UNIVERSIDADE DE TAUBAT Carlos Alfredo Rodrigues de Carvalho

ESTUDO DE VIABILIDADE DO APROVEITAMENTO DO CALOR DE ESCAPE PARA GERAO DE

ENERGIA ELTRICA EM AUTOMVEIS

Taubat, SP 2012

Carlos Alfredo Rodrigues de Carvalho

ESTUDO DE VIABILIDADE DO APROVEITAMENTO DO CALOR DE ESCAPE PARA GERAO DE

ENERGIA ELTRICA EM AUTOMVEIS

Dissertao apresentada para obteno do Ttulo de Mestre pelo curso de Mestrado do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Taubat. rea de Concentrao: Projeto Mecnico Orientador: Prof. Dr. Jos Rui Camargo

Taubat, SP 2012

Dedico este trabalho minha esposa Leticia pelo apoio e incentivo durante

todo esse perodo.

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus por permitir a realizao deste trabalho.

minha esposa Leticia pelo apoio e incentivo durante todo o curso.

Ao Professor Dr. Jos Rui Camargo pela orientao, incentivo, e ajuda no

direcionamento dos trabalhos e elaborao de artigo.

Ao corpo docente do Programa de Mestrado em Engenharia Mecnica da

Universidade de Taubat pelos conhecimentos transmitidos.

Ao Professor Dr. Wendell Lamas pelo apoio na elaborao e publicao de

um artigo.

Ao tcnico de laboratrio Flavinho e aos estagirios pelo auxlio na

execuo dos ensaios

RESUMO

Atualmente um dos grandes responsveis pela emisso de CO2 (Dixido de

Carbono) so os veculos movidos a motor de combusto interna, em sua maioria os

automveis. Pesquisas recentes tm mostrado maneiras de aumentar a eficincia

dos automveis por meio do aproveitamento do calor de exausto para gerao de

energia eltrica, com consequente reduo no consumo de combustvel. Esta

dissertao tem por objetivo apresentar um estudo de viabilidade tcnica de um

gerador termoeltrico aproveitando o calor residual dos gases de exausto de um

motor de combusto interna para gerao de energia eltrica. O trabalho apresenta

o modelamento matemtico e a implementao de um prottipo para realizao dos

ensaios para a obteno de resultados experimentais. O prottipo foi montado

utilizando mdulos termoltricos cujo princpio de funcionamento baseado nos

efeitos Seebeck e Peltier, que devido ao conceito de reversibilidade podem funcionar

como geradores eltricos, aquecedores ou refrigeradores. Por meio das equaes

tericas e dos resultados dos ensaios experimentais foi possvel avaliar o

desempenho do sistema de gerao de energia eltrica, determinar o

comportamento dos principais parmetros envolvidos e finalmente concluir sobre a

exequibilidade e viabilidade do projeto.

Palavras-chave: Calor residual, Efeito Seebeck, Gerador termoeltrico

ABSTRACT

Currently one of the most responsible for CO2 (Carbon Dioxide) emissions are

vehicles powered by internal combustion engine, in their majority the automobiles.

Recent research has shown ways to improve the efficiency of automobiles through

the use of exhaust heat to generate electric power, with consequent reduction in fuel

consumption. This paper aims to present a technical feasibility study of a

thermoelectric generator using the residual heat from exhaust gases of an internal

combustion engine to generate electric power. The paper presents the mathematical

modeling and implementation of a prototype for tests to obtaining experimental

results. The prototype was assembled using thermoelectric modules whose operating

principle is based on the phenomena called Seebeck and Peltier Effects, which due

to the concept of reversibility can act as electric generators, heaters or coolers.

Through the theoretical equations and experimental results it was possible to

evaluate the performance of electric power generation system, determine the

behavior of the main parameters and finally conclude on the feasibility and viability of

the project.

Keywords: Residual heat, Seebeck effect, thermoelectric generator

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Diagrama de Sankey da distribuio de energia do combustvel no veculo

movido por MCI. ........................................................................................................ 26

Figura 2 - Caminho com mdulo termoeltrico instalado (a) e o gerador

termoeltrico utilizado (b) .......................................................................................... 28

Figura 3 Local de instalao do gerador no escapamento. .................................... 29

Figura 4 - Demonstrao do efeito Peltier para aquecimento (a) e absoro de calor

(b) .............................................................................................................................. 33

Figura 5 - Aplicao do efeito Peltier com diferentes materiais e representao do

sentido da corrente eltrica. ...................................................................................... 33

Figura 6 - Princpio do efeito Seebeck: orientao dos eltrons no sentido juno

quentejuno fria. .................................................................................................... 34

Figura 7 - Efeito Seebeck como sensor de temperatura (a) e como gerador de

energia eltrica (b). ................................................................................................... 35

Figura 8 - Termopar com diferentes metais A e B. .................................................... 36

Figura 9 - Dissipadores de calor de vrias geometria ............................................... 40

Figura 10 - Dissipador resfriado com ventilao forada. ......................................... 40

Figura 11 - Esboo construtivo de um mdulo termoeltrico..................................... 41

Figura 12 - Mdulo termoeltrico comercial. ............................................................. 42

Figura 13 - Funcionamento de um mdulo termoeltrico como gerador. .................. 45

Figura 14 - Circuito eltrico correspondente de um mdulo termoeltrico

convencional. ............................................................................................................ 46

Figura 15 - Circuito eltrico correspondente de um mdulo termoeltrico, com carga

conectada. ................................................................................................................. 46

Figura 16 - Esquema representativo terico de um gerador termoeltrico. ............... 51

Figura 17 - Motor a combusto modelo Intek I/CR OHV, 10HP. ............................... 52

Figura 18 - Bancada experimental para determinao da altura do suporte ............. 53

Figura 19 - Medies de temperatura no lado quente (Th) e frio (Tc). ...................... 53

Figura 22 - Esquema de um sistema de gerao termoeltrica com carga resistiva.54

Figura 20 - Temperatura do lado quente (Th) x Tempo para diferentes distncias (d).

.................................................................................................................................. 57

Figura 21 - T x Tempo para diferentes distncias (d). ............................................. 58

Figura 23 Tenso na Carga x T para dois mdulos conectados em srie. .......... 58

Figura 24 Potncia x T para dois mdulos conectados em srie. ........................ 59

Figura 25 Rendimento x T para dois mdulos conectados em srie. ................... 60

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Materiais e respectiva condutividade trmica ........................................... 38

Tabela 2 - Propriedades termoeltricas de diferentes materiais. .............................. 44

Tabela 3 - Especificaes do Mdulo TE Technology 40mm x 40mm x 3,9mm ....... 56

LISTA DE SMBOLOS E SIGLAS rea da seo transversal [m2] Incremento diferencial de comprimento [m] Distncia [m] Gradiente de temperatura [C, K] Coeficiente de transferncia de calor por conveco [W/m2K] Intensidade da corrente eltrica [A] Corrente eltrica na carga [A] Condutividade trmica [W/C.m] Condutncia trmica [W/C] Nmero de junes do mdulo [adimensional] Potncia eltrica na carga [W] Potncia mxima gerada [W]

Taxa de conduo de calor por unidade de rea [W/m2] Calor absorvido pela fonte quente [W] Calor dissipado pela fonte fria [W] Fluxo de calor [W]

Calor transferido para fonte fria [W]

Calor transferido para fonte quente [W]

Taxa de calor transferido por efeito Joule [W]

Taxa de transferncia de calor por efeito Peltier [W]

Taxa de transferncia de por efeito calor de Thomson [W] Resistncia eltrica [] Resistncia eltrica da carga [] Resistncia eltrica interna do mdulo []

Resistncia para potncia mxima [] Temperatura absoluta [C, K] Temperatura do lado frio do mdulo termoeltrico [C, K] Temperatura do lado quente do mdulo termoeltrico [C, K] Tenso eltrica de Seebeck [V] Tenso eltrica de sada do mdulo [V] Tenso eltrica na carga [V] Comprimento [m] Figura de Mrito [C-1, K-1] Figura de Mrito [adimensional]

Coeficiente de Seebeck [V/C] a Coeficiente Seebeck do metal A [V/C] b Coeficiente Seebeck do metal B [V/C]

n Coeficiente Seebeck dos semicondutores tipo N [V/C] p Coeficiente Seebeck dos semicondutores tipo P [V/C] Resistividade eltrica [. m] Coeficiente de Thomson [V/C] Coeficiente de Peltier [V]

T Diferena de temperatura [C, K]

V Diferena de potencial eltrico [V]

Rendimento [adimensional] d.d.p. Diferena de potencial [V] f.e.m. Fora eletromotriz [V] HP Horse Power (Cavalos de Potncia) [HP] MCI Motor de Combusto Interna

GLP Gs Liquefeito de Petrleo GTE Gerador Termoeltrico

SUMRIO

Captulo 1 - Introduo .......................................................................... 15 1.1 Consideraes Iniciais .......................................................................................................... 15

1.2 Motivao .............................................................................................................................. 16

1.3 Objetivos ................................................................................................................................ 17

1.3.1 Objetivo Geral ........................................................................................................................ 17

1.3.2 Objetivos Especficos ............................................................................................................ 17

1.4 Estrutura da Dissertao ....................................................................................................... 18

Captulo 2 Estado da Arte ................................................................... 20 2.1 Pesquisa Bibliogrfica ........................................................................................................... 20

2.2 Aplicaes Prticas de Mdulos Termoeltricos .................................................................. 25

2.3 Aplicaes de Geradores Termoeltricos em Veculos Automotores ................................... 26

Captulo 3 Fundamentao Terica .................................................... 30 3.1 Princpio da Converso Termoeltrica Direta ....................................................................... 30

3.2 Efeito Joule ............................................................................................................................ 30

3.3 Efeito Thomson ..................................................................................................................... 31

3.4 Efeito Peltier .......................................................................................................................... 32

3.5 Efeito Seebeck ...................................................................................................................... 34

3.6 Termopar ............................................................................................................................... 35

3.7 Transferncia de Calor .......................................................................................................... 36

3.8 Dissipadores de Calor ........................................................................................................... 39

3.9 Mdulos Termoeltricos ........................................................................................................ 41

3.10 Figura de Mrito .................................................................................................................... 42

3.11 Modelamento Matemtico do Gerador Termoeltrico ........................................................... 44

3.12 Potncia Mxima de Sada ................................................................................................... 48

3.13 Rendimento ........................................................................................................................... 49

Captulo 4 - Testes ................................................................................ 51 4.1 Metodologia ........................................................................................................................... 51

4.2 Testes para determinao da altura do mdulo .................................................................... 52

4.3 Montagem do sistema de gerao ........................................................................................ 54

Captulo 5 Resultados e Discusses .................................................. 57

Captulo 6 Consideraes Finais ........................................................ 61 6.1 Concluses ............................................................................................................................ 61

6.2 Sugestes para Trabalhos Futuros ....................................................................................... 61

Referncias ........................................................................................... 63

15

Captulo 1 - Introduo

1.1 Consideraes Iniciais

As preocupaes com as questes ambientais tm se tornado o foco de

discusses nas ltimas dcadas, principalmente no que diz respeito ao consumo de

recursos naturais e a poluio atmosfrica, em particular, os efeitos causados pelo

aquecimento global.

A utilizao de combustveis fsseis tm se tornado uma preocupao

crescente por parte dos ambientalistas e pesquisadores, no sentido de reduzir sua

dependncia, visto que, uma das fontes energticas mais poluidoras e tambm por

ser uma fonte de energia no renovvel, que se tornar escassa em um futuro

prximo.

As indstrias so alvo de grande preocupao, no entanto, existem outras

fontes de consumo de energia que suscitam tambm esta preocupao, um exemplo

importante o caso dos automveis. Um dos grandes fatores que contribuem para

este problema reside na dependncia, em sua grande maioria, destes combustveis.

Os automveis tm se tornado os grandes emissores de Dixido de Carbono (CO2),

o principal gs responsvel pelo efeito estufa, e, consequentemente, pelo

aquecimento global.

Na tentativa de reduzir esta dependncia de combustveis fsseis, os cientista

e pesquisadores tm buscado novas fontes de energia, como por exemplo, energia

solar, elica, geotrmica e at mesmo energia das mars. J no caso dos

automveis, a busca tem sido por combustveis menos poluentes, como

bicombustveis, veculos hbridos eltricos, veculos puramente eltricos e veculos

movidos a hidrognio.

A busca por novas tecnologias para a gerao de energia eltrica colabora

com o conceito mais amplo de conservao de energia, ou reaproveitamento

energtico, mais especificamente, aproveitamento do calor dissipado tanto nos

processos industriais quanto nos automveis para gerao de energia eltrica,

conhecido como converso termoeltrica direta, baseada no efeito termoeltrico.

16

Existem inmeras formas de se aproveitar o efeito termoeltrico. As mais

conhecidas e aplicadas so a gerao de energia eltrica e a refrigerao, que

utilizam mdulos termoeltricos, feitos com elementos semicondutores tipo p-n entre

duas placas de cermica. Um estudo mais detalhado destes componentes

apresentado no item 3.10.

Hoje em dia encontram-se aplicaes de mdulos termoeltricos em

diferentes reas, tais como: militar, aeroespacial, medicina, microeletrnica,

sensores, entre outros (SANTOS, 2007). O foco deste trabalho est no

aproveitamento do calor de escape de veculos automotores, utilizando mdulos

termoeltricos para gerao de energia eltrica para seu prprio consumo.

A converso termoeltrica direta se caracteriza por ser um processo de

converso de energia trmica (calor) em energia eltrica, sem a presena de partes

mveis (geradores eltricos convencionais), feita por meio de mdulos

termoeltricos. O princpio fundamental de funcionamento destes mdulos

baseado no Efeito Seebeck, que foi observado pela primeira vez pelo fsico Thomas

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

cobre e fio de bismuto) para formar um circuito. A juno era feita pela ligao dos

dois fios entre si. Ele ento descobriu que aquecendo um lado a uma temperatura

elevada, e o outro permanecendo a uma temperatura mais fria, iria gerar um campo

eltrico ao redor do circuito de diferentes temperaturas. Durante o desenvolvimento

deste trabalho, sero apresentados mais detalhes sobre a teoria do efeito Seebeck e

sobre os mdulos termoeltricos.

De acordo com pesquisas recentes a utilizao destes mdulos tem se

mostrado uma tendncia como fonte alternativa de energia eltrica, porm existem

muitas limitaes quanto aos materiais empregados e a eficincia dos mdulos.

1.2 Motivao

A maior parte da energia dos combustveis utilizados hoje se perde na forma

de calor, apenas uma parte da energia utilizada realmente transformada em

trabalho (FARIAS, 2009). Isto pode ser visto claramente nas usinas termoeltricas,

caldeiras e motores de combusto interna, que tem uma eficincia muito baixa.

17

Cerca de 2/3 da energia do combustvel consumido em um automvel perdido sob

a forma de calor (HSIAO et al, 2010).

O aproveitamento deste calor da exausto dos veculos com motores de

combusto interna permite produzir energia para alimentar baterias e outros

componentes eltricos do automvel, atravs do uso dos mdulos termoeltrico

baseados no Efeito Seebeck. Com o uso desta tecnologia pretende-se aproveitar o

calor perdido nos gases de exausto do motor e transform-lo em energia eltrica

que pode ser utilizada no prprio veculo, como, por exemplo, recarregar celulares e

aparelhos de GPS, substituindo parte da energia fornecida pelo alternador.

Como o consumo de eletricidade no veculo influi diretamente no consumo de

combustvel, devido potncia entregue pelo alternador, essa tecnologia permitiria

que o veculo consumisse menos combustvel e, conseqentemente emitiria menos

CO2, conforme estudos realizados por Fairbanks (2008) e Yang (2007). Por esta

razo a converso termoeltrica direta para aplicao em automveis tem se

tornado bastante atrativa e tem sido alvo de inmeras pesquisas nos ltimos anos.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo de viabilidade tcnica

para o aproveitamento do calor desperdiado nos gases de exausto de motores de

combusto interna para gerao de energia eltrica para consumo do prprio

veculo.

1.3.2 Objetivos Especficos

A soluo escolhida passa pela utilizao de mdulos termoeltricos

funcionando como geradores de energia eltrica (Efeito Seebeck). Os objetivos

especficos so os seguintes:

18

Apresentar um estudo terico sobre os mdulos termoeltricos, bem como as

formulaes matemticas que regem seu funcionamento como gerador de

eletricidade.

Construir um prottipo para realizar ensaios em bancada utilizando mdulos

termoeltricos comerciais e a energia trmica dos gases de exausto de um motor

de combusto interna para gerar energia eltrica.

A partir dos resultados dos ensaios, analisar os principais parmetros do

gerador, comparando com os conceitos tericos e assim poder avaliar seu

desempenho e viabilidade na utilizao em um automvel.

1.4 Estrutura da Dissertao

No primeiro captulo apresentado o contexto atual da utilizao de energia e

sua implicao nos impactos ambientais, bem como a possibilidade do

aproveitamento do calor de exausto de motores veiculares, por meio da utilizao

de geradores termoeltricos de converso direta como fonte alternativa de

eletricidade para consumo prprio, e consequente economia de energia. Neste

captulo tambm so apresentados os principais objetivos a serem alcanados.

O segundo captulo apresenta uma reviso bibliogrfica com as pesquisas e

os estudos publicados recentemente, sobre os quais foi baseado todo

desenvolvimento terico do trabalho. Ainda neste captulo so apresentadas as

principais utilizaes dos mdulos termoeltricos, enfatizando as aplicaes na

indstria automobilstica.

No terceiro captulo so abordados os conceitos relacionados com a

termoeletricidade e o desenvolvimento das equaes que permitem avaliar o

desempenho de um sistema de gerao termoeltrica por converso direta. So

tambm discutidos, o modelo trmico e eltrico de um mdulo termoeltrico baseado

no efeito Seebeck, alm de conceitos de transferncia de calor amplamente

aplicados na avaliao global de um gerador termoeltrico.

O captulo quatro apresenta a metodologia adotada para os ensaios em

bancada, os materiais utilizados na construo dos prottipos, instrumentao para

aquisio dos dados. J o captulo cinco mostra os resultados dos testes realizados

19

em laboratrio e uma discusso dos principais parmetros relacionados com o

desempenho do gerador termoeltrico.

O captulo seis apresenta as concluses e as propostas de trabalhos futuros.

Para finalizar o trabalho so apresentadas todas as referncias bibliogrficas

utilizadas para o desenvolvimento do mesmo.

20

Captulo 2 Estado da Arte

2.1 Pesquisa Bibliogrfica

Os princpios e teorias dos efeitos termoeltricos vm sendo estabelecidos ao

longo do tempo por vrios pesquisadores. De acordo com Farias (2009), a

termoeletricidade tem a sua origem com Alessandro Volta em 1800 que concluiu que

a eletricidade causadora dos espasmos nas pernas do sapo estudadas por Luigi

Galvani em 1780 era devida a um contato entre dois metais dissimilares. Essa

concluso foi precursora do princpio do termopar.

Aps estas descobertas, outros cientistas passaram a pesquisar os efeitos

termoeltricos, dos quais se destacam Thomas Seebeck em 1821, Jean Peltier em

1834 e Joseph Thomson em 1848, que deram origem s denominaes dos trs

efeitos termoeltricos, diferentes, mas relacionados entre si. Seus estudos

contriburam para o entendimento destes fenmenos e sua fundamentao

cientfica.

As pesquisas nesta rea vm evoluindo ao longo dos anos, e existem vrios

trabalhos publicados recentemente.

Yang (2007) apresenta as diversas aplicaes de mdulos termoeltricos,

como, por exemplo, gerao de energia em reas remotas, pequenos refrigeradores

e aquecimento veicular. O trabalho foca na utilizao dos mdulos na gerao de

energia utilizando calor rejeitado tanto no escape quanto no circuito de arrefecimento

do motor como forma de reduzir o consumo de combustvel.

Os resultados dos estudos demonstraram que existem projetos de geradores

capazes de substituir alternadores de at 1kW de potncia, o que pode levar a uma

economia de at 10% no consumo de combustvel.

Camargo et al (2008) fizeram um estudo sobre um gerador termoeltrico

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

termoeltricos e uma fonte de calor. Nesse sistema a tenso gerada quando os

lados do mdulo termoeltrico esto expostos a diferentes temperaturas, ou seja,

um lado do mdulo est mais quente que o outro, criando-se assim uma diferena

de temperatura.

21

Niu et al (2009) construram uma unidade de gerao utilizando mdulos

termoeltricos comerciais e um trocador de calor de placas paralelas. O experimento

permitiu entender a influncia das principais condies de operao, como as

temperaturas de entrada dos fluidos quente e frio, as taxas de fluxo e a carga

resistiva. Sendo a temperatura do fluido quente e a taxa de fluxo as que mais

afetaram a mxima potncia de sada e, conseqentemente, a eficincia da unidade.

Os resultados experimentais foram comparados com valores do modelo

numrico, e demonstraram ser um bom guia para aprimoramento e otimizao do

modelo matemtico para geradores com aproveitamento de calor com baixas

temperaturas.

Rodrguez et al (2009) desenvolveram um modelo computacional para simular

o comportamento trmico e eltrico dos geradores termoeltricos, por meio de

equaes termoeltricas e de transferncia de calor. O modelo utiliza como

entradas os parmetro como funo da temperatura. Os parmetros de sada

analisados foram temperatura, desempenho, potncia eltrica, tenso e corrente

gerados. Para validao do modelo e determinar o nvel de preciso foi construdo

um termogerador de bancada, o erro do modelo foi menor que 5%. Foram realizados

estudos levando em conta a influncia da temperatura da sala e da resistncia da

carga na potncia de sada do gerador.

Hsiao et al (2010) constataram que cerca de 2/3 da energia do combustvel

consumido em um automvel descarregado na forma de calor rejeitado. E uma

forma de reaproveitar parte deste calor seria por meio da utilizao de geradores

termoeltricos para converso em eletricidade.

Como forma de prever o comportamento destes mdulos, foi proposto um

modelo de resistncias trmicas unidimensional para comparar a eficincia da

utilizao de um gerador termoeltrico localizado no tubo de escape de gases em

relao a sua instalao no radiador de arrefecimento. Os resultados da simulao

foram verificados com dados experimentais, e se mostrou consistente.

O estudo concluiu que a potncia gerada do sistema instalado no tubo de

escapamento maior do que a do sistema instalado no sistema de arrefecimento,

devido maior diferena de temperatura.

Yu e Chau (2009) propuseram uma forma de maximizar a energia

armazenada em baterias automotivas aproveitando o calor rejeitado em veculos que

utilizam motor de combusto interna, produzindo energia eltrica utilizando mdulos

22

Peltier. Para regular a tenso de carregamento da bateria foi implementado um

conversor DC-DC, maximizando a tenso transferida e minimizando os distrbios

entre o GTE e a bateria.

Estudos experimentais demonstraram que a utilizao do conversor melhorou

a performance de 14,5% a 22,6% comparado com a no utilizao do mesmo.

Palcios et al (2009) desenvolveram uma metodologia para estimar

parmetros internos de mdulos Peltier para aplicaes no usuais, no

especificadas nas folhas de dados dos fabricantes, a partir das curvas de

performance, permitindo a previso do desempenho e comportamento dos mdulos

em diferentes condies de trabalho.

A simulao e testes experimentais foram realizados para obter os

parmetros Peltier para projetos de refrigerao e parmetros Seebeck para

aplicao na gerao termoeltrica.

Farias (2009) construiu um prottipo de um microgerador termeltrico de

estado slido utilizando calor da queima de GLP (Gs Liquefeito de Petrleo). Os

estudos determinaram a eficincia trmica, eltrica e global do sistema, deixando

claro a influncia da diferena de temperatura em cada uma delas e as limitaes de

temperatura dos mdulos informadas pelo fabricante.

Gou et al (2010) direcionaram seus estudos para termogeradores de

converso direta que operam em baixa temperatura. Foi estudada a influncia da

irreversibilidade trmica na transferncia de calor na gerao termoeltrica e a

utilizao de vrios mdulos em srie. Como forma de aumentar a eficincia dos

GTEs, o estudo concluiu que alm de aumentar a temperatura da face quente (calor

rejeitado) e utilizar uma srie de mdulos, importante aumentar a capacidade de

troca trmica do lado frio.

Estudos tericos e experimentais demonstraram que isso possvel

aumentando a superfcie dos dissipadores de calor e utilizando ventilao forada.

Lavric (2010) desenvolveu um modelo detalhado para caracterizar a operao

de geradores termoeltricos. O modelo permitiu uma anlise da sensibilidade da

performance do mdulo em relao geometria, resistncias eltrica e trmica,

qualidade das fontes e dissipadores de calor, como temperatura e condutncia

trmica. O desempenho dos mdulos pode ser aumentado melhorando o coeficiente

de transferncia de calor, especialmente do lado quente.

23

Ibrahim et al (2010) realizaram um estudo experimental para explorar os

efeitos prticos da implementao de mdulos termoeltricos no reaproveitamento

de gases de exausto. Os resultados indicam que a potncia produzida aumenta

com o aumento da temperatura do lado quente e mantendo-se a taxa da

temperatura do refrigerante.

Santos (2010) analisou o desempenho de um gerador termoeltrico baseado

no efeito Seebeck. Para realizao do estudo foi utilizado um prottipo que utiliza o

calor dos gases de escape de um pequeno motor de 10HP. O estudo concluiu que

os parmetros mais importantes neste tipo de gerao so a diferena de

temperatura entre os lados quente e frio, a tenso gerada, a influncia da carga

resistiva e a temperatura mxima admitida pelos mdulos, que se mostrou um fator

limitante na gerao com clulas termoeltricas.

Casano e Piva (2011) realizaram uma investigao experimental utilizando

mltiplas clulas Peltier, no modo Seebeck (gerao de energia eltrica). Foram

comparados dados experimentais com valores calculados para variao de potncia

e eficincia em funo de diferentes parmetros, como quantidade de mdulos,

variao da carga resistiva e diferena de temperatura fria e quente.

Os resultados mostraram que a potncia mxima gerada para uma carga

resistiva, quando esta resistncia igual resistncia interna do mdulo. E chegou-

se a concluso que quanto maior a quantidade de mdulos utilizados e a diferena

de temperatura maior a potncia gerada.

Jang et el (2011) simularam o comportamento dos mdulos termoeltricos

utilizando modelos tridimensionais. O trabalho teve como foco investigar o papel das

dimenses dos mdulos, como largura, espessura do substrato e rea dos termo-

elementos, na potncia gerada e sua eficincia.

As equaes utilizadas no modelo foram derivadas dos efeitos Seebeck e

Peltier, e submetidos a anlise de elementos finitos. Como hiptese, foram

considerados substratos de Bi2Te3 e Sb2Te3. A simulao trouxe diretrizes para

projetos de GTEs de alta performance.

Champier, et al (2011) propuseram um gerador termoeltrico reaproveitando o

calor de foges lenha. O projeto prev a utilizao de mdulos de Telureto de

Bismuto Bi2Te3 com limite de temperatura contnua de 320 C para o lado quente e

de no mximo 200 C para o lado frio.

24

Foi conectado ao mdulo um dispositivo regulador de tenso. O gerador

produziu 6,7V estabilizado e uma potncia de sada de 7,6W, sendo que a potncia

gerada pelo modulo foi de 9,5W, cerca de 20% foi perdido no regulador de tenso.

Foram realizados estudos sobre a influncia da compresso entre os contatos

trmicos, concluindo-se que a partir de 5bar possvel conseguir uma potncia

eltrica de sada suficiente.

Antunes (2011) tambm estudou o reaproveitamento dos gases de escape de

veculos automotores associado utilizao de clulas termoeltricas para gerao

de eletricidade. Implementou-se um sistema de controle de temperatura , visto que a

temperatura dos gases de escape muito alta e ultrapassa a temperatura limite dos

mdulos.

O sistema de controle de temperatura composto, basicamente, por Heat

Pipes, que so tubos metlicos, normalmente de cobre ou alumnio, fechados com

um fluido de trabalho no seu interior, que o responsvel pela transferncia de calor

do tubo de escape at os mdulos termoeltricos, numa temperatura suportada

pelos mesmos.

Blanger e Gosselin (2011) utilizaram algoritmos genticos para simular o

comportamento e otimizar a utilizao de mdulos em trocadores de calor de fluxo

cruzado.

O trabalho determinou a influncia da quantidade, localizao dos mdulos no

trocador de e da distribuio de temperatura (no uniforme) no trocador de calor.

Como forma de aperfeioar o sistema de gerao, determinou-se a melhor topologia

eltrica para montagem dos mdulos.

Meng et al (2011) desenvolveram um modelo numrico de um gerador

termoeltrico comercial utilizando como fonte quente um trocador de calor aletado,

combinando conceitos de termodinmica e transferncia de calor. O desempenho

do termogerador foi simulado utilizando como parmetros as propriedades fsicas,

dimenses geomtricas, temperatura e fluxo de calor. Para realizao dos ensaios

foi utilizado como fonte quente e fria gua a 100 C e 27 C, respectivamente e 127

mdulos termoeltricos. O estudo concluiu que a diferena de temperatura entre as

junes e a tenso de sada uma funo linear da corrente eltrica de sada.

Huang et al (2011) introduziram o conceito de Coeficiente de Seebeck

Efetivo , o qual discute a inconsistncia entre o coeficiente medido e o coeficiente

terico. Tal diferena explicada devido ao efeito de contato e a rede de

25

resistncias trmicas do prprio mdulo. O estudo concluiu que na prtica as

propriedades do material so menores do que na teoria.

Hsu et al (2011) idealizaram um modelo e construram, na prtica, um sistema

utilizando 24 mdulos geradores termoeltricos para converter o calor de exausto

do tubo de escapamento de um automvel em energia eltrica. A eficincia do

sistema foi simulada e comprovada por meio experimental. Chegou-se a concluso

que a eficincia era cerca de 0,3%, devido ao pequeno calor de entrada do mdulo,

por conta do prprio limite de temperatura para manter sua integridade fsica.

Apesar da baixssima eficincia deve-se levar em conta que o custo do calor

desperdiado deve ser considerado muito baixo, ou praticamente nulo.

Consequentemente, a baixa eficincia de converso no foi uma questo to

importante a ser levada em conta.

2.2 Aplicaes Prticas de Mdulos Termoeltricos

Na indstria os mdulos termoeltricos so utilizados no resfriamento de

pequenos lasers, refrigeradores de diodo, pequenos geradores de corrente contnua

que aproveitam o calor rejeitado por processos industriais, em circuitos de

telecomunicao, etc..

Tem grande aplicao no mercado de petrleo e gs, utilizado em sistemas

de proteo catdica e instrumentao, principalmente em reas de difcil acesso

eletricidade.

Outra importante aplicao dos mdulos utiliz-los como gerador em reas

remotas (JONES et al, 2011), principalmente no uso domstico, como alimentao

de sistemas de comunicao, computadores portteis (MUHTAROGLU et al, 2008),

segurana, micro-refrigeradores e ar-condicionado (SILVA, 2010), podendo utilizar

com fonte quente o calor de foges lenha (CHAMPIER et al, 2011)

Conforme Farias (2009), na indstria aeroespacial foi onde se obteve os

maiores avanos e aplicaes da termoeletricidade, devido impossibilidade de se

conectar rede eltrica. A partir das aplicaes nesta rea que foi possvel

justificar o seu emprego comercial.

Na indstria automobilstica j so utilizados para aquecer e resfriar bancos

(FAIRBANKS, 2008), e o prximo objetivo aplicar na gerao de eletricidade para

consumo prprio, que ser melhor explicado no item 2.3, deste captulo.

26

2.3 Aplicaes de Geradores Termoeltricos em Veculos

Automotores

O consumo de combustveis fsseis em automveis uma das maiores

questes discutidas atualmente no mundo, principalmente no campo de energia e

meio-ambiente, particularmente em relao s emisses de dixido de carbono dos

veculos movidos a motor de combusto interna. De acordo com as pesquisas

somente cerca de 30% da energia dos combustveis transformada em trabalho

efetivo (IBRAHIM et al, 2010). De acordo com Zhang et al (2008), os 70% da energia

restante rejeitado sob a forma de calor, aproximadamente 30% via radiador e de

30% a 40% nos gases de escapamento.

Esta distribuio de energia nos automveis movidos a motores de

combusto interna tem despertado o interesse de cientistas e pesquisadores, no que

diz respeito conservao e reaproveitamento de energia. Existem alguns meios de

recuperao da energia desperdiada em um veculo acionado por Motor de

Combusto Interna (MCI), devido s perdas de calor atravs do sistema de

arrefecimento (radiador), sistema de lubrificao, e, principalmente do calor perdido

no sistema de gases de escape.

Hoje em dia a recuperao de energia trmica e mecnica tem cada vez mais

um papel fundamental no veculo, transformando estas energias em eletricidade

para posterior consumo. A Figura 1 ilustra o panorama de distribuio de energia em

um veculo, via o diagrama de Sankey.

Figura 1 Diagrama de Sankey da distribuio de energia do combustvel no veculo movido a MCI. (Fonte: ZHANG et al, 2008)

Operao do Veculo

Frico

Refrigerante

Gases de Exausto

Energia de Combusto

25%

5% 30%

40%

27

A Figura 1 permite observar que a energia liberada para o sistema de escape

da mesma ordem de grandeza da potncia mecnica fornecida pelo motor. A

potncia total do sistema de exausto de gases e arrefecimento do motor o dobro

da potncia mecnica de trao aproveitada.

Parte da energia em forma de calor pode ser regenerada em energia eltrica,

pela converso termoeltrica direta, e posteriormente utilizada para o carregamento

de baterias de um veculo hbrido, ou simplesmente para limitar a utilizao do

alternador de um veculo convencional, proporcionando assim um menor consumo

de combustvel.

A temperatura dos gases de escape de um motor de combusto interna

chega a ultrapassar 800C, quando o veculo se encontra em sua potncia mxima

(ANTUNES, 2011), estes limites so cuidadosamente trabalhados para que se

obtenham temperaturas inferiores aos mesmos com o mximo de aproveitamento da

potncia trmica, ou seja, obter temperaturas menores para aproveitar este calor,

devido ao fato de que os materiais dos mdulos termoeltricos utilizados atualmente

no suportarem to altas temperaturas (SANTOS, 2010).

Ao longo dos tempos, os investigadores tm trabalhado para recuperar o calor

do escape dos automveis, utilizando conversores termoeltricos. No entanto, a

potncia eltrica gerada reduzida e serve apenas para alimentar alguns

componentes eltricos constituintes de um automvel. Um sistema de

aproveitamento de calor em um automvel pode ser mais eficiente e gerar uma

potncia superior, quando se aproveitam todas as perdas de calor, como o calor

perdido nos sistemas de arrefecimento, de lubrificao e no respectivo escape.

Recentemente, os geradores termoeltricos desenvolvidos para o automvel,

utilizando avanados conversores termoeltricos tm uma eficincia na ordem dos

6% (VAZQUEZ, 2002).

As primeiras implementaes de geradores termoeltricos de converso

direta em veculos ocorreram em caminhes com motor a diesel. Em 1994 foi

desenvolvido um gerador eltrico para um caminho (FAIRBANKS, 2008), conforme

ilustrado na Figura 2.

28

(a) Local de instalao do gerador (b) Gerador termoeltrico

Figura 2 - Caminho com mdulo termoeltrico instalado (a) e o gerador termoeltrico utilizado (b)

(Fonte: FAIRBANKS, 2008)

Recorrendo a conversores termoeltricos de efeito Seebeck, ligados

eletricamente em srie, produziu-se ento o gerador termoeltrico de converso

direta. Fairbanks (2008) demonstrou que o gerador tem capacidade de produzir uma

potncia eltrica na ordem de 1kW a partir dos gases de escape, obtendo-se um

ganho no respectivo consumo de combustvel.

Em 2008 o California Institute of Technology, apresentou algumas solues e

aplicaes de geradores termoeltricos em veculos, no mbito da DEER

Conference (FAIRBANKS, 2008). Estes autores comearam por avaliar a energia

consumida e desperdiada no sistema de exausto de um automvel. Foi feita a

caracterizao do sistema e a anlise do local de implementao do gerador

termoeltrico, para um BMW srie 5 com motor a gasolina.

A Figura 3 ilustra o local de implementao do gerador termoeltrico. A

energia fornecida por este gerador aproxima-se dos 500W de potncia eltrica em

conduo na cidade e 1kW de mxima potncia, ou seja, em auto-estrada. Esta

potncia pode ser utilizada para alimentar componentes como o GPS, o rdio, ou at

mesmo o ar condicionado. Segundo Fairbanks (2008), este gerador termoeltrico

tem figura de mrito muito prxima de um, cerca de 12% de eficincia, e uma

economia de combustvel de aproximadamente 10%.

29

Figura 3 Local de instalao do gerador no escapamento. (Fonte: FAIRBANKS, 2008)

Karri et al (2011) fizeram previses de economia de combustvel em um

veculo SUV utilizando mdulos termoeltricos comerciais de Telureto de Bismuto

acoplados ao sistema de exausto de gases. O resultado foi uma economia de

combustvel da ordem de 2%.

Gerador Termoeltrico

30

Captulo 3 Fundamentao Terica

3.1 Princpio da Converso Termoeltrica Direta

A converso termoeltrica direta encontra-se presente em inmeros

processos industriais e em diversos fenmenos onde o fator temperatura se destaca.

Trata-se de uma tecnologia para converso de energia trmica em energia eltrica

por meio de dispositivos de estado slido. Neste captulo so apresentados os

principais fenmenos e efeitos presentes nos conversores termoeltricos.

Dentre estes fenmenos se destacam o Efeito Joule, Efeito Tohmson Efeito

Peltier e o Efeito Seebeck Os conversores termoeltricos consistem,

fundamentalmente, na aplicao dos Efeitos Seebeck e Peltier, sendo o Efeito

Seebeck o mais importante para o estudo de geradores termoeltricos.

3.2 Efeito Joule

Quando uma corrente eltrica percorre um condutor gerado calor. A

intensidade desse calor proporcional ao quadrado da intensidade da corrente

eltrica e independe do sentido da corrente. O calor de Joule produzido dado pela

Equao 1:

(1)

Onde:

= Taxa de transferncia de calor de Joule gerado [W]

= Resistncia eltrica () do condutor

= Corrente eltrica do circuito [A]

A conduo trmica resulta do fato que o gradiente de temperatura num

material induz o calor a fluir na direo de menor temperatura. A taxa na qual este

31

calor conduzido por unidade de rea proporcional ao gradiente da temperatura e

dado pela Equao 2:

(2)

Onde:

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

= Condutividade trmica [W / C.m]

= Diferena de temperatura entre os lados do mdulo [C]

3.3 Efeito Thomson

De acordo com Alves (1995) este efeito foi descoberto por William Thomson

(Lord Kelvin) na dcada de 1850, e diz que uma quantidade extra de calor

liberada ou absorvida por um condutor homogneo, quando submetido a um

gradiente trmico e atravessado por um fluxo de corrente eltrica . Este calor

depende do sentido do fluxo de corrente eltrica em relao ao sentido do gradiente

trmico aplicado, e definido pela Equao 3:

(3)

Onde:

= Taxa de calor Thomson. [W]

= Coeficiente de Thomson [V / C]

= Corrente eltrica no circuito [A]

= Diferena de temperatura [C]

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

material e quando a corrente flui em direo regio de maior temperatura. Logo,

significa que o calor absorvido da vizinhana.

32

3.4 Efeito Peltier

Descoberto por Jean Charles Athanase Peltier em 1834, o Efeito Peltier

consiste na produo de uma diferena de temperatura quando a juno de dois

materiais diferentes percorrida por uma corrente eltrica. Na juno de dois

condutores diferentes absorvida ou libertada energia trmica, dependendo do

sentido da corrente que o percorre, sendo esta energia trmica proporcional a esta

corrente. Quando uma corrente eltrica atravessa a juno de dois diferentes

condutores, a juno arrefece absorvendo energia trmica do meio onde se

encontra. Invertendo o sentido da corrente, a juno aquece provocando um

aquecimento do meio onde se encontra atravs da liberao de energia trmica,

este conceito conhecido como reversibilidade. O calor de Peltier dado pela

Equao 4:

(4)

Onde:

= Taxa de calor Peltier por unidade de area da juno. [W/m2]

= Coeficiente de Seebeck [V / C]

= Temperatura absoluta [C]

= Corrente eltrica no circuito [A]

= Coeficiente de Peltier [V]

Se o calor absorvido pelo sistema, a quantidade positiva. A juno

quente absorve calor, conforme a Equao 5:

(5)

A juno fria dissipa calor, conforme a Equao 6:

(6)

33

J quando o calor dissipado pelo sistema, torna-se negativo, e o

processo se d de forma inversa, ou seja, a juno quente dissipa calor, enquanto a

juno fria absorve calor.

O calor Peltier reversvel, ou seja, quando se inverte o sentido da corrente,

permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm de sentido

oposto. A demonstrao deste tipo de efeito ilustrada pela Figura 4:

(a) (b)

Figura 4 - Demonstrao do efeito Peltier para aquecimento (a) e absoro de calor (b)

(Fonte: ANTUNES, 2011)

O efeito Peltier conseguido atravs de uma corrente gerada por uma fonte

exterior ou pelo seu prprio par termoeltrico. Este efeito termoeltrico utilizado em

diversos setores da eletrnica para o controle de temperatura de componentes e

circuitos. No setor industrial, utilizado em pequenos frigorficos sem compressor.

A Figura 5 ilustra a exemplificao de dois diferentes materiais com a

respectiva passagem da corrente eltrica. O tipo n corresponde a Bismuto, Telrio,

Selnio (Bi, Te, Se) e o tipo p corresponde a Bismuto, Telrio, Antimnio (Bi, Te, Sb)

(Gerovac et al, 2002).

Figura 5 - Aplicao do efeito Peltier com diferentes materiais e representao do sentido da corrente

eltrica. (Fonte: GONALVES, 2008)

Corrente Eltrica Corrente Eltrica

3.5 Efeito Seebeck

O Efeito Seebeck foi observado pela primeira vez pelo fsico Thomas

Seebeck, em 1821. Ao contrrio do

transferncia de eltrons de uma

Dito em outras palavras, a

determinado condutor eltrico

um fluxo de corrente eltrica

se ilustrado na Figura 6. Os

(regio quente) deslocam-

onde o nvel de energia cintica menor

Figura 6 - Princpio do efeito Seebeck: orientao dos eltrons no sentido jun

Com base na Figura

extremidade e resfriado na outra, os

regio fria, fazendo com que haja excesso de

excesso de eltrons na regio fria.

gerada uma diferena de potencial (

conhecida por tenso termoeltrica

diferena de temperatura designada por efeito See

obtido pela Equao 7:

!

"# $%&'

Efeito Seebeck

foi observado pela primeira vez pelo fsico Thomas

Seebeck, em 1821. Ao contrrio do efeito Peltier, consiste, fundamentalmente

de uma regio quente para outra de menor temperatura.

outras palavras, a existncia de uma diferena de temperatura num

eltrico, produz uma diferena de potencial eltric

eltrica (quando o circuito fechado). Este fenmeno

. Os eltrons da regio com a temperatura mais elevada

-se para a regio com menor temperatura (regio fria),

onde o nvel de energia cintica menor (GONALVES, 2008).

Princpio do efeito Seebeck: orientao dos eltrons no sentido juno quente

(Fonte: ANTUNES, 2011)

igura 6, observa-se que quando um condutor aquecido numa

na outra, os eltrons deslocam-se da regio quente para a

, fazendo com que haja excesso de ons positivos na regio quente e

na regio fria. Nos terminais das extremidades do

diferena de potencial (V) na ordem de alguns millivolts (mV), tambm

termoeltrica. Essa diferena de potencial por unidade de

diferena de temperatura designada por efeito Seebeck, onde matematicamente

34

foi observado pela primeira vez pelo fsico Thomas Johann

fundamentalmente, na

de menor temperatura.

ma diferena de temperatura num

eltrico (V) [V] e

fenmeno encontra-

com a temperatura mais elevada

temperatura (regio fria),

s no sentido juno quentejuno fria.

aquecido numa

se da regio quente para a

positivos na regio quente e

extremidades do condutor

illivolts (mV), tambm

. Essa diferena de potencial por unidade de

onde matematicamente

(7)

35

A amplitude dessa diferena de potencial est relacionada com o tipo

material dos condutores aplicados e, principalmente, com a diferena de

temperatura entre os materiais. Esse fenmeno o principio de funcionamento dos

termopares, um sensor comumente usado na indstria para monitoramento de

temperatura e tambm como gerador de energia eltrica, conforme a Figura 7.

(a) (b)

Figura 7 - Efeito Seebeck como sensor de temperatura (a) e como gerador de energia eltrica (b).

(Fonte: ANTUNES, 2011)

3.6 Termopar

Um exemplo clssico de aplicao do efeito Seebeck o termopar. Um

termopar constitudo por dois condutores metlicos distintos, de metal puro ou

ligas homogneas. Os dois metais so soldados (fuso por aquecimento) numa

extremidade, que se designa por juno quente ou juno de medio. A outra

extremidade dos condutores utilizada para a respectiva medio, designado por

juno de referncia, fechando assim o circuito eltrico por onde flui a corrente

eltrica. O funcionamento dos termopares um bom exemplo de aplicao do efeito

Seebeck, onde a tenso gerada proporcional diferena de temperatura entre as

extremidades do sensor. A tenso medida nas extremidades de um termopar

obtida atravs da Equao 8:

# "( )'" ' (8)

Onde ( e ) so as constantes Seebeck dos metais e dependem da

constituio dos materiais. Duas junes de diferentes metais a diferentes

36

temperaturas geram uma fora eletromotriz (f.e.m.) que proporcional diferena

de temperatura. A Figura 8 representa a estrutura de um termopar.

Figura 8 - Termopar com diferentes metais A e B. (Fonte: Adaptado de ALVES, 2007)

Estes sensores medem a diferena de temperatura entre dois pontos, por

este motivo indispensvel determinar a temperatura de uma das junes, para

saber a diferena de temperatura entre elas.

Estes sensores so muito usados em vrias aplicaes, principalmente nas

indstrias: metalrgica, metal-mecnica e siderrgicas onde a medida de

temperaturas elevadas importante. A linearidade, preciso e estabilidade so

melhores que um termistor ou uma termoresistncia, e uma grande vantagem a

sua rea de medida ser muito reduzida. Este trabalho utiliza termopares como

instrumentos de medio de temperatura.

3.7 Transferncia de Calor

Transferncia de calor o processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta

temperatura para um de temperatura mais baixa. O corpo quente denominado

fonte quente e o corpo frio fonte fria, ou receptor. Naturalmente, a transmisso de

calor se d da fonte quente para a fonte fria, e so trs os modos de transmisso:

conduo, conveco e radiao, muito embora nos processos de troca trmica

quase sempre ocorre a combinao de dois ou trs destes modos. possvel

identificar processos de transferncia de calor em termos de equaes e taxas

apropriadas (INCROPERA et al, 2008).

B

Tc

Th

Metal A

Metal B

37

Est implcito, na definio acima, que um corpo nunca contm calor, mas o

calor identificado como tal quando cruza a fronteira do sistema. O calor , portanto,

um fenmeno transitrio, que cessa quando no existe mais diferena de

temperatura.

Para aplicao prtica dos efeitos Seebeck e Peltier o experimento utiliza os

trs modos de transferncia de calor.

A conduo pode ser definida como o processo pelo qual a energia

transferida de uma regio de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa

dentro de um meio (slido, liquido ou gasoso) ou entre meios diferentes de contato

direto. Estes mecanismos podem ser visualizados como a transferncia de energia

de partculas mais energticas para partculas menos energticas de uma

substncia devido a interaes entre elas.

Para a conduo trmica, a Equao 9 conhecida como Lei de Fourier, e

utilizada para se obter fluxo de calor transferido por conduo atravs de uma

parede unidimensional, de acordo com INCROPERA et al (2008).

*+

+, (9)

Onde:

=Fluxo de calor por conduo [W]

- = Condutividade trmica do material [W/m.K]

= rea de seo transversal material [m2]

= Gradiente de temperatura [K]

= Comprimento do trajeto do calor [m]

A condutividade trmica () uma propriedade fsica dos materiais que mede

a capacidade de transferir calor atravs da sua seo. definida como a potncia

trmica transferida por unidade de rea ao longo de uma espessura unitria sujeita a

uma diferena de temperatura unitria (W/m.K). A Tabela 1 apresenta a

condutividade trmica para diferentes materiais.

38

Tabela 1 - Materiais e respectiva condutividade trmica.

(Fonte: Adaptado de ANTUNES, 2011 e ALVES, 2007)

Material Condutividade Trmica k (W/m.K)

Prata 426

Cobre 398

Alumnio 237

Tungstnio 178

Ferro 80,3

Vidro 0,72 - 0,86

gua 0,61

Tijolo 0,4 - 0,8

Madeira (pinho) 0,11 - 0,14

Fibra de Vidro 0,046

Espuma de Poliestireno 0,033

Ar 0,026

Telureto de Bismuto 1,8

A transferncia de calor por conveco ocorre entre um fludo em movimento

e uma superfcie, quando os dois se encontram a diferentes temperaturas. A

transferncia acontece tanto pelo movimento molecular aleatrio quanto pelo

movimento global do fludo. Ela pode ser natural (livre) ou forada, dependendo das

condies de escoamento do fluido.

A Equao 10 utilizada para se obter a quantidade do fluxo de calor

transferido por conveco, independente do processo de conveco, de acordo com

INCROPERA et al (2008).

. * (10)

Onde:

= Fluxo de calor transferido por conveco [W]

. = coeficiente de transferncia de calor por conveco [W/m2K]

= rea de transferncia de calor [m2]

= Diferena de temperatura entre a superfcie e o lquido [K]

39

3.8 Dissipadores de Calor

Nos ltimos 50 anos a refrigerao e gerenciamento trmico de sistemas

eletro-eletrnicos tm tido um papel importante no que diz respeito a aumentos de

potncia, enquanto mantm a temperaturas de componentes em nveis satisfatrios

(OJHA, 2009). A refrigerao de componentes eletrnicos, principalmente dos

fabricados a partir de materiais semicondutores tem sido um desafio para o

desenvolvimento tecnolgico. Os elementos semicondutores so a base da

eletrnica moderna, como por exemplos os diodos, transistores, memrias e

microprocessadores. Tais elementos atingem temperaturas elevadas quando em

operao e possuem um limite de temperatura de trabalho, onde, acima deste

valore, os componentes podem sofrer alteraes na sua funcionalidade e at mesmo

na sua integralidade.

Existem vrios mtodos de refrigerao de componentes eletrnicos, porm o

mais comum utilizando dissipadores de calor, que so dispositivos que absorvem e

dissipam calor de um outro componente por meio de contato trmico direto

(conduo) e conveco. Os dissipadores de calor so fabricados de materiais com

boa capacidade de conduo trmica como o cobre (401 W/mK a 300 K) e ligas de

alumnio (237 W/mK a 300 K), segundo Ojha (2009).

Uma outra caracterstica importante dos dissipadores de calor, segundo

Souza (2007), a utilizao de superfcies estendidas, ou aletadas, o que implica no

aumento da rea superficial e, por conseguinte, no aumento da transferncia de

calor entre a estrutura e o fluido adjacente. Por causa desse princpio que a

aplicao de superfcies estendidas se faz de maneira ampla na indstria de

aparelhos eltricos e eletrnicos que produzem calor, e que necessita ser

eficientemente dissipado. Na superfcie estendida, ocorre transferncia de calor por

conduo no interior do slido e transferncia de calor por conveco na superfcie

das aletas, a Figura 9 ilustra diferentes tipos de dissipadores.

40

Figura 9 - Dissipadores de calor de vrias geometrias. (Fonte: www.micforg.co.jp em 26/04/12)

A melhoria de troca trmica pode ser obtida aumentando-se a velocidade do

fluido que escoa pelas aletas por meio de um ventilador (ventoinha) ou qualquer

dispositivo que implique em uma ventilao forada, conforme figura 10, ou ainda

por meio de um fluido lquido.

Figura 10 - Dissipador resfriado com ventilao forada. (Fonte: www.micforg.co.jp em 26/04/12)

Em cada aplicao, a preocupao principal est em definir que tipo de aleta

dar a maior eficincia de refrigerao, mnimo custo de material, peso, tamanho,

mnima resistncia para refrigerao pelo fluxo ambiente, capacidade adequada e

fcil fabricao. A eficincia do dissipador de calor medida pelo desempenho

trmico gerado por volume. Um dissipador de calor eficiente fornecer refrigerao

substancial ao ocupar um volume fsico pequeno.

41

Os mdulos termoeltricos so componentes semicondutores e produzem

uma grande quantidade de calor por rea, alm de possurem limitaes no que diz

respeito s altas temperaturas. Desta forma, se faz indispensvel o uso de

dissipadores de calor com ventilao forada nos sistemas termoeltricos, com o

objetivo de manter as placas numa temperatura dentro dos valores recomendados

pelo fabricante e aumentar a diferena de temperatura entre as faces quente e fria

dos mdulos, aumentando, consequentemente, a eficincia do gerador ou

refrigerador termoeltrico.

3.9 Mdulos Termoeltricos

Um mdulo termoeltrico ou clula termoeltrica de efeito Seebeck/Peltier, ,

como o prprio nome indica, baseado nestes efeitos. amplamente utilizado em

aplicaes de arrefecimento ou aquecimento onde o seu reduzido tamanho, a sua

simples implementao, a vantagem de no necessitar de manuteno e o seu

elevado tempo de vida, prevalecem sobre outros conversores como, por exemplo,

evaporadores, condensadores ou compressores. Estes mdulos so muito utilizados

em pequenos frigorficos portteis, em equipamentos de laboratrio, no

arrefecimento de processadores para aumentar o seu desempenho, adegas

climatizadas (STRAZZA, 2008), entre vrias aplicaes. A Figura 11 ilustra um

esboo construtivo de um conversor termoeltrico convencional e a Figura 12 ilustra

um conversor comercial.

Figura 11 - Esboo construtivo de um mdulo termoeltrico. (Fonte: Adaptado de www.kryotherm.ru em 26/04/2012)

42

Figura 12 - Mdulo termoeltrico comercial. (Fonte: www.kryotherm.ru em 26/04/2012)

A sua composio feita por junes de materiais do tipo p e do tipo n de

Telureto de Bismuto (Bi2Te3), tambm chamados de termo-elementos, (SANTOS,

2010) ligados eletricamente em srie por junes metlicas e termicamente em

paralelo, como ilustra a Figura 11. Quando percorrida por uma corrente eltrica,

esta entra pelo terminal (+), percorre todos os elementos em srie e sai pelo outro

terminal (-). Os pares trmicos encontram-se colocados entre duas placas de

cermica planas a base do xido ou nitrato de alumnio que so utilizados para o

contato trmico do mdulo ao restante do sistema.

O princpio de funcionamento destes mdulos baseia-se nos efeitos Seebeck

e Peltier. No efeito Peltier, quando uma corrente percorre num sentido, uma das

faces vai irradiar e a outra absorver calor. Quando essa corrente percorre no sentido

contrrio, as faces irradiadoras e absorvedoras de calor se invertem. Para uma boa

eficcia, ambas as faces devem estar bem isoladas entre si. No funcionamento

como geradores termoeltricos utilizado o efeito Seebeck, onde a energia eltrica

gerada atravs de diferena de temperatura entre as faces.

3.10 Figura de Mrito

A figura de mrito caracteriza o desempenho de um conversor, ou seja,

consiste numa medida de desempenho dos materiais termoeltricos, sendo

43

representada por Z, e relaciona os efeitos Seebeck (), a resistividade eltrica (/) e

a condutividade trmica () de um mdulo termoeltrico, matematicamente obtida

pela Equao 11:

0 12

34 (11)

Este parmetro mostra que quanto maior a resistividade eltrica e a

condutividade trmica do material, maior o aquecimento por efeito Joule e pior a

figura de mrito. As variveis e 5 representam o clculo equivalente de todas as

condutncias trmicas e resistncias eltricas do mdulo (ANTUNES, 2011).

A figura de mrito tambm pode ser expressa na forma adimensional com ZT,

onde o material caracterizado para uma determinada temperatura (SINGH et al,

2011), conforme a Equao 12.

0 12

34 (12)

Um bom material termoeltrico deve trabalhar com uma grande faixa de

temperatura, alto coeficiente de Seebeck, e baixa resistividade eltrica e

condutividade trmica, tendo como consequncia uma elevada figura de mrito (LEE

et al, 2010). No incio da dcada de 1930 at o final dos anos de 1970, houve um

surto de descobertas mostrando que materiais semicondutores exibiam as melhores

propriedades termoeltricas (ALVES, 2007), e por consequncia, maiores figuras de

mrito.

A busca por materiais mais eficientes para fabricao de mdulos

termoeltricos vem crescendo ao longo dos anos. A Figura de Mrito (ZT) tem

aumentado, porm, ainda tem um valor muito reduzido (ZT=1 temperatura

ambiente). A Tabela 2 apresenta alguns materiais que compem mdulos

termoeltricos existentes (GONALVES, 2008).

44

Tabela 2 - Propriedades termoeltricas de diferentes materiais. (Fonte: ANTUNES, 2011)

Material Smbolo Coef. Seebeck

(VK-1)

Resistividade

(m)

Cond. Trmica

k(Wm-1K-1)

Figura de Mrito

ZT (300K)

Nquel Ni -18 0,07 91 0,015

Cromo Cr 18 0,13 94 0,008

Bismuto Bi -60 1,15 8,4 0,11

Antimnio Sb 40 0,42 18,5 0,062

Telureto de Bismuto Bi2Te3 -240 10 2,02 0,86

Telureto de Antimnio Sb2Te3 92 3,23 1,63 0,48

Em temperatura ambiente, os compostos de Telrio (Te), Bismuto (Bi) e

Antimnio (Sb), so materiais semicondutores que apresentam a maior figura de

mrito. Estes materiais podem alcanar elevados valores de ZT devido sua

estrutura incomum, uma supercompactao formada por camadas alternadas de

semicondutores (SOUZA, 2007).

De acordo com Sark (2011), em temperaturas entre 600K e 800K so

utilizadas ligas de PbTe, j em altas temperaturas (800K-1300K) as ligas de silcio e

germnio. As ligas de Telureto de Bismuto (Bi2Te3) so as mais empregadas em

baixas temperaturas (200K-400K) e tambm as mais comumente empregadas na

fabricao de mdulos termoeltricos comerciais.

3.11 Modelamento Matemtico do Gerador Termoeltrico

Uma das principais aplicaes dos mdulos termoeltricos a gerao de

energia eltrica. Quando os mdulos termoeltricos funcionam como geradores,

esto utilizando como fundamento o efeito Seebeck, produzindo energia eltrica

atravs de diferenas de temperatura. Como ilustra a Figura 13, quando o calor

aplicado na juno dos elementos semicondutores, os eltrons livres do elemento

tipo N e as lacunas dos elementos tipo P deslocam-se para o lado frio,

concentrando carga neste local. A extremidade fria do elemento tipo N adquire

polaridade negativa (excesso de eltrons) e a extremidade fria do elemento tipo P

adquire carga positiva (excesso de lacunas), ao se fechar o circuito entre os

elementos N e P cria-se uma corrente eltrica no sistema.

45

Figura 13 - Funcionamento de um mdulo termoeltrico como gerador. (Fonte: ANTUNES, 2011)

A diferena de potencial (d.d.p) gerada proporcional diferena de

temperatura entre a face quente e a de menor temperatura (fria) qual o mdulo

submetido. Cada juno p-n produz uma tenso na ordem de millivolts (mV), sendo

a tenso total multiplicada pelo nmero de junes (N), conforme apresentado pela

Equao 13:

#6 7 " ' "8 9' (13)

Onde:

, a diferena de temperatura entre as junes. a temperatura

no lado quente e no lado frio.

8 9 , o coeficiente de Seebeck, expresso em V/C, onde 8 e 9 so

propriedades dos materiais dos condutores do mdulo.

Desta forma, tem-se que a diferena de potencial para o mdulo como um

todo ser dada pela Equao 14, onde o coeficiente Seebeck global do mdulo.

#6 (14)

46

A Figura 14 representa o circuito eltrico equivalente de um mdulo

termoeltrico onde #6 a tenso gerada (mV), 6 resistncia interna do mdulo e

#: a tenso nos terminais do mdulo.

Figura 14 - Circuito eltrico correspondente de um mdulo termoeltrico convencional.

(Fonte: Adaptado de SANTOS, 2010)

Enquanto nenhuma carga ligada aos terminais do mdulo, no

haver nenhuma corrente eltrica circulando pelo circuito, portanto #; ento,

#6 #:.

Quando conectamos uma carga (

47

< !=

";=>;?' (15)

Consequentemente a tenso na carga (#;?'2

(19)

Substituindo a Equao 14 na Equao 19, podemos expressar a potncia

dissipada na carga em funo da diferena de temperatura entre as faces do

mdulo, conforme mostra a Equao 20:

48

@< 122;?

";=>;?'2 (20)

3.12 Potncia Mxima de Sada

Matematicamente, a potncia mxima na carga "@AB,' obtida onde a

derivada da potncia em relao resistncia da carga igual a zero (SANTOS,

2010). Derivando-se a Equao 19 em funo de < e igualando a zero, temos a

Equao 21:

!=2";=>;?'%;?!=

2

";=>;?'2

(21)

Desenvolvendo a Equao 21, conclumos que6

49

3.13 Rendimento

O desempenho de um mdulo termoeltrico pode ser caracterizado pelo

efeito Seebeck (), pela resistncia interna (6) e pela condutncia trmica (K)

(HSIAO et al, 2010).

A condutncia trmica do conversor dada em funo da condutncia

trmica de cada juno p-n. Cada juno contm uma determinada rea (S), uma

condutividade trmica () e um comprimento (L). Como os elementos p-n tm iguais

volumes a condutncia trmica igual para ambos, podendo ser expressa pela

Equao 23.

$ M4N

O (23)

De acordo com Hsiao et al (2010), as taxas calor recebido (P) e calor

removido (Q) podem ser calculadas pelas Equaes 24 e 25.

. < . R $ ". S' &

< 6 (24)

S < S R $ ". S' R&

< 6 (25)

Onde:

< . = Calor referente ao Efeito Peltier

< 6 = Potncia dissipada

$ ". S'= Bombeamento de calor entre dois reservatrios trmicos

A eficincia trmica ou o rendimento obtido atravs da relao da potncia

eltrica de sada (@

50

De acordo com Phillips (2009) P pode ser definido como o calor transferido

atravs do mdulo e dado pela Equao de Fourier (9) utilizada para se obter fluxo

de calor transferido por conduo. A expresso que calcula o rendimento, definida

pela Equao 27, onde a espessura do mdulo.

W?2;?+,

X( (27)

Substituindo o termo < < da Equao 27 pela Equao 20, temos o

rendimento em funo da diferena de temperatura entre as faces do mdulo,

expresso pela Equao 28.

12+,

X(";?>;='2 (28)

51

Captulo 4 - Testes

4.1 Metodologia

De forma a validar o modelo matemtico apresentado no captulo 3 e com o

objetivo de avaliar o desempenho de um gerador termoeltrico e a influncia de suas

principais variveis, foi montado um prottipo de um sistema gerador termoeltrico

baseado no esquema representativo terico ilustrado pela Figura 16.

Figura 16 - Esquema representativo terico de um gerador termoeltrico.

(Fonte: CAMARGO et al, 2008)

No modelo experimental a fonte de calor (Q) o calor de exausto dos gases

de um motor a combusto interna e a carga uma resistncia eltrica. Devido s

limitaes de temperatura do mdulo termoeltrico utilizado na realizao dos

testes, antes da construo do prottipo do sistema de gerao foi montada uma

bancada para determinar a distncia mnima do mdulo em relao ao tubo de

escapamento de forma a aproveitar ao mximo o calor rejeitado sem que o mdulo

seja danificado. Aps esta determinao foi montado o prottipo experimental

completo.

Com este prottipo possvel monitorar as principais variveis da gerao

termoeltrica, como as temperaturas do lado quente e do lado frio do mdulo

52

termoeltrico, a tenso gerada pelo sistema, bem como a corrente na carga

resistiva. Com esses dados possvel obter e analisar o desempenho do sistema.

4.2 Testes para determinao da altura do mdulo

O mdulo termoeltrico utilizado para realizao dos ensaios o modelo TE

Technology 40mm x 40mm x 3,9mm. A temperatura mxima recomendada pelo

fabricante de 180C, e a temperatura no tubo de escapamento do motor utilizado,

ilustrado pela Figura 17, atinge temperaturas muito elevadas, dependendo do regime

de trabalho do motor.

Figura 17 - Motor a combusto modelo Intek I/CR OHV, 10HP. (Fonte: CAMARGO et al, 2008)

Para determinao da altura mnima do mdulo em relao ao tubo do

escapamento do motor foi montada uma bancada conforme a Figura 18, utilizando-

se os seguintes equipamentos:

1- Motor 2 tempos modelo IntekT I/CR OHV, 10 HP;

2- Termopares Tipo J Sensor Termoelemento Fe-Co, modelo TE/AA;

3- Suporte de ferro com altura regulvel;

4- Dissipador de calor em alumnio, com 20 aletas e espaamento entre aletas

de 10 mm.

53

Figura 18 - Bancada experimental para determinao da altura do suporte. (Fonte: Autor)

A fim de determinar a altura ideal para instalao dos mdulos termoeltricos

foram realizadas medies de temperatura no lado quente () e medies de

temperatura do lado frio () em funo do tempo para diferentes distncias () do

suporte em relao ao tubo de exausto de gases. A Figura 19 ilustra os locais onde

foram medidas as temperaturas.

Figura 19 - Medies de temperatura no lado quente (Th) e frio (Tc). (Fonte: Autor)

Suporte com altura regulvel

Escapamento

YYYY

ZZZZ

54

Foram feitas medies de temperatura a cada dois minutos para trs

diferentes distncias entre o suporte e o escapamento, 5mm, 10mm e 15mm.

4.3 Montagem do sistema de gerao

Aps a determinao da melhor distncia entre o suporte e o tubo de

escapamento foi construdo um prottipo para realizao dos ensaios relativos

gerao eltrica. A Figura 22 ilustra um sistema de gerao termoeltrica por

converso direta que composto por mdulos termoeltricos conectados em srie,

montados sobre um suporte de ferro com altura regulvel, uma fonte de calor, um

dispositivo dissipador de calor, um sistema de ventilao e uma carga resistiva

(resistncia eltrica), atravs da qual possvel mensurar o valor da corrente eltrica

e conseqentemente da potncia gerada pelo sistema.

Figura 20 - Esquema de um sistema de gerao termoeltrica com carga resistiva. (Fonte: Autor)

O prottipo construdo para a realizao dos ensaios composto dos

seguintes componentes:

1- Ventilador com potncia e vazo de ar variveis;

2- Dissipador Lado Frio em alumnio, com 20 aletas e espaamento entre

aletas de 10 mm;

3- Mdulos Termoeltricos TE Technology 40mm x 40mm x 3,9mm;

55

4- Termopares Tipo J Sensor Termoelemento Fe-Co, modelo TE/AA

(medio de temperatura);

5- Motor 2 tempos modelo IntekT I/CR OHV, 10 HP;

6- Multmetros Minipa ET-1502 and ET-2052. (medio de corrente e

tenso);

7- Resistncia eltrica (5,7).

Para realizao dos testes foi usado um motor 2 tempos de 10 HP de

potncia ilustrado pela Figura 17. Neste prottipo os mdulos termoeltricos no so

colocados em contato direto com a fonte de calor (escapamento do motor) devido

sua limitao de temperatura (180C).

Sobre os mdulos foi instalado um dissipador de calor, cujo objetivo mant-

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

manual tcnico) e garantir um diferena de temperatura entre as faces quente e fria

dos mdulos. Alm do dissipador, existe tambm um ventilador (fonte de ar frio) que

o responsvel por melhorar as trocas de calor por conveco, aumentando ainda

mais o T entre as faces.

No terminal de sada dos mdulos conectados em srie foi conectada uma

resistncia de 5,7 .

Para determinao das variveis de temperatura foram utilizados termopares,

sendo um instalado no suporte de ferro para determinar a temperatura da face

quente do mdulo (Th) e outro instalado dissipador de calor para determinao da

temperatura da face fria (Tc). Para medio das variveis eltricas foi colocado um

ampermetro em srie com a carga resistiva para medio de corrente (I) e um

voltmetro em paralelo para medio de tenso (V).

Foram utilizados dois mdulos do fabricante TE Technology, cujas

especificaes se encontram na Tabela 3.

56

Tabela 3 - Especificaes do Mdulo TE Technology 40mm x 40mm x 3,9mm (Fonte: www.tetech.com)

Parmetro Valor

Figura de Mrito 0,00268 1/K

Condutncia Trmica 0,46 W/K

Condutividade Trmica 0,151 W/Cm

Resistividade Eltrica 0,00101cm

Nmero de Associaes 127

Resistncia Total 2,12

Foram realizados cinco ensaios, e o intervalo entre as medies em cada

ensaio foi de cinco minutos.

57

Captulo 5 Resultados e Discusses

Foram traados os grficos da temperatura da face quente em funo do

tempo e da diferena de temperatura entre as faces em funo do tempo para trs

distncias diferentes entre o suporte e o escapamento.

O grfico da temperatura da face quente (Th) em funo do tempo para cada

distncia ilustrado pela Figura 20.

Figura 21 - Temperatura do lado quente (Th) x Tempo para diferentes distncias (d). (Fonte: Autor)

O grfico da diferena de temperatura (T) em funo do tempo ilustrado

pela Figura 21.

58

Figura 22 - T x Tempo para diferentes distncias (d). (Fonte: Autor)

Analisando os dois grficos verifica-se que para a distncia de 5mm obtm-se

a estabilizao da diferena de temperatura primeiro e ainda com o maior valor, o

que de extrema importncia para o desempenho do sistema de gerao, sem

atingir a temperatura limite informada pelo fabricante (180C). Para distncias

maiores o T se torna cada vez menor, o que no interessante para este trabalho.

Desta forma, a distncia a ser utilizada ser de 5mm.

Aps determinada a melhor distncia foram feitos os ensaios de gerao

eltrica. Os resultados apresentam a mdia dos valores obtidos nos cinco ensaios

realizados. O grfico da Figura 23 apresenta a curva da tenso na carga em funo

da diferena de temperatura entre as faces quente e fria para os dois mdulos

conectados em srie e com a carga resistiva conectada.

Figura 23 Tenso na Carga x T para dois mdulos conectados em srie. (Fonte: Autor)

59

Os resultados comprovam que a tenso gerada proporcional diferena de

temperatura entre as faces, conforme demonstrado pela Equao 13.

Uma das variveis mais importantes nesse sistema a potncia eltrica que o

sistema capaz de fornecer carga. Essa grandeza pode ser observada e

analisada na Figura 24, cujas informaes comprovam o modelamento apresentado

nesse trabalho, ou seja, quanto maior for a diferena de temperatura entre os lados

da placa, maior ser a potncia eltrica que o sistema ser capaz de fornecer

carga. Pode-se comprovar a veracidade da Equao 20, a qual diz que para um

valor de carga pr-estabelecido a potncia de sada do sistema ser diretamente

proporcional ao quadrado diferena de temperatura, o que justifica uma curva

exponencial.

Figura 24 Potncia x T para dois mdulos conectados em srie. (Fonte: Autor)

Com base na potncia dissipada pela carga e o calor absorvido pelos

mdulos em funo da diferena de temperatura e pelas caractersticas trmicas e

geomtricas dos mesmos, foi possvel calcular o rendimento em funo da diferena

de temperatura, conforme definido por Phillips (2009). O grfico da Figura 25

comprova a veracidade da Equao 28, que diz que o rendimento diretamente

proporcional diferena de temperatura entre as faces quente e fria.

60

Figura 25 Rendimento x T para dois mdulos conectados em srie. (Fonte: Autor)

De acordo com os resultados pode-se dizer que possvel aproveitar o calor

de escape para gerao de energia eltrica em um veculo movido a MCI. Porm, a

tenso e potncia geradas pelo sistema foram muito pequenas em funo de terem

sido utilizados apenas dois mdulos termoeltricos conectados em srie. Ao se

aproveitar toda a superfcie de um escapamento possvel utilizar uma quantidade

maior de mdulos e gerar uma quantidade de energia maior, capaz de alimentar

diretamente pequenos equipamentos, como um GPS de 7,5 W.

Devido demora de estabilizao da diferena de temperatura, este sistema

seria mais efetivo em veculos que rodam por mais tempo, como caminhes, no caso

de alimentao direta de equipamentos. Mas tambm pode ser utilizado para auxiliar

no carregamento da bateria de veculos que percorrem menores distncias

(alimentao indireta).

61

Captulo 6 Consideraes Finais

6.1 Concluses

Analisando os resultados obtidos, observou-se que os parmetros mais

importantes a serem observados e monitorados no sistema de gerao de energia

por converso direta so: a temperatura do lado quente e do lado frio, e

conseqentemente o T, a tenso gerada (V) e a potncia eltrica do circuito. Os

resultados mostraram ainda a possibilidade de se utilizar a energia gerada para

consumo do prprio veculo.

Com o desenvolvimento deste trabalho, conclui-se que a implementao de

sistemas de gerao de energia eltrica por converso termoeltrica direta baseado

em mdulos termoeltricos para a recuperao de calor de exausto dos

automveis possvel, e pode realmente ser uma soluo para a gerao de

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

processo e no apresenta nenhum tipo de resduo.

No entanto, existem alguns problemas na utilizao destes mdulos que

necessitam ser resolvidos, o primeiro deles a limitao de temperatura a qual o

mdulo pode ser submetido. Isso muito importante, pois os mdulos encontrados

hoje em dia no suportam altas temperaturas, o que passa a ser um problema, uma

vez que os sistemas de exausto geram gases com temperaturas elevadssimas. No

trabalho o problema foi contornado utilizando-se um suporte para separar os

mdulos do cano de escapamento.

Um segundo problema o baixo rendimento apresentado pelo sistema de

gerao, que, associado ao primeiro problema, faz com que esta tcnica de

reaproveitar o calor de exausto ainda seja pouco utilizada. Porm estes problemas

tendem a diminuir com a evoluo dos mdulos termoeltricos.

6.2 Sugestes para Trabalhos Futuros

As ideias fundamentais desta dissertao foram apresentadas, implementadas,

testadas e analisadas. Contudo, possvel explorar e desenvolver ainda mais a

62

soluo encontrada. Sugere-se o aprofundamento dos estudos e algumas

propostas de trabalhos futuros como:

Montagem de modelo experimental utilizando o ambiente veicular, para

confirmar resultados obtidos em bancada de testes.

Elaborao de um modelo computacional que permita simular o

comportamento dos geradores alterando-se os diversos parmetros e

configuraes.

Utilizao de circuitos eletrnicos especiais, como conversores DC-DC,

na sada do gerador para maximizar a energia gerada e minimizar os

distrbios eltricos.

63

Referncias

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