VITOR B. DE CARVALHO REGENERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA VEICULAR SÃO CAETANO DO SUL 2010

ALAN VON Z. STASIENIUK

MARCELO R. MENDONÇA

THIAGO DA SILVA AMATE

VITOR B. DE CARVALHO

REGENERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA VEICULAR

SÃO CAETANO DO SUL

2010

ALAN VON Z. STASIENIUK

MARCELO R. MENDONÇA


VITOR B. DE CARVALHO


Trabalho de Graduação apresentado à Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Área de concentração: Engenharia Elétrica

Orientador: Prof. Mestre João Heitor Posada de Mello Barreto

SÃO CAETANO DO SUL 2010

Regeneração de Energia Térmica Veicular / Alan Von, Marcelo Mendonça, Thiago Amate, Vitor Carvalho. --- São Caetano do Sul, SP: CEUN-EEM 2010. Trabalho de Graduação – Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, SP, 2010. Orientador: Prof. Mestre João Heitor Posada de Mello Barreto

ALAN VON ZEIDLER STASIENIUK

MARCELO RICHENA DE MENDONÇA


VITOR BONGIORNO DE CARVALHO


Trabalho de Graduação apresentado à Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Área de concentração: Engenharia Elétrica

Banca Examinadora:

Prof. Mestre João Heitor Posada de Mello Barreto

Orientador Escola de Engenharia Mauá

Prof. Dr. Rodrigo Alvite Romano Escola de Engenharia Mauá

Prof. Eng. Valdir Melero Junior Escola de Engenharia Mauá

São Caetano do Sul, 15 de dezembro de 2010

RESUMO

Desenvolveu-se um módulo que regenera a energia térmica dissipada por determinados

componentes de um veículo. O sistema é baseado em pastilhas de efeito Seebeck, que

converte a diferença de temperatura entre suas duas faces em energia elétrica. Este módulo foi

acoplado a uma moto, onde o escapamento é utilizado como fonte de calor para a face quente

e o próprio fluxo de ar proveniente de seu movimento para resfriar a outra face. O calor

transformado em energia elétrica faz com que o veículo deixe de utilizar parte do combustível,

antes destinado à alimentação da bateria. Desta forma obtem-se redução no consumo e,

conseqüentemente, menor quantidade de poluentes emitidos na atmosfera.

Palavras-chave: Regeneração. Energia térmica. Efeito Seebeck.

ABSTRACT

A module that regenerates the thermal energy dissipated by certain components of a vehicle

was developed. The system is based on Seebeck’s cells effect, which converts the temperature

difference between both sides of the cell in power. This module was attached to a motorcycle,

where the exhaust was used as heat for the hot side and the airflow from its movement to cool

the other cell’s side. The heat turned into electric energy causes the vehicle ceases to use part

of the fuel before intended for battery power. Thus obtained a reduction in consumption and,

consequently, fewer pollutants emitted into the atmosphere.

Keywords: Regeneration. Thermal energy. Seebeck effect.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus por ter nos dado saúde e força para trabalharmos em nosso projeto ao

longo deste ano.

Agradecimentos ao Reginaldo Bidóia Dantas que gentilmente concedeu-nos sua moto a fim de

realizarmos todos os testes necessários.

Ao José Angelo Amate pelas sugestões construtivas sobre o nosso trabalho, e também por

ajudar-nos que este se concretizasse, usinando as peças necessárias.

Ao Eng. Antero G. S. Marques, da Senoidal Eletromecânica, que pacientemente nos explicou o

funcionamento da célula Seebeck.

Ao time de Engenharia de Inovação da Magneti Marelli Cofap, que nos suportaram com

informações essenciais relacionadas ao funcionamento dos amortecedores.

Aos professores do Instituto Mauá de Tecnologia, que nos deram grandes contribuições dentro

de cada disciplina em que ministraram, proporcionando-nos conhecimento e aprendizagem.

E por fim aos nossos familiares e amigos que de alguma forma participaram do nosso

amadurecimento profissional ao longo desses anos.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2.1 - Experimento de Thomas Johann Seebeck. ............................................................ 12

Figura 2.2 - Representação dos aspectos construtivos de uma célula de efeito Seebeck ......... 13

Figura 2.3 - Impacto de Z na eficiência da célula ...................................................................... 14

Figura 2.4 - Montagem do módulo regenerador de energia térmica .......................................... 15

Figura 2.5 - Imperfeições existentes entre superfícies de contato. ............................................ 16

Figura 2.6 - Circuito térmico do módulo regenerador ................................................................ 17

Figura 2.7 - Divisão de energia em motores de combustão à gasolina ..................................... 18

Figura 2.8 - Economia de combustível em relação à carga elétrica imposta pelo alternador..... 19

Figura 2.9 - Sistema de regeneração e conversão de energia simplificado ............................... 20

Figura 2.10 - Módulo gerador termoelétrico .............................................................................. 21

Figura 2.11 - Esquema de ligação do módulo PCS. .................................................................. 22

Figura 2.12 - Trocador de calor no sistema de exaustão do BMW 530i .................................... 23

Figura 2.13 - Melhorias no consumo de combustível do BMW 535i .......................................... 23

Figura 2.14 - Montagem do módulo regenerativo. ..................................................................... 24

Figura 2.15 - Funcionamento de um amortecedor bitubo. ......................................................... 26

Figura 2.16 - Simulação no Software da Melcor ........................................................................ 27

Figura 2.17 - Resistência de chuveiro como fonte de calor no amortecedor ............................. 28

Figura 2.18 - Montagem do módulo regenerativo no amortecedor ............................................ 29

Figura 2.19 - Anemômetro digital portátil modelo AD-250 da Instrutherm ................................. 30

Figura 2.20 - Espessura do Acoplamento de Alumínio .............................................................. 31

Figura 2.21 - Pastilhas de efeito Seebeck instaladas sobre base de alumínio ......................... 32

Figura 2.22 - Vista frontal do módulo regenerativo no escapamento ........................................ 32

Figura 2.23 - Vista lateral do módulo regenerativo no escapamento ......................................... 33

Figura 2.24 - Vista superior do módulo regenerativo no escapamento ...................................... 33

Figura 2.25 - Circuito do teste realizado.................................................................................... 36

Figura 2.26 - Testes realizados com o módulo regenerativo ..................................................... 37

Figura 2.27 - Gráfico das temperaturas ao longo do amortecedor ............................................ 38

Figura 2.28 - Representação das temperaturas ao longo do amortecedor ................................ 39

Figura 2.29 - Gráfico da eficiência da célula Seebeck. .............................................................. 40

Figura 2.30 - Posicionamento das células Seebeck. ................................................................. 43

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1- Medição da temperatura ponto a ponto ao longo do amortecedor. ...................... 37

TABELA 2.2 - Cálculo da potência em função da temperatura e corrente. ................................ 39

TABELA 2.3 - Cálculo da eficiência da célula em função da temperatura e corrente. ............... 40

TABELA 2.4 - Resultados obtidos durante os testes com o amortecedor. ................................ 41

TABELA 2.5 - Velocidade do vento na caixa de rodas em três posições do amortecedor, com o carro a 40Km/h. ........................................................................................................................ 41

TABELA 2.6 - Velocidade do vento na caixa de rodas em três posições do amortecedor, com o carro a 100Km/h. ...................................................................................................................... 42

TABELA 2.7 - Resultados dos testes realizados com módulo regenerativo no escapamento utilizando uma base de alumínio com espessura de 8mm. ....................................................... 42

TABELA 2.8 - Resultados dos testes com as células ligadas em paralelo. ............................... 43

TABELA 2.9 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 4,2Ω de carga. ....................................................................................................................................... 44

TABELA 2.10 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 3,2 Ω de carga. ................................................................................................................................... 44

TABELA 2.11 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 2,2 Ω de carga. ................................................................................................................................... 44

TABELA 2.12 - Resultados dos testes com as células em paralelo e 4,2 Ω de carga. .............. 44



SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 10

2 DESENVOLVIMENTO ...................................................................................................... 12

2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 12

2.1.1 GERADORES TERMOELÉTRICOS.............................................................................. 12

2.1.1.1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 12

2.1.1.2 EFEITO SEEBECK ................................................................................................... 12

2.1.1.3 FIGURA DE MÉRITO Z ............................................................................................. 13

2.1.1.4 MONTAGEM DO CONJUNTO .................................................................................. 14

2.1.2 PROJETOS DESENVOLVIDOS .................................................................................... 17

2.1.2.1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 17

2.1.2.2 ESTUDO DE VIABILIDADE ....................................................................................... 17

2.1.2.3 PROJETO DO CARRO COM REGENERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA ................ 19

2.2 MÉTODOS DE DESENVOLVIMENTO .......................................................................... 24

2.2.1 MÓDULO REGENERATIVO ......................................................................................... 24

2.2.2 APLICAÇÃO NO AMORTECEDOR .............................................................................. 25

2.2.2.1 TEORIA SOBRE O AQUECIMENTO DO AMORTECEDOR ..................................... 25

2.2.2.2 ESTUDO DA DISPERSÃO DE TEMPERATURA NO AMORTECEDOR ................... 26

2.2.2.3 SIMULAÇÃO NO SOFTWARE DA MELCOR ............................................................ 27

2.2.2.4 TESTE REALIZADO COM O AMORTECEDOR ........................................................ 28

2.2.2.5 VELOCIDADE DO VENTO NA CAIXA DE RODA ..................................................... 29

2.2.3 APLICAÇÃO NO ESCAPAMENTO ............................................................................... 30

2.2.3.1 MONTAGEM DO MÓDULO REGENERATIVO NO ESCAPAMENTO ....................... 30

2.2.3.2 TESTES REALIZADOS COM MÓDULO REGENERATIVO NO ESCAPAMENTO .... 35

2.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS ..................................................................................... 37

2.3.1 AMORTECEDOR .......................................................................................................... 37

2.3.1.1 ESTUDO DA DISPERSÃO DE TEMPERATURA NO AMORTECEDOR ................... 37

2.3.1.2 SIMULAÇÃO NO SOFTWARE DA MELCOR ............................................................ 39

2.3.1.3 TESTE REALIZADO COM O AMORTECEDOR ........................................................ 41

2.3.1.4 VELOCIDADE DO VENTO NA CAIXA DE RODA ..................................................... 41

2.3.2 ESCAPAMENTO ........................................................................................................... 42

2.3.2.1 TESTES REALIZADOS COM MÓDULO REGENERATIVO NO ESCAPAMENTO .... 42

2.4 DESENVOLVIMENTO FUTURO ................................................................................... 45

2.4.1 MELHORIA NA TROCA DE CALOR ............................................................................. 45

2.4.2 UTILIZAÇÃO DE TECNOLOGIA QUANTUM WELL ...................................................... 45

3 CONCLUSÃO ................................................................................................................... 47

4 REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 49

10

1 INTRODUÇÃO A responsabilidade ambiental e a questão energética são assuntos amplamente discutidos no

mundo atual. Incentivos para desenvolvimento de projetos que visam maior eficiência

energética são dados a empresas e institutos de pesquisa. Também é exercida forte pressão

para proteção e conservação do meio ambiente. Neste contexto foram desenvolvidos estudos

de métodos para conversão de energia térmica em elétrica, principalmente por se tratar de uma

fonte limpa, que não polui o meio ambiente.

Os estudos desenvolvidos até aqui tem como principal foco a indústria automobilística. Estima-

se que o motor de um carro convencional desperdice 40% da energia proveniente da

combustão da gasolina em forma de calor residual dos gases de escape (CHAU; CHAN, 2007).

A idéia vem sendo empregada e testada principalmente em veículos híbridos, a fim de

aumentar sua autonomia e reduzir o consumo de combustível.

Visando dar continuidade aos estudos realizados, foi desenvolvido um projeto que propõe

novas aplicações para a tecnologia de regeneração de energia térmica. Trata-se de um sistema

independente que explora a energia dissipada em forma de calor nos diversos componentes de

um veículo convencional. O principal objetivo é reaproveitar esta energia para alimentar seus

dispositivos elétricos. Como conseqüência, ocorre um menor consumo de combustível, devido à

redução da carga imposta ao motor pelo alternador.

O sistema desenvolvido é baseado no efeito Seebeck, que converte uma diferença de

temperatura em eletricidade (CHAU; CHAN, 2007). As pastilhas de efeito Seebeck deverão ser

montadas em dispositivos desenvolvidos para fácil adaptação às fontes de calor dos veículos

atuais. Como exemplo destes dispositivos é possível citar: ponteira de escapamento de moto;

módulo intermediário ao sistema de arrefecimento do carro; bloco acoplável ao amortecedor. O

principal diferencial será a capacidade de adaptação que tornará possível a regeneração da

energia térmica dissipada nos diversos componentes de um veículo.

A regeneração de 6% da energia que é dissipada em forma de calor nos gases de escape de

um veículo, seria responsável pela redução de 10% no consumo de combustível, segundo

Wojciechowski et al. (2006?) em Study of Recovery of Waste Heat From the Exhaust of

11

Automotive Engine. Isso mostra que é possível obter resultados significativos, mesmo com o

baixo rendimento apresentado atualmente pelas pastilhas de efeito Seebeck.

12

2 DESENVOLVIMENTO

2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1.1 Geradores termoelétricos

2.1.1.1 Introdução Os geradores termoelétricos são dispositivos de baixa eficiência utilizados para gerar energia

elétrica a partir de uma diferença de temperatura. É aplicado principalmente para fins militares e

espaciais, dado seu alto custo. Este tipo de gerador começou a despertar interesse comercial

há pouco mais de 20 anos, pelo fato de ser uma fonte de energia “verde” e flexível. Não possui

partes móveis, opera em modo silencioso, não polui e é extremamente confiável (ROWE, 1998).

2.1.1.2 Efeito Seebeck

O funcionamento dos geradores termoelétricos é baseado em um efeito conhecido como

Seebeck. Descoberto em 1822 pelo físico alemão Thomas Johann Seebeck, que observou a

ocorrência de um fluxo elétrico quando uma junção de dois metais distintos foi aquecida em

uma das extremidades e a outra mantida a uma temperatura mais baixa (DUCKWORTH, 1960).

Uma ilustração do experimento realizado por Thomas Johann Seebeck pode ser verificada na

Figura 2.1.

Figura 2.1 - Experimento de Thomas Johann Seebeck.

13

Atualmente as células de efeito Seebeck comerciais são construídas a partir da junção de

materiais Bi2Te3 do tipo N e do tipo P. O material condutor que une a junção é a Prata (Ag) ou o

Níquel (Ni) (CHAU; CHAN, 2007). A Figura 2.2 ilustra esta montagem.

Figura 2.2 - Representação dos aspectos construtivos de uma célula de efeito Seebeck. (FONTE: FAIRBANKS, 2006)

O efeito Seebeck serviu de base para a descoberta de um novo fenômeno termoelétrico

conhecido como Peltier. Trata-se do inverso do efeito Seebeck. Dada uma junção de dois

metais diferentes, é aplicada uma diferença de potencial elétrico entre seus terminais abertos,

que causa o surgimento de uma corrente elétrica. Ao fluir pelos terminais do circuito, é gerado

um gradiente de temperatura (SALMAN, OLSON, 2010).

2.1.1.3 Figura de mérito Z Dada uma determinada temperatura, a eficiência na conversão de calor em energia elétrica

depende exclusivamente do desempenho do material termoelétrico utilizado na construção. A

este desempenho dá-se o nome de figura de mérito Z (ROWE, 1998), cujo calculo é

apresentado pela equação (1) .

λ

σα ⋅=Ζ

2

(1)

Onde,

α representa o coeficiente Seebeck;

σ representa condutividade elétrica;

λ representa a condutividade térmica.

14

Este valor costuma ser expresso na forma adimensional ZT, onde a letra “T” representa o valor

da temperatura média pela qual a figura de mérito Z é multiplicada. Com a tecnologia disponível

atualmente, o valor de ZT=1 pode ser considerado satisfatório. Porém, para tornar viável

aplicações comerciais no setor automotivo é necessário que o valor de ZT esteja dentro da faixa

de 3 a 4 (YANG, 2005).

Nos estudos realizados por John W. Fairbanks (2006) foram traçadas curvas que mostram o

impacto da figura de mérito na eficiência da célula. Os gráficos da Figura 2.3 apresentam os

resultados em condições de baixa temperatura (gráfico à direita) e média temperatura (gráfico à

esquerda).

Figura 2.3 - Impacto de Z na eficiência da célula (FAIRBANKS, 2006)

É possível notar que além da figura de mérito, a diferença de temperatura também é um fator

fundamental para se obter máxima eficiência da célula.

2.1.1.4 Montagem do Conjunto Para construção do módulo gerador termoelétrico, na prática, é necessária uma montagem

criteriosa, considerando a fonte de calor, o dissipador térmico, os circuitos conversores DC-DC

e o isolamento térmico. Esta montagem é fundamental para que se obtenham valores

15

significativos de potência elétrica nos terminais de saída das células de efeito Seebeck. Veja na

Figura 2.4 um exemplo de montagem do módulo regenerador de energia térmica.

Figura 2.4 - Montagem do módulo regenerador de energia térmica (FAIRBANKS, 2006)

A célula de efeito Seebeck é identificada como TEG (Thermoelectric Generator) na Figura 2.4.

A face voltada para cima é pressionada contra um bloco extensor, fabricado com um material

bom condutor de calor e superfície polida. Quanto mais lisa a superfície melhor é a

transferência de calor.

Uma chapa quente serve como fonte de calor para o sistema. Na face de baixo da célula é

fixado um dissipador térmico. Sua função é manter a temperatura da face fria igual a do ar que

corre pelas aletas.

Todo o sistema deve ser preso e submetido a uma pressão especificada pelo fabricante da

célula. Além disso, deve-se utilizar material isolante térmico a fim de que o calor da face quente

não seja transmitido à face fria através do parafuso, que é bom condutor térmico.

16

O modelo apresentado não inclui o circuito conversor DC-DC, pois sua aplicação ocorre em

casos de associação série ou paralelo de células Seebeck. Sua função é evitar que uma das

células atue como carga.

Mesmo que duas superfícies pareçam perfeitamente planas, em escala microscópica é possível

notar as imperfeições, conforme mostra Figura 2.5.

Figura 2.5 - Imperfeições existentes entre superfícies de contato.

Para evitar perdas em situações semelhantes à apresentada na Figura 2.5, é necessária a

utilização de pasta térmica. Estas são responsáveis por preencher os espaços microscópicos a

fim de aumentar a área de contato. Por conseqüência, a troca de calor ocorre de maneira mais

eficiente no sistema.

Assim como em um circuito elétrico resistências são utilizadas para reduzir o fluxo de corrente,

em um circuito térmico resistências térmicas causam redução no fluxo calor. Para obter o

melhor rendimento possível do conjunto é necessário reduzir ao máximo a resistência térmica

total do módulo.

A Figura 2.6 ilustra uma montagem que utiliza dissipador térmico. Em um cenário ideal, a

temperatura Tj da junção deveria corresponder a temperatura Ta do ambiente. Entretanto, em

uma situação real, existe a interferência da resistência térmica imposta pelas aletas (Rsa), pela

base do dissipador (Rcs) e pelo invólucro da célula (Rjc). Por este motivo, a temperatura Ta do

ambiente não é a mesma temperatura Tj da junção.

17

Figura 2.6 - Circuito térmico do módulo regenerador

2.1.2 Projetos desenvolvidos

2.1.2.1 Introdução Dados os avanços obtidos na tecnologia de conversão de energia térmica em elétrica, grandes

empresas do setor automotivo iniciaram estudos buscando aplicações viáveis. As pesquisas

seguem basicamente em duas linhas. A primeira busca elevar o valor da figura de mérito ZT

através da utilização de novos materiais e nanotecnologia, a fim de aumentar a eficiência das

células de efeito Seebeck. A segunda linha de estudos visa o desenvolvimento e aplicação de

componentes adjuntos ao gerador termoelétrico. Como exemplos, podem ser citados trocadores

de calor eficientes, métodos de adaptação ao veículo, impactos causados, entre outros.

2.1.2.2 Estudo de Viabilidade Estudos realizados pelo centro de pesquisas e desenvolvimento da General Motors (GM R&D

Center) entre 2004 e 2005 revelaram dados sobre a economia de combustível obtida através da

utilização de métodos para regeneração de energia térmica (YANG, 2005).

Da quantidade total de energia produzida através da combustão da gasolina, apenas 25% é

utilizada para propulsão do veículo e alimentação de seus acessórios eletrônicos. Cerca de

30% é usado em sistema de refrigeração e 40% é desperdiçada através dos gases de

18

exaustão. Os 5% restantes são completados por fricção e perdas parasitas (YANG, 2005). A

Figura 2.7 ilustra a forma como é consumida a energia da combustão da gasolina.

Figura 2.7 - Divisão de energia em motores de combustão à gasolina. (FONTE: YANG, 2005)

Segundo YANG (2005), os geradores termoelétricos podem ser utilizados para reduzir o

desperdício de energia nos dois principais ofensores, que são os gases do sistema de exaustão

e o ar-condicionado. Primeiro, a energia elétrica gerada através da regeneração do calor

existente nos gases de escape seria utilizada para alimentar dispositivos eletrônicos do veículo.

Desta forma, o alternador seria menos exigido, haveria menor carga no motor e, portanto,

menor consumo de combustível. Já na questão do ar-condicionado, células de estado sólido

seriam utilizadas para refrigerar o veículo através do efeito Peltier. Vale lembrar que se trata da

mesma célula de efeito Seebeck, porém, ao invés de fornecer um gradiente de temperatura, é

fornecida uma diferença de potencial elétrico. Como resultado, temos as faces da célula

aquecidas ou refrigeradas dependendo do sentido da corrente elétrica.

Regenerando-se apenas 10% de toda a energia desperdiçada nos gases de escape, é possível

obter uma economia de até 20% de combustível (YANG, 2005). Partindo deste dado teórico, a

GM traçou curvas relacionando a economia de combustível (Fuel Economy – FE) com a carga

elétrica (Electrical Load – EL) aplicada ao motor pelo alternador. Foram consideradas seis

categorias de veículos, os carros pequenos, carros médios e carros grandes, além dos

caminhões pequenos, caminhões médios e caminhões grandes. A Figura 2.8 mostra o gráfico

traçado.

19

Figura 2.8 - Economia de combustível em relação à carga elétrica imposta pelo alternador (FONTE: YANG, 2005)

A análise do gráfico mostra que os carros pequenos (small car) são os que têm maior prejuízo

no consumo de combustível, em função da carga imposta pelo alternador. Caminhões pesados

e carros grandes não sofrem tanta interferência, uma vez que a potência solicitada do motor

para propulsão do veículo é muito grande. Desta forma, a carga imposta pelo alternador é

considerada insignificante.

Diante dos dados apurados, são notáveis os benefícios obtidos através da regeneração parcial

da energia dissipada em forma de calor nos veículos. Portanto, trata-se de uma tecnologia

tecnicamente viável para aplicações no setor automobilístico.

2.1.2.3 Projeto do carro com regeneração de energia térmica O grupo BSST, detentor de marcas como BMW, Visteon e Marlow Industries, iniciou em

novembro de 2004 o desenvolvimento de um sistema de regeneração de energia térmica para

veículos de passeio (LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006).

20

Este sistema foi desenvolvido para trocar calor com os gases de escape e então regenerar

parte da energia. São três os componentes principais que o compõe:

• Primary Heat Exchanger (PHX): trocador de calor primário adaptado ao sistema de

exaustão do veículo. Gás em elevada temperatura entra por dois tubos de admissão.

Nos espirais que envolvem o PHX é utilizado um fluído para trocar calor com o gás.

Comprimento e largura dos tubos são projetados para diminuir ao máximo o efeito

chamado backpressure, que prejudica o rendimento do motor. O Primary Heat

Exchanger está ilustrado na Figura 2.10.

• Thermoelectric Generator Module (TMG): módulo gerador termoelétrico, responsável por

regenerar a energia térmica. Possui em seu interior um módulo chamado trocador de

calor secundário cuja função é aquecer uma das faces das células de efeito Seebeck

com o calor provido pelo fluido do PHX.

• Power Conditioning System (PCS): circuito conversor DC-DC responsável por tratar o

sinal regenerado a fim de que seja usado no circuito elétrico do veículo

O sistema desenvolvido, que contempla os módulos especificados, é apresentado de forma

simplificada na Figura 2.9.

Figura 2.9 - Sistema de regeneração e conversão de energia simplificado. (FONTE: LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006)

21

Figura 2.10 - Módulo gerador termoelétrico. (FONTE: LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006)

No sistema simplificado, ilustrado pela Figura 2.9, os gases de escape entram pelo catalisador

(catalytic converter), chegam ao PHX onde ocorre troca de calor com o fluído que circula pelo

sistema, e são liberados através do escapamento. A responsável por realizar a circulação do

fluído é a bomba (pump).

No módulo gerador termoelétrico o fluído é responsável por fornecer o calor às células de efeito

Seebeck, que irão produzir energia elétrica. A diferença de potencial gerada pelo TGM varia de

acordo com a temperatura dos gases, com o fluxo de gás, entre outros fatores. Por este motivo,

é necessário um tratamento no sinal antes de utilizá-lo como alimentação de algum dispositivo

do veículo. O esquema ilustrado pela Figura 2.11 mostra a relação do PCS com TGM e o

circuito elétrico do veículo, identificado por Vehicle Electrical Bus

22

Figura 2.11 - Esquema de ligação do módulo PCS. (FONTE: LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006)

Para determinar o melhor ponto de instalação do PHX não basta escolher a parte mais quente

do sistema de exaustão. Devido a limitações do material do qual são fabricadas as células de

efeito Seebeck, é necessário avaliar em qual ponto a temperatura máxima não excede 750

graus Celsius (LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006).

Também existe uma outra preocupação. A energia regenerada será proporcional ao gradiente

de temperatura existente, ou seja, não basta aquecer uma das faces da célula de efeito

Seebeck. Também é necessário manter a face oposta na menor temperatura possível. Por este

motivo a BMW adaptou ao sistema de regeneração, um radiador que é responsável por resfriar

a face fria da célula. Vale lembrar que tudo o que é colocado no veículo representa peso

adicional, portanto consumo adicional de combustível. Existem formas de fazer circular fluidos

sem a utilização de bombas, que além do peso, consomem energia elétrica. Todos estes

fatores foram considerados no projeto do BMW 530i (LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR;

EDER, 2006). Veja na Figura 2.12 o local de instalação dos trocadores de calor.

23

Figura 2.12 - Trocador de calor no sistema de exaustão do BMW 530i (FONTE: LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006)

A Figura 2.12 apresenta o local onde foram obtidos os melhores resultados de economia de

combustível. Entretanto, o sistema de regeneração também foi instalado em outros pontos do

veículo e submetido a diferentes condições de trabalho.

Na Figura 2.13 constam as informações referentes aos testes realizados. Os valores

percentuais na cor verde representam redução no consumo de combustível. Os valores em

vermelho representam aumento no consumo de combustível.

Figura 2.13 - Melhorias no consumo de combustível do BMW 535i (FONTE: LAGRADEUR; CRANE; HUNG; MAZAR; EDER, 2006)

24

2.2 MÉTODOS DE DESENVOLVIMENTO

2.2.1 Módulo regenerativo Na construção do módulo regenerativo é necessária a usinagem de um acoplamento, que de

um lado acompanhe a geometria da fonte de calor e do outro tenha uma superfície plana, para

maior contato com as pastilhas Seebeck.

O acoplamento deve ser um bom condutor térmico, pois será incumbido de transferir todo calor

possível da fonte para as pastilhas. Neste caso, utilizou-se o alumínio que além de ser um bom

condutor, também é um material leve e barato.

Outro componente importante na montagem do módulo é o dissipador de calor. Este tem por

função resfriar ao máximo um dos lados da célula, a fim de que esta fique com temperatura

próxima à do ambiente.

Em resumo, a montagem do módulo consiste em uma pastilha Seebeck envolvida por um

acoplamento de alumínio e um dissipador de calor, conforme ilustra a Figura 2.14.

Figura 2.14 - Montagem do módulo regenerativo (FONTE: próprio autor).

25

A Figura 2.14 mostra a montagem do módulo regenerativo de uma forma genérica, sendo que

este deve ser adaptado dependendo da aplicação. As seções 2.2.2 e 2.2.3 descreverão com

maiores detalhes a aplicação do módulo no amortecedor e no escapamento.

2.2.2 Aplicação no amortecedor

2.2.2.1 Teoria sobre o aquecimento do amortecedor Segundo o Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel (2000), os

amortecedores têm por finalidade controlar o movimento de oscilação das molas. Para tal, eles

transformam a energia potencial elástica da mola em calor (ALONSO; COMAS, 2008).

Atualmente, no mercado automobilístico, existem dois tipos de amortecedores: o monotubo e o

bitubo. Porém, independente da estrutura, ambos utilizam o mesmo princípio, o da

transformação de energia (ALONSO; COMAS, 2008).

Em maiores detalhes, durante a utilização do sistema de suspensão do veículo, a mola exige

que o amortecedor comprima e descomprima. Durante este processo de compressão e

descompressão, o fluído presente no amortecedor é forçado a circular através de orifícios

presentes no êmbolo deste (SIMON, 1998), conforme ilustra a Figura 2.15.

Essa circulação forçada através dos orifícios, segundo a CEPRA (2000, p. 3.3), “[...] provoca

uma resistência devido ao atrito, que desenvolve uma certa energia calorífica [...]”. Portanto, a

energia imposta ao veículo, ao invés de ser transferida diretamente ao automóvel, é

transformada em calor (SIMON, 1998), elevando a temperatura do fluído e conseqüentemente a

do tubo do amortecedor.

26

Figura 2.15 - Funcionamento de um amortecedor bitubo (FONTE: Howstuffworks, 2005).

2.2.2.2 Estudo da dispersão de temperatura no amortecedor Utilizando um amortecedor 46x11 MONOTUBULAR MEGA CAB RR 4X4 (M461009CKP), da

Magneti Marelli, realizou-se um estudo da dispersão de temperatura a fim de identificar o ponto

mais quente do equipamento.

Durante a realização do teste, acionou-se o amortecedor por meio de um simulador, com um

curso de 100 mm, a 150 ciclos por minuto por 100 ciclos. Posteriormente mediram-se as

temperaturas, com o auxílio de um Termovisor IR-16EXL3, da 3M, a cada 1 cm do

equipamento. Este procedimento foi repetido por mais duas vezes, com intervalos de três

minutos entre os testes. Todos os resultados serão demonstrados na seção 2.3.1.

27

2.2.2.3 Simulação no software da Melcor Para obter os números teóricos da célula Seebeck HT4-12-30, da Melcor, utilizou-se o software

do próprio fabricante. Foram inseridos os valores de temperatura do lado frio e quente da célula,

obtendo-se o delta, o qual foi utilizado como variável nesta simulação.

Outros dados importantes como a resistência térmica do dissipador, a tensão e a corrente

requerida também foram utilizados, conforme ilustra a Figura 2.16. Os valores de potência

elétrica e de eficiência da célula em função da corrente foram calculados e serão expostos na

seção 2.3.1.

Figura 2.16 - Simulação no Software da Melcor (FONTE: próprio autor)

28

2.2.2.4 Teste realizado com o amortecedor Dentro do amortecedor 46x11 MONOTUBULAR MEGA CAB RR 4X4 (M461009CKP), da

Magneti Marelli, foi colocada uma resistência de chuveiro para servir como fonte de calor

durante o experimento, conforme ilustra a Figura 2.17.

Figura 2.17 - Resistência de chuveiro como fonte de calor no amortecedor (FONTE: próprio autor)

Uma base de alumínio foi fixada sobre o amortecedor quente, com o intuito de transferir todo

calor possível paras a célula Seebeck. A célula, por sua vez, foi presa entre o dissipador de

calor e a base de alumínio, conforme desmonstrado na Figura 2.18.

29

Figura 2.18 - Montagem do módulo regenerativo no amortecedor. (FONTE: próprio autor)

Para simular o deslocamento do ar, utilizou-se um cooler sobre o dissipador de calor. Um

anemômetro digital portátil, modelo AD-250 da Instrutherm mediu a velocidade do vento em

aproximadamente 2,2 m/s. Os resultados serão demonstrados na seção 2.3.1.

2.2.2.5 Velocidade do vento na caixa de roda Um dado importante a ser levado em consideração é a velocidade do vento na caixa de rodas

do veículo. Para isto, foi fixado um anemômetro digital portátil, modelo AD-250 da Instrutherm

(vide Figura 2.19), no amortecedor da roda traseira, do lado esquerdo, de um Pólo Hatch.

30

Figura 2.19 - Anemômetro digital portátil modelo AD-250 da Instrutherm (FONTE: próprio autor)

O anemômetro foi instalado no meio do amortecedor, local onde ocorrem as maiores

temperaturas. Com a altura fixada, foram estabelecidas três posições diferentes: Posição 1:

anemômetro voltado para frente do veículo; Posição 2: anemômetro voltado para fora do

veículo; e Posição 3: anemômetro voltado para a traseira do veículo.

O automóvel foi conduzido a uma velocidade de 40 km/h para todas as posições do

anemômetro. Adicionalmente, para a Posição 3, aumentou-se a velocidade do veículo para 100

km/h. Depois de coletados, esses dados foram comparados aos valores de testes realizados

em laboratório, com o intuito de estudar a viabilidade do projeto em questão. Todos os

resultados serão demonstrados na seção 2.3.1.

2.2.3 Aplicação no escapamento

2.2.3.1 Montagem do módulo regenerativo no escapamento O módulo regenerativo foi instalado para aproveitar a energia térmica dissipada no

escapamento da moto Yamaha Drag Star 650. Nesta ocasião, através de medições de

31

temperaturas e velocidade do vento, decidiu-se fixar o módulo regenerativo a aproximadamente

350 mm, partindo do fim do escapamento em direção ao motor. Nesta região registrou-se

temperatura média de 250 ºC.

Primeiramente, o acoplamento de alumínio, também chamado de base de alumínio, foi usinado

para que tivesse uma espessura mínima de 8 mm. Porém, durante os testes realizados, que

serão demonstrados na seção 2.2.3.2, decidiu-se reduzir esta espessura para 5 mm, conforme

mostra a Figura 2.20.

Figura 2.20 - Espessura do Acoplamento de Alumínio (FONTE: próprio autor)

O intuito desta operação é deixar a fonte de calor o mais próximo possível das pastilhas, porém

não permitindo que o acoplamento de alumínio ceda. O ganho decorrente desta redução da

espessura da base é explicitado na seção 2.3.2.

Nesta aplicação foram utilizadas três pastilhas Seebeck, postas sobre a região central da base

de alumínio, conforme demonstrado Figura 2.21. Posteriormente, cada uma delas foi

sobreposta por um dissipador de calor.

32

Figura 2.21 - Pastilhas de efeito Seebeck instaladas sobre base de alumínio. (FONTE: próprio autor)

As pastilhas e os dissipadores foram fixados por presilhas de celeron, conforme está

desenhado na Figura 2.22, Figura 2.23 e Figura 2.24.

Figura 2.22 - Vista frontal do módulo regenerativo no escapamento (FONTE: próprio autor)

33

Figura 2.23 - Vista lateral do módulo regenerativo no escapamento. (FONTE: próprio autor)

Figura 2.24 - Vista superior do módulo regenerativo no escapamento. (FONTE: próprio autor)

De acordo com a seção 2.1.1.4, é necessário preencher os espaços microscópicos existentes

entre a célula e a base de alumínio a fim de aumentar a área de contato. Portanto, aplicou-se

34

pasta térmica entre a base de alumínio e as pastilhas Seebeck, e entre estas e o dissipador de

calor. Nesta etapa, devem-se tomar as devidas precauções para não utilizar a pasta térmica em

excesso. Caso isto ocorra, a pasta irá prejudicar a troca de calor entre as partes por se tornar

uma intermediária de maior resistência térmica.

Na seqüência, foi adicionada uma manta Termaltex tipo C sobre a base de alumínio com um

rasgo de 120 mm x 50 mm, sendo que as três pastilhas Seebeck foram alocadas dentro do

rasgo para ter contado direto com a base (lado quente). A manta reforça o isolamento térmico

do dissipador e conseqüentemente o lado frio da pastilha.

Como mencionado anteriormente, três dissipadores de dimensões 40 mm x 50 mm, com as

aletas na direção horizontal foram fixados sobre as pastilhas Seebeck por meio de presilhas de

celeron.

O primeiro fator levado em consideração na construção e adaptação dos dissipadores foi a

direção das aletas. A posição horizontal, que aumenta a área de contato do dissipador com o

ar, foi escolhida para melhor aproveitar o vento decorrente do deslocamento do veículo. Desta

forma, foi possível manter a temperatura da face fria em torno de 50ºC.

Outro fator importante é utilização de três dissipadores, um para cada pastilha, ao invés de um

único. Este procedimento foi executado pelo fato da peça não ter uma superfície perfeitamente

plana e sim uma levemente côncava. Tal deformidade é invisível a olho nu, porém quando

utilizado um único dissipador traz grandes impactos no desempenho das pastilhas,

principalmente a que fica situada no meio.

Por último, não se deve prender o dissipador de calor à base de alumínio por um bom condutor

térmico. Se isto ocorrer, a temperatura das duas peças se equilibrará (∆T = 0) e as pastilhas

não mais regenerarão energia. Para evitar tal situação, utilizaram-se presilhas de celeron para

fixar o dissipador à base de alumínio.

As presilhas de celeron são compostas pelo material FC-200, que é um isolante térmico. Estas

são parafusadas na base de alumínio, sobre a manta Termaltex tipo C, proporcionando um

benefício mútuo. Por um lado as presilhas de celeron prendem a manta ao módulo. Por outro

lado, esta serve para diminuir a área de contato da presilha com a base de alumínio.

35

Tanto o celeron FC-200 quanto o Termaltex tipo C são isolantes térmicos, e a utilização de

ambos fornece maior garantia no que diz respeito à isolação térmica. Por este motivo, foi

adicionado um fio de Termaltex tipo C entre a presilha de celeron e o dissipador de calor.

Com todas estas precauções assegurou-se que o calor da base de alumínio não seja

transferido para o dissipador, e prevaleça uma diferença de temperatura entre as duas faces

das pastilhas Seebeck.

2.2.3.2 Testes realizados com módulo regenerativo no escapamento Depois de montado, o módulo foi submetido a um teste no qual se utilizou um forno elétrico,

simulando o escapamento da moto, atingindo uma temperatura média de 250ºC. Colocou-se o

protótipo sobre a chapa do forno elétrico e um ventilador foi posicionado de forma que o vento

gerado escoasse pelas aletas do dissipador de calor.

Um anemômetro digital portátil, modelo AD-250 da Instrutherm mediu a velocidade do vento em

aproximadamente 50 km/h no dissipador de calor, simulando o deslocamento do ar devido ao

movimento da moto.

As pastilhas Seebeck foram ligadas em paralelo e um diodo emissor de luz Cree® XLamp®

7090 XR-E, denominado de super-led a partir deste ponto, foi utilizado como carga. O super-led

pode fornecer um fluxo luminoso de até 228 lumens e trabalha com uma corrente contínua que

varia de 350 mA a 1000 mA.

Fornecendo uma corrente de 350 mA, o super-led exige uma tensão de 3,3 V, sendo a máxima

permitida 3,9 V. Por este motivo optou-se em ligar as pastilhas em paralelo, conforme ilustra a

Figura 2.25. Isso garante que a tensão máxima entregue ao super-led seja igual à de uma única

célula.

36

Figura 2.25 - Circuito do teste realizado (FONTE: próprio autor)

O uso dos conversores DC-DC foram dispensados pelo fato do super-led e das pastilhas

Seebeck trabalharem com corrente contínua. Além disso, o rendimento dos conversores não é

100%, o que consumiria parte da energia regenerada.

Neste projeto foi empregado um farol de moto para representar a energia regenerada. A

lâmpada original foi substituída pelo super-led. O farol funciona semelhante a um espelho

côncavo, utilizando-se do conceito de ponto focal para reflexão paralela dos feixes de luz.

Deste modo, ao substituir a lâmpada por um super-led, foi necessário fazer uma adaptação

para que este ficasse situado no ponto focal do farol. Segundo Young e Freedman (2009, p.42),

para calcular o ponto focal utiliza-se a equação (1), onde f representa a distância focal de um

espelho esférico (ou ponto focal) e o R, o raio de curvatura da esfera.

(1)

O diâmetro da curvatura do farol da moto foi medido em 16 cm, com o auxilio de um

paquímetro. Como o raio de curvatura é igual à metade do diâmetro, tem-se R igual a 8 cm.

Portanto em (1), pode-se concluir que a distância focal do farol equivale a 4 cm.

Por fim o super-led foi posicionado no ponto focal do farol. Toda a montagem do conjunto para

a realização dos testes descritos acima, está ilustrada na Figura 2.26.

37

Figura 2.26 - Testes realizados com o módulo regenerativo. (FONTE: próprio autor)

2.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS

2.3.1 Amortecedor

2.3.1.1 Estudo da dispersão de temperatura no amortecedor Com o objetivo de determinar onde o módulo regenerativo seria fixado, agruparam-se os dados

relativos à temperatura dos pontos do amortecedor em forma de tabela e foram gerados dois

gráficos para melhor visualização. A TABELA 2.1, a Figura 2.27 e a Figura 2.28 demonstram os

resultados deste estudo.

TABELA 2.1- Medição da temperatura ponto a ponto ao longo do amortecedor.

Continua Ponto (cm) 1º ensaio (ºC) 2º ensaio (ºC) 3º ensaio (ºC)

35 37 57 77 34 43 64 82 33 44 66 85 32 47 68 88 31 48 71 88 30 50 72 89

38

Conclusão Ponto (cm) 1º ensaio (ºC) 2º ensaio (ºC) 3º ensaio (ºC)

29 52 73 90 28 53 73 91 27 53 73 91 26 54 74 92 25 55 74 92 24 55 74 92 23 55 75 92 22 56 74 92 21 55 74 93 20 55 74 92 19 55 74 91 18 54 73 91 17 54 73 90 16 54 72 89 15 53 72 89 14 53 71 88 13 52 70 87 12 52 69 86 11 51 67 85 10 50 65 83 9 48 62 82 8 46 59 78 7 44 56 75 6 42 51 71 5 39 47 66 4 37 46 60 3 37 43 56 2 32 40 53 1 30 40 49

FONTE: próprio autor

Temperatura x Posição

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

Posição (Nº do Ponto)

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3

Figura 2.27 - Gráfico das temperaturas ao longo do amortecedor. (FONTE: próprio autor)

39

Figura 2.28 - Representação das temperaturas ao longo do amortecedor. (FONTE: próprio autor)

Através do presente exposto conclui-se que as maiores temperaturas se encontram no centro

do amortecedor, por volta do ponto 21. Portanto, para um melhor aproveitamento, o módulo

regenerativo deverá ser fixado nesta região.

2.3.1.2 Simulação no software da Melcor Os resultados obtidos através de simulações com o software da Melcor, fixando a tensão de

saída em 2 V e alimentando o programa com os dados de resistência térmica, tensão e corrente

necessária (vide seção 2.2.2.3), são apresentados na TABELA 2.2 e TABELA 2.3.

TABELA 2.2 - Cálculo da potência em função da temperatura e corrente.

Corrente gerada na célula (A) 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Del

ta T

(ºC

)

50 0,2 55 0,3 0,4 0,4 60 0,3 0,4 0,5 0,5 65 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7 70 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,8 75 0,5 0,7 0,8 0,9 0,9 0,9 1 1 80 0,6 0,8 0,9 1 1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 85 1,2 1,2 1,3 1,3 1,3 1,3 90 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 95 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 100 1,8 1,8 1,8 1,7 105 1,9 1,9 1,9 110 2 2

FONTE: próprio autor.

40

TABELA 2.3 - Cálculo da eficiência da célula em função da temperatura e corrente.

Corrente gerada na célula (A)

Del

ta T

(ºC

)

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 50 1,5 55 1,6 2,1 2,4 60 1,8 2,3 2,6 2,8 65 1,9 2,4 2,8 3,1 3,3 70 2,1 2,6 3,1 3,3 3,5 3,7 75 2,2 2,8 3,3 3,6 3,8 3,9 4 4,1 80 2,4 3 3,5 3,9 4,1 4,2 4,3 4,4 4,4 4,4 85 4,5 4,6 4,7 4,7 4,7 4,7 90 5 5 5 5 5 5 95 5,4 5,4 5,3 5,3 5,2 100 5,6 5,6 5,5 5,4 105 5,7 5,6 5,6 110 5,8 5,7

FONTE: próprio autor. Com estes resultados gerou-se um gráfico, representado pela Figura 2.29. Através deste, é

possível visualizar a eficiência da célula em função da variação de temperatura entre o lado

quente (Hot Side) e o lado frio (Cold Side) da célula.

Figura 2.29 - Gráfico da eficiência da célula Seebeck. (FONTE: próprio autor)

41

Portanto, pode-se concluir que a maior eficiência, e conseqüentemente os maiores valores de

potência, encontram-se em altos gradientes de temperatura.

2.3.1.3 Teste realizado com o amortecedor Este teste representou uma simulação de como o módulo regenerativo se comportaria em um

amortecedor, sendo utilizado como o lado quente, com uma velocidade de vento de 2,2 m/s

sobre o dissipador de calor. Os resultados se encontram na TABELA 2.4.

TABELA 2.4 - Resultados obtidos durante os testes com o amortecedor.

Lado quente (ºC)

Lado frio (ºC)

Delta de temperatura (ºC)

Carga Resistiva (Ω)

Corrente de saída (A)

Tensão de saída (V)

Potência de saída (W)

85 43 42 5 0,224 1,184 0,265216 92 47 45 5 0,227 1,205 0,273535

FONTE: Próprio autor.

Analisando os resultados, foi possível observar que a potência gerada por uma célula Seebeck

é baixa, e se torna clara a necessidade de uma diferença de temperatura maior, entre o lado

quente e o lado frio.

2.3.1.4 Velocidade do vento na caixa de roda

A motivação deste teste foi saber se a velocidade do vento na caixa de rodas de um carro é

suficiente para resfriar o dissipador do módulo regenerativo acoplado no amortecedor. Os

resultados dos testes com o carro a 40 Km/h se encontram na TABELA 2.5.

TABELA 2.5 - Velocidade do vento na caixa de rodas em três posições do amortecedor, com o carro a 40Km/h.

Posição 1ª medição (m/s) 2ª medição (m/s) 3ª medição (m/s)

Posição A 0,3 0,1 0 Posição B 0,8 0,4 0,3 Posição C 0,4 0,6 0,6


Baseando-se nos dados da TABELA 2.5, concluiu-se, a princípio, que a Posição C do

amortecedor é a região mais ventilada. Por isso foi realizado um novo teste, somente com o

42

anemômetro na posição C, aumentando a velocidade do carro para 100Km/h. Os resultados

são apresentados na TABELA 2.6.

TABELA 2.6 - Velocidade do vento na caixa de rodas em três posições do amortecedor, com o carro a 100Km/h.

Posição 1ª medição (m/s) 2ª medição (m/s) Posição C 1,8 1,9


Desta forma foi possível comparar com os resultados práticos com os testes realizados no

laboratório, demonstrados na seção 2.3.1.3, com o intuito de verificar a viabilidade do projeto, a

qual será discutida na seção 3.

2.3.2 Escapamento

2.3.2.1 Testes realizados com módulo regenerativo no escapamento

Como mencionado na seção 2.2.3.1, primeiramente foram realizados testes utilizando uma

base de alumínio com a espessura de 8 mm. A temperatura ambiente registrada foi de 17ºC,

com uma velocidade de vento no dissipador de 50 Km/h e temperatura do escapamento igual a

150ºC. Foram obtidos os resultados apresentados na TABELA 2.7.

TABELA 2.7 - Resultados dos testes realizados com módulo regenerativo no escapamento utilizando uma base de alumínio com espessura de 8mm.

Célula Temperatura na base de alumínio (ºC)

Temperatura no dissipador (ºC)

Tensão em aberto (V)

Carga (Ω)

Tensão com carga (V)

1ª célula 94,50 33,00 1,85 5,00 1,25 2ª célula 97,00 35,00 1,69 5,00 1,07 3ª célula 100,00 38,00 1,93 5,00 1,28

FONTE: Próprio autor

Entende-se por 1ª célula, aquela que se encontra mais próxima do final do escapamento, por 3ª

célula a que se encontra mais próxima do motor e por 2ª célula a que se localiza entre as

anteriores, conforme demonstra a Figura 2.30.

43

Figura 2.30 - Posicionamento das células Seebeck. (FONTE: próprio autor)

Em seguida as células foram ligadas em paralelo, da seguinte forma: a 1ª célula ligada a 2ª

célula e depois todas as células. Todos os dados foram coletados e demonstrados na TABELA

2.8.

TABELA 2.8 - Resultados dos testes com as células ligadas em paralelo.

Célula Tensão em aberto (V)

Carga (Ω)

Tensão com carga (V)

Corrente (A)

Potência (W)

1ª e 2ª células 3,50 5,00 1,70 - - 1ª, 2ª e 3ª células 5,37 5,00 2,12 0,42 0,90


Através da TABELA 2.7 e a TABELA 2.8 é possível verificar que os resultados utilizando uma

base de alumínio, com a espessura igual a 8 mm, não foram satisfatórios. Isto ocorreu devido

ao fato da pequena diferença de temperatura existente entre o dissipador e a base de alumínio,

em média 62 ºC.

A solução encontrada foi diminuir a espessura da base de alumínio para 5 mm, com o objetivo

de aumentar a transferência de calor do escapamento da moto para o lado quente (Hot Side)

das pastilhas Seebeck. Depois desta operação, realizaram-se novos testes cujos resultados se

encontram na TABELA 2.9, TABELA 2.10 e TABELA 2.11.

44

TABELA 2.9 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 4,2Ω de carga.


TABELA 2.10 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 3,2 Ω de carga.

Célula Temperatura lado quente (ºC)

Temperatura lado frio (ºC)

Delta T (ºC)

Tensão (V)

Corrente (A)

Potência (W)

1ª célula 176,00 46,00 130,00 1,83 0,59 1,07 2ª célula 176,00 59,00 117,00 1,66 0,53 0,88 3ª célula 187,00 67,00 120,00 1,68 0,54 0,91


TABELA 2.11 - Resultados dos testes com a base de alumínio de 5mm de espessura e 2,2 Ω de carga.



Delta T (ºC)

Tensão (V)

Corrente (A)

Potência (W)



Solucionado o problema em relação ao baixo delta de temperatura, e com base nos resultados

demonstrados acima, pode-se observar que a diferença de temperatura entre a base de

alumínio e o dissipador aumentou consideravelmente, atingindo uma média de 122 ºC.

Posteriormente, com o módulo regenerativo já concluído, realizou-se novo teste em um

laboratório, conforme descrito na seção 2.2.3.2. Os resultados podem ser vistos na TABELA

2.12, TABELA 2.13 e TABELA 2.14.

TABELA 2.12 - Resultados dos testes com as células em paralelo e 4,2 Ω de carga.

Célula Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) 1ª e 2ª células 2,52 0,62 1,56

1ª, 2ª e 3ª células 2,73 0,67 1,83




Delta T (ºC)

Tensão (V)

Corrente (A)

Potência (W)


45



1ª, 2ª e 3ª células 2,57 0,83 2,13




1ª, 2ª e 3ª células 2,29 1,10 2,52


2.4 DESENVOLVIMENTO FUTURO

2.4.1 Melhoria na troca de calor A troca de calor entre o gás do sistema de exaustão do motor e a face quente da célula TEG é

considerado um ponto fraco nos desenvolvimentos de sistemas de regeneração de energia

térmica.

Neste trabalho, foi acoplada uma base de alumínio sobre a superfície do escapamento, o que

não proporciona a troca de calor ideal.

A sugestão é o desenvolvimento um novo conceito de troca de calor entre o gás e a face quente

da célula TEG.

2.4.2 Utilização de tecnologia Quantum Well Neste trabalho, foram utilizadas células TEG fabricadas com tecnologia de semicondutores, de

baixa eficiência.

A sugestão é o desenvolvimento de um módulo regenerativo utilizando células fabricadas com

nanotecnologia Quantum Well. Segundo (GHAMATY, ELSNER, JOVANOVIC, 2006), está

célula possui eficiência muito superior às fabricadas com semicondutores.

46

Este fato tornaria a aplicação de módulos de regeneração de energia térmica mais viável, no

ponto de vista econômico.

47

3 CONCLUSÃO

A questão ambiental nunca teve tamanha evidência e repercussão como nos dias atuais.

Projetos “verdes” são incentivados e legislação rigorosa é empregada para forçar empresas a

desenvolverem produtos menos nocivos ao meio ambiente. Isso serve de incentivo para

cientistas continuarem promovendo pesquisas a fim de elevar cada vez mais os valores de

eficiência.

De acordo com o road-map das empresas que desenvolvem os componentes termoelétricos,

em 5 anos teremos células com rendimento 3 vezes maior do que o rendimento máximo obtido

atualmente. Isso tudo a um custo 10 vezes menor.

Certamente, essa evolução tornará viável aplicações nos mais variados setores do mercado. As

empresas automobilísticas usarão a tecnologia para desenvolvimento de automóveis mais

econômicos. Veículos híbridos e carros elétricos serão viabilizados pelo aumento da autonomia

e redução do preço. Além disso, deverá ser quebrado um paradigma referente a combustíveis

automotivos. Qualquer material que produza calor poderá ser utilizado como combustível de um

veículo.

A tecnologia de regeneração de energia térmica ainda está em fase de desenvolvimento e sua

utilização vem sendo relacionada a projetos futuros. Exemplo disso, pode-se citar o

amortecedor regenerativo. Os experimentos realizados durante elaboração deste projeto

mostraram que a tecnologia atual é insuficiente para regenerar valores significativos de energia

a partir do calor liberado nos amortecedores de veículos comerciais. Entretanto, esta aplicação

deverá tornar-se viável devido aos novos valores de eficiência das células, previsto para os

próximos cinco anos.

É necessário enfatizar que, mesmo com a tecnologia atual, existem aplicações viáveis para

regeneração de energia térmica veicular. O módulo regenerador instalado no escapamento de

motocicletas é um bom exemplo. Num primeiro momento pode parecer insignificante a

economia de combustível proporcionada pelo módulo. Segundo estimativas realizadas com

base nos valores de potência apresentados no item 2.3.2.1, nos valores de rendimento dos

motores e alternadores comerciais e na energia química presente na gasolina e álcool, uma

48

motocicleta que roda 3 horas por dia poderá economizar 37 litros de combustível em um ano.

Porém, extrapolando o valor para a quantidade total de motocicletas existentes em uma

metrópole, é possível notar o ganho proporcionado pelo módulo. Segundo o DETRAN-SP, em

2006 haviam 550 mil motocicletas registradas. Com estes valores é possível estimar uma

economia superior a 20 milhões de litros de combustível em um ano.

Associada à redução no consumo está a quantidade de poluentes emitidos. A cidade de São

Paulo adota pelo segundo ano consecutivo um programa de vistoria dos veículos a fim de

reduzir a emissão de poluentes. De acordo com o custo estimado do módulo (R$ 100,00) e com

os valores de economia apresentados, é possível viabilizar um programa semelhante,

obrigando as motocicletas a utilizarem o módulo regenerador de energia térmica.

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4 REFERÊNCIAS

ALONSO, M.; COMAS A. Thermal model of a twin-tube cavitating shock absorber. Barcelona:

Sage Publications, Nov. 2008. 10 p.

CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL DA REPARAÇÃO AUTOMÓVEL. Órgãos da

Suspensão e seu Funcionamento. Lisboa, 2000.

CHAU, K. T.; CHAN, C. C. Emerging Energy-Efficient Technologies for Hybrid Electric Vehicles.

Proceedings of the IEEE, Vol. 95, Apr. 2007.

DUCKWORTH, H. E. Electricity and Magnetism, pg. 180-181. New York: Holt, Rinehart and

Winston (1960).

FAIRBANKS , J. W. Freedom CAR and Vehicle Technologies, Aug. 2006.

GHAMATY, S.; ELSNER, N.; JOVANOVIC, V. Thermoelectric Quantum Well Energy Harvesting

Device. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge MA, June 2006.

HARRIS, W. "HowStuffWorks - Como funcionam as suspensões dos carros". Publicado em 11

de maio de 2005 (atualizado em 23 de maio de 2007) http://carros.hsw.uol.com.br/suspensoes-

dos-carros1.htm (05 de dezembro de 2010)

LAGRANDEUR, J.; CRANE, D.; HUNG, S.; MAZAR, B.; EDE, A. Automotive Waste Heat

Conversion to Electric Power using Skutterudite, TAGS, PbTe and BiTe. 2006

SALMAN, A.; OLSON, A. Cool Junctions. Science Buddies, [S.l.], jan. 2010. Disponível em:

<http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Elec_p031.shtml>

SIMON, D. E. Experimental Evaluation of Semiactive Magnetorheological Primary Suspensions

for Heavy Truck Applications. [S.l.]: [S.n.], Sept. 1998.

50

WOJCIECHOWSKI, K.; MERKISZ, J.; FUC, P.; LIJEWSKI, P.; SCHMIDT, M. Study of Recovery

of Waste Heat From the Exhaust of Automotive Engine, [2006?].

YANG, J. Potencial Applications of Thermoelectric Waste Heat Recovery in the Automotive

Industry. 2005.

YOUNG, H.; FREEDMAN, R. Física IV : Ótica física e moderna. 12 ed. São Paulo, SP: Editora

Pearson, 2009. 420 p.

Documents

VITOR B. DE CARVALHO REGENERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA VEICULAR SÃO CAETANO DO SUL 2010