Monografia - Produção de energia elétrica através de gradiente de temperatura entre paredes externas

FARO - Faculdade de Rondônia 788 (Decreto Federal nº 96.577 de 24/08/1988) 453 (Portaria MEC de 29/04/2010) IJN - Instituto João Neórico 3443 (Portaria MEC / Sesu nº369 de 19/05/2008)

HÉRISSON FAGUNDES RIBEIRO

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO

Porto Velho - RO 2015.1

FACULDADE DE RONDÔNIA - INSTITUTO JOÃO NEÓRICO

HÉRISSON FAGUNDES RIBEIRO

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO

Trabalho de Conclusão de Curso, como requisito à graduação em Engenharia Civil, apresentado à Faculdade de Rondônia – FARO/IJN, para título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Dr. Fernando Berton Zanchi.

Porto Velho - RO 2015.1

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO

Monografia apresentada ao curso de graduação em Engenharia Civil, da Faculdade de Rondônia – FARO/IJN, como requisito para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil, aprovado em de junho de 2015, com a nota ( ), pela Banca Examinadora constituída pelos seguintes professores:

_______________________________________________________________ Coordenadora do Curso: Maria Angélica Foes Rocha Faculdade de Rondônia – FARO/IJN

_______________________________________________________________ Orientador: Dr. Fernando Berton Zanchi Faculdade de Rondônia – FARO/IJN

Junho, 2015

DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho à minha mãe, Silvana Aparecida Fagundes, por acreditar em mim e sempre me mostrar que sou capaz de realizar meus sonhos, e aos meus familiares que sempre me fizeram acreditar em Deus.

AGRADECIMENTOS



Agradeço, primeiramente, a Deus, por ter me dado força e sabedoria para superar os desafios;



A minha mãe, Silvana Aparecida, que sempre me apoiou em todos os momentos da minha vida;



A minha namorada, Jennifer Cosmo, pela paciência, compreensão e força nos momentos mais difíceis;



A minha família por ter me apoiado e dado força para seguir em frente mesmo com dificuldades;



Aos meus amigos, pelo incentivo e ideias que foram, e sempre serão compartilhados;



Ao meu líder, amigo e colega de classe, Elisandrio Bertol, pela oportunidade que me proporcionou e por todos os conselhos que recebi;



Ao colega de trabalho, José Francisco, por ter disponibilizado seus conhecimentos e aparelhos para a execução deste trabalho;



Ao meu professor e orientador Fernando Berton, pelos ensinamentos e orientações principalmente nesta etapa do curso;



E todos àqueles que participaram desta minha jornada até a formação, ficam os meus agradecimentos.

“Mesmo as noites totalmente sem estrelas podem anunciar a aurora de uma grande realização”.

Martin Luther King Jr.

LISTA DE FIGURAS

Figura 01 - Pastilha termoelétrica de efeito Peltier ........................................... 13 Figura 02 - Exemplo de pastilhas single stage (foto „a‟) e multi stage (foto „b‟)............................................................................................................. 14 Figura 03 - Esquema de um efeito Peltier (dispositivo de refrigeração termoelétrico) .................................................................................................... 15 Figura 04 - Visão interna de uma Célula Peltier ............................................... 16 Figura 05 - Gerador termoelétrico construído em filme fino .............................. 18 Figura 06 - Pastilha Peltier Comercial – Thermoeletric Cooler – Modelo TEC1-12706 ..................................................................................................... 23 Figura 07 - Termômetro Infravermelho Instrutherm TI-870............................... 24 Figura 08 - Multímetro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e Termopar Tipo K ............................................................................................................... 24 Figura 09 - Multímetro Fluke 787 Processmeter ............................................... 25 Figura 10 - Container selecionado para a realização do experimento .............. 27 Figura 11 - Temperatura máxima observada na superfície externa do container em horário sem incidência direta do sol (41 ºC) ............................... 28 Figura 12 - Corte inicial feito no revestimento interno do container até o zinco ................................................................................................................. 29 Figura 13 - Extensão da abertura na parede sem cortar a última camada do revestimento e detalhe do posicionamento dos fios ...................... 29 Figura 14 - Pastilhas Peltier ligadas em série ................................................... 30 Figura 15 - Detalhe do termopar instalado entre as pastilhas Peltier e o zinco ................................................................................................................. 30 Figura 16 - Pastilhas Peltier instaladas com as camadas de fita crepe coladas sobre as fendas entre a parede e as pastilhas .................................... 31 Figura 17 - Instrumentos posicionados para realizar uma leitura ..................... 32 Figura 18 – Gráfico da Potência em função da Diferença de Temperatura ..................................................................................................... 33

LISTA DE TABELAS

Tabela 01 - Ficha para preenchimento manual das medições realizadas ........ 26 Tabela 02 - Modelo de tabela para apresentação dos resultados obtidos durante o estudo .................................................................................. 26 Tabela 03 - Dados obtidos nas leituras com os instrumentos, classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura ................... 31

RESUMO

No presente trabalho é proposta uma técnica experimental para a produção de energia elétrica utilizando pastilhas termoelétricas com base no efeito Seebeck.

O efeito Seebeck ou também conhecido como efeito termoelétrico, foi descoberto em 1821 por Thomas Johann Seebeck, que diz que a junção de metais distintos produz uma tensão elétrica quando expostos a uma variação de temperatura. Já o efeito Peltier é o oposto. Pastilhas Peltier são pastilhas termoelétricas que utilizam o efeito Peltier para aplicações de resfriamento ou aquecimento. O projeto é composto por seis pastilhas Peltier ligadas em série e posicionadas na parede de um container escritório, que irão gerar energia através da diferença de temperatura existente entre as paredes internas e externas. Através das medidas obtidas é possível descobrir a eficácia do dispositivo testado analisando os dados e simulando uma expansão de sua área de captação. As variáveis medidas foram as correntes e tensões elétricas e a temperatura da face interna e externa das pastilhas Peltier. Os objetivos foram todos alcançados e o resultado é satisfatório, levando em conta que as Pastilhas Peltier não foram desenvolvidas para trabalhar usando o efeito Seebeck, o resultado obtido foi aproximadamente 1 W/m² em média, o que poderia ser melhorado se fosse fabricada uma pastilha para trabalhar usando o Efeito Seebeck.

Palavras chave: Gerador Termoelétrico, Produção de Energia Elétrica, Efeito Seebeck, Pastilhas Peltier.

ABSTRACT

In this paper I propose an experimental technique for the production of electricity using thermal pads based on the Seebeck effect. The Seebeck effect or also known as thermoelectric effect, it was discovered in 1821 by Thomas Johann Seebeck, which says that the addition of different metals produces an electric voltage when exposed to a temperature variation. But the Peltier effect is the opposite. Peltier tablets are thermoelectric tablets that use the Peltier effect for cooling or heating applications. The project consists of six Peltier tablets connected in series and positioned on the wall of a shipping container office, which will generate energy through the existing temperature difference between the walls interior and exterior. Through the measurements obtained I can discover the effectiveness of the device tested analyzing data and simulating an expansion of its catchment area. The variables measured were the currents and voltages and the temperature of the internal and external surface of the Peltier tablets. The objectives were all achieved and the result is satisfactory, taking into account that the Peltier tablets are not designed to work using the Seebeck effect, the result was about 1 W/m² on average, which could be improved if it were a tablet made to work using the Seebeck effect.

Keywords: Thermoelectric Generator, Electric Energy Production, Seebeck effect, Peltier Tablets.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 12 1.1.

Efeito Peltier-Seebeck ......................................................................... 12

1.2.

Dispositivos Termoelétricos ................................................................ 13

1.3.

Utilização da energia elétrica .............................................................. 19

2. OBJETIVO................................................................................................. 21 2.1.

Objetivo geral ...................................................................................... 21

2.2.

Objetivo específico .............................................................................. 21

3. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 22 3.1. Verificação do container para estudo e instalação do dispositivo termoelétrico ................................................................................................. 22 3.2.

Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container .......... 22

3.3. Verificação da temperatura das superfícies internas e externas do dispositivo termoelétrico ................................................................................ 23 3.4. Medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo termoelétrico e cálculo da potência gerada ................................................... 25 3.5.

Análise dos dados obtidos neste estudo ............................................. 25

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 27 4.1. Container selecionado para a instalação do dispositivo termoelétrico ................................................................................................. 27 4.2.

Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container .......... 28

4.3.

Medição da temperatura, corrente e tensão ........................................ 31

4.4.

Análise dos dados ............................................................................... 32

5. CONCLUSÃO ............................................................................................ 35 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 36

12

1.

INTRODUÇÃO

1.1. Efeito Peltier-Seebeck Thomas Johann Seebeck, em 1821, descobriu que uma junção de metais distintos produz uma tensão elétrica cujo valor depende dos materiais constituintes e da temperatura a que se encontra (efeito termoelétrico). Na década seguinte, Jean Charles Athanase Peltier descobriu que a passagem de uma corrente elétrica através da interface formada por dois condutores diferentes gera um gradiente de temperatura na junção. Assim, dependendo do sentido da corrente elétrica poder-se-ia aquecer ou resfriar. Uma descrição teórica desses efeitos foi dada por William Thomson, 1º Barão Kelvin, que fez importantes contribuições na análise matemática da termoeletricidade, sendo bem conhecido por desenvolver a escala Kelvin de temperatura absoluta (MOURA e ALMEIDA, 2013).

Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Na verdade, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico (SOUZA et al, 2010).

O efeito Peltier é utilizado em coolers em que usando uma diferença de potencial se pode transferir calor da junção fria para quente aplicando-se a polaridade elétrica adequada (é um refrigerador no sentido termodinâmico da palavra).

O mesmo efeito também é utilizado para produzir temperaturas

próximas de 0 K onde o terminal aquecido é refrigerado por Nitrogênio líquido cuja temperatura de ebulição é de 77,35 K (-196,15 °C). Tal procedimento é conhecido como ultra resfriamento termoelétrico sendo capaz de produzir temperaturas próximas ao zero absoluto no terminal refrigerado, o ultra resfriamento por termopar é utilizado para o estudo de supercondutores e do comportamento de matérias na temperatura do espaço inter-estelar, onde as temperaturas são próximas a 0 K. A termoeletricidade ou termeletricidade estuda fenômenos de transformação direta de energia térmica (gradientes de temperatura) em eletricidade e vice versa (SOUZA et al, 2010).

13 Figura 01: Pastilha termoelétrica de efeito Peltier

Fonte: JUNIOR et al, 2011.

1.2. Dispositivos Termoelétricos A célula de Peltier ou módulo de Peltier é uma pastilha termoelétrica que utiliza o efeito de Peltier para aplicações de resfriamento ou aquecimento nos setores de eletrônica, automotivo, industrial e militar, como: resfriamento de microprocessadores, mini geladeiras e pequenos refrigeradores, aquecedor e resfriador de acentos (na indústria automobilística), coolers eletrônicos, desumidificador, adegas climatizadas de uso pessoal e outras aplicações (ALMEIDA, 2013).

Está sendo dada atenção considerável para a possibilidade de obter energia elétrica de uma fonte natural sem passar através de estágios de calor e/ou energia mecânica. A eliminação do último estágio evita partes móveis e algumas das dificuldades originadas das limitações de temperatura dos materiais. Se o processo de conversão também pode ser feito sem passar através de um estágio de calor, a limitação Carnot é evitada e podem ser conseguidos rendimentos teóricos muito altos (M. G. SAY, 2004).

Pastilhas termoelétricas são pequenos dispositivos que operam através do efeito Peltier. Quando uma corrente elétrica é imposta em dois fios elétricos de materiais diferentes, unidas em suas pontas, uma diferença de temperatura aparece entre as suas junções. O princípio de funcionamento é inverso do

14

efeito Seebeck, utilizado nos termopares. Porém ao contrário dos termopares, são utilizados na construção dos módulos materiais semicondutores (dopados com Bi2Te3), sendo usados na prática mais de um par de junções ligados em série, obtendo assim um efeito maior. Essas junções são colocadas entre duas placas, de forma que quando em funcionamento, calor é transferido de uma face a outra. As pastilhas termoelétricas são fornecidas comercialmente em várias formas e tamanhos, no limite de até 250 W. É comum serem encontradas pastilhas únicas (single stage) ou construídas empilhadas (multi stage), de forma a aumentar o efeito (MAIDANA et al, 2007).

Figura 02: Exemplo de pastilhas single stage (foto „a‟) e multi stage (foto „b‟) a)

b)

Fonte: MAIDANA et al, 2007.

Dispositivos termoelétricos oferecem varias vantagens sobre outras tecnologias, por não possuírem peças móveis dispensam manutenção frequente e não contém clorofluorcarbonos, a direção do calor bombeado é reversível, ou seja, mudando a polaridade da DC um refrigerador de alimentação de energia pode, então, tornar-se um aquecedor, pois eles podem trabalhar em ambientes que são demasiadamente sensíveis ou muito pequenos para refrigeração convencional e não são dependentes de posição.

Devido a estas vantagens, dispositivos termoelétricos tem encontrado aplicações em escala muito extensas, tais como, militar, aeroespacial, medica, microeletrônica, laboratório, sensores e instrumentos, produtos industriais e comerciais (CAMARGO e OLIVEIRA, 2011).

15 Figura 03: Esquema de um efeito Peltier (dispositivo de refrigeração termoelétrico)

Fonte: CAMARGO e OLIVEIRA, 2011.

Até o ano de 1949 não existiam materiais que permitissem aplicações industriais para a termoeletricidade. A partir desta data, iniciou-se o desenvolvimento de novos materiais, denominados semicondutores, que apresentavam Coeficientes Seebeck muito superiores aos dos metais e permitiram o início do desenvolvimento industrial de processos ligados à termoeletricidade. Em 1955 foi sintetizado o telureto de bismuto (Bi 2Te3), semicondutor que permitiu diferença de temperatura da ordem de 72 °C entre a face quente e a face fria (MARTINEWSKI et al, 2010).

O resfriamento ou a geração de energia termoelétrica difere dos demais ciclos térmicos por consistir essencialmente de um fenômeno de estado sólido, o que possibilita a construção de dispositivos sem partes móveis, o que evita

desgaste

e

ruído

de

funcionamento.

Além

disso,

dispositivos

termoelétricos podem ser produzidos em tamanhos reduzidos, são mais leves e não poluem o ambiente. Apesar dessas vantagens, ainda existem problemas na utilização desses dispositivos, uma vez que eles apresentam uma eficiência muito

baixa,

quando

comparados

aos

dispositivos

convencionais

(MARTINOTTO, 2012).

As células de Peltier são pastilhas termoelétricas que utilizam o efeito Peltier. E são pequenas unidades que utilizam tecnologia de matéria condensada para operarem como bombas de calor. Uma unidade típica tem espessura de alguns milímetros e forma quadrada. Esses módulos são essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto) (ARANTES, 2013).

16

Como o efeito de Seebeck é um efeito inverso do efeito de Peltier.

Baseado neste efeito de Seebeck, os dispositivos termoelétricos podem agir também como geradores de energia elétrica. Na pratica, é necessário um grande número de termopares conectados eletricamente em série para formar um módulo (SANTOS, 2010).

Geralmente mais de um par de semicondutores são montados juntos para dar forma a um dispositivo termoelétrico (módulo). Dentro do módulo, cada um dos semicondutores são chamados termo elementos, que por sua vez são chamados de termopar. Para descrever o funcionamento dos módulos termoelétricos podemos compará-los com os termopares. Os termopares são dispositivos que geram uma diferença de potencial (d.d.p.) a partir de duas junções de metais diferentes que são expostas a temperaturas diferentes (SANTOS, 2010).

Um dispositivo termoelétrico típico é composto por duas carcaças cerâmicas, as quais servem como estrutura para preservar a integridade mecânica do módulo e como isolação elétrica para os termo elementos de telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas). Os dispositivos em geral contêm de 3 a 127 termopares. O cobre é usado como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em série. O sistema é conectado por solda (SANTOS, 2010).

Figura 04: Visão interna de uma Célula Peltier.

Fonte: ARANTES, 2013.

17

Uma das aplicações dos módulos termoelétricos é geração de energia, usando como fundamento básico o efeito Seebeck. Para o projeto de um gerador termoelétrico, vários parâmetros devem ser considerados para se ter um melhor aproveitamento do sistema. Os mais importantes deles são o rendimento e a potência de saída do sistema, além da diferença de temperatura entre os lados quente e frio (SANTOS, 2010).

Comparando um Termoeletrogerador com um “Thermo-Electric Cooler” (TEC), descobrimos que eles são (quase) iguais. Assim, o TEG e o TEC é o mesmo dispositivo capaz de produzir os efeitos inversos: quando ele recebe calor e produz eletricidade, ele se chama TEG; quando ele recebe eletricidade e produz frio, ele se chama TEC (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).

Os dispositivos TEC foram desenvolvidos, na forma de pastilhas Peltier, para as aplicações de pequena capacidade, pouco espaço, sem partes móveis e sem importância de eficiência energética. Eles foram destinados exclusivamente para resfriamento de microcircuitos elétricos e controle de temperaturas dos componentes eletrônicos. Por estes motivos, as tecnologias de fabricação deste produto são orientadas para produção de pastilhas relativamente pequenas(POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).

As pastilhas são compostas por peças miúdas, cuja fabricação e montagem são baseadas nas linhas robotizadas. As pastilhas Peltier também podem ser usadas na geração de energia elétrica, mas elas foram projetadas para outras tarefas, e por isso, não são adequadas ao processo de geração de eletricidade na escala industrial (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).

18 Figura 05: Gerador termoelétrico construído em filme fino.

Fonte: FERNANDES, 2012.

Desde a descoberta do Seebeck, vários materiais foram considerados úteis para a geração de termoeletricidade. Os primeiros termoeletrogeradores foram baseados nos condutores e semicondutores de eletricidade, tais como antimônio, bismuto, cobre, ferro, chumbo, zinco e diferentes ligas, entre outros.

Mais tarde, no século XX, foram desenvolvidos vários outros tipos de Materiais Termoelétricos: cerâmicas, compósitos, etc. Todos esses materiais foram obtidos empiricamente, por milhares de tentativas baseados, geralmente, na experiência. Quanto aos semicondutores antigos, eles continuam ser considerados MTs básicos em produção de efeitos termoelétricos (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).

Desde o século XIX, os engenheiros procuraram construir um TEG eficiente e economicamente viável. Eles perceberam que o rendimento do gerador depende de vários parâmetros do mesmo e das propriedades do Material Termoelétrico. Mas apenas em 1909, o engenheiro Edmund Altenkirch expressou matematicamente a relação entre as propriedades físicas dos MTs e o rendimento de uma termopilha, ou TEG, simplificada. A equação do Altenkirch inclui, entre outros parâmetros e variáveis, a força eletromotriz, a condutividade térmica e elétrica da termopilha (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).

19

A

resposta

termoelétrica

de

um

dispositivo

está

diretamente

relacionada ao material utilizado na sua fabricação. Nesse sentido, há uma busca por novos materiais ou estruturas que apresentem uma maior eficiência termoelétrica. Uma das formas de atingir esse objetivo é a aplicação da engenharia de bandas, que pode ser feita principalmente por meio de alterações na composição ou dopagem dos materiais e nanoestruturas.

Nanoestruturas semicondutoras têm mostrado grandes possibilidades para aplicações termoelétricas. Dentre essas nanoestruturas, fios quânticos semicondutores representam a estrutura básica para o transporte eletrônico e são uma promessa para alto desempenho termoelétrico (COSTA, 2010).

Existem grandes vantagens no uso desses dispositivos, pois eles são leves, compactos, silenciosos, não poluem o ambiente e têm grande durabilidade, por esses motivos são aplicados na aérea espacial, por exemplo, pela NASA na Voyager I e II e na missão Cassini a Saturno. Apesar das vantagens apresentadas, ainda existem problemas na aplicabilidade desses sistemas, pois eles apresentam baixa eficiência, quando são comparados com os equivalentes mecânicos (COSTA, 2010).

1.3. Utilização da energia elétrica O uso da energia elétrica está aumentando em muitos países industriais a uma taxa entre os 8 e 11 por cento ao ano, duplicando a cada 10 anos. Isto é em parte devido ao aumento de consumo total de energia primária e em parte porque a energia elétrica tende a substituir outras formas por causa de sua extrema limpeza, sua simplicidade de controle e a facilidade com que pode ser distribuída e usada tanto em grandes como em pequenas quantidades (M. G. SAY, 2004).

O crescente aumento do custo dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo ou mesmo gás natural) leva a um aumento sucessivo do preço da eletricidade. Em Portugal, onde parte da energia elétrica é produzida em centrais térmicas, tem-se verificado que a sociedade está cada vez mais dependente da disponibilidade de energia. Nas sociedades modernas, a

20

energia é um dos fatores que condiciona o desenvolvimento econômico, financeiro, os transportes, o ambiente, as relações internacionais, a gestão de empresas, as famílias, o Estado, etc. (FERNANDES, 2012).

A Terra recebe cerca de 1 kW por m² de área da sua superfície quando a radiação solar atinge a superfície ou sua atmosfera em incidência perpendicular; cerca de 160 x 106 TW são assim recebidos, uma quantidade muito maior que a taxa de consumo de energia total mundial (M. G. SAY, 2004).

A questão energética é vital para todos os países, sendo importante diminuir a dependência sobre os combustíveis fósseis. Com os avanços tecnológicos e a preocupação com o aquecimento global, a busca por fontes alternativas está cada vez maior. Atualmente, a energia elétrica é um bem básico para o desenvolvimento da população que melhora a qualidade de vida, proporcionando crescimento social e econômico. Porém, vive-se uma crise energética que tem evidenciado os limites da oferta de energia para atender a demanda crescente (JUNIOR, 2014).

21

2.

OBJETIVO

2.1. Objetivo geral Estudar a viabilidade para produção de energia elétrica utilizando um dispositivo termoelétrico.

2.2. Objetivo específico 

Selecionar o container para estudo e instalação do dispositivo termoelétrico;



Instalar o dispositivo termoelétrico na parede do container;



Verificar a temperatura das superfícies internas e externas do dispositivo termoelétrico;



Medir a corrente e a tensão produzida pelo dispositivo termoelétrico e calcular a potência gerada;



Analisar os dados obtidos neste estudo.

22

3.

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Verificação do container para estudo e instalação do dispositivo termoelétrico Será escolhido um container de zinco tipo escritório em um canteiro de obras obedecendo aos seguintes termos: 

Que esteja posicionado em um local em que pelo menos uma de suas paredes fique exposta diretamente ao sol por no mínimo 6 horas em um dia com o tempo limpo;



Que o ambiente interno seja climatizado por ar-condicionado;



Que seja autorizado o acesso para as verificações realizadas no período de estudo;



Que este não seja realocado por algum motivo programado durante o período de estudo.

3.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container Para a instalação do dispositivo termoelétrico será feito um corte retangular, de 4x7 cm, no revestimento interno do container até chegar à superfície externa de zinco, a qual não será cortada, para evitar a umidade em contato com o dispositivo. Será utilizado no estudo um dispositivo termoelétrico Módulo Peltier disponível no mercado local (Pastilha Peltier Comercial – Thermoeletric Cooler – Modelo TEC1-12706) (Figura 06). Serão fixadas seis pastilhas Peltier ligadas em série e posicionadas no corte feito na parede do container. Será posicionado também um termopar tipo K entre as pastilhas Peltier e a camada externa de zinco do container para medir a real temperatura encontrada na superfície da pastilha voltada para o lado externo do container.

A superfície das pastilhas voltadas para o lado interno não serão cobertas, ficando assim diretamente em contato com o ar frio dentro do container.

23 Figura 06 - Pastilha Peltier Comercial – Thermoeletric Cooler – Modelo TEC1-12706

Fonte: Autor.

3.3. Verificação da temperatura das superfícies internas e externas do dispositivo termoelétrico Para a verificação da temperatura da superfície voltada para o lado interno do container será utilizado um Termômetro Infravermelho Instrutherm TI-870 (Figura 07), o termômetro deverá estar posicionado aproximadamente a 30 cm da superfície a ser medida seguindo recomendações do fabricante. E para a verificação da temperatura da superfície voltada para o lado externo será utilizado um Multímetro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e um Termopar tipo K (Figura 08), diretamente em contato com o módulo Peltier, realizando leituras simultaneamente com o termômetro infravermelho e registrados os valores manualmente. Serão verificadas as temperaturas em um dia com o tempo limpo e ensolarado.

24 Figura 07 - Term么metro Infravermelho Instrutherm TI-870

Fonte: Autor.

Figura 08 - Mult铆metro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e Termopar Tipo K

Fonte: Autor.

25

3.4. Medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo termoelétrico e cálculo da potência gerada Para a medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo termoelétrico será utilizado um Multímetro Fluke 787 Processmeter (Figura 09).

Serão

medidos

simultaneamente

com

a

temperatura

e

registrados

manualmente. Para obter a potência gerada (P), encontra-se o produto entre a corrente (i) e a tensão (E).

(1)

Figura 09 - Multímetro Fluke 787 Processmeter

Fonte: Autor.

3.5. Análise dos dados obtidos neste estudo Para a análise dos dados será apresentado uma tabela com as medições obtidas durante o estudo:

26 Tabela 01 – Ficha para preenchimento manual das medições realizadas.

LINHA

Temperatura da Superfície Externa Peltier (°C)

Temperatura da Superfície Interna Peltier (°C)

Tensão (V)

Corrente (mA)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Será gerado um gráfico também apresentando as potências obtidas em função da diferença de temperatura para melhor visualização e comparação dos dados.

Tabela 02 – Modelo de tabela para apresentação dos resultados obtidos durante o estudo.

Temperatura Temperatura da da Diferença de LINHA Superfície Superfície Temperatura Externa Interna ΔT(°C) Peltier (°C) Peltier (°C)

Tensão (V)

Corrente (mA)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Média =

Média =

Potência (mW)

27

4.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Container

selecionado

para

a

instalação

do

dispositivo

termoelétrico Foi selecionado um container na Usina Hidrelétrica de Santo Antônio, onde o encarregado responsável disponibilizou o acesso e instalação do dispositivo termoelétrico. O container fica exposto diretamente ao sol durante um período de seis horas, das 07:00 ás 13:00, e mesmo em horários onde não tem incidência direta do sol, observou-se temperaturas consideráveis para o experimento (Figura 11). O ambiente interno é climatizado por dois arescondicionados.

Figura 10 – Container selecionado para a realização do experimento.

Fonte: Autor

28 Figura 11 – Temperatura máxima observada na superfície externa do container em horário sem incidência direta do sol (41 ºC).

Fonte: Autor

O container selecionado foi muito eficaz no experimento, pois não teve nenhum problema quanto ao acesso, se mostrou satisfatório o seu posicionamento para o aquecimento da parede externa, e o sistema de refrigeração interna foi eficiente.

4.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container Inicialmente foi feito um corte de 4x5 cm na parede do container para a instalação das pastilhas Peltier (Figura 12) e posteriormente foi aberto mais 2 cm abaixo sem cortar a última camada do revestimento para que fiquem alocados os fios e reduzir a propagação de calor (Figura 13). As pastilhas foram ligadas em série (Figura 14) e posicionadas na parede sem nenhum problema. O termopar também foi instalado e fixado com fita crepe a sua extremidade (Figura 15). Depois de alocados as pastilhas e o termopar, foram fixadas várias camadas de fita crepe ao redor das pastilhas tampando as fendas existentes para reduzir a transmissão de calor entre os lados (Figura 16).

29 Figura 12 – Corte inicial feito no revestimento interno do container até o zinco.

Fonte: Autor

Figura 13 – Extensão da abertura na parede sem cortar a última camada do revestimento e detalhe do posicionamento dos fios.

Fonte: Autor

30 Figura 14 – Pastilhas Peltier ligadas em sÊrie.

Fonte: Autor Figura 15 – Detalhe do termopar instalado entre as pastilhas Peltier e o zinco.

Fonte: Autor

31 Figura 16 – Pastilhas Peltier instaladas com as camadas de fita crepe coladas sobre as fendas entre a parede e as pastilhas.

Fonte: Autor

4.3. Medição da temperatura, corrente e tensão As medições foram feitas em diversos horários durante o dia, obtendose valores altos e baixos, a tabela a seguir mostra todos os valores obtidos nas medições classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura: Tabela 03 – Dados obtidos nas leituras com os instrumentos, classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura.

Temperatura Temperatura da da Diferença de LINHA Superfície Superfície Temperatura Externa Interna ΔT(°C) Peltier (°C) Peltier (°C)

Tensão (V)

Corrente (mA)

Potência (mW)

1

31,1

28,4

2,7

0,061

2,371

0,14

2

31,5

27,4

4,1

0,078

3,247

0,25

3

32,3

27,4

4,9

0,090

3,191

0,29

4

33,8

27,6

6,2

0,120

4,052

0,49

5

37,2

29,7

7,5

0,152

5,001

0,76

6

36,1

27,9

8,2

0,195

5,929

1,16

7

38,9

29,8

9,1

0,198

8,951

1,77

8

38,6

21,4

17,2

0,346

9,452

3,27

9

38,5

20,3

18,2

0,373

10,337

3,86

10

40,2

20,8

19,4

0,482

11,186

5,39

Média =

9,8

Média =

1,74

32

A diferença de temperatura foi obtida subtraindo a temperatura externa pela interna. E a média aritmética obtida pela soma dos valores da coluna dividido por 10 (quantidade de linhas). Os aparelhos eram observados ao mesmo tempo durante uma leitura.

Figura 17 – Instrumentos posicionados para realizar uma leitura.

Fonte: Autor

4.4. Análise dos dados Ao analisar os valores da diferença de temperatura com a potência gerada, obtemos um gráfico onde nos mostra a linha de tendência, para que seja possível estimar uma potência para diversas diferenças de temperatura através da equação da reta [y = 0,2857x – 1,0476], onde „y‟ é a potência gerada em mW, e „x‟ é a diferença de temperatura em ºC.

33 Figura 18 – Gráfico da Potência em função da Diferença de Temperatura.

Fonte: Autor

Com os valores das médias aritméticas obtidos da diferença de temperatura e potência, podemos estimar um aumento da área de captação de calor para produzir uma maior potência. Enquanto uma pastilha Peltier tem uma área de 0,0016 m² e gera em média 1,74 mW com uma diferença de temperatura de 9,8 ºC, ampliando essa área para 1 m² teria a geração em média de 1.087,5 mW, aproximadamente 1 W/m², em média, o que é bem pouco, pois para acender uma única lâmpada que tenha um consumo de 10 W seria necessário ter uma parede com 10 m² feita com pastilhas Peltier. Porém, com o atual desenvolvimento tecnológico, em que aparelhos e lâmpadas são produzidos para ter um consumo cada vez menor, é possível que, em um futuro não tão distante, seja viável a utilização deste método para produção de energia.

As pastilhas Peltier são utilizadas para aquecer ou resfriar algo, é comum sua utilização em coolers eletrônicos, onde se tem a necessidade de utilizar peças cada vez menores, com isso as pastilhas Peltier estão sendo produzidas cada vez mais finas e menores, mas se houvesse a produção de um modelo de pastilhas Peltier para aplicação na construção civil e geração de energia, poderia aumentar significativamente o seu rendimento diminuindo as

34

resistências internas presentes no gerador em função das ligações em série e consequentemente aumentando a tensão gerada.

Outro fator importante seria a necessidade de deixar a superfície das pastilhas diretamente em contato com o ambiente, fazendo com que a diferença de temperatura existente entre as suas superfícies seja maior, o que também seria útil, pois sua superfície cerâmica poderia ser utilizada como acabamento para uma parede de vedação sem função estrutural.

35

5.

CONCLUSÕES Com base nos experimentos realizados, pode-se concluir que: 

O experimento foi eficaz, para efeito de análise dos dados;



Com os materiais disponíveis, torna-se inviável a utilização desse método atualmente, com as pastilhas alocadas em um único ponto e tendo em vista que a fabricação das mesmas foi para a refrigeração ou aquecimento e não para produção de energia elétrica;



São necessários outros estudos mais complexos para efeito de aplicação deste método;



É necessária a fabricação de pastilhas Peltier voltadas para a construção civil e produção de energia, tendo uma espessura maior e melhor rendimento potencial.

36

6.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALMEIDA, Ayrton Gissoni. ADEGA CLIMATIZADA PARA VINHOS UTILIZANDO A CÉLULA DE PELTIER. Centro Universitário de Brasília UniCEUB. Curso de Engenharia de Computação. 2013.

ARANTES, Rodrigo Cordeiro. CONTROLE DA TEMPERATURA DA ÁGUA UTILIZANDO MICROCONTROLADOR. Centro Universitário de Brasília UniCEUB. Curso de Engenharia de Computação. 2013.

CAMARGO, José Rui; OLIVEIRA, Maria Claudia de. APLICAÇÃO DE MÓDULOS TERMELÉTRICOS PARA CONDICIONAMENTO DE AR. Revista Ciências Exatas – Universidade de Taubaté (UNITAU). 2011.

COSTA, Vânia Aparecida da.

ESTUDO DAS PROPRIEDADES TERMOELÉTRICAS DE FIOS QUÂNTICOS DE TELURETO DE CHUMBO. INPE. São José dos Campos. SP. 2010.

FERNANDES, Alberto Emanuel Simões dos Santos. CONVERSÃO DE ENERGIA COM CÉLULAS DE PELTIER. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Ciências e Tecnologia – Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2012.

JUNIOR, João Batista Tavares; RIBEIRO, Evaldo; SANTOS, Daniel Rodrigues dos. ESTABILIZAÇÃO DA TEMPERATURA DA CÂMARA DIGITAL MAGI DC575 UTILIZANDO PASTILHA TERMOELÉTRICA PARA OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORREÇÃO DO EFEITO DA CORRENTE ESCURA. Programa de pós-graduação em Ciências Geodésicas e em Física.

Universidade Federal do Paraná – UFPR. Curitiba. PR. 2011.

JUNIOR, Oswaldo Hideo Ando. PROTÓTIPO DE UM MICROGERADOR TERMOELÉTRICO PARA CAPTAÇÃO DE ENERGIAS RESIDUAIS BASEADO NO EFEITO SEEBECK COM SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR INTERCAMBIÁVEL. Tese de Doutorado – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014.

M. G. SAY, Ph.D., M.Sc., C.Eng., A.C.G.I., D.I.C., F.I.E.E., F.R.S.E. e Colaboradores especializados. ELETRICIDADE GERAL – ELETROTÉCNICA. Hemus, 2004.

MAIDANA, Cristiano Frandalozo; MARIN, Alex; ADAMSKI, Ricardo Muraro; TRINDADE, Roberto Augusto. BANCADA PARA MEDIDA DE EFICÁCIA TÉRMICA DE PASTILHAS DE EFEITO PELTIER. Artigo Técnico – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

37

MARTINEWSKI, Alexandre; SOUZA, Nívea Lopes de; ARANHA, Élvio Franco de Camargo; MERUSSE, José Luiz Bernardino. CONTROLE TERMOHIGROMÉTRICO MICROAMBIENTAL PARA ANIMAIS DE LABORATÓRIO POR MEIO DE TECNOLOGIA TERMOELÉTRICA: ESTUDO EXPERIMENTAL PARA ROEDORES DE LABORATÓRIO. Departamento de Patologia da Faculdade de Medicina Veterinária e Zootecnia da Universidade de São Paulo, São Paulo-SP, Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Sorocaba-SP. 2010.

MARTINOTTO, André Luis. EFEITOS DA APLICAÇÃO DE ALTAS PRESSÕES SOBRE MATERIAIS TERMOELÉTRICOS COM ESTRUTURA DE ESCUTERUDITA. Tese de Doutorado. Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 2012.

MOURA, Paulo Roberto de; ALMEIDA, Danilo. REFRIGERADOR TERMOELÉTRICO DE PELTIER USADO PARA ESTABILIZAR UM FEIXE LASER EM EXPERIMENTOS DIDÁTICOS. Departamento de Física, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC. 2013.

POLOZINE, Alexandre; SCHAEFFER, Lírio. MATERIAIS SINTERIZADOS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. 33° SENAFOR. 2013.

SANTOS, Leonardo Paiva. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM GERADOR TERMOELÉTRICO BASEADO NO EFEITO SEEBECK. Universidade de Taubaté. SP. 2010.

SOUZA, Emanuel Elvys Silva de; LEAL, Lais Helena Alves; FILHO, Manoel Virgolino dos Santos; RAMOS, Thiago Conti; ROCHA, Willian Becamino.

COOLER PARA NOTEBOOK COM TECNOLOGIA PELTIER. Escola Técnica SENAI. Campinas, SP. 2010.