates. The fluid, in the gaseous state, goes up through the tube until
condensate. Afterwards comes down again as liquid out the walls of the pipe. This
operation is repeated cyclically, being the tube the heat transfer path between the hot
gases and the thermoelectric modules (hot face). On the opposite face of the modules a
refrigerate system helps to create the desirable temperature difference which allows this
system to work. The main parameters to be optimized in this system are: the pressure
inside the pipe (tube) as well as the kind of fluid that circulates through it.
Key Words: Thermoelectric Module, Seebeck, Heat Pipes.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xi Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Índice Agradecimentos .......................................................................................................................................... v
Resumo ..................................................................................................................................................... vii
Abstract ..................................................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ....................................................................................................................................... xiii
Lista de Gráficos .................................................................................................................................... xvii
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xxi
Lista de Acrónimos ............................................................................................................................... xxiii
Lista de Constantes ................................................................................................................................ xxv
Lista de Variáveis ................................................................................................................................ xxvii
CAPÍTULO 1 Introdução ......................................................................................................................... 1
1.1. Enquadramento Geral e Motivações ............................................................................................ 1 1.2. Objetivos e Contribuições ............................................................................................................ 2 1.3. Organização e Estrutura da Dissertação ....................................................................................... 3
CAPÍTULO 2 Estado da Arte ................................................................................................................... 5
2.1. Introdução .................................................................................................................................... 5 2.2. Módulos Termoelétricos .............................................................................................................. 5 2.3. Geradores Termoelétricos ............................................................................................................ 6 2.4. Outras formas de reaproveitamento do calor dos gases de escape ............................................. 10
CAPÍTULO 3 Termoeletricidade ........................................................................................................... 13
3.1. Introdução .................................................................................................................................. 13 3.2. Efeito Seebeck ............................................................................................................................ 13 3.3. Efeito Peltier .............................................................................................................................. 19 3.4. Efeito Thomson .......................................................................................................................... 20 3.5. Arrefecimento/Aquecimento usando módulos termoelétricos ................................................... 21 3.6. Classificação dos materiais ........................................................................................................ 24 3.7. Modelo elétrico de um módulo termoelétrico ............................................................................ 26 3.8. Análise do modelo elétrico ........................................................................................................ 33
CAPÍTULO 4 Termodinâmica ............................................................................................................... 43
4.1. Introdução .................................................................................................................................. 43 4.2. Heat Pipes .................................................................................................................................. 43
4.2.1. Heat Pipes de Condutância Variável (VCHP) ................................................................................... 45 4.3. Transferência de calor ................................................................................................................ 45
4.3.1. Quantidade de Calor/Potência Térmica ............................................................................................. 48 4.4. Modelo Térmico......................................................................................................................... 49
CAPÍTULO 5 Gerador Termoelétrico com Blocos em Paralelo ......................................................... 63
5.1. Introdução .................................................................................................................................. 63 5.2. Caraterização do Gerador........................................................................................................... 63 5.3. Caraterização Módulos Termoelétricos ..................................................................................... 75 5.4. Aquisição de Dados ................................................................................................................... 81 5.5. Tratamento de Dados ................................................................................................................. 89 5.6. Testes e Resultados .................................................................................................................... 93
5.6.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho ............................................... 94 5.6.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Líquido de Trabalho ................................. 108 5.6.3. Comparação de Resultados Utilizando Diferentes Líquidos de Trabalho ........................................ 116
5.7. Conclusões ............................................................................................................................... 119
CAPÍTULO 6 Gerador Termoelétrico com Blocos em Série ............................................................. 121
6.1. Introdução ................................................................................................................................ 121 6.2. Caraterização do Gerador......................................................................................................... 121 6.3. Aquisição e Tratamento de Dados ........................................................................................... 127 6.4. Testes e Resultados .................................................................................................................. 128
6.4.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho ............................................. 128
Índice
xii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
6.4.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Liquido de Trabalho .................................. 138 6.4.3. Ensaios Experimentais Utilizando Gases de Um Motor de Combustão ........................................... 139
6.5. Conclusões ............................................................................................................................... 144
CAPÍTULO 7 Conclusões e Trabalho Futuro ..................................................................................... 147
Referências .............................................................................................................................................. 153
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xiii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Distribuição de energia num automóvel com motor de combustão interna [5][6][7]. .............. 2
Figura 2.1 - Local da implementação do gerador termoelétrico no camião com motor
diesel [7][13]. ....................................................................................................................................... 7
Figura 2.2 - Gerador termoeléctrico implementado num camião com motor diesel [7][14]. ....................... 7
Figura 2.3 - Conversor termoeléctrico da Hi-Z Technology [13]. ................................................................ 7
Figura 2.4 - Esquemático do gerador termoelétrico desenvolvido pela Nissan [15]. ................................... 8
Figura 2.5 - BMW série 5 com gerador termoelétrico [17]. ......................................................................... 8
Figura 2.6 - Volkswagen com sistema de recuperação de calor para produção de energia
elétrica [18]. ......................................................................................................................................... 9
Figura 2.7 - Recuperação do calor dos gases de escape num Chevrolet Suburban [20]. ............................. 9
Figura 2.8 - Pormenor da implementação de um gerador termoelétrico num Chevrolet
Suburban [20]. ................................................................................................................................... 10
Figura 2.9 - Ford Fusion com sistema de recuperação do calor dos gases de escape [21]. ....................... 10
Figura 2.10 - Sistema de aproveitamento de calor Organic Rankine Cycle [22]. ...................................... 11
Figura 2.11 - Sistema Turbosteamer da BMW [22]. .................................................................................. 11
Figura 2.12 - Sistema de reaproveitamento energético dos gases de escape TIGRES [22]. ....................... 12
Figura 3.1 - Movimento dos eletrões numa junção de diferentes materiais submetida a uma
diferença de temperatura [24]. ........................................................................................................... 14
Figura 3.2 - Efeito Seebeck aplicado a sensores de temperatura e geradores de energia elétrica............... 15
Figura 3.3 - Princípio de funcionamento de um termopar [7][24]. ............................................................ 15
Figura 3.4 - Junção PN de um módulo termoelétrico [29]. ........................................................................ 18
Figura 3.5 - Esquema geral de um módulo termoelétrico [30]. ................................................................. 18
Figura 3.6 - Diferentes modos de operação do efeito Peltier. .................................................................... 19
Figura 3.7 - Ilustração do Efeito Thomson [33]. ........................................................................................ 21
Figura 3.8 - Ilustração Efeito de Joule numa Junção PN. .......................................................................... 22
Figura 3.9 - Fluxo de calor por condução entre a Face Quente e a Face Fria de uma junção PN. ............. 22
Figura 3.10 - Arrefecimento por Peltier. ................................................................................................... 23
Figura 3.11 - Aquecimento por Peltier. ..................................................................................................... 24
Figura 3.12 - Resistências elétricas numa junção PN de um módulo termoelétrico[7]. ............................. 26
Figura 3.13 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo N. ................................................................ 27
Figura 3.14 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo P. ................................................................. 27
Figura 3.15 - Representação das dimensões do metal da junção e caminho percorrido pela corrente
elétrica. .............................................................................................................................................. 28
Figura 3.16 - Representação do contacto entre os elementos termoelétricos e o metal da junção. ............ 28
Figura 3.17 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico. ............................................. 29
Figura 3.18 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico com uma carga
acoplada. ............................................................................................................................................ 29
Figura 4.1 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe [39] . .............................................................. 44
Figura 4.2 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe de Condutância Variável [39]. ...................... 45
Figura 4.3 - Transferência de calor através de um sólido de espessura constante [43]. ............................. 47
Lista de Figuras
xiv Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.4 - Resistências Consideradas no modelo Térmico. .................................................................... 50
Figura 4.5 - Resistências térmicas de um módulo termoelétrico. ............................................................... 51
Figura 4.6 - Modelo do condensador implementado. ................................................................................. 52
Figura 4.7 – Ilustração da necessidade de utilizar um fator de forma devido à espessura e secção de
transferência de calor não constantes no condensador. ...................................................................... 53
Figura 4.8 - Fluxo de calor por unidade de área relativa ao modelo de condensador implementado,
incluído o bloco fictício de alta condutividade para uniformização do fluxo de calor. ...................... 54
Figura 4.9 - Circuito elétrico equivalente ao modelo térmico. ................................................................... 56
Figura 4.10 - Resistências Térmicas que Compõem a Resistência Térmica Equivalente do Lado
Quente. ............................................................................................................................................... 57
Figura 4.11 - Resistência Térmica dos Elementos Termoelétricos, Calor por Efeito de Joule e
Calor por Efeito Peltier. ..................................................................................................................... 58
Figura 4.12 - Resistências Térmicas que Compõem à Resistência Térmica do Lado Frio. ....................... 58
Figura 5.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico. .............................................................................. 64
Figura 5.2 - Modelo do Evaporador do Heat Pipe. .................................................................................... 65
Figura 5.3 - Fotografia do Evaporador com Alhetas. ................................................................................. 65
Figura 5.4 - Modelo da conduta de gases. .................................................................................................. 66
Figura 5.5 - Vista em corte da conduta de gases. ....................................................................................... 66
Figura 5.6 - Implementação da conduta de gases. ...................................................................................... 67
Figura 5.7 - Ventilador para extração de gases. ......................................................................................... 67
Figura 5.8 - Gerador termoelétrico com os blocos e módulos termoelétricos colocados. .......................... 68
Figura 5.9 - Bloco para colocação dos módulos termoelétricos. ................................................................ 68
Figura 5.10 - Vista em corte de um bloco do condensador. ....................................................................... 69
Figura 5.11 - Vista do topo inferior do bloco. ............................................................................................ 69
Figura 5.12 - Vista do topo superior do bloco. ........................................................................................... 70
Figura 5.13 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos. ......................................................................... 70
Figura 5.14 - Bloco condensador com módulos e condutas de arrefecimento acopladas. ......................... 71
Figura 5.15 - Vista em corte de uma conduta de arrefecimento. ................................................................ 71
Figura 5.16 - Implementação dos blocos com os módulos e as condutas de arrefecimento. ...................... 72
Figura 5.17 - Parte superior do gerador. ..................................................................................................... 73
Figura 5.18 - Válvulas de entrada e saída de ar e manómetro de pressão. ................................................. 73
Figura 5.19 - Manómetros utilizados para as leituras da pressão. .............................................................. 74
Figura 5.20 - Vista em corte do copo de arrefecimento. ............................................................................ 74
Figura 5.21 - Fotografia do copo de arrefecimento. ................................................................................... 74
Figura 5.22 - Tanque de expansão. ............................................................................................................ 75
Figura 5.23 - Módulo termoelétrico RS 6937116 [46]. .............................................................................. 76
Figura 5.24 - Esquema de dimensões dos módulos RS 6937116 [47]. ....................................................... 76
Figura 5.25 - Placa de aquisição de temperaturas NI 4350. ....................................................................... 82
Figura 5.26 - Termopares com bainha metálica utilizados para leitura das temperaturas. ......................... 82
Figura 5.27 - Interface gráfico do programa de aquisição de temperaturas VirtualBench. ........................ 83
Figura 5.28 - Parte da folha de cálculo com os dados exportados do VirtualBench. ................................. 83
Figura 5.29 - Furações nos blocos para colocação dos termopares. ........................................................... 85
Figura 5.30 - Furações nas condutas de arrefecimento para colocação dos termopares. ........................... 86
Lista de Figuras
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xv Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.31 - Placa para aquisição de tensões NI 6008. ............................................................................. 86
Figura 5.32 - Parte da folha de cálculo com dados exportados do LabView .............................................. 87
Figura 5.33 - Gerador preparado para entrar em funcionamento. .............................................................. 88
Figura 5.34 - Entrada de gases na conduta. ................................................................................................ 89
Figura 5.35 - Queimador utilizado para simulação dos gases de escape.................................................... 94
Figura 5.36 - Análise individual do funcionamento do bloco 3. ................................................................ 99
Figura 5.37 - Bombas de vácuo utilizadas para obter baixas pressões de trabalho no HP [7]. ................ 108
Figura 6.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico e implementação real. ......................................... 122
Figura 6.2 - Modelo em SolidWorks do evaporador do Heat Pipe. ......................................................... 123
Figura 6.3 - Desenho em SolidWorks do modelo da conduta de gases. .................................................. 123
Figura 6.4 - Imagem da conduta de gases e respetivo suporte implementados. ....................................... 124
Figura 6.5 - Esquema geral e dimensões do gerador termoelétrico com blocos em série. ....................... 125
Figura 6.6 - Bloco com módulos e condutas de arrefecimento acopladas, em SolidWorks. .................... 126
Figura 6.7 - Colocação dos módulos termoelétricos, das condutas de arrefecimento e do isolamento
em lã de rocha. ................................................................................................................................. 127
Figura 6.8 - Aquisição de dados com sistema em funcionamento. .......................................................... 128
Figura 6.9 - Motor utilizado para a simulação dos gases de escape ......................................................... 140
Figura 6.10 - Entrada de gases, provenientes do motor de combustão, no gerador termoelétrico. .......... 140
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xvii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Gráficos
Gráfico 3.1 - Figura de Mérito dos principais semicondutores dopados do tipo P e do tipo N,
utilizados nos módulos termoelétricos [37]. ...................................................................................... 25
Gráfico 3.2 - Potência elétrica e a sua derivada em função da resistência de carga. .................................. 32
Gráfico 3.3 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função da diferença de temperatura entre as suas faces. ........................................ 36
Gráfico 3.4 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função do número de junções na mesma área. ....................................................... 37
Gráfico 3.5 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função do comprimento dos elementos termoelétricos. ......................................... 38
Gráfico 3.6 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função da espessura do metal da junção. ............................................................... 39
Gráfico 3.7 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em do valor da resistência de carga. ............................................................................ 40
Gráfico 4.1 - Diferenças de temperatura entre as faces dos módulos, entre os elementos
termoelétricos e quantidade de calor, em função da temperatura fixa do lado quente. ...................... 59
Gráfico 5.1 - Tensão em vazio em função da diferença de temperatura entre as faces dos módulos
RS 6937116 [47]. ............................................................................................................................... 77
Gráfico 5.2 - Potência em função da diferença de temperatura entre as faces dos módulos RS
6937116 [47]. ..................................................................................................................................... 77
Gráfico 5.3 - Tensão em função da diferença de temperatura entre faces dos módulos RS 6937116,
com a face fria a 37 ºC. ...................................................................................................................... 77
Gráfico 5.4 - Tensão em função da diferença de temperatura entre faces dos módulos RS 6937116,
com a face fria a 37 ºC. ...................................................................................................................... 78
Gráfico 5.5 - Resistência elétrica interna dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC. ........................................................................... 79
Gráfico 5.6 - Potência elétrica máxima obtida para os módulos RS 6937116, com a face fria a
37 ºC. ................................................................................................................................................. 79
Gráfico 5.7 - Potência térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de temperatura
entre as faces, com a face fria a 37 ºC................................................................................................ 80
Gráfico 5.8 - Resistência elétrica interna dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC. ........................................................................... 80
Gráfico 5.9 - Condutância Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC. ........................................................................... 81
Gráfico 5.10 - Condutividade Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC. ........................................................................... 81
Gráfico 5.11 - Pressão absoluta em função da temperatura de ebulição da água [51]. .............................. 95
Gráfico 5.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 83,5 L/h. ..................................... 96
Gráfico 5.13 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar,
174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h. .......................................... 97
Gráfico 5.14 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h. ............................. 98
Gráfico 5.15 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,2 L/h. ..................................... 99
Gráfico 5.16 - Diferenças de temperatura entre o interior do HP e as faces quentes dos módulos e
entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador. ............ 100
Lista de Figuras
xviii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.17 - Potência elétrica e tensões do bloco 3, com gerador funcionando a 1 bar, 174,5 ml
de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 85,2 L/h. ....................................................... 101
Gráfico 5.18 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. .................................... 102
Gráfico 5.19 - ΔT_TEG_Média_bloco3 para gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no
interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. ..................................................................... 103
Gráfico 5.20 - Potência elétrica e Tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml
de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h. ................................................... 104
Gráfico 5.21 - Rendimento do bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no
interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,33 L/h. ................................................................... 104
Gráfico 5.22 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,8 L/h. ................................... 105
Gráfico 5.23 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas. ........................................ 106
Gráfico 5.24 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas .............................................. 107
Gráfico 5.25 - Resultados relativos ao funcionamento do bloco 3 a diferentes pressões ......................... 107
Gráfico 5.26 - Pressão em função da temperatura de ebulição (Água vs Dowtherm) [51]. ..................... 109
Gráfico 5.27 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 0,244
bar, 174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h. ................... 110
Gráfico 5.28 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 0,244 bar,
174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h. .......................... 111
Gráfico 5.29 - Diferenças de temperatura entre o interior do HP e as faces quentes dos módulos e
entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador ............. 112
Gráfico 5.30 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 2,3 bar,
174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7L/h ............................ 113
Gráfico 5.31 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 2,3 bar, 174,5 ml
de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7 L/h .......................................... 114
Gráfico 5.32 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas ......................................... 114
Gráfico 5.33 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas .............................................. 115
Gráfico 5.34 - Tensão, Potência Elétrica e Rendimento dos relativos à sequência de testes com
Dowtherm A. .................................................................................................................................... 116
Gráfico 5.35 - Potência Elétrica (Água vs Dowtherm A). ........................................................................ 117
Gráfico 5.36 - Potência térmica (Água vs Dowtherm A). ........................................................................ 118
Gráfico 5.37 - Rendimento (Água vs Dowtherm A). ............................................................................... 119
Gráfico 6.1 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 72 L/h. ........................................ 129
Gráfico 6.2 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 72 L/h. ................................ 130
Gráfico 6.3 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. ................................... 131
Gráfico 6.4 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ........................... 132
Gráfico 6.5 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar, 78,4
ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ................................................ 133
Gráfico 6.6 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. ................................... 134
Gráfico 6.7 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 12 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ......................... 135
Lista de Figuras
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xix Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 6.8 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 12 bar, 78,4
ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ................................................ 136
Gráfico 6.9 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas com água. ......................... 136
Gráfico 6.10 - Rendimentos para as várias pressões testadas com água. ................................................. 137
Gráfico 6.11 - Tensão, Potência Elétrica e Rendimento dos relativos à sequência de testes com
Água. ................................................................................................................................................ 137
Gráfico 6.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 0,035
bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. ............... 138
Gráfico 6.13 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 0,035 bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. ....... 139
Gráfico 6.14 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h. .................................. 141
Gráfico 6.15 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h. .......................... 142
Gráfico 6.16 - Potência elétrica calculada para diferentes valores da temperatura do HP, utilizando
gases de escape do motor de combustão. ......................................................................................... 144
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxi Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Tabelas
Tabela 3-1 - Materiais utilizados em termopares e respetivos coeficientes de Sebeeck a 0ºC [27]. .......... 16
Tabela 3-2 - Tipos de termopares e suas principais características [28]. ................................................... 17
Tabela 3-3 - Materiais termoelétricos usados em módulos e o respetivo Coeficiente de Seebeck
(temperatura ambiente) [24]. ............................................................................................................. 19
Tabela 3-4 - Características e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n. ........................................ 34
Tabela 3-5 - Caraterísticas e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n. .......................................... 34
Tabela 3-6 - Caraterísticas e dimensões do metal da junção. ..................................................................... 34
Tabela 3-7 - Caraterísticas do contacto entre o metal da junção e os elementos termoelétricos. ............... 35
Tabela 3-8 - Caraterísticas e output de um módulo termoelétrico. ............................................................ 35
Tabela 3-9 - Output de um módulo termoelétrico para uma resistência de carga atribuída. ...................... 35
Tabela 3-10 - Influência dos diversos parâmetros no desempenho dos módulos termoelétricos ............... 41
Tabela 4-1 - Condutividade Térmica dos Materiais [25][40]. ................................................................... 47
Tabela 4-2 - Calor especifico dos materiais [25][40]. ................................................................................ 48
Tabela 4-3 - Variáveis para o cálculo da resistência de condensação do bloco [25] [38]. ......................... 52
Tabela 4-4 - Resistências Térmicas para o modelo com 4 módulos [25][38][40]. .................................... 55
Tabela 4-5 - Significado dos símbolos utilizados no modelo elétrico [7][25]. .......................................... 56
Tabela 5-1 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos ........................................................................... 70
Tabela 5-2 - Caraterísticas elétricas e térmicas dos módulos RS 6937116 [47]. ........................................ 76
Tabela 5-3 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador ............................................ 84
Tabela 5-4 - Nomenclatura relativa à leitura de tensões. ........................................................................... 87
Tabela 5-5 - Temperaturas calculadas. ...................................................................................................... 90
Tabela 5-6 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição da água. ................................................... 95
Tabela 5-7 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição do Dowtherm A. ................................... 109
Tabela 6-1 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador. ......................................... 127
Tabela 6-2 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição. .............................................................. 129
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxiii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Acrónimos
COP Coeficiente de performance (no modo arrefecimento)
COPH Coeficiente de performance (no modo aquecimento)
FEM Força eletromotriz
HP Heat Pipe
TEG Módulo Termoelétrico
VCHP Variable Condutance Heat Pipe
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxv Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Constantes
Símbolo Significado Valor Unidade
Capacidade Calorífica
Especifica da Água 4186 J/(kg.K)
Capacidade Calorífica
Especifica do Dowtherm A 1055 J/(kg.K)
Pi 3,1415 -
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos xxvii Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Lista de Variáveis
Símbolo Significado Unidade
A Área
Capacidade Calorífica Especifica J/(kg.K)
d Diâmetro m
I Corrente elétrica A
k Condutividade térmica W/(m.K)
m Massa kg
P Potência W
Q Calor W
Calor por condução W
Calor resultante do fluxo W
Calor absorvido por efeito Peltier na face quente W
Calor libertado por efeito Peltier na face fria W
R Resistência elétrica Ω
Resistência elétrica de contacto entre o cobre e os elementos
termoelétricos Ω
Resistência elétrica de carga Ω
Resistência elétrica interna dos módulos termoelétricos Ω
Resistência elétrica de uma junção PN Ω
Resistência elétrica do elemento termoelétrico do tipo N Ω
Resistência elétrica do elemento termoelétrico do tipo P Ω
S Secção
T Temperatura ºC;K
Temperatura da junção fria ºC
Temperatura da junção quente ºC
V Tensão V
Nomenclatura
xxviii Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Z Figura de mérito 1/K
ZT Figura de mérito -
ΔT Diferença de Temperatura V
ΔV Diferença de potencial V
Coeficiente de Seebeck V/ ºC
Coeficiente de Seebeck do elemento termoelétrico do tipo N V/ ºC
Coeficiente de Seebeck do elemento termoelétrico do tipo P V/ ºC
Coeficiente de Peltier V
Resistividade elétrica Ω.m
Rendimento %
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 1 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1. Enquadramento Geral e Motivações
Observando os automóveis que são comercializados atualmente, verifica-se que
cada vez apresentam mais funcionalidades ou recursos exigentes do ponto de vista
energético, nomeadamente a nível de energia elétrica. São responsáveis por este tipo de
exigência energética, por exemplo, painéis informativos cada vez mais complexos,
sistemas de navegação, sistemas de iluminação mais elaborados, sistemas eletrónicos
para controlo da velocidade, sistemas de vídeo e áudio, ar condicionado, um sem
número de sensores e atuadores com as mais diversas funções, entre outros. Este tipo de
aplicações, quando instaladas num automóvel com motor de combustão interna,
representam um aumento da carga mecânica do motor, causado pelo aumento da carga
elétrica com origem nas mesmas. Desta forma os automóveis apresentam maior
consumo de combustível e consequentemente libertam mais gases poluentes,
nomeadamente CO2. Este tipo de consequência agrava os já existentes problemas
ambientais para os quais os automóveis sempre contribuíram, relacionados com a
poluição, o aquecimento global, as alterações climáticas e a dependência de
combustíveis fósseis, que levaram as instituições governamentais a impor limites
máximos de emissões relativas aos gases poluentes dos automóveis [1].
Como resposta a este problema, e também com o objetivo de encontrar soluções
mais económicas, os fabricantes de automóveis têm explorado soluções que lhes
permitam obter resultados neste sentido, apostando no desenvolvimento de carros
ecológicos, sendo que muitas dessas soluções passam por veículos que nem sequer
funcionam com combustíveis fósseis [2]. São um exemplo os carros movidos a motor
elétrico, no entanto o seu preço tem constituído um entrave à sua aquisição, sendo
estimado por algumas fontes que existam apenas 250 carros elétricos em Portugal
(março de 2012), o que faz com que o impacto positivo, no meio ambiente, da sua
utilização não se faça sentir [3]. Outras soluções passam por utilizar diferentes tipos de
operação, isto é, automóveis que têm motor de combustão interna e motor elétrico em
simultâneo, combinando o seu funcionamento, os híbridos. Este tipo de veículos tem
CAPÍTULO 1 - Introdução
2 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
associado, na maioria dos casos, o sistema de travagem regenerativa, aproveitando a
energia das travagens para carregar as baterias, tornando-os automóveis com baixa taxa
de emissão de gases poluentes [4]. Existem outras soluções, como por exemplo os
veículos movidos a energia solar, não tão conhecidos como os anteriores, como é o
exemplo do Fiat Phylla.
Ainda que o mercado já apresente outras soluções, a maioria dos veículos é
movida com recurso a motor de combustão interna, cuja distribuição de energia é
possível verificar na figura 1.1.
Figura 1.1 - Distribuição de energia num automóvel com motor de combustão interna [5][6][7].
Observando a figura acima, constata-se que aproximadamente 1/3 da energia
com origem no combustível químico fornecido ao veículo é desperdiçada sob a forma
de calor através do tubo de escape, e que somente menos de 1/3 dessa mesma energia do
combustível é responsável pela mobilidade do veículo. É a energia desperdiçada pelo
tubo de escape sob a forma de calor que se pretende utilizar para gerar energia elétrica,
construído um gerador com módulos termoelétricos, que tiram partido do calor libertado
e possam gerar energia. Desta forma é reduzido o uso do alternador, pois parte da
energia que teria de gerar pode ser produzida através módulos termoelétricos.
1.2. Objetivos e Contribuições
Este projeto tem como principais objetivos, em termos práticos, a caraterização
de um gerador termoelétrico que utiliza módulos termoelétricos e recorre a Heat Pipes
como forma de controlar e transferir o calor até aos mesmos, para além do projeto,
simulação, construção e teste de um novo modelo de gerador capaz de aproveitar o calor
CAPÍTULO 1 - Introdução
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 3 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
residual dos gases de escape dos automóveis para geração de energia elétrica. Em
termos teóricos prevê o desenvolvimento do modelo elétrico que traduza o
funcionamento dos módulos termoelétricos, assim como o desenvolvimento de um
modelo térmico que reflita o tipo de sistema implementado. A relevância técnico-
científica deste projeto, prende-se no facto de utilizar heat pipes como forma de
controlar a temperatura transmitida até à face quente dos módulos, em alternativa aos
bypass, utilizados pela maioria das soluções encontradas para este tipo de
reaproveitamento de energia [7]. Os sistemas de bypass apenas utilizam uma parte do
calor dos gases de escape, reduzindo assim a temperatura dos gases e evitando que a
temperatura ultrapasse o limite de operação dos módulos. No que diz respeito aos heat
pipes, estes aproveitam na totalidade a energia térmica transmitida pelos gases de
escape, sendo o seu papel controlar a temperatura transmitida à face quente dos
módulos.
1.3. Organização e Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está organizada em sete capítulos, sendo os dois iniciais
capítulos introdutórios, que de um modo geral enquadram e situam este trabalho. No
capítulo “Introdução” é destacada a relevância técnico-científica deste projeto,
realçando o que acrescenta àquilo que o mercado já tem para oferecer relativamente ao
aproveitamento do calor de gases de escape em automóveis para produção de energia
elétrica. É também referida a importância em termos económicos e ambientais da
realização deste tipo de aproveitamento, bem como as motivações para o fazer. Neste
capítulo são ainda referidos os objetivos a nível teórico e prático, bem como a
abordagem ao desenvolvimento dos geradores termoelétricos. O segundo capítulo
introdutório é intitulado “Estado da Arte” e contém uma pesquisa de geradores
termoelétricos construídos com o propósito de aproveitar os gases de escape dos
automóveis para produção de energia elétrica. Alguns geradores apresentados neste
capítulo são apenas protótipos enquanto outros são comercializados por marcas
conhecidas de automóveis ou camiões. É descrita a tecnologia utilizada no
desenvolvimento desses dispositivos apresentados, bem como analisados os resultados
obtidos por eles.
Os dois capítulos seguintes têm como objetivo explicar todos os conceitos e
teoria que suportam o desenvolvimento do trabalho prático e que de um modo geral se
dividem em duas áreas principais: a termoeletricidade e a termodinâmica. Assim, no
capítulo três, intitulado “Termoeletricidade”, é explicado o princípio de funcionamento
CAPÍTULO 1 - Introdução
4 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
dos módulos termoelétricos bem como os fenómenos elétricos nos quais se baseiam.
São também apresentados alguns materiais usados na sua construção e as respetivas
características físicas dos mesmos. O capítulo termina com a apresentação de um
modelo matemático do funcionamento de um módulo termoelétrico, seguido de um
modelo Excel construído com base no anterior. O primeiro permite conhecer as
equações que traduzem o funcionamento dos módulos e o segundo permite variar os
diversos parâmetros e conhecer os efeitos produzidos no desempenho dos mesmos.
No capítulo quatro, Termodinâmica, são abordados conceitos teóricos
associados à transferência de calor, bem como alguns mecanismos desenvolvidos com
esse objetivo, nomeadamente os heat pipes de condutância variável. Este quarto
capítulo apresenta também o modelo térmico do sistema implementado. Este modelo
permite conhecer a diferença de temperatura entre as faces dos módulos termoelétricos,
quando conhecidas as resistências térmicas do sistema.
Os capítulos cinco e seis são capítulos que abordam o trabalho prático realizado,
sendo cada um deles referente a um gerador termoelétrico diferente. No capítulo cinco é
efetuada a caraterização e análise de um gerador termoelétrico já existente. São
explicados os sistemas de aquisição de dados utilizados nos ensaios experimentais
realizados e apresenta a análise aos resultados obtidos. Os gases de escape são
simulados recorrendo a queimadores de gás butano.
O capítulo seis apresenta um gerador termoelétrico construído com vista a
melhorar alguns aspetos de funcionamento do gerador apresentado no capítulo anterior,
mas com uma configuração diferente. Neste caso, os ensaios realizados contemplam
gases de escape simulados com queimadores e gases de escape reais de um motor
diesel. É também feita a análise aos resultados obtidos e a respetiva comparação com o
desempenho do modelo anterior.
O último capítulo, intitulado “Conclusões e Trabalho Futuro”, contém uma
conclusão técnica de todo o trabalho bem como algumas sugestões do trabalho que pode
vir a ser desenvolvido para melhorar os resultados obtidos.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 5 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 2
Estado da Arte
2.1. Introdução
As máquinas térmicas são conhecidas pela sua baixa eficiência de conversão do
calor em energia mecânica. De facto o calor é uma forma de energia mais desorganizada
(com maior grau de entropia) que a energia mecânica pelo que possui intrinsecamente
menor potencial de eficiência que a energia elétrica.
Os motores de combustão interna tipicamente desperdiçam cerca de 2/3 do
combustível sob a forma de calor. Tendo em conta que atravessamos uma era em que as
questões ambientais assumem um papel muito importante, sendo globais e crescentes as
preocupações com questões relacionadas com eficiência energética, emissões de gases
com efeito de estufa e poupança de recursos naturais, é importante reduzir o desperdício
energético que ocorre nos automóveis. Esta perda de energia tem sido reconhecida
como tendo potencial de aproveitamento para geração de energia elétrica com recurso a
módulos termoelétricos [8][9].
2.2. Módulos Termoelétricos
As sucessivas tentativas de aproveitar a energia térmica e convertê-la em energia
elétrica tiveram início ainda na primeira metade do século XIX, quando em 1821, o
físico alemão Thomas Johann Seebeck constatou que um circuito formado pela junção
de dois metais de diferentes tipos passa a ser fonte de uma diferença de potencial
elétrico quando as junções são submetidas a diferentes temperaturas [10]. Com a
descoberta deste fenómeno iniciou-se uma longa caminhada de investigação e
desenvolvimento de módulos termoelétricos (TEG). Várias tentativas se seguiram até
surgir o primeiro TEG comercial, aparecendo este no Reino Unido no ano de 1925 para
alimentar os dispositivos de rádio. O primeiro TEG comercial, conhecido como
Thermattaix, usou um maçarico para aquecer a junção quente, e ar ambiente para a
junção fria. A investigação de materiais termoelétricos baseados em semicondutores
iniciou-se no século XX, no Physical Technical Institute (PTI), na ex-URSS, entre os
anos de 1920 e 1930, incidindo esses estudos nas propriedades mecânicas, elétricas e
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
6 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
térmicas dos materiais. Por volta de 1936, foi mostrado no PTI que era possível criar um
semicondutor de ambos os tipos N e P, levando a que surgisse o
primeiro TEG comercial baseado em semicondutores dopados em 1954 na URSS [9].
Atualmente várias marcas desenvolvem TEGs com capacidade para suportar
temperaturas entre os duzentos e trezentos graus celsius, podendo ser utilizados em
aplicações que variam dos mili-watts até aos quilowatts. São um exemplo disso a Hi-Z
Thecnology, que prevê ainda construir conversores para temperaturas de operação até
500 ºC [11].
Hoje em dia existem no mercado uma série de fabricantes que apresenta
módulos termoelétricos com as mais variadas características, sendo os mais conhecidos
a HI-Z Thecnology, Ferrotec, Kryotherm, Thermonamic, EverRedTronics,
Thermoelectricsupplier, Waronix, Tetech e Sctbnord. A gama de temperaturas varia
desde os 180 ºC suportados pelos módulos da Sctbnord, até aos 320 ºC suportados pelo
módulos da Thermonamic, sendo os últimos capazes de gerar 31,5 W de potência
elétrica. Os módulos da Kyrotherm são os que se apresentam com maior rendimento,
aproximadamente 5,3% [7].
2.3. Geradores Termoelétricos
A recuperação do calor desperdiçado através dos gases de escape e dos sistemas
de refrigeração dos automóveis tem ainda uma história recente. Segundo algumas fontes
o primeiro gerador termoelétrico com esse objetivo surgiu por volta de 1963, não sendo
conhecidos dados concretos com relação a pormenores de implementação e resultados
obtidos [9].
Anos mais tarde foi aplicado um gerador termoelétrico no motor de um Porsche
944, sendo a potência máxima de saída de 58 W [7][9][12].
No entanto, pode dizer-se que os projetos de grande envergadura tiveram início
mais tarde com o teste e construção de um gerador termoelétrico de 1 kW para
aplicação em motores diesel, em 1987 no U.S. Department of Energy’s (DOE) ao abrigo
do programa Energy Related Inventions. Na primeira fase do programa foi projetado e
construído um gerador termoelétrico de 200 W para motores diesel, sendo apresentado
numa conferência em Cardiff, País de Gales no ano de 1991. O propósito do
desenvolvimento do gerador de 1 kW foi de aproveitar o calor residual proveniente dos
gases de escape de um camião e transformá-lo em energia elétrica para posteriormente
ser utilizada por este veículo, reduzindo assim o uso do alternador. Isto permitiria
economizar combustível, reduzir custos de manutenção e emissões de gases poluentes.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 7 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Embora a fase de estudo e projeto de este gerador estivessem concluídas em 1990, só
em meados de 1993 este sistema estaria pronto para testes, sendo esta etapa do
desenvolvimento suportada conjuntamente pelo U.S. Department of Energy’s e pela
California Energy Commission [9][12][13]. Na figura 2.1 e na figura 2.2 podemos ver
imagens relativas à fase de testes já em ambiente real, ou seja, a fase em que o gerador
já estava implementado no camião.
Figura 2.1 - Local da implementação do gerador
termoelétrico no camião com motor
diesel [7][13].
Figura 2.2 - Gerador termoeléctrico
implementado num camião com motor
diesel [7][14].
O gerador usa 72 módulos de telureto de bismuto Hi-Z 13, para converter
diretamente o calor desperdiçado em energia elétrica como o que pode ser visualizado
na figura 2.3.
Figura 2.3 - Conversor termoeléctrico da Hi-Z Technology [13].
O conjunto de testes e alterações efetuados incluíram a utilização de dois
motores distintos. Numa fase inicial o motor de 14 litros Cummins NTC 275, sendo
gerados 400W de potência efetiva. Após a resolução de um problema detetado, que
estaria relacionado com a camada limite de transferência de calor e após efetuados
novos testes num motor NTC 325, foram obtidos 1068 W de potência de saída [13]. Foi
também instalado um gerador de 1 kW, utilizando conversores Hi-Z 14, num Kenworth
Truck com motor de 550 HP diesel, com o objetivo de efetuar testes de durabilidade,
tendo sido obtida uma vida de 874000 km [14]
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
8 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Em 1998 no Nissan Research Center, foi projetado e testado um gerador
termoelétrico, construído com 72 módulos de silício germânio para aplicar num motor
de 3000cc a gasolina. Os resultados obtidos para este gerador foram de 35,5W de
potência [7][15].
Figura 2.4 - Esquemático do gerador termoelétrico desenvolvido pela Nissan [15].
Em Novembro 2004, a BSST iniciou um desenvolvimento de um sistema de alta
eficiência para recuperação de resíduos térmicos em veículos de passageiros ao abrigo o
programa Freedom Car Office do U.S. Department of Energy’s. À semelhança de outros
projetos desta natureza o objetivo era reduzir o consumo de combustível, substituindo
uma parcela significativa da energia elétrica produzida pelo alternador, pela energia
elétrica produzida a partir da conversão do calor dos gases de cape. A equipa BSST
incorporava membros da BMW, Visteon e Marlow Industries. O automóvel usado para
testes foi o BMW 530i, com motor 3000cc a gasolina. Em 2005 na DEER Conference,
foi apresentado este projeto e respetivos resultados. Segundo os autores este dispositivo
tem a capacidade máxima de gerar 1 kW de potência, permitindo economizar até 10%
em combustível [8][16]. Na figura 2.5 pode ser visto o esquemático da implementação
do gerador.
Figura 2.5 - BMW série 5 com gerador termoelétrico [17].
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 9 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
A Volkswagen desenvolveu um protótipo de veículo equipado com um gerador
termoelétrico para recuperação de calor desperdiçado no escape, este projeto foi
apresentado em 2008 no Thermoelektrik-Eine Chance Für Die Atomobillindustrie,
encontro que teve lugar em Berlim. A Volkswagen afirma conseguir uma potência de
saída da 600W para condução em autoestrada. Na figura 2.6, podemos ver um
Volkswagen onde este sistema se encontra implementado [19].
Figura 2.6 - Volkswagen com sistema de recuperação de calor para produção de energia
elétrica [18].
Segundo os autores, a energia produzida por este dispositivo atende a cerca de
30% das necessidades elétricas do veículo, resultando numa redução da carga mecânica
(alternador) e uma redução no consumo de combustível em mais de 5% [19].
Em 2010 equipa de investigação da General Motors desenvolveu um gerador
termoelétrico e realizou testes num Chevrolet Suburban, afirmando que resulta numa
economia de combustível na ordem dos 5%, apesar de não especificar as potências
envolvidas. A figura 2.7 mostra o esquema de implementação deste sistema de
recuperação de calor para produção de energia elétrica [20].
Figura 2.7 - Recuperação do calor dos gases de escape num Chevrolet Suburban [20].
A instalação do gerador termoelétrico pode ser vista em pormenor na figura 2.8,
sendo possível ver o tubo de escape e a válvula de bypass utilizada para limitar a
passagem do calor.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
10 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 2.8 - Pormenor da implementação de um gerador termoelétrico num Chevrolet
Suburban [20].
A Ford também desenvolveu um sistema de recuperação de calor utilizando
módulos termoelétricos de Bi2Te3. O gerador termoelétrico foi implementado num Ford
Fusion, esperando atingir uma potência de 500 W. A figura 2.9 mostra um automóvel
com este sistema implementado[21].
Figura 2.9 - Ford Fusion com sistema de recuperação do calor dos gases de escape [21].
O sucesso deste tipo de recuperação de calor dos gases de escape dos
automóveis estará sempre dependente dos materiais constituintes dos módulos
termoelétricos e da temperatura suportada por estes.
2.4. Outras formas de reaproveitamento do calor dos gases de escape
Existem ainda outras formas de aproveitar a energia proveniente dos gases de
escape a serem desenvolvidas. As suas principais desvantagens relativamente à
utilização de módulos termoelétricos são a sua complexidade construtiva mais propensa
a falhas mas sobretudo a sua atual impossibilidade de “downsizing” para as baixas
potências típicas dos carros utilitários. É um exemplo o sistema Organic Rankine Cycle,
em que o calor é utilizado para aquecer um líquido, normalmente com relativamente
baixo ponto de ebulição, para gerar gases de elevada pressão, fazendo mover uma
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 11 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
turbina. Existem também casos em que é utilizado um êmbolo no lugar da turbina. Todo
este processo é cíclico, isto é, o líquido evapora, faz girar a turbina, condensa, e é
bombeado repetindo-se o processo. A instalação destes sistemas pode refletir-se numa
economia de combustível até 18% [22]. A figura 2.10 mostra o princípio de
funcionamento destes sistemas.
Figura 2.10 - Sistema de aproveitamento de calor Organic Rankine Cycle [22].
O sistema Turbosteamer da BMW, enquadra-se neste tipo de dipositivos de
aproveitamento de calor, visto que aproveita o calor do tubo de escape para produzir
vapor a elevada pressão que é transmitido a um eixo de manivelas. A BMW não
especifica qual o líquido utilizado, nem a pressão que o vapor atinge, mas assegura que
poderá levar a uma economia de combustível na ordem dos 17%, não especificando
também quais as condições de operação [22]. A figura 2.11 contém um esquemático
relativo à instalação do referido sistema.
Figura 2.11 - Sistema Turbosteamer da BMW [22].
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
12 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Existem também os sistemas conhecidos como Turbo-Compounding (Turbo
composto), que aproveitam a energia dos gases de escape para moverem diretamente
uma turbina (sem intermédio de vapor) convertendo-a em potência de saída no eixo e
eventualmente convertendo essa potência de saída no eixo em energia elétrica [23]. Este
sistema é utilizado em veículos pesados, como é o caso da Caterpillar que garante que
reduzem o consumo de combustível entre 3 a 5% em ciclo e até 10% em picos [22].
A Visteon UK Ltd, criou um dispositivo semelhante chamado TIGRES (Turbo-
generator Integrated Gas Energy Recovery System), que consiste num pequeno
turbogerador instalado num bypass do tubo de escape, por baixo do coletor de escape do
motor. O sistema de controlo regula a quantidade de gases que circulam pelo bypass,
passando pela turbina e acionando o gerador. A figura 2.12 mostra um esquemático
deste sistema.
Figura 2.12 - Sistema de reaproveitamento energético dos gases de escape TIGRES [22].
A Visteon assegura uma redução do consumo de combustível entre 5 a 10%, e
garante que a simplicidade do sistema irá permitir a aplicação nos mais diversos tipos
de veículos. As potências geradas estarão entre os 2 e os 4 kW [22].
A pesquisa efetuada ao longo deste subcapítulo, relativa a sistemas de
recuperação do calor de gases de escape dos automóveis para geração de energia
elétrica, permitiu concluir que todos estes sistemas utilizam válvulas de bypass
controladas eletronicamente como forma de baixar a temperatura dos gases de escape,
enquadrando-as nas temperaturas máximas suportadas pelos módulos. Este será um
fator importante da abordagem ao trabalho prático, sendo procuradas alternativas a estes
sistemas de bypass.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 13 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 3
Termoeletricidade
3.1. Introdução
A termoeletricidade consiste na conversão direta de uma diferença de
temperatura numa diferença de potencial elétrico e vice-versa [24]. Um dispositivo
termoelétrico cria uma tensão elétrica quando há uma diferença de temperatura em cada
lado. Inversamente, quando é aplicada uma tensão elétrica ao mesmo, ele cria uma
diferença de temperatura. Para estudar estes dispositivos é necessário analisar os
fenómenos que estão relacionados com o comportamento que possuem. Os efeitos de
Seebeck (1823), Peltier (1835) e Thomson (1851) são a explicação para o
funcionamento destes dispositivos [7][24][25]. Neste capítulo será estudado o
comportamento de módulos termoelétricos com base nos efeitos referidos
anteriormente. É desenvolvido também um modelo teórico dos módulos termoelétricos
que permite avaliar a influência de vários parâmetros no seu desempenho.
3.2. Efeito Seebeck
Em 1823, Thomas Seebeck relatou resultados de experiências em que uma agulha
de bússola era desviada quando colocada na proximidade de um circuito fechado,
formado a partir de dois condutores diferentes, quando uma das junções foi aquecida.
Thomas Seebeck concluiu erradamente que a interação era um fenómeno magnético,
sendo posteriormente verificado que se devia a uma corrente elétrica nesse mesmo
circuito [25][26]. A sensibilidade dos materiais à diferença de temperatura, fazendo com
que seja criada uma diferença de potencial elétrico é conhecida por Coeficiente de
Seebeck e é dada pela seguinte relação:
Eq. 3.1
Observando o comportamento dos eletrões numa junção composta por dois
condutores distintos é possível uma melhor compreensão deste fenómeno, observe-se
então a figura 3.1.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
14 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.1 - Movimento dos eletrões numa junção de diferentes materiais submetida a uma
diferença de temperatura [24].
Quando um gradiente de temperatura é introduzido ao longo do comprimento de
um condutor metálico, os eletrões passam a difundir-se de uma extremidade para a outra
desse mesmo condutor. O sentido em que se difundem os eletrões depende das
propriedades elétricas do condutor, que podem fazer com que tenha um coeficiente de
Seebeck positivo ou negativo [26]. Como pode ser observado na figura 3.1, no condutor
A, com um coeficiente de Seebeck negativo, os eletrões deslocam-se da região quente
para a fria, que possui níveis de energia mais baixos, criando-se assim uma diferença de
potencial elétrico ao longo do condutor [24]. No condutor B, com um coeficiente de
Seebeck positivo, o movimento dos eletrões ocorre no sentido oposto, obtendo-se assim
uma diferença de potencial elétrico aos terminais de ambos os condutores na região fria,
que é proporcional à diferença de temperatura entre as regiões quente e fria. A diferença
de potencial numa junção é dada pela eq. 3.2.
( ) ( ) Eq. 3.2
Este princípio permite o desenvolvimento de dispositivos com finalidades
distintas, os mais comuns são os sensores de temperatura e módulos termoelétricos. A
figura 3.2 ilustra as diferenças no princípio de funcionamento de cada um destes
dispositivos.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 15 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
a) Sensor de temperatura baseado no efeito
Seebeck.
b) Gerador elétrico baseado no efeito
Seebeck.
Figura 3.2 - Efeito Seebeck aplicado a sensores de temperatura e geradores de energia elétrica.
Observam-se então na figura 3.2 os dois modos de operação distintos de um
módulo termoelétrico, tendo como princípio de funcionamento o efeito de Seebeck. Na
figura a), é medida a diferença de potencial gerada, princípio de funcionamento de um
termopar. Na figura b), é fechado o circuito com uma carga, sendo assim percorrido por
uma corrente elétrica, está então no modo de geração de energia, como acontece nos
módulos termoelétricos.
Relativamente aos sensores de temperatura a sua função é, essencialmente, fazer
aquisição de um sinal que permite posteriormente quantificar a temperatura a que se
encontra uma das junções. A figura 3.3 ilustra o funcionamento de um termopar
baseado no princípio explicado anteriormente.
Figura 3.3 - Princípio de funcionamento de um termopar [7][24].
Pode ver-se na figura acima o objeto do qual se pretende medir a temperatura,
em contacto com uma junção, bem como a outra extremidade dos condutores
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
16 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
mergulhada num banho de gelo, com o objetivo de servir de referência, pois este
princípio só permite medir diferenças de temperatura [24]. O banho de gelo deve
permanecer a uma temperatura constante de modo que a referência não seja alterada,
evitando assim perturbar a medição. A diferença de potencial gerada necessita
posteriormente de ser acondicionada, de forma a poderem ser utilizadas as leituras. O
circuito eletrónio deverá contemplar também um sinal que serve de referência,
conhecido como ponto de gelo eletrónico, não sendo necessário utilizar um banho de
gelo. Na tabela 3-1 é possível ver alguns materiais utilizados nas junções em
termopares, bem como os respetivos coeficientes de Seebeck.
Tabela 3-1 - Materiais utilizados em termopares e respetivos coeficientes de Sebeeck a 0ºC [27].
Material Coeficiente Sebeeck
(μV/ºC)
Alumínio 3,5
Antimónio 47
Bismuto -72
Cádio 7,5
Carbono 3,0
Chumbo 4,0
Constantan -35
Cobre 6,5
Ferro 19
Germânio 300
Mercúrio 0,60
Níquel -15
Níquel-Crómio 25
Ouro 6,5
Platina 0
Potássio -9.0
Prata 6,5
Ródio 6,0
Selénio 900
Silício 440
Sódio -2,0
Tântalo 4,5
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 17 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Telúrio 500
Tungsténio 7,5
A tabela 3-2 mostra as principais combinações de materiais existentes para
termopares, que se encontram padronizadas, bem como os seus limites de operação, erro
característico e diferença de potencial gerada.
Tabela 3-2 - Tipos de termopares e suas principais características [28].
Tipo de
termopar
Elemento
Termoelétrico
Positivo
Elemento
Termoelétrico
Negativo
Limites
temperatura
F.E.M.
Produzida
Erro
Padrão
B 70,4% Platina
29,6% Ródio
93,9% Platina
6,1% Ródio 0 a 1820 ºC
0 a
13,820 mV 0,50%
E 90% Níquel
10% Crómio
55% Cobre
45 % Níquel
-270 a
1000 ºC
-9,835 a
76,373 mV 0,50%
J 99,5% Ferro 55% Cobre
45 % Níquel
-210 a
760 ºC
-8,096 a
42,919 mV 0,75%
K 90% Níquel
10% Crómio
95% Níquel
2% Manganésio
2% Alumínio
1% Silício
-270 a
1200 ºC
-6,458 a
48,838 mV 0,75%
R 87 % Platina
13% Ródio 100% Platina
-50 a
1768 ºC
-0,226 a
21,101 mV 0,25%
S 90% Platina
10% Ródio 100% Platina
-50 a
1768 ºC
-0,236 a
18,693 mV 0,25%
T 100% Cobre 55% Cobre
45% Níquel
-270 a
400 ºC
-6,258 a
20,872 mV 0,75%
Funcionam também segundo este princípio os módulos termoelétricos, que são
dispositivos concebidos para transformar energia térmica em energia elétrica. Um
módulo termoelétrico é constituído por NJunções semelhantes à apresentada na figura 3.4
onde está também ilustrado o seu modo de funcionamento.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
18 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.4 - Junção PN de um módulo termoelétrico [29].
Como apresentado na figura acima, existe uma fonte de calor que aquece a
junção quente dos materiais, provocando o movimento dos eletrões explicado
anteriormente. Os elementos termoelétricos são de diferentes tipos, o do tipo P possui
coeficiente de Seebeck positivo, enquanto o do Tipo N possui um coeficiente de Seebeck
negativo. Na junção fria dos elementos dissipa-se o calor, podendo recorrer-se a formas
de acelerar ou melhorar esse processo, como por exemplo colocando sistemas de
refrigeração a água acoplados. O circuito é fechado com uma resistência de carga,
fazendo com que seja percorrido por uma corrente elétrica. A figura 3.5 mostra o
esquema de um módulo termoelétrico.
Figura 3.5 - Esquema geral de um módulo termoelétrico [30].
As junções encontram-se ligadas eletricamente em série, fazendo com a
diferença de potencial obtida aos seus terminais seja resultado da soma da diferença de
potencial em cada junção. Termicamente as junções são ligadas em paralelo, fazendo
com que a diferença de temperatura seja aproximadamente igual em cada junção. A
tabela 3-3 seguinte mostra alguns dos matérias utilizados como elementos
termoelétricos, bem como os respetivos coeficientes de Seebeck.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 19 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Tabela 3-3 - Materiais termoelétricos usados em módulos e o respetivo Coeficiente de Seebeck
(temperatura ambiente) [24].
Material Símbolo Químico Coeficiente de
Seebeck (μV/K)
Níquel Ni -18
Crómio Cr 18
Bismuto Bi -60
Antimónio Sb 40
Telureto de
bismuto BI2Te3 -240
Telureto de
Antimónio Sb2Te3 92
Observando a tabela verifica-se que os principais materiais usados são o Níquel,
Crómio, Bismuto, Telúrio e Antimónio, também o Silício e o Germânio são
frequentemente usados.
3.3. Efeito Peltier
Em 1834, cerca de 12 anos após a descoberta de Thomas Seebeck, Jean Peltier
descobriu um efeito complementar ao efeito Seebeck, quando observou alterações de
temperatura na proximidade de junções formadas por materiais diferentes, quando
percorridas por uma corrente elétrica, isto é, uma das junções arrefecia enquanto outra
aquecia [25]. Peltier descobriu também que dependendo do sentido que o fluxo de
corrente apresente, determinada junção pode libertar ou absorver calor, como ilustra a
figura 3.6.
a) Aquecimento por Peltier
b) Arrefecimento por Peltier
Figura 3.6 - Diferentes modos de operação do efeito Peltier.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
20 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Na figura 3.6 observam-se junções percorridas por uma corrente elétrica em
sentidos opostos, sendo na imagem a) libertado calor na parte superior da junção,
funcionando como aquecedor, enquanto na imagem b) o calor é absorvido na parte
superior da junção, funcionando como arrefecedor.
Em 1951, Thomson, também conhecido por Lord Kelvin, consegui estabelecer
uma relação entre este fenómeno e o efeito de Seebeck, relacionando ambos os
coeficientes. Previu também um terceiro fenómeno relacionado com o aquecimento e
arrefecimento de um único condutor quando submetido a um gradiente de temperatura
[25]. A relação entre estes dois fenómenos é estabelecida pela eq. 3.3 que permite
conhecer o coeficiente de Peltier a partir do coeficiente de Seebeck [31]:
Eq. 3.3
É ainda possível determinar a quantidade de calor absorvida ou libertada em
cada junção, resultante do efeito Peltier. O calor absorvido ou libertado é expresso
matematicamente pelas seguintes equações [32]:
( )
( )
Eq. 3.4
Eq. 3.5
O calor absorvido ou libertado é proporcional à corrente elétrica que percorre o
circuito, como se pode constatar na eq. 3.4 e eq. 3.5.
3.4. Efeito Thomson
O efeito Thomson refere-se à capacidade de qualquer condutor elétrico, quando
submetido simultaneamente a uma diferença de temperatura e percorrido por uma
corrente elétrica, produzir ou absorver energia sob a forma de calor. Por outras palavras,
o efeito Thomson é a manifestação do fluxo de eletrões relativamente ao gradiente de
temperatura, assim os eletrões absorvem calor que vai no sentido oposto do gradiente de
temperatura e libertam quando flui no mesmo sentido [25].
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 21 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.7 - Ilustração do Efeito Thomson [33].
A figura 3.7 ilustra o que foi dito anteriormente, com o condutor a absorver
calor quando o fluxo de eletrões tem sentido oposto ao gradiente de temperatura e a
libertar calor quando possuem o mesmo sentido. No entanto este efeito é pouco
significativo quando comparado às trocas energéticas ocorridas devido ao efeito Peltier
ou ao efeito de Joule, pelo que é frequentemente desprezado nos modelos teóricos.
3.5. Arrefecimento/Aquecimento usando módulos termoelétricos
Quando se pretende aplicar o efeito Peltier para desenvolver módulos
termoelétricos com a função de arrefecimento ou aquecimento deve ter-se em
consideração outros fenómenos que estão presentes na transferência de calor. De forma
ativa está presente a energia libertada quando uma corrente elétrica percorre qualquer
material (Efeito de Joule), enquanto de forma passiva existem ainda a condução, a
convecção, a radiação [32].
Como referido anteriormente o efeito de Joule também se manifesta. Este efeito
está relacionado com o calor libertado por um condutor quando percorrido por uma
corrente elétrica e pode ser obtido pela eq. 3.6:
Eq. 3.6
A resistência elétrica dos materiais depende, naturalmente, do material utilizado
e das dimensões do mesmo, sendo necessário conhecer a resistividade do material, a
secção e o comprimento a fim de ser determinada. Este efeito está presente em todas as
partes de uma junção PN, tanto nos elementos termoelétricos como no metal da junção,
para além do contacto entre ambos, visto que todas estas partes são percorridas pela
corrente elétrica, como está representado na figura 3.8.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
22 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.8 - Ilustração Efeito de Joule numa Junção PN.
Tendo tudo isto em consideração, e visto que é libertada energia de igual forma
em ambas as partas de cada junção, considera-se que metade do calor é libertado na
junção quente e a outra metade é libertada na junção fria [24][34].
Para além do efeito Peltier e do efeito de Joule, os modelos apresentados pelos
fabricantes de módulos consideram também a condução de calor através dos elementos
termoelétricos, isto é, o calor libertado na face quente é conduzido pelos materiais até à
face fria, este aspeto deve ser considerado quando analisada a totalidade do calor
absorvido ou libertado em dada junção [24][35]. A figura 3.9 representa o referido
fluxo de calor.
Figura 3.9 - Fluxo de calor por condução entre a Face Quente e a Face Fria de uma junção PN.
Assim sendo, a condutividade térmica dos elementos termoelétricos deve ser o
mais pequena possível, para que não seja reduzida significativamente a diferença de
temperatura entre as faces, implicando uma diminuição da potência elétrica gerada. A
quantidade de calor transferido pode ser conhecida através da eq. 3.7:
Eq. 3.7
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 23 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
O fluxo de calor por condução depende da condutância térmica (K) e da
diferença de temperatura entre as faces do módulo (ΔT), sendo que a condutância
térmica é dada pela eq. 3.8:
Eq. 3.8
A condutância térmica depende da condutividade térmica do material (k), da
secção dos elementos termoelétricos (S) e do seu comprimento (l). Considerando então
estas transferências de calor referidas, o calor libertado na face quente de uma junção é
dado pela eq. 3.9:
Eq. 3.9
Relativamente ao calor absorvido na junção fria, pode ser determinado através
da eq. 3.10:
Eq. 3.10
São desta forma conhecidas as equações que permitem saber a energia absorvida
e libertada em cada lado de uma junção, sendo necessário multiplicar os seus resultados
pelo número de junções ligadas eletricamente em série.
A principal aplicação destes efeitos é o arrefecimento de dispositivos, como por
exemplo: refrigeradores portáteis, refrigeração de componentes eletrónicos e
dispositivos de pequeno porte e até em alguns desumidificadores [36]. Aplica-se então
num módulo termoelétrico uma fonte de tensão aos seus terminais, fazendo com que
seja percorrido por uma corrente, é acoplado o objeto a ser arrefecido à face fria e um
dissipador de calor à face quente, sedo esta a instalação básica de um dispositivo destes,
como pode ser visto na figura 3.10.
Figura 3.10 - Arrefecimento por Peltier.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
24 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
O desempenho destes dispositivos, como função de arrefecimento, pode ser
quantificado através do coeficiente de performance (COP), que relaciona o calor
absorvido com a potência elétrica consumida [35]. O coeficiente de performance é
conhecido através da eq. 3.11:
Eq. 3.11
Pode também produzir-se o efeito inverso, conhecido como aquecimento por
Peltier, faz-se alterando o sentido da corrente. A figura 3.11 mostra o princípio de
funcionamento.
Figura 3.11 - Aquecimento por Peltier.
O desempenho destes dispositivos, com função de aquecimento, pode ser
quantificado pelo coeficiente de performance como aquecedor (COPH), que relaciona o
calor libertado com a potência elétrica consumida, e é dado pela eq. 3.12.
Eq. 3.12
3.6. Classificação dos materiais
A medida que permite avaliar o desempenho geral de um dispositivo ou material
termoelétrico é conhecida por figura de mérito e representa-se pela letra Z [35]. Esta
medida tem em conta vários aspetos, desde o coeficiente de Sebeeck dos materiais,
resistividade elétrica e a condutividade térmica, como se pode verificar na eq. 3.13.
Eq. 3.13
Quanto maior o coeficiente de Seebeck de determinada junção de material, maior
será a tensão gerada aos seus terminais, sendo também maior a figura de mérito. Quanto
menor a condutividade térmica, menor o calor que é conduzido da face quente até à face
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 25 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
fria de uma junção, proporcionando maiores diferenças de temperatura entre as faces e
maior figura de mérito. A resistividade elétrica também deve ser a menor possível, desta
forma menores serão as perdas por efeito de Joule e maior será a potência elétrica
gerada. Assim sendo, o coeficiente se Seebeck deve ser elevado em contraste com a
baixa condutividade térmica e a baixa resistividade elétrica [7].
O gráfico 3.1 mostra a figura de mérito dos principais materiais usados na
construção de módulos termoelétricos em função da temperatura. À esquerda podem
ver-se os semicondutores dopados do tipo P, enquanto do lado direito podem ser vistos
os semicondutores dopados do tipo N.
Gráfico 3.1 - Figura de Mérito dos principais semicondutores dopados do tipo P e do tipo N,
utilizados nos módulos termoelétricos [37].
Verifica-se que a figura de mérito dos materiais sofre uma elevada variação com
a temperatura, sendo necessário selecionar os materiais para fabrico dos módulos
termoelétricos de acordo com a aplicação pretendida. Para aplicações que necessitem de
operar numa gama de temperaturas mais elevadas, na ordem dos 1000 K, as
combinações de SiGe são as mais indicadas por terem maior figura de mérito a essa
temperatura. As combinações de BiTe3 e de PbTe são melhores para aplicações abaixo
dessa gama de temperaturas, nomeadamente a 350 K e a 700 K respetivamente.
Pode ser determinada a figura de mérito de uma junção de dois materiais
semelhantes aos apresentados no gráfico acima. A figura de mérito é obtida através da
eq. 3.14 [25].
( )
[( ) ( )
]
Eq. 3.14
Desta forma é possível avaliar qual a combinação de materiais que proporciona
uma maior figura de mérito, garantindo um melhor desempenho de um dispositivo a ser
desenvolvido.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
26 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
3.7. Modelo elétrico de um módulo termoelétrico
Este subcapítulo apresenta o modelo elétrico de funcionamento dos módulos
termoelétricos. Este modelo relaciona as diversas variáveis relativas ao funcionamento
destes dispositivos e apresenta as equações que traduzem o seu princípio de
funcionamento. Iniciando pela resistência elétrica interna de um módulo termoelétrico,
esta pode ser determinada tendo em conta as dimensões dos materiais utilizados na sua
construção, bem como as suas propriedades físicas. Desta forma, baseado no estudo a
seguir apresentado, foi construído um modelo em Microsoft Excel que posteriormente
permitirá estudar a influência desses mesmos fatores no desempenho do módulo. A
figura 3.12 permite perceber quais as diferentes resistências elétricas consideradas no
modelo.
Figura 3.12 - Resistências elétricas numa junção PN de um módulo termoelétrico[7].
Observando a figura acima vê-se que, por cada junção existente num módulo
termoelétrico têm de ser consideradas quatro resistências de contacto, duas vezes a
resistência do metal da junção, uma vez a resistência do elemento termoelétrico do tipo
N e uma vez a resistência do elemento termoelétrico do tipo P. Desta forma tem-se a
resistência elétrica de uma junção dada pela eq. 3.15:
Eq. 3.15
Os passos seguintes mostram como são determinadas as resistências elétricas
referidas anteriormente, inicia-se então a análise pelo elemento termoelétrico do tipo N.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 27 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.13 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo N.
Na figura 3.13 está representado um elemento do tipo N, com as etiquetas
atribuídas a cada dimensão. Assim, a resistência elétrica de um elemento do tipo N é
dada pela eq. 3.16:
Eq. 3.16
No que se refere ao cálculo da resistência elétrica do material do tipo P o
procedimento é semelhante, como pode ser visto a seguir.
Figura 3.14 - Dimensões do elemento termoelétrico do tipo P.
Observa-se então na figura 3.14, à semelhança do efetuado para o elemento do
tipo N, a representação de um elemento do tipo P e das respetivas dimensões, sendo
possível determinar a sua resistência elétrica pela eq. 3.17:
Eq. 3.17
Relativamente à resistência elétrica do metal da junção, não só é importante
conhecer as suas dimensões e propriedades físicas, mas também caminho pelo qual a
corrente circula. Desta forma será feita uma melhor aproximação da distância percorrida
pela corrente, distância essa denominada por Passo.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
28 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 3.15 - Representação das dimensões do metal da junção e caminho percorrido pela corrente
elétrica.
Conhecendo as dimensões e distâncias representadas na figura 3.15, conhecendo
também a resistividade elétrica do metal utilizado ( ), é possível determinar a sua
resistência através da eq. 3.18.
Eq. 3.18
Quanto à resistência elétrica do contacto entre os elementos termoelétricos e o
metal da junção, que está representado na figura 3.16, esta é obtida através da eq. 3.19,
em que é a resistividade elétrica do contacto.
Figura 3.16 - Representação do contacto entre os elementos termoelétricos e o metal da junção.
Eq. 3.19
Após determinar a resistência elétrica de uma junção é necessário apenas
multiplicá-la pelo número total de junções existente no módulo termoelétrico. Desta
forma a resistência elétrica total é obtida através da eq. 3.20.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 29 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Eq. 3.20
Construindo um circuito elétrico representativo de um módulo a funcionar como
gerador e acoplando uma carga elétrica é possível estudar o circuito e o seu
funcionamento em função dos vários parâmetros desse modelo, como por exemplo
verificar a potência gerada em função da carga escolhida. Na figura 3.17 pode ser visto
o modelo elétrico de um módulo termoelétrico, este modelo é composto por uma fonte
de tensão e por uma resistência, que representa a resistência elétrica interna do módulo.
A tensão aos terminais deste circuito é em vazio, visto que não existe nenhuma carga a
fechar o circuito.
Figura 3.17 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico.
Na figura 3.18 encontra-se um circuito semelhante ao da figura 3.17, tendo este
agora uma resistência de carga que fecha o circuito e faz com que seja percorrido por
uma corrente elétrica.
Figura 3.18 - Circuito elétrico representativo de um módulo termoelétrico com uma carga
acoplada.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
30 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Utilizando a lei das malhas para analisar o modelo simplificado do módulo
termoelétrico, presente na figura 3.18 tem-se:
Eq. 3.21
Desenvolvendo obtêm-se a seguinte expressão:
Eq. 3.22
Pela lei de Ohm sabe-se que a corrente que percorre o circuito é dada por:
Eq. 3.23
Substituindo na eq. 3.22 obtém-se a seguinte equação:
Eq. 3.24
Simplificando a eq. 3.24 e colocando em ordem a Rinterna fica:
( )
Eq. 3.25
A eq. 3.25 permite determinar a resistência elétrica total de um módulo quando
não são conhecidas as dimensões e características físicas dos matérias que o constituem,
sendo para isso necessário realizar ensaios em vazio e em carga. A potência elétrica na
carga é dada pela eq. 3.26:
Eq. 3.26
Assim, de forma a obter a obter a expressão da potência elétrica desenvolvida,
resolve-se a equação eq. 3.25 em ordem a Vcarga:
Eq. 3.27
Substituindo na expressão eq. 3.26, tem-se:
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 31 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
( ) Eq. 3.28
Derivando a expressão da potência elétrica em função de Rcarga, de forma a ser
possível determinar o máximo da função, obtém-se a eq. 3.29:
( ) (( )
)
( )
(( )
)
(( ) )
Eq. 3.29
Calculando tem-se:
( )
( ) Eq. 3.30
Determinando os zeros da derivada é possível determinar os máximos/mínimos
da função, desta forma tem-se:
( )
( ) Eq. 3.31
Tendo em conta que e que , os zeros da função
encontram-se na eq. 3.32:
Eq. 3.32
Analisado o zero da derivada observa-se:
Desta forma é possível observar que a potência máxima é obtida quando o valor
de Rcarga é igual ao valor de Rinterna. O gráfico 3.2 mostra como varia a potência elétrica
com o valor da resistência de carga. É possível observar também que, de acordo com o
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
32 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
demostrado analiticamente, a potência máxima corresponde ao ponto em que a derivada
da potência elétrica é zero.
Gráfico 3.2 - Potência elétrica e a sua derivada em função da resistência de carga.
Admitindo que é sempre gerada a máxima potência, utilizando, por exemplo, um
conversor DC/DC com MPPT implementado (conversor que permite extrair a máxima
potência), a eq. 3.28 pode ser simplificada, sendo a potência elétrica dada pela :
Eq. 3.33
No caso de a resistência elétrica interna ser calculada pela eq. 3.20 a potência
elétrica para um módulo é dada pela:
Eq. 3.34
Um aspeto que pode ser importante quando se pretende construir um módulo para
uma aplicação particular é conhecer a sua área em função do número de junções a
utilizar, das dimensões dos elementos termoelétricos e do metal da junção. A eq. 3.35
permite conhecer a área total ocupada por um módulo, considerando os elementos P e N
de secção quadrada (Largura), distância entre elementos (Passo), conforme figura 3.15.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 33 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
(((√ ) ) )
Eq. 3.35
3.8. Análise do modelo elétrico
O desenvolvimento de um modelo elétrico, permite saber como se comportará
um determinado módulo termoelétrico a desenvolver quando conhecidas as
características dos materiais a utilizar, ou seja, permite dimensionar um módulo para
uma aplicação específica, permite estudar o seu desempenho sem ter que o implementar.
No entanto o modelo construído apresenta uma limitação, que está relacionada com o
facto de não ter em conta a variação da resistividade elétrica e coeficiente de Seebeck
dos materiais com a temperatura, utiliza apenas um valor médio.
O modelo Excel apresentado é baseado nos cálculos e deduções apresentados no
subcapítulo anterior e permite analisar a influência de cada parâmetro no funcionamento
de um módulo. Neste modelo, como pode ser visto a seguir, são introduzidos os
parâmetros conhecidos, sendo calculados automaticamente todos os restantes possíveis
de calcular. Desta forma é possível incrementar ou decrementar gradualmente um
parâmetro do sistema e verificar como variam os restantes. As tabelas seguintes
mostram quais os parâmetros a introduzir e os parâmetros que são de cálculo
automático. Este modelo encontra-se calibrado para os módulos utilizados na parte
prática deste projeto (RS 6937116), sendo alguns valores relativos a propriedades físicas
dos materiais resultado de pesquisa, por não serem facultados pelo fabricante, levando a
que seja suscetível de apresentar ligeiros desvios relativamente aos referidos módulos.
A tabela 3-4 apresenta as caraterísticas relativas ao elemento termoelétrico do
tipo n, quer em termos de dimensões quer as propriedades físicas do material.
Relativamente à coluna “VALOR” das tabelas que se seguem, os valores contidos nas
células a azul são introduzidos, enquanto os presentes nas células a verde são calculados
automaticamente.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
34 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Tabela 3-4 - Características e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n.
MATERIAL CARATERÍSTICA UNIDADE VALOR
Material Tipo n
Resistividade Elétrica Ω.m 1,50E-05
Comprimento m 3,00E-03
Largura m 4,00E-03
Profundidade m 4,00E-03
Secção m2 0,000016000
Coeficiente Seebeck V/ºC -1,90E-04
Resistência Elétrica Ω 2,81E-03
Como output da tabela 3-4 é possível ver a resistência elétrica do elemento. A
tabela 3-5 é semelhante à anterior, referindo-se desta vez ao elemento termoelétrico do
tipo P. Nesta tabela é admitido que as dimensões dos materiais de ambos os tipos são
iguais não sendo necessário introduzir novamente dimensões.
Tabela 3-5 - Caraterísticas e dimensões do elemento termoelétrico do tipo n.
Material Tipo p
Resistividade Elétrica Ω.m 1,50E-05
Comprimento m 3,00E-03
Largura m 4,00E-03
Profundidade m 4,00E-03
Secção m2 0,000016
Coeficiente Seebeck V/ºC 1,90E-04
Resistência Elétrica Ω 2,81E-03
A tabela 3-6 é relativa ao metal da junção entre os materiais e contém, à
semelhança das anteriores, as suas dimensões e características. O output da tabela é
novamente o valor da resistência elétrica.
Tabela 3-6 - Caraterísticas e dimensões do metal da junção.
Metal da Junção (cobre)
Resistividade Elétrica Ω.m 1,80E-08
Profundidade m 0,004
Espessura Metal m 9,00E-05
Passo m 6,50E-03
Secção m2 0,00000036
Resistência Elétrica Ω 3,25E-04
A tabela 3-7 é relativa ao contacto entre os elementos termoelétricos e o metal,
através da tabela é possível conhecer a sua resistência elétrica. Esta tabela apenas
necessita da introdução do valor relativo à resistividade elétrica do material, visto que
todas as caraterísticas já foram introduzidas anteriormente.
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 35 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Tabela 3-7 - Caraterísticas do contacto entre o metal da junção e os elementos termoelétricos.
Contacto
Resistividade Elétrica Ω.m2 6,00E-09
Largura m 0,004
Profundidade m 0,004
Secção m2 0,000016
Resistência Elétrica Ω 3,75E-04
A tabela 3-8 refere-se à totalidade de um módulo termoelétrico, sendo possível
ver o seu output em termos de potência elétrica, tensão e corrente, isto para uma
resistência de carga igual à resistência interna do módulo.
Tabela 3-8 - Caraterísticas e output de um módulo termoelétrico.
Módulo
Número de Junções do Módulo (pares n-p) 49
Passo m 6,50E-03
Área módulo m2 0,003825016
Diferença de Temperatura ºC 192
Resistência do Material Tipo P Ω 1,38E-01
Resistência Material Tipo N Ω 1,38E-01
Resistência do Metal da Junção Ω 3,19E-02
Resistência dos Contactos Ω 7,35E-02
Resistência Elétrica Interna Total Ω 0,3810
Tensão Saída (Vazio) V 3,6
Tensão Saída (Carga) V 1,79
Potencia elétrica gerada W 8,39
Corrente gerada A 4,69
Pode também ser escolhida uma resistência de carga diferente da resistência
interna do módulo, pode então o output do sistema ser visto na tabela 3-9.
Tabela 3-9 - Output de um módulo termoelétrico para uma resistência de carga atribuída.
Carga Atribuída
Resistência de Carga Atribuída Ω 0,381
Tensão Saída (Carga) V 1,79
Potencia elétrica gerada W 8,39
Corrente gerada A 4,69
A seguir é apresentado um estudo da variação de alguns parâmetros
considerados mais importantes no desempenho dos módulos termoelétricos e verificado
o efeito provocado nos restantes. Inicialmente é verificado o comportamento de um
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
36 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
módulo termoelétrico com a variação da diferença de temperatura entre suas faces,
mantendo os restantes parâmetros os valores contidos nas tabelas acima. O gráfico 3.3
permite analisar a potência elétrica, as tensões em vazio e em carga, a corrente elétrica e
a resistência elétrica interna total.
Gráfico 3.3 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função da diferença de temperatura entre as suas faces.
Como é possível observar as tensões em vazio e em carga são funções lineares,
sendo a tensão em vazio o dobro da tensão em carga para o sistema funcionando em
modo de geração de potência máxima, ou seja, com Rcarga = Rinterna. A corrente elétrica
na carga é também uma função linear que vai aumentando com a diferença de
temperatura. A Potência elétrica apresenta um valor de 9,1 W para uma diferença de
temperatura de 200 ºC, que é a máxima diferença de temperatura suportada pelos
módulos da RS.
O gráfico 3.4 permite analisar a influência do número de junções mantendo a
área do módulo termoelétrico, para isso é diminuída gradualmente a secção dos
elementos termoelétricos e a distância entre eles (Passo). A variação de junções
simulada varia entre as 50 e as 150.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 40 80 120 160 200 240 280
Ten
são
[V
] ;
Co
rre
nte
[A
] ;
Re
sist
ên
cia
[Ω]
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Diferença de Temperatura [ºC]
Variação da Diferença de Temperatura
Potência elétricagerada
Tensão Saída(Vazio)
Tensão Saída(Carga)
Corrente ElétricaGerada
ResistênciaElétrica InternaTotal
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 37 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 3.4 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função do número de junções na mesma área.
Observando o gráfico acima é possível ver que com o aumento do número de
junções a resistência elétrica vai aumentando, aumento para o qual também contribui a
redução gradual da secção dos elementos termoelétricos. Até cerca das 85 junções o
aumento da potência elétrica faz-se notar, no entanto, a partir desse número de junções a
resistência elétrica interna faz com que a potência elétrica decresça.
Outro parâmetro cuja influência interessa estudar é o comprimento dos
elementos termoelétricos e que o gráfico 3.5 ajuda a perceber.
0
2
4
6
8
10
12
0
2
4
6
8
10
12
14
16
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Ten
são
[V
] ;
Co
rre
nte
[A
] ;
Re
sist
Ênci
a [Ω
]
Po
tên
cia
[W]
Número de Junções
Variação do Número de Junções Mantendo a Área do Módulo Termoelétrico
Potênciaelétrica gerada
Tensão Saída(Vazio)
Tensão Saída(Carga)
CorrenteElétrica Gerada
ResistênciaElétrica InternaTotal
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
38 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 3.5 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função do comprimento dos elementos termoelétricos.
É possível verificar que ocorre um decréscimo em termos de potência elétrica
devido ao aumento provocado pela resistência elétrica. Quanto às tensões permanecem
constantes independentemente do comprimento dos elementos. No entanto é importante
referir que este modelo não tem em consideração os aspetos térmicos, desta forma
analisando o gráfico 3.5 é possível observar que quanto menor o comprimento dos
elementos, maior é a potência térmica gerada, mas na realidade há que contar com um
comprimento mínimo que impede que ambas as faces estejam à mesma temperatura.
Assim é necessário encontrar um equilíbrio, não podendo ser o comprimento tão
pequeno de forma a que o calor passe da face quente para a face fria anulando a
diferença de temperatura, nem tão grande que aumente comprometedoramente a
resistência elétrica interna.
No que se refere à variação da secção do metal da junção (Espessura x
Profundidade) o gráfico 3.6 permite perceber a sua influência.
0
1
2
3
4
5
6
0
5
10
15
20
25
30
0E+00 1E-02 2E-02 3E-02 Ten
são
[V
] ;
Co
rre
nte
[A
] ;
Re
sist
ên
cia
Elé
tric
a [Ω
]
Po
tên
cia
[W]
;
Comprimento Elementos Termoelétricos [m]
Variação do Comprimento dos Elementos Termoelétricos
Potência elétricagerada
ResistênciaElétrica InternaTotal
Tensão Saída(Vazio)
Tensão Saída(Carga)
CorrenteElétrica Gerada
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 39 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 3.6 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em função da espessura do metal da junção.
O aumento da secção leva a uma ligeira diminuição da resistência elétrica
interna do módulo, e a um ligeiro aumento da potência elétrica gerada. Verifica-se que a
influência deste parâmetro, à semelhança do que acontece com o Passo, não é muito
acentuada, sendo necessárias grandes alterações para que seja sentido o seu efeito.
Todas as variações de parâmetros estudadas até agora são efetuadas
considerando que a resistência de carga é igual a resistência elétrica interna do módulo
termoelétrico, no entanto pode também simular-se uma variação da resistência de carga
mantendo todos os restantes parâmetros. O gráfico 3.7 permite verificar o desempenho
de um módulo em função do valor da resistência de carga.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0E+00 2E-06 4E-06 6E-06 8E-06 1E-05
Ten
são
[V
] ;
Co
rre
nte
[A
] ;
Re
sist
Ênci
a [Ω
]
Po
tên
cia
[W]
Espessura [m]
Variação da Secção do Metal da Junção
Potênciaelétrica gerada
Tensão Saída(Vazio)
Tensão Saída(Carga)
CorrenteElétrica Gerada
ResistênciaElétrica InternaTotal
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
40 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 3.7 - Potência elétrica, tensões, corrente elétrica e resistência elétrica interna num módulo
termoelétrico em do valor da resistência de carga.
É possível verificar que a potência elétrica tem um valor máximo quando a
resistência de carga iguala a resistência elétrica interna do módulo, decrescendo
posteriormente. A resistência elétrica interna mantém-se constante, pois nada foi
alterado do ponto de vista físico no módulo. A tensão na carga é crescente, no entanto à
medida que aumenta o valor da resistência de carga a tensão cresce a uma taxa menor.
A corrente na carga decresce com o aumento da resistência de carga.
A tabela 3-10 apresenta num resumo da análise gráfica efetuada anteriormente,
desta forma é possível ver qual a resposta dos módulos termoelétricos às diversas
alterações estudadas. Na primeira linha da tabela estão os parâmetros sobre os quais se
pretende estudar a variação, enquanto na primeira coluna constam os parâmetros que
permitem a avaliação do efeito produzido por essas variações.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Ten
são
[V
] ;
Co
rre
nte
[A
] ;
Re
sist
Ênci
a [Ω
]
Po
tên
cia
[W]
Carga [Ω]
Variação da Resistência de carga
Potenciaelétrica gerada
Tensão Saída(Vazio)
Tensão Saída(Carga)
Corrente gerada
ResistênciaElétrica InternaTotal
CAPÍTULO 3 - Termoeletricidade
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 41 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Tabela 3-10 - Influência dos diversos parâmetros no desempenho dos módulos termoelétricos
Observando a tabela é possível conhecer mais rapidamente que variáveis
manipular para alcançar determinado efeito do desempenho/comportamento do módulo
termoelétrico.
A construção do modelo elétrico permite estudar o comportamento dos módulos
termoelétricos variando os mais diversos parâmetros, sendo aplicável a qualquer tipo de
módulos termoelétricos quando conhecidas as características físicas dos seus materiais.
A interação com um modelo térmico fiável, considerando a variação da resistividade
elétrica das materiais com a temperatura, tornariam este modelo um elemento de estudo
útil para efetuar simulações mais completas.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 43 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 4
Termodinâmica
4.1. Introdução
Este capítulo aborda os sistemas de transferência de calor utilizados neste
projeto. É estudado como se processa a transferência de calor ao nível dos Heat Pipes e
dos módulos termoelétricos. A construção do modelo térmico apresentado permitiu
estudar e prever o comportamento do sistema a implementar, através da análise do
circuito elétrico equivalente. Inicialmente é exposto o princípio de funcionamento dos
Heat Pipes, seguindo-se a explicação de conceitos teóricos sobre transferências de calor
e a construção do modelo térmico.
4.2. Heat Pipes
Quando se realizam projetos na área dos termoelétricos, nomeadamente quando
se trabalha com módulos termoelétricos para geração de energia elétrica, é importante
certificar que os limites de operação, em termos de temperatura, destes dispositivos não
são ultrapassados, sob pena de os danificar irremediavelmente. No entanto, é igualmente
importante tirar o máximo partido deles, aproveitando o máximo de calor disponível na
fonte de calor e controlando a temperatura presente na face quente destes dispositivos.
A ideia de utilizar Heat Pipes para controlar e transmitir calor foi sugerida pela
primeira vez por R.S. Gaugler em 1942. No entanto, foi em 1960, quando G.M. Grover
os inventou, que suas propriedades notáveis foram apreciadas e o desenvolvimento sério
começou. Os Heat Pipes são considerados ótimos condutores de calor, uma vez que
possuem elevada condutividade térmica [38]. Assim, estes mecanismos respondem às
necessidades do projeto que se pretende implementar, sendo a solução adotada para o
seu desenvolvimento. A figura 4.1 permite compreender como funcionam estes
sistemas.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
44 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.1 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe [39] .
Pode então observar-se que consiste num tubo fechado que serve de recipiente
para um fluido, conhecido como fluido de trabalho, que será o transportador de energia
térmica até à outra extremidade do mesmo tubo. Uma fonte de calor é adicionada ao
sistema na extremidade que contém o líquido, fazendo com que vaporize, criando assim
um fluxo de vapor que transmite o calor através do seu contacto com as paredes internas
do tubo. A área onde ocorre este processo é conhecida como área de evaporação ou
evaporador. A parte superior do tudo, conhecida como área de condensação ou
condensador, é onde o vapor condensa libertando calor, criando-se assim um fluxo de
condensado que desce pela paredes do tubo pela ação da gravidade, voltando o líquido a
acumular-se na base do tubo, repetindo-se este processo ciclicamente enquanto a fonte
de calor estiver disponível [38]. A temperatura alcançada ao longo deste tubo de calor,
depende do líquido utilizado, da pressão no interior do HP e do comprimento e do tubo.
A temperatura no Heat Pipe depende do ponto de ebulição do líquido de
trabalho utilizado que, como se sabe, irá depender da pressão a que se encontra o
interior do tubo estanque. Com este princípio de funcionamento é possível escolher o
líquido que melhor se adequa a uma aplicação particular e manipular o seu ponto de
ebulição alterando a pressão. Esta alteração de pressão pode consistir até numa
diminuição de pressão, utilizando uma bomba de vácuo para retirar ar do HP, que
permite baixar a temperatura de operação. A diminuição de pressão é também aplicada
em situações em que a temperatura da fonte de calor não é suficiente para que o líquido
de trabalho atinja o ponto de ebulição, sendo necessário baixar a pressão e
consequentemente o ponto de ebulição para que o sistema possa funcionar. Um aumento
de pressão permite atingir temperaturas superiores devido ao aumento da temperatura de
ebulição do líquido de trabalho.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 45 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
No entanto a utilização deste tipo de Heat Pipes para transferir calor de forma
controlada revela alguns problemas na estabilização da temperatura, isto é, torna-se
difícil manter a temperatura essencialmente devido ao aumento de pressão ocorrido na
mudança de fase do fluido. Este problema apenas pode ser ultrapassado com a utilização
de uma variante dos Heat Pipes convencionais, passando a solução pela utilização de
Heat Pipes de Condutância Variável.
4.2.1. Heat Pipes de Condutância Variável (VCHP)
Os Heat Pipes de Condutância Variável têm uma característica que os distingue
dos Heat Pipes convencionais, isto é, a capacidade de manter a temperatura
aproximadamente constante independentemente da carga térmica fornecida ao sistema.
A figura 4.2 mostra o esquemático de um VCHP.
Figura 4.2 - Princípio de funcionamento de um Heat Pipe de Condutância Variável [39].
Como se observa na figura é acoplado na extremidade superior do HP, a jusante
do condensador, um tanque de expansão que permite que a pressão se mantenha
aproximadamente constante mesmo com a evaporação de grandes quantidades de fluido
[38]. Desta forma consegue-se que a temperatura no interior do HP estabilize numa
determinada temperatura sem que ocorram oscilações.
4.3. Transferência de calor
Sendo a termodinâmica definida como a ciência da energia, e sendo o calor uma
das formas possíveis de a transferir, é importante conhecer alguns dos princípios
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
46 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
fundamentais da termodinâmica de forma a compreender como se processam as
transferências de calor entre sistemas [40].
Desta forma a primeira lei da termodinâmica refere o princípio da conservação
da energia, ou seja, durante uma interação a energia pode mudar de uma forma para a
outra, mas a quantidade de energia permanece constante, pois a energia não pode ser
criada nem destruída. Por exemplo, se uma rocha cair de um penhasco ganha
velocidade, resultado da conversão da sua energia potencial gravítica em energia
cinética. Desta forma a mudança no teor da energia de um sistema é dada pela diferença
entre a entrada e saída de energia [40].
Eq. 4.1
A segunda lei da termodinâmica, outro dos seus princípios fundamentais, diz que
a energia tem quantidade e qualidade e que a sua transferência ocorre sempre no sentido
decrescente de energia. Por exemplo, se colocarmos uma chávena de café quente numa
sala fria, ela arrefece até à temperatura ambiente, mas se colocarmos uma chávena de
café frio na mesma sala, ela não aquece por si só [40]. Os princípios fundamentais da
termodinâmica complementam-se, não havendo a possibilidade de um invalidar outro.
Assim dois objetos atingem equilíbrio térmico quando as suas temperaturas estiverem
iguais, resultado de uma transferência de energia do mais quente para o mais frio.
A transferência de calor pode ocorrer de diferentes formas, como a convecção
térmica, radiação térmica e condução térmica, sendo necessário que exista uma
diferença de temperatura entre sistemas físicos para que a transferência ocorra. O
sentido da transferência é do sistema com temperatura mais elevada para o sistema com
temperatura mais baixa [40]. A convecção é a transferência de calor entre uma
superfície sólida e um fluido adjacente que se encontra em movimento, transportando
consigo energia sob forma de calor. Quanto mais rápido for o movimento do fluido
maior é o calor transferido por convecção [40][41]. Relativamente à radiação, é a
energia emitida pela matéria sob a forma de ondas eletromagnéticas, resultantes das
alterações das configurações eletrónicas dos átomos ou moléculas. É uma forma de
transferência de energia rápida e não sofre atenuação no vácuo [40]. A energia emitida
desta forma por um corpo depende essencialmente da sua temperatura, mas também da
natureza da sua superfície [42]. A transferência de calor por condução consiste na
transferência de calor por meio de agitação das moléculas. As moléculas presentes na
parte mais quente de um objeto têm maior energia cinética, transferindo assim o calor
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 47 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
para a parte mais fria devido à sua interação, sem qualquer movimento do objeto como
um todo, isto no caso de objetos sólidos [40][41]. A transferência de calor por condução
pode também ter lugar em líquidos ou gases, onde a condução se deve às colisões das
moléculas durante seu movimento aleatório [43]. A figura 4.3 ilustra a transferência de
calor através de um sólido de espessura constante.
Figura 4.3 - Transferência de calor através de um sólido de espessura constante [43].
A taxa de condução de calor através de um objeto com espessura constante é
diretamente proporcional à diferença de temperatura e à área de transferência, e
inversamente proporcional à espessura, assim tem-se a eq. 4.2:
Eq. 4.2
Onde k é a condutividade térmica do material, que atua como constante de
proporcionalidade. Quanto maior a condutividade térmica do material, maior a taxa de
condução de calor. A tabela 4-1 mostra a condutividade térmica de alguns dos materiais
utilizados no trabalho prático.
Tabela 4-1 - Condutividade Térmica dos Materiais [25][40].
Material Condutividade Térmica
(W/mK)
Cobre 401
Óxido de Alumínio 46
Telureto de Bismuto 1,20
Água 0,61
Ar 0,026
Alumínio 247
A resistência térmica, no caso da condução térmica, é dada eq. 4.3:
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
48 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Eq. 4.3
Em que t é a espessura do material, k é a condutividade térmica e A a área. Desta
forma fluxo de calor por condução pode ser conhecido através da eq. 4.4.
Eq. 4.4
4.3.1. Quantidade de Calor/Potência Térmica
É possível estabelecer uma relação entre a quantidade de calor transferida para
um determinado corpo e a alteração de temperatura provocada pela mesma. Essa relação
depende da massa do corpo (m) e do calor específico (Cp) do material que o constitui
[44].
Eq. 4.5
O calor específico é uma propriedade termodinâmica do material, que traduz a
quantidade de calor por unidade de massa necessária para elevar a temperatura do corpo
1 ºC [45]. A tabela 4-2 mostra o valor do Cp de alguns materiais/substâncias utilizados
no trabalho prático.
Tabela 4-2 - Calor especifico dos materiais [25][40].
Material Calor Especifico (J/kg.K)
Água 4186
Ar 1005
Cobre 390
Dowtherm A 1055
Desta forma, é possível conhecer a quantidade de calor transferida para um
objeto/substância a fim de lhe criar uma determinada alteração na temperatura.
Escrevendo a eq. 4.5 em ordem a Q, tem-se:
Eq. 4.6
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 49 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
É possível constatar que quanto maior for a massa do corpo e o seu calor
especifico, maior será a quantidade de energia necessária para criar uma determinada
diferença de temperatura.
A potência térmica é a quantidade de energia por unidade de tempo. Desta forma
a potência térmica transferida entre sistemas é dada pela eq. 4.7:
Eq. 4.7
Esta expressão pode ser usada, por exemplo, para calcular a potência térmica
transferida para um determinado caudal mássico de fluido, fazendo:
( ) Eq. 4.8
Em que m/Δt é o caudal mássico do fluído e é a diferença de
temperatura entre a entrada e a saída do fluído.
4.4. Modelo Térmico
Este subcapítulo apresenta o modelo térmico do sistema implementado,
iniciando-se pela identificação das resistências térmicas em jogo. Este sistema é
composto por um bloco onde estão encostados 4 módulos termoelétricos (face quente
dos módulos), dois em cada face, e considera também duas condutas de arrefecimento
que estão encostadas à face oposta dos módulos (face fria dos módulos). Nas furações
do bloco circulará vapor a alta temperatura, enquanto nas condutas circulará água de um
circuito de arrefecimento. Este modelo permitirá, conhecendo o valor das resistências
térmicas e a temperatura da fonte de calor, prever a diferença de temperatura entre as
faces dos elementos termoelétricos do tipo P e N, sendo que é esta diferença de
temperatura que é responsável pela geração de eletricidade por efeito de Seebeck. A
figura 4.4 mostra as resistências térmicas consideradas no modelo, que posteriormente
necessitam de ser determinadas a fim de ser possível estudar a sua influência.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
50 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.4 - Resistências Consideradas no modelo Térmico.
Analisando a figura acima observam-se as seguintes resistências térmicas do
centro para as extremidades: a resistência térmica de condensação, a resistência térmica
de condução do bloco, a resistência térmica de contacto entre o bloco e a cerâmica, a
resistência térmica do módulo termoelétrico, a resistência térmica de contacto entre a
cerâmica e a conduta de arrefecimento, a resistência térmica de condução das condutas
de arrefecimento e por fim a resistência térmica de convecção das condutas para a água
de arrefecimento. Relativamente à resistência térmica dos módulos termoelétricos, esta
pode ainda ser decomposta nas resistências dos seus diversos constituintes, como se vê
na figura 4.5.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 51 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.5 - Resistências térmicas de um módulo termoelétrico.
Observam-se então as seguintes resistências, da face quente para a face fria:
resistência térmica da cerâmica lado quente, resistência térmica de contacto entre a
cerâmica e o cobre lado quente, resistência térmica cobre lado quente, resistência
térmica de contacto entre o cobre lado quente e os elementos termoelétricos, resistência
térmica dos elementos termoelétricos, resistência térmica de contacto entre os elementos
termoelétricos e o cobre lado frio, resistência térmica cobre lado frio, resistência térmica
de contacto entre o cobre lado frio e a cerâmica, resistência térmica da cerâmica lado
frio. Considerando estas resistências representadas na figura 4.4 e na figura 4.5 é
necessário determinar o seu valor de modo a ser aplicado no modelo elétrico
equivalente.
É possível determinar as resistências térmicas do sistema recorrendo às
expressões a seguir apresentadas. Respeitando a ordem pela qual o sistema foi
apresentado tem-se em primeiro lugar a resistência térmica de condensação, que é dada
pela eq. 4.9 [38]:
Eq. 4.9
Sendo A a área do condensador e h o coeficiente de transferência de calor. No
modelo de condensador utilizado (figura 4.6) a área é obtida através da expressão eq.
4.10.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
52 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.6 - Modelo do condensador implementado.
Observa-se então acima o modelo de condensador implementado, que tem três
furações com 16 mm de diâmetro de numa extremidade e seis furações com 8 mm de
diâmetro na outra, ambos com uma profundidade de 2/3 do comprimento.
( (
)) ( (
[
]))
( (
))
Eq. 4.10
Em que D é o diâmetro das furações mais largas do condensador, o d é o
diâmetro das furações mais estreitas e l é o comprimento dessas furações. No que se
refere ao coeficiente de transferência de calor, é dado pela eq. 4.11 [38]:
(
( ))
Eq. 4.11
A tabela seguinte contém o significado das variáveis utilizadas na eq. 4.11.
Tabela 4-3 - Variáveis para o cálculo da resistência de condensação do bloco [25] [38].
Variável Significado Valor Considerado
H Entalpia de Vaporização do Líquido 2,26e+06
l Densidade do Líquido 958
g Aceleração da Gravidade 9,8
Kl Condutividade do Líquido 6,8e-1
x Altura do condensador 0,128
μ Viscosidade do Líquido 2,83e-4
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 53 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
THP Temperatura do HP 250
TSC Temperatura da Superfície do Condensador 248
Considerando estes valores a resistência térmica de condensação toma o seguinte
valor:
K/W Eq. 4.12
Relativamente à resistência térmica de condução do bloco, para os 4 módulos,
esta pode ser obtida através da equação eq. 4.13 [38]:
(
)
Eq. 4.13
É necessário determinar o shape factor (S), devido a haver uma diferença de
áreas e espessura entre as superfícies que transmitem calor entre si, como é possível
observar na figura 4.7.
Figura 4.7 – Ilustração da necessidade de utilizar um fator de forma devido à espessura e secção de
transferência de calor não constantes no condensador.
Apesar de existirem modelos teóricos que permitem determinar o shape factor
para geometrias simples, é possível fazê-lo recorrendo a um software de elementos
finitos, que utiliza o modelo construído em SolidWorks e permite fazer o estudo do
comportamento térmico do objeto. O procedimento para determinar S passa por calcular
a potência térmica transferida entre o interior e o exterior do condensador para uma
dada diferença de temperatura. Com essa informação é possível deduzir S. Por limitação
do software disponível não é possível conhecer a potência térmica total, sendo apenas
obtido o fluxo de calor por mm2. Para contornar este problema acoplou-se um bloco
fictício de resistência térmica desprezável de forma a, sem alterar a potência térmica,
uniformizar o valor do fluxo de calor para calcular a potência total.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
54 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.8 - Fluxo de calor por unidade de área relativa ao modelo de condensador implementado,
incluído o bloco fictício de alta condutividade para uniformização do fluxo de calor.
Conhecendo o valor médio do fluxo de calor por unidade de área e conhecendo a
área, é possível determinar a potência térmica total transferida. Assim, como se observa
na figura acima, o fluxo de calor por unidade de área é, em média, 18,3 W/mm2, que
multiplicando pela área dos 4 módulos do modelo, tem-se:
( ) W Eq. 4.14
Desta forma, S é determinado através da eq. 4.15:
Eq. 4.15
Então tem-se:
( )
Eq. 4.16
Obtém-se assim um shape factor de 4,68 (m), utilizando uma condutividade de
401 W/mK a 150 ºC, sendo calculada uma resistência térmica de 5,33e-4 K/W. As
restantes resistências térmicas que exijam a determinação do shape factor, são
determinadas utilizando o mesmo método.
A resistência térmica de contacto entre o bloco e a cerâmica é determinada
através da seguinte eq. 4.17:
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 55 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Eq. 4.17
Considerando hc =19000 e A = 0,006272 (m2), obtém-se uma resistência térmica
com o valor de 8,39e-3 K/W. As restantes resistências de contacto consideradas no
modelo são determinadas da forma apresentada na eq. 4.17.
Tabela 4-4 - Resistências Térmicas para o modelo com 4 módulos [25][38][40].
Resistência
Térmica
Condutividade
Térmica
(W/mK)
Shape
Factor
(m)
Área
(m2)
Coeficiente
Transferência
Calor
(W/m2.K)
Resistência
Térmica
(K/W)
Cerâmica 46 5,63 - - 3,86e-3
Contacto Cerâmica
/Cobre - - 0,006272 19000 8,39e-3
Cobre 401 3,7 - - 6,74e-4
Contacto
Cobre/Material TE - - 0,006272 19000 8,39e-3
Material
Termoelétrico 1,20 1,05 - - 0,79
Condução
Condutas Arref. 401 9,92 - - 2,51e-4
O valor da resistência de convecção para as duas condutas de arrefecimento é
dado pela eq. 4.18:
Eq. 4.18
Sendo h determinado a partir de expressões empíricas para um escoamento não
desenvolvido em tubos [40].
Determinado o valor das resistências térmicas do sistema é possível construir o
modelo elétrico equivalente. De forma a facilitar a compreensão do modelo elétrico, a
tabela 4-5 mostra qual o significado equivalente de cada símbolo elétrico utilizado.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
56 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Tabela 4-5 - Significado dos símbolos utilizados no modelo elétrico [7][25].
Símbolo Significado Elétrico Equivalente Térmico Unidade
Fonte de Tensão Temperatura fixa K
Resistência Elétrica Resistência Térmica K/W
Fonte de Corrente Fonte de Calor W
Referencial de
Tensão
Referencial de
Temperatura -
Iniciando por um modelo que permite uma visão mais geral, podem considerar-
se três resistências térmicas fundamentais, como mostra o circuito da figura 4.9. Este
modelo considera para a resistência térmica do lado quente a soma de todas as
resistências térmicas, quer do bloco quer do módulo, que estão do lado do condensador
e antes do material termoelétrico. Relativamente à resistência térmica do lado frio,
contabilizam-se todas as resistências térmicas para lá dos elementos termoelétricos até
às condutas de arrefecimento. Este modelo tem em conta também as conversões de
energia térmica/elétrica que ocorrem devido ao efeito Peltier e ao efeito de Joule, que
têm o seu equivalente elétrico representado através de fontes de corrente.
Figura 4.9 - Circuito elétrico equivalente ao modelo térmico.
As resistências térmicas representadas no esquema elétrico da figura 4.9 podem
ser decompostas, de forma a ter-se um modelo que represente de forma mais detalhada
o modelo implementado e para o qual foram determinados os valores das resistências
anteriormente descritas. Assim a resistência do lado quente pode ter o seu equivalente
no circuito elétrico da figura 4.10.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 57 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.10 - Resistências Térmicas que Compõem a Resistência Térmica Equivalente do Lado
Quente.
Relativamente à resistência térmica dos elementos termoelétricos, este modelo
térmico considera separadamente a resistência térmica dos elementos termoelétricos do
tipo P e do tipo N, cada um destes discretizado em elementos iguais. A resistência
térmica desses mesmos elementos é dividida em três partes iguais, para que possam ser
simuladas as trocas energéticas por efeito de Joule ao longo dos elementos, fazendo
assim uma melhor aproximação. O circuito da figura 4.11 tem representada a resistência
dos elementos termoelétricos, bem como as trocas de energia por efeito de Joule e
Peltier.
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
58 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 4.11 - Resistência Térmica dos Elementos Termoelétricos, Calor por Efeito de Joule e Calor
por Efeito Peltier.
Em relação às fontes de calor por efeito de Joule e por efeito Peltier, os valores
utilizados na simulação são calculados para cada temperatura em questão, utilizando os
dados do modelo elétrico apresentado no capítulo 3.8.
Relativamente à resistência do lado frio, apresentada na figura 4.9, esta pode ser
decomposta nas resistências apresentadas no circuito da figura 4.12.
Figura 4.12 - Resistências Térmicas que Compõem à Resistência Térmica do Lado Frio.
Fazendo a simulação do modelo apresentado, para diferentes valores da
Temperatura Fixa do Lado Quente (diferentes temperaturas do vapor), utilizando uma
Temperatura Fixa do Lado Frio (temperatura água do circuito de arrefecimento) de
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 59 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
20 ºC, é possível obter como output do modelo a temperatura entre as faces de cerâmica
dos módulos, a temperatura entre as faces dos elementos termoelétricos, bem como a
quantidade de calor conduzido através dos elementos termoelétricos dos 4 módulos
instalados no bloco. O gráfico 4.1 reúne o resultado das simulações efetuadas utilizando
o modelo.
Gráfico 4.1 - Diferenças de temperatura entre as faces dos módulos, entre os elementos
termoelétricos e quantidade de calor, em função da temperatura fixa do lado quente.
Observando o gráfico acima é possível ver as diferenças de temperatura
previstas pelo modelo para diferentes temperaturas do vapor no interior do bloco.
Verifica-se para os módulos analisados que o ΔT efetivo à face dos materiais
termoelétricos é entre 10 e 40 ºC inferior ao ΔT nas faces de cerâmica dos módulos. As
diferenças de temperatura previstas pelo modelo são apenas uma aproximação da
realidade, pois as resistências de contacto, nomeadamente as dos módulos
termoelétricos, não são facultadas pelo fabricante, podendo as consideradas não
corresponder exatamente às reais. No entanto, o modelo é funcional e pode ser utilizado
quando conhecidas as resistências térmicas dos materiais e resistências térmicas de
contacto de todo o sistema.
tili ando os dados da simulação à temperatura fixa do lado quente mais
elevada 3 C , foram simuladas no modelo as temperaturas nos diversos pontos do
sistema, permitindo assim ter uma noção de todas as quedas de temperatura desde o
bloco até às condutas de arrefecimento, como é possível observar no gráfico 4.2.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 100 200 300 400C
alo
r [W
]
Dif
eren
ça d
e T
emp
era
tura
[ºC
]
Temperatura Fixa Lado Quente [ºC]
Diferenças de Temperatura e Quantidade de Calor (Modelo Térmico)
Diferença deTemperatura Entreas Faces deCerâmica
Diferença deTemperatura Entreas Faces dosElementosTermoelétricos
Quantidade deCalor
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
60 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 4.2 – Temperaturas nos diversos pontos do sistema.
Pode ser observado que, como esperado, a maior queda de temperatura ocorre
nos elementos termoelétricos, pois estes devem possuir baixa condutividade térmica de
modo a proporcionar uma maior diferença de temperatura entre as suas faces. Queda
acentuada de temperatura ocorre também entre face externa da cerâmica do lado frio e a
água da conduta de arrefecimento, devendo-se essencialmente à elevada resistência
térmica de convecção.
Relativamente ao modelo apresentado na figura 4.4, é possível determinar a sua
potência térmica conhecendo o caudal de água que percorre as condutas de
arrefecimento e a sua diferença de temperatura à entrada e saída desse circuito. Então
tem-se:
( ) (
)
(
) ( ) Eq. 4.19
Conhecendo a potência térmica e conhecendo a potência elétrica gerada pelos
módulos termoelétricos acoplados no sistema é possível determinar o rendimento do
gerador.
( )
Eq. 4.20
0
50
100
150
200
250
300
Tem
pe
ratu
ra [
C]
Pontos Do Sistema
Temperaturas nos Diversos Pontos do Sistema
Temperatura dos gases nointerior do bloco
Temperatura da face externada cerâmica do lado quente
Temperatura da face internada cerâmica do lado quente
Temperatura da face quentedos elementos termoelétricos
Temperatura da face fria doselementos termoelétricos
Temperatura da face internada cerâmica do lado frio
Temperatura da face externada cerâmica do lado frio
Temperatura da água nascondutas de arrefecimento
CAPÍTULO 4 - Termodinâmica
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 61 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Neste capítulo foi desenvolvido um modelo térmico que permite estudar o fluxo
do calor através dos módulos termoelétricos. Desta forma é possível prever a diferença
de temperatura obtida entre as faces de cerâmica dos módulos termoelétricos para cada
temperatura de operação, bem como a quantidade de calor transferida através deles. Este
modelo tem em conta todas as resistências térmicas do sistema constituído por um bloco
condensador com 4 módulos acoplados, possibilitando conhecer o comportamento geral
do sistema e eventuais pontos em que a transferência de calor necessite de otimizações.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 63 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 5
Gerador Termoelétrico com Blocos em Paralelo
5.1. Introdução
Neste capítulo encontram-se descritos todos os passos relativos ao
desenvolvimento do gerador termoelétrico estudado ao longo desta dissertação.
O gerador estudado é constituído por três blocos em paralelo onde são instalados
os módulos termoelétricos, sendo este o ponto de diferenciação em relação ao modelo
apresentado no capítulo seguinte. Inicialmente pode ver-se, em detalhe, todo o processo
de construção e dimensionamento dos Heat Pipes, seguindo-se a caraterização dos
conversores termoelétricos usados. São ainda abordados os sistemas de aquisição de
dados que permitem fazer a análise ao desempenho do gerador. Desta forma, a fim de
tornar possível essa análise, são lidas as temperaturas em diversos pontos do sistema,
bem como as tensões aos terminais dos conversores termoelétricos.
Na fase final deste capítulo são apresentados os testes realizados, o
procedimento experimental e a interpretação dos resultados obtidos.
5.2. Caraterização do Gerador
Neste subcapítulo encontra-se o dimensionamento e montagem do gerador a ser
testado. Podem ser vistas em pormenor todas as peças que o constituem, bem como a
localização dos módulos termoelétricos e a localização dos sensores para aquisição das
temperaturas. O gerador é constituído por várias partes principais, nomeadamente o
evaporador, o condensador, o copo de arrefecimento e o tanque de expansão, como
mostra a figura 5.1.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
64 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico.
A primeira parte a ser dimensionada e montada é o evaporador, que é a zona dos
Heat Pipes que contém o líquido de trabalho no seu interior e que recebe o calor de
forma a ocorrer a evaporação do mesmo. O modelo de evaporador apresentado é
constituído por 18 tubos (Heat Pipes) com alhetas, de forma a promover a transferência
de calor. A figura 5.2 permite uma melhor compreensão do modelo de evaporador, bem
como uma análise às dimensões do mesmo.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 65 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.2 - Modelo do Evaporador do Heat Pipe. Figura 5.3 - Fotografia do
Evaporador com Alhetas.
Ao longo de 220 mm de tubos, encontram-se 145 alhetas (aproximadamente 7
alhetas por cm), com uma espessura de 1 mm, dispostas paralelamente e igualmente
espaçadas. Os HP são unidos na base através de um coletor que garante igual nível de
líquido de trabalho nos tubos, como pode ser visto na figura 5.2. É ainda possível
observar o tubo de vidro que permite visualizar o nível de líquido contido nos HP. Este
modelo contém, até ao nível zero, 37 ml de líquido, correspondendo o nível 0 ao início
das alhetas. A partir do nível 0 pode ver-se um aumento de 6 mm no medidor de nível
por cada 5 ml de líquido introduzido. Até ao nível máximo das alhetas, os Heat Pipes
armazenam 220,3 ml de líquido. Relativamente ao diâmetro dos tubos utilizados, pode
ser visto na figura 5.2 representado pelo caracter “Φ”. A figura 5.3 mostra o evaporador
implementado para este projeto, com os Heat Pipes em cobre e as alhetas em alumínio.
Uma vez construído o evaporador, é necessário dimensionar a conduta dos
gases, de forma a dirigir esses mesmos gases até as alhetas, alcançando o evaporador. A
figura 5.4 e figura 5.5 mostram o desenho do modelo de conduta construído.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
66 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.4 - Modelo da conduta de gases.
Pode então ser observada a conduta e a forma como se encaixa o evaporador na
mesma, bem como o local de entrada e saída de gases.
Figura 5.5 - Vista em corte da conduta de gases.
Na figura 5.6 está a vista em corte do evaporador, da conduta de gases e do
suporte do gerador. Fora da conduta vêem-se, na parte superior, a continuação dos Heat
Pipes que farão a ligação ao condensador, enquanto na parte inferior podem ser vistas as
curvas que ligam os Heat Pipes dois a dois. A implementação desta parte do gerador
pode ser vista na figura 5.6.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 67 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.6 - Implementação da conduta de gases.
À saída da conduta é ligado um ventilador de forma a garantir um caudal de gás
aproximadamente constante, facilitando o seu fluxo. O ventilador ligado pode ser visto
na figura 5.7.
Figura 5.7 - Ventilador para extração de gases.
No que se refere à entrada de gases, esta foi realizada de diferentes formas, pelo
que será explicado para cada sequência de testes particularmente.
A zona de condensação é composta por três blocos de cobre, ligando-se a cada
um deles seis dos dezoito Heat Pipes que se prologam além das alhetas do evaporador.
Cada um destes blocos irá alojar dois módulos termoelétricos em cada face, perfazendo
um total de doze módulos neste modelo de gerador. A figura 5.8 mostra a colocação dos
blocos bem como a colocação dos módulos termoelétricos nos mesmos.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
68 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Figura 5.8 - Gerador termoelétrico com os blocos e módulos termoelétricos colocados.
Pode então ver-se a colocação dos três blocos, além dos módulos termoelétricos
colocados na face esquerda de cada um deles. A cada módulo termoelétrico são
atribuídos três caracteres, como se pode observar na figura 5.8, que permitem conhecer
a sua localização no gerador, facilitando a análise e interpretação de resultados.
A figura 5.9 mostra um bloco e as respetivas dimensões, assim como as furações
onde são soldados os Heat Pipes.
Figura 5.9 - Bloco para colocação dos módulos termoelétricos.
Estas 6 furações têm uma profundidade de 2/3 do bloco, sendo no topo oposto
efetuadas 3 furações com a mesma profundidade e o dobro do diâmetro, criando uma
zona no meio do bloco onde os furos se intercetam. A figura 5.10 mostra uma vista em
corte do bloco, de forma a ser mais percetível o esquema de furações.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 69 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.10 - Vista em corte de um bloco do condensador.
Pode desta forma observar-se que a cada furação da parte superior correspondem
duas da parte inferior. A localização dos furos e os seus respetivos diâmetros podem ser
verificados nas figuras apresentadas a seguir.
Figura 5.11 - Vista do topo inferior do bloco.
A figura 5.11 mostra o topo inferior do bloco, sendo possível ver os furos da
extremidade oposta através dos furos desta face. A figura 5.12 mostra o outro topo da
peça.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
70 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Figura 5.12 - Vista do topo superior do bloco.
Esta vista permite observar na extremidade oposta os seis furos que são visíveis
na figura 5.11. O diâmetro dos furos é, nesta face, de 16 mm.
A figura 5.13 mostra um módulo termoelétrico devidamente identificado,
permitindo explicar a nomenclatura utilizada.
Figura 5.13 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos.
A tabela 5-1 contém o significado de cada um dos carateres: A, B e C.
Tabela 5-1 - Nomenclatura dos módulos termoelétricos
Carater A: C (Cima) B (Baixo)
Carater B: 1 (Bloco 1) 2 (Bloco 2) 3 (Bloco 3)
Carater C: E (Esquerda) D (Direita)
Desta forma é possível identificar individualmente os doze módulos instalados.
Na figura 5.8 estão visíveis apenas os módulos do lado esquerdo (relativamente ao
sentido do fluxo dos gases) do gerador. Percebendo-se também que os gases de entrada
atingem primeiro a zona do evaporador situada por baixo do bloco 3. A face visível na
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 71 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
figura 5.8 é a face fria dos módulos termoelétricos, encostada às condutas de
arrefecimento, estando as faces quentes encostadas a cada um dos blocos do gerador. É
utilizada massa térmica para melhorar a condutividade térmica entre a superfície de
cada bloco e as faces quentes dos módulos acoplados. De forma a criar a maior
diferença de temperatura possível através da espessura dos módulos, são acopladas
condutas de arrefecimento às faces frias dos módulos. Nestas condutas circulará água de
forma a ser retirada a máxima quantidade de calor possível. A figura 5.14 mostra a
forma como são colocadas estas condutas no sistema.
Figura 5.14 - Bloco condensador com módulos e condutas de arrefecimento acopladas.
As condutas de arrefecimento são construídas de forma a otimizar o calor
retirado dos módulos termoelétricos, pelo que têm furações no seu interior criando um
fluxo de água semelhante ao de uma serpentina. A figura 5.15 mostra a vista em corte
de uma conduta de arrefecimento.
Figura 5.15 - Vista em corte de uma conduta de arrefecimento.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
72 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
As seis condutas de arrefecimento formam um circuito em série, por onde
circula a água. Este circuito é independente dos Heat Pipes, não havendo em momento
algum troca ou contacto direto entre os fluidos. A água entra na conduta de
arrefecimento 3 do lado esquerdo, percorre todas as condutas desse mesmo lado, saindo
na conduta de arrefecimento 3 do lado direito, depois de ter percorrido todas os
restantes. A figura 5.16 mostra a implementação deste sistema.
Figura 5.16 - Implementação dos blocos com os módulos e as condutas de arrefecimento.
Na figura 5.16 são assinaladas a entrada e saída de água do circuito de
arrefecimento. Como foi observado anteriormente, da parte superior dos 3 blocos saem
nove tubos, que juntam no coletor, onde estão instalados um manómetro medidor de
pressão e as válvulas para a entrada e saída de ar dos Heat Pipes. A figura 5.17 mostra a
parte superior do gerador superior aos blocos onde estão colocados os módulos.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 73 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.17 - Parte superior do gerador.
Pode então observar-se o coletor para o qual convergem os tubos acima dos
blocos. Num dos topos desse coletor estão instaladas as válvulas que permitem a
entrada e saída de ar e do líquido de trabalho. A figura 5.18 mostra a implementação
dessas mesmas válvulas (não visíveis na figura 5.17), bem como do manómetro de
medidor de pressão.
Figura 5.18 - Válvulas de entrada e saída de ar e manómetro de pressão.
No que se refere aos manómetros para medição de pressão, são utilizados de
dois tipos. Um dos manómetros efetua as medições situadas entre 0 e 40 bar relativos,
enquanto outro dos manómetros mede entre 0 e -1 bar relativos. A figura 5.19 mostra os
manómetros utilizados para efetuar as medições.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
74 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Figura 5.19 - Manómetros utilizados para as leituras da pressão.
Na parte superior do coletor está instalado o copo de arrefecimento, visível na
figura 5.20 e na figura 5.21. Este tem a função de absorver o calor em excesso do
sistema, isto é, se a zona de condensação saturar e não for capaz de absorver todo o
calor, essa função cabe ao copo de arrefecimento. Pode dizer-se que funciona como
segurança para garantir que a condensação ocorre na totalidade, evitando que o vapor se
desloque para as partes superiores do sistema e o evaporador seque totalmente. O copo
tem uma entrada e saída de água, sendo ligado em série com o circuito de arrefecimento
acoplado às faces frias dos módulos. Assim a água que sai no bloco de arrefecimento 3
do lado direito é ligada à entrada de água do copo de arrefecimento. As figuras
seguintes mostram a implementação deste copo de arrefecimento com as respetivas
dimensões.
Figura 5.20 - Vista em corte do copo de arrefecimento.
Figura 5.21 - Fotografia do copo de
arrefecimento.
O último componente do gerador a ser implementado é o tanque de expansão,
este componente permite a estabilização da pressão no interior de Heat Pipe, evitando
oscilações no ponto de ebulição do líquido de trabalho durante a mudança de fase. A
figura 5.22 mostra uma representação do tanque de expansão.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 75 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.22 - Tanque de expansão.
Para finalizar a montagem, o gerador é totalmente isolado com lã de rocha de
forma a evitar perdas de calor. É também introduzida palha-de-aço na conduta de gases
de forma a fomentar a turbulência nos gases, fazendo com que haja uma melhor
transferência de calor.
5.3. Caraterização Módulos Termoelétricos
Neste subcapítulo encontra-se a descrição dos módulos termoelétricos utilizados
no gerador, bem como alguns testes realizados para a sua caraterização. Inicialmente
são analisados os dados fornecidos pelo fabricante, seguindo-se os ensaios realizados
em laboratório. Os módulos adotados para este trabalho foram os da RS Components,
referência 6937116.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
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Figura 5.23 - Módulo termoelétrico RS 6937116 [46].
Figura 5.24 - Esquema de dimensões dos
módulos RS 6937116 [47].
Na figura 5.23 pode ver-se um módulo semelhante aos que foram instalados no
gerador. Na figura 5.24 vê-se o esquema relativo às dimensões dos módulos. Na tabela
5-2 podem ser consultadas algumas características elétricas e térmicas relativas a este
produto.
Tabela 5-2 - Caraterísticas elétricas e térmicas dos módulos RS 6937116 [47].
Número
Junções
Vmáx
(V)
Rin
(Ω)
Imáx
(A)
Pmáx
(W)
Tmáx
(ºC)
W
(mm)
L
(mm)
H
(mm)
RS
6937116 49 3,6 0,27 6,67 12,20 250 62 62 5,3
Os valores contidos na tabela acima são obtidos em testes em que a face quente
dos módulos permanece a uma temperatura fixa de 250 ºC e a face fria a uma
temperatura de 50 ºC. Os gráficos seguintes, fornecidos pelo fabricante, permitem
avaliar o desempenho dos módulos para uma gama alargada de temperaturas e são
referentes à tensão obtida em vazio e à potência obtida com uma carga cujo valor é igual
à resistência elétrica interna do módulo, ambos em função da diferença de temperatura
entre as faces.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 77 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.1 - Tensão em vazio em função da
diferença de temperatura entre as faces dos
módulos RS 6937116 [47].
Gráfico 5.2 - Potência em função da diferença de
temperatura entre as faces dos módulos RS
6937116 [47].
Pode observar-se no gráfico 5.1 e gráfico 5.2 que para uma diferença de
temperatura acima dos 200 ºC as curvas da tensão e da potência começam a divergir
para diferentes valores da temperatura da face fria. Este facto deve-se a uma alteração
do coeficiente de Seebeck dos materiais para essas temperaturas. Para o valor máximo
de diferença de temperatura aconselhado pelo fabricante, 200 ºC, obtêm-se valores de
tensão entre os 2,5 e 3 V, e valores de potência elétrica entre os 9 e 10 W. O gráfico 5.3
mostra os resultados de alguns testes realizados com estes módulos, possibilitando a
comparação com os valores teóricos facultados pelo fabricante. Estes testes foram
realizados a uma temperatura média da face fria de 37 ºC, sendo a máxima diferença
testada de aproximadamente 192 ºC, todos os pontos visíveis nos gráficos seguintes são
em regime permanente.
Gráfico 5.3 - Tensão em função da diferença de temperatura entre faces dos módulos RS 6937116,
com a face fria a 37 ºC.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
78 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Pela observação do gráfico 5.3 podem ver-se que os valores de tensão obtidos
experimentalmente superam ligeiramente os valores fornecidos pelo fabricante, facto
que pode estar relacionado com os instrumentos de medição de temperatura ou a
colocação dos mesmos. Seguidamente foi feita a análise ao comportamento da tensão
em carga, sendo para isso ligada uma resistência de 0,27 Ω/35 W aos terminais do
módulo. Este valor da resistência de carga, idêntico ao da resistência elétrica interna dos
módulos, é o que permite extrair do módulo a máxima potência, como explicado no
capítulo 3.7.
Gráfico 5.4 - Tensão em função da diferença de temperatura entre faces dos módulos RS 6937116,
com a face fria a 37 ºC.
O gráfico 5.4 mostra que a tensão em carga cresce de forma aproximadamente
linear com o aumento da diferença de temperatura. Outro fator que importa analisar, por
influenciar diretamente os valores de potência elétrica gerada, é a variação da
resistência interna (Ri) do módulo. Pode ver-se no gráfico 5.5 que a resistência elétrica
interna do módulo aumenta à medida que a diferença de temperatura entre as suas faces
aumenta.
0
0,5
1
1,5
2
0 50 100 150 200 250
Ten
são
em
Car
ga [
V]
Diferença de Temperatura [ºC]
Tensão em Carga
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 79 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.5 - Resistência elétrica interna dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC.
A resistência subiu de 0,32 Ω a uma diferença de temperatura de 72 ºC, para os
0,4 Ω a uma diferença de temperatura de 192 ºC, superando os valores do fabricante.
Analisando os valores de potência elétrica gerada para as mesmas diferenças de
temperatura podem comparar-se, mais uma vez, os resultados com os valores teóricos.
O gráfico 5.6 mostra a potência obtida nos diversos ensaios realizados, bem como os
dados do fabricante.
Gráfico 5.6 - Potência elétrica máxima obtida para os módulos RS 6937116, com a face fria a 37 ºC.
Analisando os dados do gráfico 5.6, pode verificar-se que os valores teóricos e
experimentais são relativamente próximos, significando que o funcionamento dos
módulos está de acordo com o especificado pelo fabricante, validando os ensaios
experimentais realizados. Obteve-se uma potência elétrica máxima de 9,4 W para uma
diferença de temperatura de 192 ºC.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 50 100 150 200 250
Re
sist
ên
cia
[Ω]
Diferença de temperatura [ºC]
Resistência Elétrica Interna
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
80 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Relativamente à caraterização térmica dos módulos começa por observar-se a
potência térmica transferida através destes, no gráfico 5.7.
Gráfico 5.7 - Potência térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de temperatura
entre as faces, com a face fria a 37 ºC.
Pela análise do gráfico acima, a máxima potência térmica num módulo atingiu
os 360 W, para uma diferença de temperatura de 192 ºC. No gráfico 5.8 pode ser visto
como varia a resistência térmica destes módulos nos ensaios realizados.
Gráfico 5.8 - Resistência elétrica interna dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC.
É possível verificar que ocorre um decréscimo da resistência térmica interna
com o aumento da diferença de temperatura entre as faces, de forma sensivelmente
linear. A variação da condutância térmica, que é o inverso da resistência térmica, é
apresentada no gráfico 5.9.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250
Po
tên
cia
[W]
Diferença de temperatura [ºC]
Potência Térmica
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 50 100 150 200 250
Re
sist
ên
cia
[K/W
]
Diferença de temperatura [ºC]
Resistência Térmica Interna
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 81 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.9 - Condutância Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC.
O gráfico 5.10 mostra como varia a condutividade destes módulos, que é a
condutância multiplicada pela espessura e dividida pela área. A condutividade é uma
característica do material, não dependendo da geometria.
Gráfico 5.10 - Condutividade Térmica dos módulos RS 6937116 em função da diferença de
temperatura entre as faces, com a face fria a 37 ºC.
5.4. Aquisição de Dados
Este subcapítulo explica a aquisição de dados efetuada neste trabalho bem como
as ferramentas utilizadas para tal. Numa fase inicial serão abordadas as leituras das
temperaturas nos mais diversos pontos do gerador, seguindo-se as leituras de tensão aos
terminais dos módulos.
Para efetuar a leitura das temperaturas no gerador foi utilizada uma placa de
aquisição de dados da National Instruments NI 4350 (figura 5.25) que permite fazer até
14 leituras de termopares em simultâneo e tem uma resolução de 24 bits.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 50 100 150 200 250cCo
nd
utê
nci
a Té
rmic
a [W
/K]
Diferença de temperatura [ºC]
Condutância Térmica
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0 50 100 150 200 250Co
nd
uti
vid
ade
Té
rmic
a [W
/(m
.K)]
Diferença de temperatura [ºC]
Condutividade Térmica
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
82 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.25 - Placa de aquisição de temperaturas NI 4350.
É também possível observar a placa de acondicionamento de sinal, que recebe
sinal dos termopares colocados no gerador para leitura das temperaturas. Os canais
utilizados para leitura dos termopares são os situados entre 2 e 15, visto que os canais 0
e 1 são reservados, servindo para a leitura da temperatura ambiente através de um
termístor e para eliminar erros de offset, respetivamente [48]. Com este sistema de
aquisição obtém-se uma leitura a cada 1,6 segundos, em média. Os termopares
utilizados para aquisição de sinal são do tipo K, suportam uma temperatura máxima de
1100 ºC e mínima de 0 ºC e podem ser vistos na figura 5.26.
Figura 5.26 - Termopares com bainha metálica utilizados para leitura das temperaturas.
Na imagem acima vê-se também o conector utilizado para efetuar a ligação entre
o termopar e a placa de acondicionamento de sinal.
Relativamente ao software utilizado para fazer o interface com estes
instrumentos de leitura foi utilizado o VirtualBench, software da National Instruments.
O VirtualBench combina aquisição de dados, análise e apresentação num só pacote de
software fácil de utilizar com o hardware de aquisição da National Instruments. Este
programa inclui 10 instrumentos prontos a correr (osciloscópio, analisador dinâmico de
sinal, gerador de formas de onda arbitrárias, multímetro digital, gerador de função,
registo de dados, contador, analisador lógico, editor de formas de onda, e calibrador de
dispositivo) [49]. Na figura 5.27 é apresentado o interface gráfico do programa, onde se
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 83 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
pode ver o gráfico das temperaturas em tempo real e o valor das mesmas na coluna da
direita. É possível também exportar e armazenar dados num formato à escolha para
posterior análise e tratamento, estes dados são apresentados com uma etiqueta de tempo,
permitindo saber o instante da recolha dos dados.
Figura 5.27 - Interface gráfico do programa de aquisição de temperaturas VirtualBench.
Neste trabalho os dados são exportados para uma folha de cálculo, como pode
ser visto na figura 5.28, contendo as leituras das temperaturas relativas aos canais entre
0 e 15 e a respetiva data e hora da amostra.
Figura 5.28 - Parte da folha de cálculo com os dados exportados do VirtualBench.
Posteriormente terá de ser somado a estes valores de temperatura o valor da
temperatura ambiente, que é obtido fazendo a média de duas leituras, uma no início do
procedimento experimental outra no final do mesmo.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
84 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Tendo em conta as limitações no que respeita ao número máximo de locais onde
a temperatura pode ser lida, efetuou-se uma análise de forma a determinar os pontos
onde essas leituras são consideradas mais importantes. Desta forma os locais escolhidos
e a respetiva nomenclatura atribuída podem ser vistos na tabela 5-3.
Tabela 5-3 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador
Nomenclatura Local de leitura da temperatura
TEG_fria_C3D Face fria do módulo C3D
TEG_quente_C3D Face quente do módulo C3D
TEG_fria_B1E Face fria do módulo B1E
TEG_quente_B1E Face quente do módulo B1E
TEG_fria_B3E Face fria do módulo B3E
TEG_quente_B3E Face quente do módulo B3E
HP_3 Temperatura interna dos Heat Pipes no
bloco 3
Entrada_Água_B3E Temperatura da água à entrada do circuito
de arrefecimento
Saída_Água_B3D Temperatura da água a saída do circuito
de arrefecimento ou entrada do copo.
Saída_Água_Copo Temperatura da água à saída do copo de
arrefecimento
Entrada_Gases Temperatura de entrada dos gases medida
na entrada da conduta de gases
Saída_Gases Temperatura de saída dos gases medida na
saída da conduta de gases
T1
Temperatura medida na parte superior do
bloco 3, num dos tubos que liga o bloco
ao coletor
T3 Temperatura medida imediatamente antes
do tanque de expansão
Decidiu-se efetuar a leitura da temperatura em ambas as faces de um módulo
colocado em baixo no bloco 3 e de outro colocado em cima, isto permite avaliar a
influência da colocação dos módulos no bloco. A leitura da temperatura nas faces do
módulo B1E permite verificar se as diferenças de temperatura entre as faces dos
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 85 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
módulos colocados no bloco 1 são idênticas às do bloco 3, analisando assim eventuais
diferenças de funcionamento entre blocos.
A leitura da temperatura HP_3 permite analisar o ponto de ebulição do líquido
de trabalho e saber exatamente a pressão de funcionamento no interior do HP. As
leituras de temperatura à entrada e saída do circuito de arrefecimento permitem saber a
potência térmica transferida para a água, possibilitando desta forma uma análise ao
rendimento do sistema. A análise à diferença de temperatura da água entre a entrada e
saída de água do copo de arrefecimento torna possível a análise da potência térmica que
foi excessivamente fornecida ao sistema. No que se refere à leitura da temperatura de
entrada e saída de gases, esta permite saber se o calor fornecido ao sistema está a ser
completamente absorvido ou se existe desperdício do mesmo. A leitura das
temperaturas T1 e T3 permitem saber qual a zona do gerador alcançada pelo vapor, isto
é, até onde subiu o vapor e qual o lugar onde condensa. A exigência em avaliar todos os
fatores anteriormente referidos faz com que sejam estes os pontos escolhidos para
medição da temperatura, embora o sistema esteja preparado para a leitura em muito
mais pontos, sendo possível a sua alteração se os procedimentos experimentais a isso
conduzirem. As imagens seguintes mostram os locais de colocação dos termopares nos
blocos e nas condutas de arrefecimento. A figura 5.29 mostra furações nos blocos, com
profundidade de 31 mm (metade da altura de um módulo), que permitem medir a
temperatura das faces quentes dos módulos aí colocados, bem como uma furação com
uma adaptação para a leitura da temperatura interna do HP.
Figura 5.29 - Furações nos blocos para colocação dos termopares.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
86 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Para a leitura da temperatura na face fria dos módulos, existem furações com
profundidade de 31 mm nas condutas de arrefecimento que permitem colocar os
termopares centrados em cada módulo, como se pode ver na figura 5.30.
Figura 5.30 - Furações nas condutas de arrefecimento para colocação dos termopares.
Relativamente à aquisição dos sinais de tensão aos terminais dos módulos
termoelétricos esta é feita com o recurso a duas placas de aquisição de sinal da National
Instruments com a referência NI 6008, que podem ser vistas na figura 5.31.
Figura 5.31 - Placa para aquisição de tensões NI 6008.
Utilizaram-se duas placas deste tipo devido ao número de entradas analógicas
disponíveis em cada uma, apenas oito [50]. Como existem doze módulos neste modelo
de gerador e é necessário ler a tensão aos terminais de todos eles, recorre-se à utilização
de duas placas. A resolução disponível é de 12 bits, e o interface utilizado neste trabalho
é em Labview. Utilizando este sistema de leitura de tensões obtêm-se amostras, em
média, a cada segundo.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 87 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.32 - Parte da folha de cálculo com dados exportados do LabView
Os dados são exportados para uma folha de cálculo como pode ser visto na
figura 5.32, sendo a coluna da esquerda o tempo em segundos relativos a cada amostra,
e as colunas da direita (amarelo) são as tensões lidas em aos terminais de cada módulo.
No que diz respeito à leitura de tensões é necessário efetuar as mesmas em vazio e em
carga, de forma a calcular a resistência elétrica interna. Assim, decidiu-se ler
alternadamente as tensões em carga e em vazio para módulos colocados na mesma
posição relativamente ao bloco, por exemplo, os módulos colocados em baixo no
mesmo bloco terão: um a leitura em carga e outro a leitura em vazio, sucedendo o
mesmo para os colocados na parte superior. A tabela 5-4 mostra como foram
distribuídas as leituras das tensões ao longo dos 3 blocos.
Tabela 5-4 - Nomenclatura relativa à leitura de tensões.
Nomenclatura Módulo e forma de leitura
Tensão_carga_C3E Tensão em carga no módulo C3E
Tensão_B3E Tensão em vazio no módulo B3E
Tensão_C2E Tensão em vazio no módulo C2E
Tensão_carga_B2E Tensão em carga no módulo B2E
Tensão_carga_C1E Tensão em carga no módulo C1E
Tensão B1E Tensão em vazio no módulo B1E
Tensão_C3D Tensão em vazio no módulo C3D
Tensão_carga_B3D Tensão em carga no módulo B3D
Tensão_carga_C2D Tensão em carga no módulo C2D
Tensão_B2D Tensão em vazio no módulo B2D
Tensão_C1D Tensão em vazio no módulo C1D
Tensão_carga_B1D Tensão em carga no módulo B1D
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
88 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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Nas figura 5.33 e figura 5.34 é possível visualizar o sistema em funcionamento
com os sistemas de aquisição a fazerem a recolha de informação já referida. Na figura
5.33 é possível ver o sistema pronto a iniciar, já com as placas de aquisição de dados
conectadas aos computadores, com o sistema de arrefecimento já em funcionamento e o
maçarico pronto a ser ligado. Na figura 5.34 vê-se o maçarico já em funcionamento e a
conduta de gases incandescente.
Figura 5.33 - Gerador preparado para entrar em funcionamento.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 89 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.34 - Entrada de gases na conduta.
5.5. Tratamento de Dados
Depois de efetuar a aquisição de dados é necessário proceder à sua
sincronização, isto é, os dados são provenientes de leituras efetuadas por três
dispositivos distintos, que embora sejam acionados no mesmo instante têm taxas de
amostragem diferentes, pelo que é necessário sincronizar os dados. Esta tarefa é
realizada com recurso a funções disponíveis na folha de cálculo utilizada, que agrupa os
dados relativos a instantes de tempo semelhantes. Com os dados sincronizados é
necessário efetuar cálculos que permitam uma análise mais completa ao comportamento
do sistema, nomeadamente através da análise gráfica.
A diferença temperatura relativa à água na entrada e saída do circuito de
arrefecimento pode ser obtida através da eq. 5.1.
(ºC) Eq. 5.1
De forma semelhante a eq. 5.2 permite calcular a diferença de temperatura da
água, desta vez entre a entrada e saída do copo de arrefecimento.
(ºC) Eq. 5.2
É calculada também a potência térmica transferida para a água através dos
módulos, o seu valor é obtido através da eq. 5.3.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
90 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
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( )
Eq. 5.3
A potência térmica transferida para a água através do copo de arrefecimento é
calculada utilizando a mesma expressão, utilizando a diferença de temperatura
correspondente ( ). De seguida são quantificadas através de cálculos
simples diversas temperaturas que interessam analisar, como são os casos das
representadas na tabela 5-5.
Tabela 5-5 - Temperaturas calculadas.
Nomenclatura Significado
Diferença de temperatura entre a entrada e
saída dos gases.
Média das temperaturas das faces quentes dos
módulos.
Média das temperaturas das faces frias dos
módulos.
Média das diferenças de temperatura entre as
faces quente e fria dos módulos.
Média das diferenças de temperatura entre as
faces quente e fria dos módulos do bloco 3
A equação eq. 5.4 permite calcular a condutância térmica do sistema, esta é dada
por:
( )
Eq. 5.4
A condutividade térmica do sistema é dada pela eq. 5.5.
( )
Eq. 5.5
A resistência térmica interna do sistema é dada pela eq. 5.6.
( )
Eq. 5.6
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 91 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
No que diz respeito ao tratamento das tensões lidas aos terminais dos módulos,
inicia-se com o cálculo da média das tensões em vazio relativas aos módulos colocados
na parte superior dos blocos.
( ) ( )
Eq. 5.7
A eq. 5.8 permite calcular a média das tensões em vazio relativas aos módulos
colocados na parte inferior dos blocos:
( ) ( )
Eq. 5.8
Utilizando a eq. 5.9 obtém-se a média das duas equações anteriores.
( ) ( )
Eq. 5.9
O sistema implementado é composto por 12 módulos termoelétricos. Em 6 deles
é lida a tensão em carga e nos restantes é lida a tensão em vazio. Desta forma na eq.
5.10 usa-se a o resultado da eq. 5.9, multiplicando-o pelo número total de módulos,
permitindo desta forma conhecer o valor total da tensão em vazio.
( ) Eq. 5.10
A média das leituras das tensões em carga, relativas aos módulos colocados na
parte superior dos blocos, é dada pela eq. 5.11:
( )
( )
Eq. 5.11
A eq. 5.12 permite obter a média das leituras das tensões em carga, relativas aos
módulos colocados na parte inferior dos blocos:
( )
( )
Eq. 5.12
A média das tensões em carga relativas aos módulos colocados na parte superior
e inferior dos blocos é dada pela eq. 5.13:
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
92 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
( )
( )
Eq. 5.13
Dada a impossibilidade, já explicada, de ler todas as tensões em carga, é
utilizada a média obtida na eq. 5.13 e multiplicada pelo número total de módulos,
obtendo-se assim a eq. 5.14:
( ) Eq. 5.14
Os cálculos que se seguem são relativos à resistência elétrica interna dos
módulos termoelétricos. É efetuado o cálculo separadamente para os módulos colocados
na parte superior e na parte inferior de cada um dos 3 blocos. A resistência elétrica
interna de cada módulo colocado na parte superior do bloco 3 é dada pela eq. 5.13,
baseada na eq. 3.25 deduzida teoricamente.
( ) (( )
) Eq. 5.15
A resistência elétrica interna de cada módulo colocado na parte inferior do bloco
3 é dada pela eq. 5.16:
( ) (( )
) Eq. 5.16
As resistências elétricas internas colocadas nas partes superiores e inferiores de
cada um dos restantes bloco são obtidas da mesma forma.
Com os valores relativos às resistências elétricas internas de cada módulo
calculados, é possível determinar a potência gerada em cada bloco, iniciando-se por
calcular as potências nas partes superiores e inferiores de cada bloco separadamente. A
eq. 5.17 permite calcular a potência gerada pelos 2 módulos colocados na parte superior
do bloco 3, calculo baseado na eq. 3.33 deduzida teoricamente.
( ) ( ( ))
Eq. 5.17
A eq. 5.18 permite calcular a potência gerada pelos 2 módulos colocados na
parte inferior do bloco 3.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 93 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
( ) ( ( ))
Eq. 5.18
A potência elétrica total gerada no bloco 3 é obtida através da eq. 5.19.
( ) Eq. 5.19
É utilizado o mesmo método para determinar a potência elétrica nos blocos 1 e
2. A potência elétrica total gerada no sistema é dada pela soma das potências geradas
nos 3 blocos (eq. 5.20).
( )
Eq. 5.20
Finalmente, o rendimento do sistema é obtido através da eq. 5.21.
( )
Eq. 5.21
Estes cálculos são efetuados automaticamente na ferramenta de cálculo para
cada instante de tempo em que existem leituras disponíveis nas três placas de aquisição,
ou seja, todos estes cálculos são efetuados aproximadamente a cada 1,6 segundos.
Tendo em conta que cada procedimento experimental tem, em média, 2500 segundos,
estes cálculos são efetuados 1500 vezes, aproximadamente, durante cada teste,
permitindo assim uma análise mais completa.
5.6. Testes e Resultados
São apresentados diversos testes realizados com o objetivo de estudar o
desempenho deste sistema de transferência de calor com controlo da temperatura a
diferentes pressões. Com a variação da pressão no interior do Heat Pipe, consegue-se
manipular o ponto de ebulição do líquido de trabalho, obtendo diferentes temperaturas
de funcionamento. No entanto, paralelamente, são também analisados fatores como a
variação da potência térmica fornecida ao sistema. Relativamente às condições em que
o sistema opera, há variáveis que são mantidas constantes ao longo dos testes, como a
quantidade do líquido de trabalho no interior do Heat Pipe, a abertura da conduta de
entrada de gases e o caudal de arrefecimento. A quantidade de líquido de trabalho é de
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
94 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
174,5 ml (corresponde a ¾ da altura das alhetas), a conduta de entrada de gases é
mantida totalmente aberta e o caudal de água de arrefecimento é de aproximadamente
80 L/h. O caudal de arrefecimento é medido cronometrando o tempo que demora a
encher um balão volumétrico de um litro e convertendo para L/h. O valor do caudal
resulta da média de várias leituras efetuadas durante cada ensaio. Como forma de
simular os gases de escape de um automóvel são utilizados um ou dois queimadores
como o que pode ser visto na figura 5.35. Normalmente o teste é iniciado utilizando
apenas um queimador sendo eventualmente acionado o segundo quando o sistema
atinge o regime permanente com o primeiro.
Figura 5.35 - Queimador utilizado para simulação dos gases de escape.
Numa primeira fase o líquido de trabalho utilizado nos testes foi a água, tendo-se
utilizado posteriormente também o Dowtherm A.
5.6.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho
O gráfico 5.11 mostra com varia a pressão da água em função da temperatura de
ebulição.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 95 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.11 - Pressão absoluta em função da temperatura de ebulição da água [51].
A tabela 5-6 contém os valores de pressão aos quais o sistema foi submetido e
testado, estes valores têm um máximo, por questões de segurança, de aproximadamente
12 bar. Para aumentar a pressão no interior do Heat Pipe é utilizado um compressor
com capacidade de elevar a pressão até 20 bar através da injeção de ar comprimido.
Tabela 5-6 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição da água.
Pressão abs. (bar) Ponto de ebulição (ºC)
1 100
2,9 133
4,1 144
6 159
7,4 167
9,5 177
12 188
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200 250
Pre
ssão
Ab
s. [
bar
]
Temperatura [ºC]
Água
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
96 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
No gráfico 5.12 pode ver-se a evolução das temperaturas em diversos pontos do
gerador, bem como a evolução das potências térmica e elétrica ao longo do tempo para o
teste efetuado a 1 bar.
Gráfico 5.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 83,5 L/h.
Como pode ser observado no gráfico 5.12, a temperatura no interior do Heat
Pipe estabiliza sensivelmente ao fim de 100 segundos e fixa-se aproximadamente nos
100ºC, como esperado teoricamente para a pressão utilizada. As temperaturas medidas
nas faces quentes dos módulos colocados no bloco 3 estabilizam próximo dessa mesma
temperatura, enquanto as faces quentes dos módulos colocados no bloco 1 apenas
alcançam uma temperatura de aproximadamente 29ºC, verificando-se que este bloco se
encontra inativo para efeitos práticos. Relativamente ao bloco 3 existe apenas uma
diferença de 2ºC entre o interior do HP e a face quente dos módulos aí colocados, sendo
igual a diferença de temperatura entre a face fria e a água do circuito de arrefecimento,
ficando assim demonstrado o bom desempenho do sistema em termos de transferência
de calor. Ao fim de cerca de 800 segundos é atingido o regime permanente, não se
verificando uma diminuição da potência térmica transferida através dos módulos,
mesmo baixando a potência térmica fornecida ao sistema. A redução da potência de
entrada apenas tem como consequência o abaixamento da potência térmica transferida
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
100
200
300
400
500
600
0 400 800 1200 1600
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
1 bar ; 100ºC ; 174,5 ml Água ; 4/4 abertura ; 83,5 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
T1
T3
ΔT_TEG_Média
TEG_quente_B1E
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B1E
TEG_fria_B3E
Potência_térmica_Copo
Potência_elétrica
Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 97 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
para o copo de arrefecimento, que absorve a potência em excesso. Este facto pode ser
verificado analisando a curva da potência térmica no copo, que decresce sensivelmente
à mesma taxa que a temperatura dos gases de entrada.
A potência elétrica gerada também não sofre alterações com a diminuição da
carga térmica fornecida ao sistema, facto esperado, visto também não ter havido
alteração na potência térmica transferida através dos módulos. O valor da potência
elétrica é então de aproximadamente 7,2 W. Analisando o gráfico 5.13 e o gráfico 5.14
pode ver-se a contribuição que cada bloco tem na tensão e potência elétrica produzida.
Gráfico 5.13 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar, 174,5
ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h.
Apenas o bloco 3 funciona dentro das condições desejadas, gerando cada
módulo cerca de 1,5 V em vazio e 0,7 V em carga, sendo os valores dos blocos 1 e 2
próximos de zero, comprovando que não recebem calor suficiente. Estas diferenças são
ainda mais marcadas no que toca às potências elétricas geradas, como se pode ver no
gráfico 5.14, isto é natural tendo em conta que .
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 400 800 1200 1600
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_C3E
Tensão_carga_B3D
Tensão_B2D
Tensão_C2E
Tensão_B1E
Tensão_carga_B2E
Tensão_carga_C2D
Tensão_C1D
Tensão_Carga_B1D
Tensão_carga_C1E
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
98 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.14 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 83,5 L/h.
Comprova-se que a contribuição dos blocos 1 e 2 na potência total gerada é
praticamente residual. Funcionando nestas condições o sistema alcança um rendimento
aproximado de 1,4 %.
Comprovada a inatividade dos blocos 1 e 2 em termos práticos e verificado o
baixo rendimento do sistema a operar nestas condições, decidiu-se efetuar a análise
planeada apenas para o bloco 3, visto que é deste que provém, quase na totalidade, a
energia gerada. Nestas novas condições de teste espera-se um aumento significativo do
rendimento, pois a potência térmica transferida através dos módulos contabilizada será
inferior, apenas a do bloco 3, e a potência elétrica será aproximadamente a mesma. A
figura 5.36 mostra qual a parte do sistema que é analisada individualmente. Para esta
análise foi necessário alterar o circuito de arrefecimento para que diferença de
temperatura da água lida à entrada e à saída do circuito correspondesse apenas às
condutas colocadas no bloco 3.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 400 800 1200 1600
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_bloco3
Potência_elétrica_bloco2
Potência_elétrica_bloco1
Potência_elétrica_total
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 99 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 5.36 - Análise individual do funcionamento do bloco 3.
No gráfico 5.15 podem ver-se as temperaturas de operação do sistema e as
potências obtidas, relativas ao bloco 3 do gerador, funcionando em condições
semelhantes às aplicadas no teste anterior.
Gráfico 5.15 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,2 L/h.
0
2
4
6
8
0
200
400
600
800
1000
1200
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
1 bar ; 100ºC ; 174,5 ml Água ; 4/4 abertura ; 85,2 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
T1
T3
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B3E
ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_3Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
100 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Este teste é composto por duas partes distintas. Inicialmente foi aplicada uma
carga térmica ao sistema, que posteriormente (1700 segundos) foi elevada a fim de se
verificar o efeito produzido no sistema. Era esperado que o aumento da carga térmica
não produzisse qualquer efeito na pressão/temperatura interna do HP, no entanto isso
não se verificou. Com uma observação mais atenta (ver figura 5.15) é possível ver que a
temperatura do termopar T3, imediatamente antes do tanque de expansão, tende para a
temperatura no interior do Heat Pipe, o que significa que o vapor atingiu o tanque. Este
facto ocorre porque a taxa de condensação atingiu o limite máximo, quer no
condensador, quer inclusivamente no copo de arrefecimento, passando o vapor para o
tanque. A geração de vapor foi tanta que houve um aumento de pressão no interior do
Heat Pipe, conduzindo a um aumento do ponto de ebulição do líquido de trabalho.
Neste caso o aumento de pressão é significativo, passando esta a ser de
aproximadamente 1,5 bar, 10 ºC.
A baixa resistência térmica do sistema referida no teste anterior pode aqui ser
comprovada, o gráfico 5.16 mostra a pequena diferença de temperatura entre as faces
quentes do módulos e o interior do HP, aproximadamente 2 ºC. A diferença de
temperatura entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento é de
aproximadamente 5 ºC em regime permanente.
Gráfico 5.16 - Diferenças de temperatura entre o interior do HP e as faces quentes dos módulos e
entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
Tempo [segundos]
Temperaturas
Temperatura do HP
Temperatura Médias dasFaces Quentes do Bloco 3
Temperatura Média dasFaces Frias do Bloco 3
Temperatura Média daÁgua
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 101 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
A ligeira descida da temperatura média da água pode ter origem num pequeno
aumento do caudal de arrefecimento, que não é possível controlar. A média das
diferenças de temperatura entre as faces quente e fria de cada módulo instalado neste
bloco é de aproximadamente 72ºC.
Considerando a primeira parte do teste, a potência térmica transferida através
dos módulos do bloco 3 é significativamente inferior à do conjunto dos 3 blocos, sendo
de aproximadamente 350 W. A potência térmica absorvida pelo copo de arrefecimento é
de aproximadamente 600 W, quase duas vezes a potência utilizada para produção
energética.
Em termos elétricos, no que diz respeito à primeira fase deste teste, quase se
mantém a potência obtida com o conjunto dos 3 blocos, descendo apenas de 7 W para
um pouco acima dos 6 W, como mostra o gráfico 5.17.
Gráfico 5.17 - Potência elétrica e tensões do bloco 3, com gerador funcionando a 1 bar, 174,5 ml de
água no interior do HP e caudal de arrefecimento 85,2 L/h.
Relativamente às tensões obtidas neste bloco, verifica-se que o seu valor quase
coincide com as do teste anterior, o que já se esperava por funcionar em condições
idênticas. Assim, o rendimento do sistema nestas condições de teste atinge os 1,7%,
registando-se um aumento de 0,3 % relativamente ao teste em que se efetuou a análise
aos 3 blocos. Posteriormente é possível observar um aumento da potência elétrica, para
aproximadamente 8 W, quando a pressão se eleva para 1,5 bar. Conclui-se então, que
um aumento da pressão no interior do HP conduz a um aumento da potência elétrica
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão e Potência Elétrica Bloco 3
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_C3E
Tensão_carga_B3D
Potência_elétrica_bloco3
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
102 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
gerada, pois a temperatura no interior do HP sobe, criando uma maior diferença de
temperatura entre as faces dos módulos, devido aumento da temperatura da face quente.
O procedimento experimental que se segue é efetuado a 12 bar, pretende-se
então verificar os efeitos produzidos pelo aumento da pressão. A esta pressão a
temperatura no interior do HP deve estabilizar nos 188ºC aproximadamente. O gráfico
5.18 mostra o comportamento do gerador durante este teste.
Gráfico 5.18 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
174,5 ml de água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h.
À semelhança do teste realizado ao bloco 3 a 1 bar, a carga térmica fornecida ao
sistema foi aumentada sensivelmente a meio do teste, como se pode ver pelo aumento
da temperatura dos gases de entrada um pouco após os 1500 segundos. Desta vez o
aumento de pressão não é tão significativo como no teste a 1 bar. Analisando o sistema
em termos de potência térmica, pode ver-se que o aumento da carga térmica fornecida
praticamente não tem efeito no seu valor, pois o condensador já se encontra saturado,
não sendo possível transferir mais calor para os módulos termoelétricos. Ocorre então
um aumento brusco da potência térmica no copo, que escoou o calor excedente.
O gráfico 5.19 mostra a média das diferenças de temperatura entre as faces
quente e fria dos módulos em funcionamento no bloco 3.
0
5
10
15
20
25
30
35
0
200
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600
800
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0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Po
tên
cia
elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
12 bar ; 188ºC ; 174,5 ml Água ; 4/4 abertura ; 85,3 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
T1
T3
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B3E
ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_3Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 103 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.19 - ΔT_TEG_Média_bloco3 para gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no
interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h.
Verifica-se então que, em média, os módulos colocados neste bloco têm uma
diferença de temperatura entra as faces de aproximadamente 146 ºC em regime
permanente, sofrendo um ligeiro aumento aos 1500 segundos por razões já
mencionadas.
A potência elétrica alcança então, antes do aumento da carga térmica fornecida,
um valor em regime permanente de aproximadamente 22 W, subindo cerca de 16 W em
relação ao funcionamento do sistema a 1 bar. O gráfico 5.20 mostra as tensões e a
potência elétrica obtidas ao logo do tempo.
0
20
40
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80
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140
160
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
Tempo [segundos]
ΔT_TEG_Média_bloco3
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
104 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.20 - Potência elétrica e Tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de
água no interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,3 L/h.
As tensões obtidas em vazio são de aproximadamente 2,7 V, enquanto as tensões
em carga registam valores próximos dos 1,2 V, valores muito superiores aos obtidos a
1 bar. Verificado o output do sistema, o gráfico 5.21 permite ver a evolução do
rendimento em função do valor de ΔT_TEG_Média_bloco3.
Gráfico 5.21 - Rendimento do bloco 3, com gerador funcionando a 12 bar 174,5 ml de água no
interior da HP e caudal de arrefecimento de 85,33 L/h.
0
5
10
15
20
25
0
0,5
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3
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0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão e Potência Elétrica Bloco 3
Tensão_carga_C3E
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_B3D
Potência_elétrica_bloco3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Re
nd
ime
nto
[%
]
ΔT_TEG_Média _bloco3[°C]
Rendimento Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 105 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
O rendimento do sistema em regime permanente é de aproximadamente 2,9 %,
registando um aumento de 1,2 % em relação ao teste realizado a 1 bar. Pode ver-se no
gráfico 5.21 a curva do rendimento durante a entrada em funcionamento e após a
desativação do gerador. As curvas apresentam uma ligeira diferença para os mesmos
valores de ΔT_TEG_Média_bloco3, facto relacionado com a inércia do sistema.
De forma a ser verificado qual a carga térmica mínima fornecida ao sistema que
permite manter a máxima potência elétrica, realiza-se um teste em que a carga térmica
foi reduzida gradualmente, em vários patamares, conforme pode ser visto no gráfico
5.22.
Gráfico 5.22 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
174,5 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,8 L/h.
Pode ver-se então que após a primeira redução da temperatura dos gases de
entrada, o valor da potência elétrica não se altera, só se verificando o seu abaixamento
após a segunda redução, sensivelmente abaixo dos 700 ºC. Nesse momento a potência
térmica no copo baixa para valores próximo de zero, indicando que já não há excesso de
calor e o vapor já não é capaz de alcançar os locais superiores do HP. A temperatura
interna do HP apenas diminui significativamente após a terceira redução da temperatura
dos gases, verificando-se que a carga térmica nessa altura já não é suficiente para
manter o ponto de ebulição do líquido. Comparando os valores deste teste com os do
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
106 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
anterior à mesma pressão verifica-se igual valor da potência elétrica gerada o que
mostra também a repetibilidade do sistema.
O gráfico 5.23 mostra as temperaturas internas do HP lidas durante todos os
procedimento experimentais, podendo ver-se que depois de se atingir o regime
permanente permanecem constantes, sofrendo ligeiros aumentos apenas quando é
aumentada a carga térmica fornecida ao sistema, ocorrendo o anteriormente mencionado
aumento de pressão. Pode também constatar-se que os procedimentos experimentais
tiveram aproximadamente a mesma duração.
Gráfico 5.23 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas.
O gráfico 5.24 mostra evolução das potências elétricas obtidas durante cada um
dos testes realizados. Neste gráfico é mais percetível o aumento da potência elétrica
provocada pelo aumento de temperatura nas faces quentes dos módulos.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
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200
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
Tempo [segundos]
Temperatura no Interior do HP
HP_1bar
HP_2,9bar
HP_4,1bar
HP_6bar
HP_7,5bar
HP_9,5bar
HP_12bar
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 107 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.24 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas
Depois de efetuada a análise pormenorizada aos testes anteriores, é possível
analisar os resultados da sequência de testes a várias pressões, sendo para isso
recolhidos dois pontos, em regime permanente, de cada procedimento experimental. O
gráfico 5.25 mostra como evoluem os valores da tensão, potência elétrica e rendimento
em função da temperatura interna do HP.
Gráfico 5.25 - Resultados relativos ao funcionamento do bloco 3 a diferentes pressões
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potência Elétrica Bloco 3
Potência_elétrica_1bar
Potência_elétrica_2,9bar
Potência_elétrica_4,1bar
Potência_elétrica_6bar
Potência_elétrica_7,5bar
Potência_elétrica_9,5bar
Potência_elétrica_12bar
0
0,5
1
1,5
2
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3
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0
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80 100 120 140 160 180 200
Re
nd
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[%]
Ten
são
[V
]; P
otê
nci
a El
étr
ica
[W]
Temperatura interna HP [ºC]
Tensão, Potência Elétrica e Eficiência
Potência_elétrica_3
Tensão_total_bloco3
Rendimento
Polinomial(Potência_elétrica_3)
Polinomial(Tensão_total_bloco3)
Polinomial (Rendimento)
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
108 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Pode verificar-se a subida nos parâmetros em análise à medida que se aumenta a
temperatura. Analisando o rendimento do sistema é possível ver que subiu de 1,7 %
alcançados a 1 bar, até aos 2,9 % com uma pressão ligeiramente acima dos 12 bar.
Regista-se então um aumento de 71% no rendimento. A potência quase quadruplicou,
variando entre os 7 W iniciais e os 22 W a uma pressão um pouco acima dos 12 bar. A
tensão também registou um aumento considerável, sendo no início de aproximadamente
5 V e no final 11 V.
5.6.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Líquido de Trabalho
Os testes que se seguem consistem numa variação da pressão no interior do Heat
Pipe, à semelhança dos anteriores, sendo desta vez o líquido de trabalho utilizado o
Dowtherm A. A utilização do Dowtherm A tem como objetivo possibilitar uma maior
diferença de temperatura entre as faces dos módulos, visto que este líquido de trabalho
tem um ponto de ebulição, à pressão atmosférica, de aproximadamente 257ºC,
temperatura que não é possível alcançar com a água dado que não é aconselhável elevar
a pressão do sistema além dos 12 bar. Como forma obter a mesma temperatura no
interior do HP que em testes anteriores, a fim de comparar o desempenho com líquidos
de trabalho diferentes, é necessário baixar a pressão para que a temperatura de ebulição
do líquido desça também, sendo gradualmente aumentada a cada ensaio até que a
temperatura da face quente chegue ao limite máximo de 250 ºC. Para baixar a pressão
no interior do HP foram utilizadas duas bombas de vácuo, uma capaz de baixar a
pressão até 0,5 bar e outra para pressões inferiores, estas podem ser vistas na figura
5.37.
Figura 5.37 - Bombas de vácuo utilizadas para obter baixas pressões de trabalho no HP [7].
O gráfico 5.26 mostra como varia a pressão do dowtherm A em função da
temperatura de ebulição, e possibilita a comparação com a curva correspondente para a
água já vista anteriormente.
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 109 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.26 - Pressão em função da temperatura de ebulição (Água vs Dowtherm) [51].
Através da observação do gráfico acima verifica-se que facilmente se alcançam
temperaturas elevadas a baixas pressões utilizando o Dowtherm A como líquido de
trabalho. A tabela 5-7 contém a gama de pressões testadas para este líquido de trabalho
e o correspondente ponto de ebulição.
Tabela 5-7 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição do Dowtherm A.
Pressão abs. (bar) Ponto de ebulição (ºC)
0,029 135
0,046 148
0,051 151
0,126 178
0,151 184
0,244 200
0,49 226
1 257
2,3 300
O primeiro teste apresentado foi realizado a uma pressão de 0,244 bar, a esta
temperatura o ponto de ebulição do líquido de trabalho deverá estabilizar
aproximadamente nos 200 ºC, o gráfico 5.27 mostra a resposta do sistema durante este
teste.
0
5
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30
35
40
45
0 50 100 150 200 250 300
Pre
ssão
Ab
s. [
bar
]
Temperatura [ºC]
Pressão em Função da Temperatura de Ebulição
Água
Dowtherm A
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
110 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.27 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 0,244
bar, 174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h.
É possível observar que o sistema atinge o regime permanente, com a
temperatura do HP a fixar-se nos 200 ºC um pouco após os 500 segundos, enquanto as
potências elétrica e térmica estabilizam um pouco mais tarde, por volta dos 1500
segundos. Outro fator que se destaca nesta análise é o facto de haver uma oscilação no
ponto de ebulição do Dowtherm A, ou seja, o ponto de ebulição anda em torno do valor
médio apresentado, 200 ºC, mas com constantes oscilações, este facto pensa-se estar
relacionado com o facto de este líquido ser resultado de uma mistura que pode não estar
completamente homogénea, levando a um ponto de ebulição oscilante. No entanto, este
fenómeno será mais visível noutros testes, como será visto a seguir. Se for analisada a
temperatura dos gases à saída da conduta percebe-se que é muito próxima da
temperatura do HP, indicando boa transferência de calor para o sistema. O gráfico 5.28
permitirá analisar o comportamento do sistema em termos de tensões e potências
geradas ao longo do teste.
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15
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0
100
200
300
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500
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700
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1000
1100
1200
0 500 1000 1500 2000 2500
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
0,244 bar; 200ºC; 174,5 ml Dowtherm A; 4/4 abertura; 86,3 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
T1
T3
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B3E
ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_3Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 111 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.28 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 0,244 bar, 174,5 ml
de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,3 L/h.
Observando os valores da tensão em carga pode ver-se que estes alcançam um
valor médio de 2,8 V, sendo a tensão em vazio aproximadamente 1,2 V. No que se
refere à potência elétrica, esta regista uma valor máximo de 23 W para a totalidade dos
módulos instalados no bloco. Com a potência térmica do sistema a atingir o valor
máximo de 880 W, o rendimento do sistema é de 2,7%. O gráfico 5.29 permite analisar
as diferenças de temperatura entre as faces dos módulos e os respetivos elementos
acoplados a cada face.
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5
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0,5
1
1,5
2
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0 500 1000 1500 2000 2500
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão e Potência Elétrica Bloco 3
Tensão_carga_C3E
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_B3D
Potência_elétrica_bloco3
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
112 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.29 - Diferenças de temperatura entre o interior do HP e as faces quentes dos módulos e
entre as faces frias e a água do circuito de arrefecimento, relativas ao bloco 3 do gerador
É possível observar que existe uma diferença de temperatura significativa entre o
interior do HP e a face quente dos módulos, cerca de 20 ºC. A diferença de temperatura
entre as faces frias e a águas é também de aproximadamente 20 ºC, mostrando que este
líquido não tem a mesma capacidade de transferir calor que a água, facto que será
confirmado à frente.
O teste que se segue é realizado a máxima pressão testada com este líquido de
trabalho, 2,3 bar, que corresponde a um ponto de ebulição de 300 ºC. O gráfico 5.30
permite verificar a evolução das temperaturas e das potências ao longo do procedimento
experimental.
0
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60
80
100
120
140
160
180
200
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0 500 1000 1500 2000 2500
Tem
pe
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ra [
ºC]
Tempo [segundos]
Temperaturas
Temperatura HP_3
Temperatura Médias dasFaces Quentes do Bloco 3
Temperatura Médias dasFaces Frias do Bloco 3
Temperatura Média daÁgua
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 113 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.30 - Temperaturas medidas e potências térmica e elétrica calculadas para teste a 2,3 bar,
174,5 ml de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7L/h
Observando o teste verifica-se que as temperaturas TEG_quente_B3E é
ligeiramente superior à temperatura TEG_quente_C3D, este facto ocorre porque o vapor
apenas alcança o meio do bloco, não transmitindo o mesmo calor que ao módulo
colocado em cima. Apesar de a face quente do módulo B3E ter atingido a temperatura
máxima, 250 ºC, no módulo C3D pouco ultrapassa os 230 ºC. A potência térmica no
copo de arrefecimento é zero, facto previsível a partir do momento que se verifica que o
vapor apenas atinge o início do bloco 3. Este fenómeno impede que seja alcançado a
potência elétrica máxima teoricamente prevista em cada módulo, e acontece porque já
não há calor disponível como se comprova ao observar igual temperatura no HP e na
Saida_Gases. Verifica-se novamente a oscilação no ponto de ebulição do Dowtherm, à
semelhança do que havia sido verificado no teste anterior. Relativamente às tensões e
potência térmica obtida neste ensaio, podem ser vistos no gráfico 5.31. Pode observar-se
então que as tensões, em vazio e em carga são superiores para os módulos colocados na
parte inferior do bloco. A tensão máxima registada em vazio é de 3,9 V, sendo a
máxima tensão registada em carga de 1,5 V. A potência elétrica atinge os 35 W, que
representa o máximo atingido nos ensaios experimentais. Com o valor da potência
térmica transferida para a água a atingir os 1450 W, o sistema atinge um rendimento de
2,4 %.
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1400
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0 500 1000 1500 2000
Po
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cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
2,3 bar; 300ºC; 174,5 ml Dowtherm A; 4/4 abertura; 86,7 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
T1
T3
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B3E
ΔT_TEG_Média_bloco3 Potência_térmica_CopoPotência_elétrica_bloco3Rendimento
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
114 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.31 - Potência elétrica e tensões no bloco 3, com gerador funcionando a 2,3 bar, 174,5 ml
de Dowtherm no interior do HP e caudal de arrefecimento de 86,7 L/h
O gráfico 5.32 mostra, à semelhança do efetuado para os testes com água, o
comportamento da temperatura no interior do HP ao longo do conjunto de testes
realizados.
Gráfico 5.32 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas
Pode então verificar-se uma que a temperatura no interior do Heat Pipe oscila
para todos os ensaios realizados com Dowtherm A, o que mostra que a utilização deste
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0
0,5
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3
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0 500 1000 1500 2000
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão e Potência Elétrica Bloco 3
Tensão_carga_C3E
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_B3D
Potência_elétrica_bloco3
0
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100
150
200
250
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tem
pe
ratu
ra[º
C]
Tempo [segundos]
Temperatura no interior do HP
HP_0,029bar
HP_0,046bar
HP_0,051bar
HP_0,126bar
HP_0,151bar
HP_0,244bar
HP_0,49bar
HP_1bar
HP_2,3bar
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 115 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
líquido não contribui como o desejado para a estabilização do sistema. O gráfico 5.33,
mostra como evoluem as potências elétricas ao longo do conjunto de testes efetuados.
Gráfico 5.33 - Potências elétricas obtidas para as várias pressões testadas
No gráfico pode ver-se o aumento da potência elétrica à medida que é
aumentada a pressão. Observa-se também a tendência de crescimento da potência
elétrica ao longo de praticamente todos os procedimentos experimentais, isto deve-se ao
facto já referido de o sistema não ser completamente estanque, o que provoca a subida
gradual da pressão e consequentemente do ponto de ebulição.
O gráfico 5.34 mostra a evolução da tensão, potência elétrica e rendimento para
a totalidade dos testes efetuados com Dowtherm A.
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potência elétrica bloco 3
Potência_elétrica_0,029
Potência_elétrica_0,046bar
Potência_elétrica_0,051bar
Potência_elétrica_0,126bar
Potência_elétrica_0,151bar
Potência_eléttrica_0,244bar
Potência_elétrica_0,49bar
Potência_elétrica_1bar
Potência_elétrica_2,3bar
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
116 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.34 - Tensão, Potência Elétrica e Rendimento dos relativos à sequência de testes com
Dowtherm A.
Analisando o gráfico é possível verificar que nos testes em que a pressão é mais
elevada, a potência elétrica não acompanha a tendência de crescimento registada até
então, isto deve-se ao facto já referido de o vapor não alcançar a totalidade do bloco a
pressões mais elevadas. Este fator vai também ter reflexo no rendimento do sistema, que
não regista o crescimento esperado. A razão para isto deverá ser a insuficiente potência
térmica disponível. De facto a temperatura de saída dos gases é próxima da temperatura
do HP, o que quer dizer que a energia cedida pelos gases foi a máxima disponível, pois
não é possível transferir calor para um objeto mais quente.
5.6.3. Comparação de Resultados Utilizando Diferentes Líquidos de Trabalho
A análise aos gráficos seguintes permitirá comparar os desempenhos do sistema
funcionando com os diferentes líquidos de trabalho. Inicialmente é comparada a
potência elétrica do sistema operando com cada um dos líquidos em função da
temperatura interna do HP, como se pode observar no gráfico 5.35.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0
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]
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nci
a El
étr
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[W]
Temperatura interna HP [ºC]
Tensão, Potência Elétrica e Rendimento Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm
Tensão_total_bloco3_Dowtherm
Rendimento_bloco3_Dowtherm
Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm)
Polinomial(Tensão_total_bloco3_Dowtherm)
Polinomial(Rendimento_bloco3_Dowtherm)
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 117 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.35 - Potência Elétrica (Água vs Dowtherm A).
Vê-se então no gráfico acima que o sistema alcança uma potência elétrica
superior para os testes realizados com água em relação aos realizados com Dowtherm A,
isto para a mesma temperatura no interior do HP. Este facto deve-se à diferença de
capacidade que os líquidos têm em transmitir calor, sendo a água melhor nesse aspeto.
Percebe-se também que com água a temperatura interna do HP só chegou aos 192 ºC,
enquanto que com o Dowtherm A essa temperatura pôde ser elevada até aos 300 ºC. No
gráfico 5.36 é feita o mesmo tipo de análise, desta vez em relação à potência térmica
transferida para a água através dos módulos termoelétricos.
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a [W
]
Temperatura HP [ºC]
Potência Elétrica
Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm
Potência_elétrica_bloco3_Água
Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Dowtherm)
Polinomial(Potência_elétrica_bloco3_Água)
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
118 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.36 - Potência térmica (Água vs Dowtherm A).
Relativamente à potência térmica, inicialmente, como era esperado, é transferida
maior potência térmica através dos módulos quando se usa água como fluido de
trabalho, confirmando a melhor transferência de calor já verificada. No entanto, à
medida que a temperatura no HP aumenta, o valor da potência térmica tende a coincidir,
não sendo claro qual o motivo.
O gráfico 5.37 permite analisar o rendimento do sistema utilizando cada um dos
dois líquidos de trabalho.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
50 100 150 200 250 300 350
Po
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cia
Térm
ica
[W]
Temperatura HP [ºC]
Potência Térmica
Potência_térmica_bloco3_Dowtherm
Potência_térmica_bloco3_água
Linear(Potência_térmica_bloco3_Dowtherm)
Linear(Potência_térmica_bloco3_água)
CAPÍTULO 5 - Gerador Termoelétrico
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 119 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 5.37 - Rendimento (Água vs Dowtherm A).
O rendimento obtido nos testes com água é sempre superior, para a mesma
temperatura do HP, relativamente aos testes efetuados com Dowtherm A. Isto deve-se
aos fatores já referidos como a melhor capacidade da água para transferir calor e
também à menor potência térmica disponível quando se aumenta a temperatura do HP.
5.7. Conclusões
Relativamente a esta serie de testes realizada verificou-se que o sistema funciona
melhor utilizando água, isto é, para os mesmos valores de temperatura interna do HP,
obtém-se melhor rendimento e um valor superior de potência elétrica. No entanto não é
possível, utilizando água, atingir a máxima diferença de temperatura suportada pelos
módulos, sendo desejável a otimização do sistema de forma a que este possa suportar
pressões na ordem dos 40 bar, permitindo assim atingir esse limite utilizando a água.
Outro dos problemas da utilização do Dowtherm A é o facto de a pressões mais elevadas
não se conseguir que o seu vapor suba o suficiente no HP de forma a aquecer o bloco
uniformemente e não apenas o módulo colocado na parte inferior. Este problema poderá
dever-se à falta de potência térmica disponível. Se for aumentada a carga térmica do
sistema (nomeadamente usando os gases de um motor com potência suficiente) poder-
se-á conseguir um maior rendimento. O rendimento máximo obtido nesta série de testes
é de 2,9 %, valor que pode ser superado utilizando água a elevadas pressões.
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0,5
1
1,5
2
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3
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50 100 150 200 250 300 350
Re
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ime
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[%
]
Temperatura interna HP [ºC]
Rendimento
Rendimento_bloco3_água
Rendimento_bloco3_Dowtherm
Polinomial(Rendimento_bloco3_água)
Polinomial(Rendimento_bloco3_Dowtherm)
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 121 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 6
Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
6.1. Introdução
Este capítulo aborda a implementação e o teste de um novo protótipo de gerador
termoelétrico. Nesta nova configuração os blocos são ligados em série, sendo o
principal objetivo que todos eles sejam alcançados pelo vapor, objetivo não alcançado
no modelo apresentado no capítulo anterior. O motivo pelo qual se ligam os blocos em
série está relacionado com a experiência obtida no estudo do modelo anterior em que os
blocos são ligados em paralelo. Nesse modelo o vapor alcançava zonas do sistema
situadas muito acima dos blocos, pelo que se tenta tirar partido desse facto com esta
nova configuração. Os componentes deste novo gerador foram aproveitados do modelo
anterior, tendo sido realizadas as alterações estritamente necessárias. À semelhança do
efetuado para o modelo anterior, este capítulo inicia-se com a caraterização do gerador,
seguindo-se a aquisição e tratamento de dados sendo na parte final do capítulo
apresentados os ensaios experimentais e os resultados relativos aos mesmos.
6.2. Caraterização do Gerador
O novo modelo apresentado regista algumas alterações relativamente ao anterior,
estando a principal relacionada com a disposição dos blocos. Enquanto no modelo
anterior eram dispostos em paralelo, desta feita estão colocados em série, ou seja,
sobrepostos na vertical. O tamanho do evaporador também foi reduzido a 1/3, sendo
alterada por isso a configuração da conduta de gases. As condutas de arrefecimento
também sofreram uma ligeira alteração como é possível verificar mais à frente. São
apresentados desenhos em SolidWorks que ajudam a perceber melhor as alterações
efetuadas.
A figura 6.1 permite uma visão geral do gerador implementado através da
representação em SolidWorks (esquerda) e da fotografia à implementação real (direita).
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
122 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 6.1 - Esquema geral do gerador Termoelétrico e implementação real.
A primeira alteração é relativa ao evaporador, que passou a ser composto por 6
tubos alhetados, em lugar dos 18 do modelo anterior. Continuam a ser ligados na base
por um coletor que garante igual nível de líquido de trabalho no seu interior. A figura
6.2 possibilita compreender esta nova configuração.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 123 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 6.2 - Modelo em SolidWorks do evaporador do Heat Pipe.
Como pode ser observado, o que mudou relativamente ao evaporador
apresentado no anterior modelo foram essencialmente as dimensões. Neste modelo até
ao nível 0 são armazenados 14 ml de líquido, armazenando desde o nível 0 até à altura
máxima das alhetas mais 64,4 ml, perfazendo um total de 78,4 ml quando cheio até ao
nível máximo de alhetas.
A alteração no evaporador implicou que fosse também alterada a conduta dos
gases, de forma a suportar este último. O novo modelo de conduta implementado pode
ser visto na figura 6.3.
Figura 6.3 - Desenho em SolidWorks do modelo da conduta de gases.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
124 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Observando a nova conduta é possível verificar que neste modelo a chama
incide na face maior das alhetas (220 x 75 mm) em vez de incidir na face menor (220 x
35 mm), como sucedia no anterior modelo. A figura 6.4 mostra a imagem da conduta
implementada, onde é possível ver o pormenor da localização do medidor de nível.
Figura 6.4 - Imagem da conduta de gases e respetivo suporte implementados.
Relativamente aos blocos condensadores, local onde se ligam os tubos Heat
Pipes a seguir ao evaporador, são utilizados os mesmos do modelo anterior, no entanto
a sua disposição passou a ser a que é possível ver na figura 6.5. A nomenclatura
utilizada na tabela 5-1 para identificar cada módulo e a sua respetiva localização no
gerador continua válida para este modelo, sendo que, neste modelo o bloco 3 é o que se
encontra mais perto da base do gerador e o lado esquerdo é o lado da entrada de gases,
como pode ser visto na figura 6.5.
Com esta disposição dos módulos aumentou significativamente a altura do
gerador termoelétrico, as dimensões e esquemático geral podem também ser vistos na
figura 6.5.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 125 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 6.5 - Esquema geral e dimensões do gerador termoelétrico com blocos em série.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
126 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
O circuito de arrefecimento permanece constituído pelas mesmas condutas, no
entanto foi necessário alterar a posição dos tubos de entrada e saída de água de forma a
reduzir ao máximo a distancia entre os 3 blocos, no caso 40 mm como pode ser visto na
figura 6.5. A figura 6.6 mostra o conjunto formado por um bloco, os módulos e as
condutas de arrefecimento com a nova disposição dos tubos.
Figura 6.6 - Bloco com módulos e condutas de arrefecimento acopladas, em SolidWorks.
O circuito de água encontra-se ligado em série, sendo as primeiras condutas a ser
percorridas as que estão colocadas no bloco 3, subindo posteriormente para as que estão
colocadas nos blocos acima deste. À saída da última conduta o circuito de água é ligado
ao copo de arrefecimento.
A figura 6.7 mostra a colocação dos módulos, das condutas de arrefecimento e
dos termopares no gerador, bem como o isolamento em lã de rocha. É possível ver ainda
ver os tubos do circuito de arrefecimento, bem como a entrada de água no canto inferior
direito, junto ao bloco 3.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 127 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 6.7 - Colocação dos módulos termoelétricos, das condutas de arrefecimento e do isolamento
em lã de rocha.
Todas as dimensões não apresentadas neste capítulo como as relativas, por
exemplo, às condutas de arrefecimento, blocos ou diâmetro de alguns tubos, encontram-
se no capítulo anterior, visto que são idênticas.
6.3. Aquisição e Tratamento de Dados
A aquisição de dados é efetuada de forma semelhante ao modelo anterior, sendo
utilizadas as mesmas ferramentas para aquisição de dados. No que respeita à leitura das
temperaturas, a nomenclatura da tabela 5-3 permanece válida á exceção de um ponto de
leitura que foi alterado, sendo trocado o ponto de medida T1 pelo ponto HP1 como
ilustra a tabela 6-1.
Tabela 6-1 - Nomenclatura e local de medição das temperaturas no gerador.
Nomenclatura Local de leitura da temperatura
T1
Temperatura medida na parte superior do
bloco 3, num dos tubos que liga o bloco
ao coletor.
HP1 Temperatura no interior do HP medida no
bloco 1.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
128 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
No que se refere às medições da tensão aos terminais dos módulos permanece
tudo inalterado, continuando válida a tabela 5-4. O Tratamento dos dados e os cálculos
apresentados no capítulo 5.5 são válidos para este modelo. A figura 6.8 mostra este
modelo em funcionamento e as placas de aquisição de dados em funcionamento.
Figura 6.8 - Aquisição de dados com sistema em funcionamento.
6.4. Testes e Resultados
Neste subcapítulo são apresentados os resultados dos diversos procedimentos
experimentais realizados a este novo sistema. O objetivo e o procedimento destes
ensaios são em tudo semelhantes aos realizados com o modelo apresentado no capítulo
anterior, ou seja, verificar o desempenho do gerador utilizando dois líquidos de trabalho
diferentes a várias pressões. É analisada também a influência de fatores como o caudal
de arrefecimento ou potência térmica fornecida ao sistema. A quantidade de líquido de
trabalho utilizada neste modelo, é bastante inferior à utilizada no primeiro modelo de
gerador, apenas 78,4 ml, este facto deve-se à menor capacidade de armazenamento do
evaporador, sendo esta a capacidade máxima até à altura das alhetas. Os gases de escape
são simulados com recurso a um queimador de gás, sendo que nos testes a pressões
mais elevadas (9 e 12 bar), são utilizados dois queimadores, por ser necessária maior
potência disponível.
6.4.1. Ensaios Experimentais Utilizando Água Como Líquido de Trabalho
A tabela 6-2 mostra os valores de pressão para os quais o sistema foi testado com
água.
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 129 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Tabela 6-2 - Pressões testadas e respetivos pontos de ebulição.
Pressão abs. (bar) Ponto de ebulição (ºC)
1 100
2,5 129
4,7 150
6,7 163
9 175
12 188
O primeiro ensaio experimental apresentado é realizado com água a 1 bar e utiliza
um caudal de arrefecimento de 72 L/h. O gráfico 6.1 mostra a evolução das
temperaturas nos pontos de medida, da potência elétrica gerada e da potência térmica
transferida para a água através dos módulos.
Gráfico 6.1 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 72 L/h.
Através da observação gráfica é possível verificar que após 100 segundos a
temperatura no interior do HP medida no bloco 3 está nos 100 ºC, ponto de ebulição
esperado para o líquido inserido no sistema, e permanece sem oscilações até ao corte da
fonte de calor. Igual comportamento regista a temperatura do HP medida no bloco 1 do
0
2
4
6
8
10
12
14
0
200
400
600
800
1000
1200
0 400 800 1200 1600
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 72 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
HP1
T3
ΔT_TEG_Média
TEG_quente_B1E
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B1E
TEG_fria_B3E
Potência_térmica_Copo
Potência_elétrica
Eficiência
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
130 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
sistema, apenas com um atraso de 100 segundos, mostrando que o vapor vai subindo
gradualmente até os 3 blocos entrarem em funcionamento. Após 500 segundos do início
do teste o sistema já atinge o regime permanente em relação à potência elétrica gerada,
um tempo bastante curto quando comparado com testes ao modelo com os blocos em
paralelo. A potência elétrica atinge os 13 W, enquanto a potência térmica regista um
valor em regime permanente de 1050 W fazendo com que o sistema registe um
rendimento de 1,3 % aproximadamente. Observa-se também que o vapor sobe além do
bloco 1, visto que a potência térmica transferida para o copo de arrefecimento é de
aproximadamente de 350 W, ou seja, ocorre condensação nesse local do sistema. O
gráfico 6.2 mostra a evolução das potências elétricas em cada bloco.
Gráfico 6.2 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando a
1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 72 L/h.
Como se observa no gráfico acima a potência a elétrica gerada em cada bloco
diminui à medida que a altura a que o bloco está implementado é maior, isto é, o bloco
3 gera uma potência superior ao bloco 2 e o bloco 2 gera mais potência que o bloco 1.
Este facto não se deve à temperatura da face quente dos blocos, que é aproximadamente
igual em todos eles como se observou no gráfico 6.1, mas sim à temperatura da água
que circula nas condutas de arrefecimento. Como o circuito de arrefecimento está ligado
em série, e a entrada de água está situada junto ao bloco 3, situado mais abaixo no
sistema, a água vai recebendo calor e aquecendo à medida que sobe no sistema, fazendo
com que a diferença de temperatura entre as faces quentes e frias dos módulos
0
2
4
6
8
10
12
14
0 400 800 1200 1600
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_bloco3
Potência_elétrica_bloco2
Potência_elétrica_bloco1
Potência_elétrica
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 131 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
colocados nos blocos acima seja inferior. É possível também observar o funcionamento
em cascata do sistema, isto é, apenas quando um bloco está em funcionamento é que o
seguinte inicia geração de energia elétrica. A curva que ocorre na potência do bloco 1
um pouco depois dos 400 segundos deve-se a um aumento da potência térmica
fornecida ao sistema que foi feito para que o vapor alcançasse o bloco 1, visto que até
então a temperatura no interior do HP não era homogénea ao longo dos blocos. Na
tentativa de diminuir as diferenças em termos de potência elétrica gerada, que separam
os 3 blocos, foi aumentado o caudal de arrefecimento para o máximo permitido pelo
circuito de água utilizado e verificado o efeito produzido, como se pode ver no gráfico
6.3.
Gráfico 6.3 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.
Pode ver-se novamente que o sistema rapidamente atinge o regime permanente em
termos de potência elétrica gerada, potência essa que aumentou aproximadamente
0,5 W relativamente ao teste anterior, em consequência do aumento do caudal de
arrefecimento. O facto de as curvas relativas às temperaturas das faces quentes dos
módulos serem praticamente coincidentes com as curvas da temperatura no interior do
HP mostra as boas condições de transferência de calor do sistema. O rendimento
manteve aproximadamente os 1,3 %, apesar do aumento registado na potência elétrica,
0
2
4
6
8
10
12
14
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
HP 1
T3
ΔT_TEG_Média
TEG_quente_B1E
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B1E
TEG_fria_B3E
Potência_térmica_Copo
Potência_elétrica
Rendimento
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
132 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
pois a potência térmica também aumentou ligeiramente. O gráfico 6.4 mostra que as
diferenças entre as potências geradas nos diferentes blocos foram atenuadas.
Gráfico 6.4 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando a
1 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
Observa-se então que a potência gerada pelos módulos colocados no bloco 3
permanece praticamente inalterada, facto esperado, pois o local de entrada da água
mantém-se e a temperatura de entrada da água é sensivelmente igual. A alteração mais
significativa verifica-se nos restantes 2 blocos, pois com maior caudal de arrefecimento
existe maior capacidade de retirar calor da face fria dos módulos, levando a uma maior
diferença de temperatura entre as suas faces e consequente aumento da potência gerada.
Isto deve-se ao facto da temperatura média da água (entre a entrada e a saída do circuito
de arrefecimento) ser mais baixa:
Eq. 6.1
O coeficiente de transmissão de calor por convecção também subiu devido à
maior velocidade e turbulência do fluido no interior das condutas de arrefecimento
(maior número de Reynolds).
O gráfico 6.5 mostra as tensões medidas em cada módulo colocado no conjunto
dos 3 blocos. A máxima tensão gerada em aberto atinge os 1,35 V e corresponde a um
0
2
4
6
8
10
12
14
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_3
Potência_elétrica_2
Potência_elétrica_1
Potência_elétrica_total
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 133 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
módulo colocado no bloco 3 onde a diferença de temperatura entre as faces é maior,
quanto à máxima tensão alcançada em carga é de aproximadamente 0,6 V.
Gráfico 6.5 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 1 bar, 78,4 ml
de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
O gráfico 6.6 permite verificar o desempenho do sistema funcionando a uma
pressão mais elevada, 12 bar, sendo a esta pressão o ponto de ebulição de 188 ºC,
temperatura à qual se espera que permaneça o interior do HP em regime permanente.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensões
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_C3E
Tensão_carga_B3D
Tensão_B2D
Tensão_C2E
Tensão_B1E
Tensão_carga_B2E
Tensão_carga_C2D
Tensão_C1D
Tensão_Carga_B1D
Tensão_carga_C1E
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
134 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 6.6 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 12 bar,
78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.
Pode ver-se que mesmo a uma pressão mais elevada o sistema rapidamente atinge
o regime permanente de potência gerada que alcança os 52 W, sendo que neste ensaio
experimental foram usados os dois queimadores simulando os gases de entrada depois
de verificado que apenas um não colocava todos os blocos em funcionamento. As
temperaturas no interior do HP atingem e permanecem no valor esperado. A potência
térmica transferida para a água através dos módulos é de aproximadamente 2600 W,
enquanto a transferida no copo de arrefecimento oscila entre os 100 e os 200 W,
indicando que há pouco excesso de calor (praticamente todo o calor é aproveitado). O
rendimento do sistema a operar nestas condições é de aproximadamente 2 %. O gráfico
6.7 permite ver a evolução relativa às potências elétricas geradas em cada bloco.
0
10
20
30
40
50
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 300 600 900 1200 1500 1800
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
12 bar ; 188 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
HP 1
T3
ΔT_TEG_Média
TEG_quente_B1E
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B1E
TEG_fria_B3E
Potência_térmica_Copo
Potência_elétrica
Rendimento
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 135 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 6.7 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando a
12 bar, 78,4 ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
Pode ver-se que a diferença entre a potência elétrica gerada em cada bloco é
superior à verificada no teste a 1 bar. Como o sistema opera com maiores temperaturas
também transfere maior potência térmica para a água, ou seja, a água aquece mais à
passagem por cada bloco, criando uma menor diferença de temperatura entre as faces de
dos módulos seguintes. Este efeito é visível também, como é esperado, no gráfico 6.8
relativo às tensões geradas.
0
10
20
30
40
50
60
0 300 600 900 1200 1500 1800
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_3
Potência_elétrica_2
Potência_elétrica_1
Potência_elétrica_total
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
136 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 6.8 - Tensões em vazio e em carga de cada bloco, com gerador funcionando a 12 bar, 78,4
ml de água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
Os gráficos que se seguem resumem os resultados obtidos nos testes efetuados
às diferentes pressões utilizando água como líquido de trabalho. O gráfico 6.9 refere-se
à temperatura no interior do HP nos diversos ensaios.
Gráfico 6.9 - Temperaturas internas do HP para as várias pressões testadas com água.
Observa-se que a temperatura permanece aproximadamente constante ao longo
de cada teste, indicando também não haver alterações de pressão resultantes de
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
22,22,42,62,8
3
0 300 600 900 1200 1500 1800
Ten
são
[V
]
Tempo [segundos]
Tensão
Tensão_B3E
Tensão_C3D
Tensão_carga_C3E
Tensão_carga_B3D
Tensão_B2D
Tensão_C2E
Tensão_B1E
Tensão_carga_B2E
Tensão_carga_C2D
Tensão_C1D
Tensão_Carga_B1D
Tensão_carga_C1E
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 500 1000 1500 2000
Tem
pe
ratu
ra [
ºC]
Tempo [segundos]
Temperatura no Interior do HP
HP_1bar
HP_2,5 bar
HP_4,76bar
HP_6,7bar
HP_9bar
HP_12bar
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 137 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
eventuais fugas do sistema. O gráfico 6.10 permite observar o rendimento ao longo
tempo para a totalidade dos testes realizados com água.
Gráfico 6.10 - Rendimentos para as várias pressões testadas com água.
É possível verificar que o valor do rendimento aumenta à medida que a pressão
no interior do HP é incrementada, como já havia sido verificado. O gráfico 6.11 mostra
o valor da tensão, potência elétrica e rendimento obtido em cada ensaio.
Gráfico 6.11 - Tensão, Potência Elétrica e Rendimento dos relativos à sequência de testes com
Água.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 500 1000 1500 2000
Re
nd
ime
nto
[%
]
Tempo [segundos]
Rendimentos
Rendimento_1bar
Rendimento_2,5bar
Rendimento_4,7bar
Rendimento_6,7bar
Rendimento_9bar
Rendimento_12bar
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
10
20
30
40
50
60
80 100 120 140 160 180 200
Re
nd
ime
nto
[%
]
Ten
são
[V
]; P
otê
nci
a El
étr
ica
[W]
Temperatura Interna HP [ºC]
Tensão, Potência Elétrica e Rendimento
Potência_elétrica
Tensão_Total
Rendimento
Polinomial(Potência_elétrica)
Polinomial (Tensão_Total)
Polinomial (Rendimento)
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
138 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Verifica-se então que os parâmetros mostrados no gráfico acima aumentam com
a temperatura no interior do HP, facto previsível devido à maior diferença de
temperatura que é criada entre as faces dos módulos termoelétricos. O máximo
rendimento obtido é de 2 % para uma potência elétrica gerada de 52 W.
6.4.2. Ensaios Experimentais Utilizando Dowtherm A Como Liquido de Trabalho
Relativamente aos testes realizados utilizando Dowtherm A é necessário
observar o gráfico 6.12 para perceber o comportamento do sistema com este líquido de
trabalho. O teste que se segue é realizado a uma pressão de 35 milibar, a qual
corresponde um ponto de ebulição de 140 ºC.
Gráfico 6.12 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 0,035
bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.
É observável através do gráfico acima, através da temperatura de entrada de
gases, que o teste está dividido em duas partes distintas, até aos 900 segundos os gases
de entrada são simulados recorrendo a um queimador apenas, sendo no período que se
segue simulados com recurso a dois queimadores. Regista-se um comportamento
bastante oscilante da potência elétrica gerada com ligeira tendência de subida, factos já
analisados nos testes com Dowtherm A no anterior modelo. A temperatura no interior do
HP também apresenta as conhecidas oscilações com a utilização deste líquido. A
temperatura HP 1 encontra-se muito abaixo da temperatura HP 3, mostrando que o
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 139 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
vapor não alcança o bloco1 do sistema, ao contrário do sucedido com a água. Uma
observação ao gráfico 6.13 ajuda a compreender o funcionamento de cada bloco,
percebendo o desempenho de cada um em termos de potência elétrica gerada.
Gráfico 6.13 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 0,035 bar, 78,4 ml de Dowtherm A no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
Verifica-se então que maior parte da potência elétrica gerada é da
responsabilidade do bloco 3, o mais próximo da base do gerador, não sendo possível
fazer subir o vapor até aos blocos superiores. Isto leva a concluir que o sistema não
apresenta o funcionamento desejado utilizando o Dowtherm A, e que mesmo fornecendo
ao sistema uma grande carga térmica não é possível fazer subir o vapor até níveis
superiores no sistema.
6.4.3. Ensaios Experimentais Utilizando Gases de Um Motor de Combustão
Os últimos testes realizados com este sistema tentam aproximar-se mais de uma
situação de implementação real, em que a fonte de calor foram os gases são produzidos
por um motor de combustão interna. Para isso foi utilizado um motor diesel YANMAR,
modelo L100N com potência máxima de 10 cv (7,4 kW), cujos gases de escape foram
canalizados até à conduta do gerador. A figura 6.9 mostra o motor utilizado, onde é
possível ver o tubo de escape dos gases, que é posteriormente prolongado até ao
gerador.
0
2
4
6
8
10
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_3
Potência_elétrica_2
Potência_elétrica_1
Potência_elétrica_ total
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
140 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Figura 6.9 - Motor utilizado para a simulação dos gases de escape
A figura 6.10 permite observar a entrada de gases no gerador termoelétrico,
provenientes do motor visível na figura 6.9. De notar que a distância entre o motor e o
gerador termoelétrico é muito grande, aproximadamente 3m, pelo que os gases de
escape arrefecem significativamente entre o motor e o gerador.
Figura 6.10 - Entrada de gases, provenientes do motor de combustão, no gerador termoelétrico.
Após a realização do primeiro ensaio com este motor, verificou-se que não era
capaz de produzir calor suficiente para colocar em funcionamento os 3 blocos, no
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 141 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
entanto é possível ver que permite um funcionamento parcial do sistema, como mostra o
gráfico 6.14.
Gráfico 6.14 - Temperaturas medidas e potências elétrica e térmica calculadas para teste a 1 bar,
78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento de 109,1 L/h.
Pode então observar-se que a máxima temperatura atingida pelos gases, à
entrada da conduta do gerador foi de 212,7 ºC, por volta dos 2500 segundos. De facto
não só a potência do motor não é elevada mas também não foi possível atingir
temperaturas elevadas de escape durante tempo suficiente. O facto de ser um motor
diesel, em que as temperaturas de escape são em geral menos elevadas, também não
ajudou o sistema a ter um desempenho mais satisfatório. A potência elétrica gerada foi
na ordem dos 8,4 W, com um rendimento de menos de 1 %. De forma, a pouca potência
térmica fornecida ao sistema não foi suficiente para que o vapor subisse de forma a
funcionarem todos os blocos, como pode ser observado no gráfico 6.15.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
200
400
600
800
1000
1200
0 800 1600 2400 3200P
otê
nci
a El
étr
ica
[W]
Tem
pe
ratu
ra [°C
] ;
Po
tên
cia
Térm
ica
[W]
Tempo [segundos]
1 bar ; 100 ºC ; 78,4 ml Água ; 109,1 L/h
Entrada_Gases
Potência_térmica
Saída_Gases
HP_3
TEG_quente_B3E
TEG_quente_C3D
HP_1
T3
ΔT_TEG_Média
TEG_quente_B1E
TEG_fria_C3D
TEG_fria_B1E
TEG_fria_B3E
Potência_térmica_Copo
Potência_Elétrica_Total
Rendimento
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
142 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Gráfico 6.15 - Potências elétricas em cada bloco e potência elétrica total, com gerador funcionando
a 1 bar, 78,4 ml de Água no interior do HP e caudal de arrefecimento 109,1 L/h.
Verifica-se então que os blocos 2 e 3 funcionam ligeiramente abaixo do
esperado, cerca de 1 W abaixo dos valores obtidos no gráfico 6.2 para o caso do gás
butano. O bloco 1 praticamente não é alcançado pelo vapor, fazendo com que não
funcione como o esperado. Este fator contribui para que o rendimento do sistema seja
bastante baixo, pois o calor não chega a todos os módulos termoelétricos do sistema.
Analisando o sistema, e considerando que não existem perdas térmicas, pode
dizer-se que a potência térmica transferida através do sistema se mantém ao longo das
várias etapas. Desta forma a potência térmica extraída dos gases de escape será igual à
potência térmica transferida para a água através dos módulos:
Eq. 6.2
A potência térmica extraída dos gases de escape, ou seja, a que é realmente
aproveitada pelo gerador, é determinada através da eq. 6.3.
( ) Eq. 6.3
A potência térmica máxima que teoricamente pode ser aproveitada pelo sistema
para uma dada temperatura do HP é dada pela eq. 6.4:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 800 1600 2400 3200
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Tempo [segundos]
Potências Elétricas Parciais
Potência_elétrica_3
Potência_elétrica_2
Potência_elétrica_1
Potência_Elétrica_Total
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 143 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
( ) Eq. 6.4
O que corresponde à situação em que a temperatura de saída dos gases ser igual
à temperatura do HP.
Analisando os resultados do ensaio experimental apresentado no gráfico 6.14 em
regime permanente (2500 segundos) e sabendo que a potência térmica transferida para a
água é de 1100,5 W, é possível determinar o valor do caudal mássico de gases
utilizando a eq. 6.2 e eq. 6.3:
( )
Eq. 6.5
Desta forma obtém-se um caudal mássico de gases de 0,0147 kg/s, com esta
dado é também possível calcular a potência térmica disponível nos gases de escape
através da eq. 6.4.
( )
= 1643,5 W Eq. 6.6
Determinando então o rendimento térmico do sistema conhece-se qual a
percentagem da potência térmica disponível nos gases de escape foi extraída pelo
gerador:
Eq. 6.7
Constata-se então que são aproveitados aproximadamente 2/3 da potência
térmica disponível nos gases de escape.
Com estes dados disponíveis, e conhecendo o rendimento elétrico deste sistema
as várias temperaturas de operação do HP, através dos testes realizados no capítulo
6.4.1, é possível prever para que temperatura do HP a potência elétrica será máxima
utilizando estes gases de escape, pois temos:
Eq. 6.8
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
144 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Desta forma é possível ver no gráfico 6.16 o valor da temperatura do HP para a
qual a geração de energia elétrica será máxima para este caudal de gases.
Gráfico 6.16 - Potência elétrica calculada para diferentes valores da temperatura do HP, utilizando
gases de escape do motor de combustão.
É possível observar desta forma que a geração de energia elétrica será máxima
quando a temperatura de funcionamento do HP for aproximadamente 128 ºC. A curva
traçada para um rendimento térmico de 100 %, prevê uma geração de energia elétrica
numa situação em que o gerador aproveita toda a energia disponível dos gases de escape
(Potência_extraída_gases=Potência_disponível_gases). Relativamente à curva traçada
para um rendimento térmico de 67 % (que corresponde ao rendimento apresentado pelo
sistema implementado), prevê uma geração de energia elétrica numa situação em que
Potência_extraída_gases = 0,67*Potência_disponível_gases.
6.5. Conclusões
Analisando o comportamento do modelo implementado, pode-se dizer que
durante a realização de testes com água o desempenho foi o esperado, o vapor alcançou
a totalidade dos blocos em cada teste, levando à geração máxima de 52 W de potência
elétrica. Relativamente aos valores de rendimento obtidos, verificou-se que podiam ser
superados caso o circuito de arrefecimento permitisse maior caudal de água.
Relativamente aos testes realizados com Dowtherm A, mesmo com a temperatura de
saída dos gases muito acima da temperatura do HP, significando que havia potência
0
5
10
15
20
25
50 100 150 200
Po
tên
cia
Elé
tric
a [W
]
Temperatura do HP [ºC]
Potência Elétrica Calculada
Potência ElétricaCálculada ParaRendimentoTérmico de 100%
Potência ElétricaCálculada ParaRendimentoTérmico de 67%
Capitulo 6 - Gerador Termoelétrico com Blocos em Série
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 145 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
térmica disponível para o sistema funcionar, este não entrou em funcionamento,
alcançando o vapor apenas o bloco 3, o mais baixo do sistema.
Finalmente, com os gases de escape do motor de combustão, verifica-se que a
potência térmica aproveitada pelo sistema não foi suficiente para fazer funcionar na
plenitude os 3 blocos e apesar de o bloco 3 e o bloco 2 ainda apresentarem um
funcionamento próximo do obtido com os gases simulados com recurso aos
queimadores, o bloco 1 praticamente não entrou em funcionamento. De qualquer modo,
isto poderá ter-se devido às baixas temperaturas de gases de escape obtidas com o motor
que estava a funcionar de modo deficiente.
Foi possível comprovar que no caso de baixas temperaturas de escape é vantajoso
ter temperaturas de funcionamento do HP menores que a temperatura máxima
admissível dos módulos.
Testes mais recentes com o motor a funcionar em melhores condições permitiram
melhores desempenhos do sistema.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 147 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
CAPÍTULO 7
Conclusões e Trabalho Futuro
A realização deste projeto tinha como principal objetivo projetar, desenvolver e
caraterizar um gerador termoelétrico, utilizando módulos termoelétricos e Heat Pipes
como mecanismo para transferência de calor, capaz de aproveitar o calor proveniente
dos gases de escape dos automóveis para geração de energia elétrica. O motivo para o
seu desenvolvimento está relacionado com o elevado valor de calor residual libertado
pelos motores de combustão através do escape, possibilitando este aproveitamento gerar
energia elétrica de forma a reduzir o uso do alternador, diminuindo a carga mecânica ao
motor e consequentemente diminuição consumo de combustíveis e emissão de gases
poluentes. Inicialmente foi construído um modelo teórico que permite prever o
comportamento dos módulos termoelétricos, quando conhecidas as propriedades dos
materiais em causa, nas mais diversas condições de operação. Modelo que serviu de
referência durante a realização do trabalho prático e que pode ser aplicado a qualquer
tipo de módulos. Foi também construído um modelo térmico que reflete o
comportamento do sistema implementado, e que permite analisar do ponto de vista
térmico o comportamento do sistema, através do circuito elétrico equivalente, sendo
possível prever as temperaturas nos mais diversos pontos sistema. Depois de estudado o
problema do ponto de vista teórico iniciou-se a caraterização de um gerador
termoelétrico já construído, que utiliza uma configuração de blocos em paralelo,
permitindo analisar aspetos menos positivos no seu funcionamento de forma não serem
repetidos num novo modelo que utiliza uma configuração de blocos em série.
O protótipo com os blocos em paralelo começou por apresentar problemas de
funcionamento durante a realização dos ensaios experimentais, isto é,
independentemente da carga térmica fornecida ao sistema apenas o bloco mais próximo
da entrada de gases (bloco 3) era alcançado de forma significativa pelo vapor, fazendo
com a energia elétrica gerada nos dois restantes blocos fosse praticamente residual.
Desta forma, com apenas 4 dos 12 módulos em funcionamento, a potência elétrica
gerada foi de 7,2 W, para uma temperatura de funcionamento do HP de 100 ºC com
água como fluido de trabalho, tendo sido o caudal de arrefecimento mantido em todos
os testes deste modelo entre os 80 e 85 L/h. O valor do rendimento do gerador obtido
foi de 1,4 %, valor que não se deve desviar muito do rendimento do bloco 3, devido a
Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro
148 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
inatividade dos restantes blocos, embora não tenha sido determinado o rendimento dos
blocos individualmente.
Confirmada a inatividade de dois dos blocos do gerador, o foco de estudo passou
a estar no bloco 3, apesar de não ter sido feita ao sistema nenhuma alteração física. Este
estudo permitiu estimar a potência elétrica gerada caso funcionassem os 3 blocos, bem
como a potência térmica transferida para a água através dos módulos. Testou-se então
este bloco para diferentes temperaturas do HP e para dois fluidos de trabalho: água e
dowtherm A. Para as mesmas condições de funcionamento em que o conjunto total dos
blocos foi avaliado, o bloco 3 gerou 6,1 W de potência elétrica e transferiu para a água
do circuito de arrefecimento 350 W de potência térmica, apresentando assim um
rendimento de 1,7 %. O aumento de 0,3 % no rendimento deveu-se a uma redução
considerável da potência térmica transferida para água, de aproximadamente 140 W
relativamente ao teste efetuado ao conjunto dos blocos. Ainda com o mesmo fluido de
trabalho, seguiram-se testes a temperaturas de operação do HP mais elevadas, sendo que
a máxima testada foram os 188 ºC, devido às limitações físicas do HP, que apenas foi
concebido para funcionar a uma pressão máxima de 12 bar, não permitindo elevar para
temperaturas superiores o ponto de ebulição da água. O ensaio experimental nestas
condições permitiu gerar no bloco 3, em regime permanente, uma potência elétrica de
22 W e transferir para a água cerca de 756 W. Desta forma o rendimento alcançado foi
de 2,9 %, significativamente superior aos 1,7 % alcançados para uma temperatura de
operação de 100 ºC. Ainda neste ensaio, a média das diferenças de temperatura entre as
faces quente e fria dos 4 módulos é aproximadamente 147 ºC, temperatura para a qual o
modelo elétrico (teórico) construído prevê uma potência de 19,7 W, não apresentando
um desvio significativo relativamente aos 22 W obtidos, e validando o modelo. Estes
testes realizados com água revelaram ainda uma baixa resistência térmica do sistema,
pois a temperatura das faces quentes dos módulos e a temperatura interna do HP apenas
diferem cerca de 2 ºC em regime permanente, mostrando a boa condução de calor do
sistema implementado.
Relativamente aos testes realizados utilizando dowtherm A como fluído de
trabalho, tiveram como principal objetivo testar o desempenho do bloco a temperaturas
de operação do HP superiores a 188 ºC, sem que a pressão de 12 bar fosse excedida.
Sendo o ponto de ebulição deste fluido de aproximadamente 257 ºC à pressão
atmosférica, utilizaram-se numa fase inicial bombas de vácuo de forma a possibilitar
baixar a temperatura de operação do HP diminuindo a sua pressão interna, procedendo-
se posteriormente à injeção de ar comprimido, com recurso a um compressor, para obter
Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 149 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
o efeito oposto. Desta forma foi possível testar o funcionamento do bloco para uma
gama alargada de temperaturas internas do HP. No teste realizado a uma pressão de
0,244 bar, à qual corresponde uma temperatura de operação de 200 ºC, foram obtidos
23 W de potência elétrica, um valor muito próximo do 22 W obtidos com água para
uma temperatura de operação significativamente menor (188 ºC). Este facto ocorre
devido à menor capacidade do dowtherm A em transmitir calor, comparativamente à
água, fazendo com que neste ensaio a diferença de temperatura entre o interior do HP e
a face quente dós módulos seja cerca de 17 ºC. Na prática obtém-se sensivelmente a
mesma diferença de temperatura entre as faces quente e fria dos módulos para uma
temperatura de operação de 188 ºC com água e para 200 ºC com dowtherm A. O
rendimento apresentado pelo sistema alcançou os 2,7 % nesta situação. Seguiram-se os
testes aumentando gradualmente a temperatura de operação até ser atingida a máxima
diferença de temperatura recomendada pelo fabricante dos módulos (200 ºC) bem como
o limite máximo para a face quente (250 ºC), esses limites foram atingidos num ensaio
experimental com uma temperatura de operação do HP de 300 ºC, conseguida com uma
pressão interna de 2,3 bar. No entanto verificou-se que a esta temperatura a potência
térmica fornecida ao sistema não era suficiente para fazer subir o vapor de forma a
alcançar a totalidade do bloco, pois a temperatura de saída dos gases era igual à
temperatura do HP, tendo a face quente dos módulos colocados na parte inferior do
bloco atingido os 250 ºC enquanto a face quente dos módulos colocados na parte
superior do bloco atingiu os 225 ºC, facto que representou um decréscimo no
rendimento para os ensaios a pressões mais elevadas. A diferença de temperatura
máxima alcançada entre as faces foi de 192 ºC alcançada para os módulos colocados na
parte inferior do bloco. O bloco gerou, ainda que nestas condições de funcionamento,
35 W e foram transferidos para água através dos módulos 1450 W de potência térmica,
sendo desta forma obtido um rendimento de 2,4 %. Comparando a utilização dos dois
líquidos de trabalho, para a mesma temperatura de operação do HP, a água apresenta
maior potência elétrica gerada, maior potência térmica transferida e melhor rendimento,
tendo como única vantagem o dowtherm A o facto de permitir elevar a temperatura de
operação, sem ser necessário atingir valor de pressão para os quais o sistema não está
fisicamente preparado.
Com a objetivo de triplicar os resultados obtidos nos ensaios realizados ao
bloco 3 do gerador com os blocos em paralelo, foi desenvolvido um gerador em que os
blocos estão dispostos em série de forma vertical, tentando tirar partido da forma como
o vapor alcançou zonas elevadas do sistema, nos ensaios realizados ao primeiro modelo,
Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro
150 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
essencialmente com água. Inicialmente, verificou-se que, com um caudal de
arrefecimento de cerca de 72 L/h, e para um temperatura de funcionamento do HP de
100 ºC funcionando com água, as potência elétricas geradas em cada bloco
apresentavam diferenças significativas, gerando o bloco 3 cerca de 5 W enquanto o
bloco 1 apenas 3,5 W. Este facto deve-se à forma como está ligado o sistema de
arrefecimento, isto é, com o sistema de arrefecimento ligado em série e com a entrada
de água no circuito a ser efetuada numa conduta colocada no bloco 3 (bloco mais
baixo), à medida que a água sobe já tem recebido calor da passagem pelas primeiras
condutas, fazendo com que a diferença de temperatura entre as faces quente e fria dos
módulos vá diminuindo com a altura a que estão colocados no sistema. Este problema
não pode ser eliminado mantendo o circuito de arrefecimento ligado em série, mas pode
ser atenuado aumentando para o máximo possível o caudal de arrefecimento, tendo sido
esse o procedimento adotado, elevando o caudal para 109,1 L/h em todos os ensaios. A
temperatura máxima a que foi testado este modelo utilizando água como fluido de
trabalho, foi de 188 ºC, à semelhança do que sucedeu com o modelo anterior. Se o
bloco 3 do modelo anterior alcançou os 22 W a esta temperatura, era de esperar que este
modelo se aproxima-se dos 66 W, no entanto o problema já referido do circuito de
arrefecimento apenas permite que sejam alcançados 52 W na totalidade dos blocos,
tendo 20 W origem no bloco 3, 17 W no bloco 2 e 15 W no bloco 1. Relativamente à
temperatura da face quente dos módulos esta foi aproximadamente igual ao longo do
sistema, mostrando que o vapor atinge todos os blocos de igual forma. O rendimento do
sistema obtido neste ensaio é de aproximadamente 2 %, tendo a potência térmica
transferida para a água sido de 2600 W.
Pelos motivos referidos para o modelo anterior, este novo também foi testado
utilizando dowtherm A como líquido de trabalho, iniciando-se este procedimento com
um ensaio para uma temperatura de operação de 140 ºC, à qual corresponde uma
pressão interna de 0,035 bar. No entanto, com este líquido de trabalho o vapor quase
não subiu além do bloco 3, atingindo apenas parcialmente o bloco 2. Na origem deste
problema não está a potência térmica fornecida ao sistema, visto que a temperatura de
saída de gases é bastante superior à temperatura do HP, o problema estará no facto de o
dowtherm A não ser capaz de receber esse calor, acabando o sistema por gerar apenas,
nestas condições, uma potência elétrica de 10 W, valor muito longe das expetativas para
esta temperatura de operação.
Finalmente os últimos ensaios experimentais realizados utilizaram os gases de
escape de um motor diesel de 10 cv em vez de os simular com recurso a queimadores,
Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 151 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
como havia sido feito em todos os anteriores testes, aproximando esta situação de uma
implementação real. Os testes utilizaram água como líquido de trabalho e uma
temperatura de operação de 100 ºC. Os gases do motor foram canalizados para a
conduta de gases do gerador e apesar de as temperaturas destes serem muito mais baixas
que as normalmente usadas com os queimadores, atingindo um máximo de 212 ºC, foi
possível colocar 2 blocos em funcionamento, gerando os blocos 3, 2 e 1 respetivamente
4,3 W, 3,4 W e 0,6W, tendo sido obtidos no total dos blocos 8,3 W. Foi possível ainda
determinar que apenas 67 % da energia térmica fornecida pelos gases de escape foi
aproveitada pelo sistema. O rendimento do gerador nestas condições é de
aproximadamente 1%.
No que diz respeito ao modelo com os blocos em série, este modelo teve o
desempenho esperado quando utilizada água como fluido de trabalho, permitindo o
funcionamento dos três blocos e gerando 52 W de potência elétrica. Nos testes em que o
líquido de trabalho foi o dowtherm A, o sistema revelou um mau funcionamento, não
sendo possível colocar os blocos todos a gerar energia elétrica. Relativamente aos testes
com o motor, os resultados foram os possíveis para a gama de temperaturas que os
gases de escape tinham, permitindo verificar o funcionamento do gerador, utilizando
água como fluido de trabalho e gases de escape.
Com uma potência elétrica máxima gerada de 52 W utilizando 12 módulos, e
tendo em conta que muitas soluções idênticas no mercado utilizam cerca de 70, o que
faria com que este gerador (caso suportasse esse numero de módulos) gerasse próximo
de 300 W, pode dizer-se que a aposta no desenvolvimento de geradores combinando
módulos termoelétricos e Heat Pipes deve continuar, pois os resultados não se afastam
muito de soluções que existem no mercado [18]. Uma próxima solução deve passar por
compactar o modelo desenvolvendo, por exemplo, um único bloco de forma hexagonal
ou octogonal com altura de 4 ou 5 módulos de forma a diminuir o tamanho e a suportar
um número superior de módulos. Deve também ser melhorada a robustez do sistema
permitindo suportar elevadas pressões de operação, fazendo com que os módulos
estejam sempre a funcionar no limite máximo de temperatura suportada por eles.
Desenvolvendo um gerador com base nestas ideias é possível colocar-lhe (no caso de
utilizar um bloco octogonal com altura de 5 módulos) 40 módulos a uma diferença de
temperatura de 200 ºC. Utilizando o modelo elétrico para prever a energia elétrica
gerada por estes módulos nestas conduções, obtém-se uma potência de cerca de 370 W,
valor mais próximo do que é atualmente comercializado [18].
Capitulo 7 - Conclusões e Trabalho Futuro
152 Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos
Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
Seria também importante, num plano mais teórico, criar um modelo que
possibilita-se a interação entre as componentes elétrica e térmica, dos módulos
termoelétricos, para serem simuladas diferentes condições de operação de forma a
prever o desempenho destes dispositivos.
Reaproveitamento de Calor em Automóveis para Geração de Energia Elétrica Utilizando Módulos Termoelétricos 153 Diogo Amaral de Sousa - Universidade do Minho
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