ANÁLISE EXPERIMENTAL DOS EFEITOS DE CICLOS...

JLIO CEZAR DE CERQUEIRA VRAS

ANLISE EXPERIMENTAL DOS EFEITOS DE CICLOS TRMICOS EM

GERADORES TERMOELTRICOS

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica - PPGEE, da Universidade Federal da Paraba - UFPB, como requisito para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica. Orientador: Prof. Dr. Cleonilson Protsio de

Souza

JOO PESSOA

2014




Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica - PPGEE, da Universidade Federal da Paraba - UFPB, como requisito para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica. Orientador: Prof. Dr. Cleonilson Protsio de

Souza

JOO PESSOA

2014

FICHA CATALOGRFICA

Vras, Jlio Cezar de Cerqueira Anlise Experimental dos Efeito Termoeltricos em Geradores Termoeltricos Joo Pessoa, 2014. N de pginas: 68 rea de concentrao: Engenharia Eltrica Orientador: Prof. Dr. Cleonilson Protsio de Souza. Dissertao de Mestrado Universidade Federal da Paraba (UFPB) 1.Plataforma Experimental; 2. Ciclos trmicos; 3. Gerador Termoeltrico

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARABA UFPB

CENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVVEIS CEAR

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA PPGEE

A Comisso Examinadora, abaixo assinada, aprova o Exame de Defesa



Elaborado por


como requisito para obteno do grau de

Mestre em Engenharia Eltrica

COMISSO EXAMINADORA

PROF. DR. CLEONILSON PROTSIO DE SOUZA (Presidente)

PROF. DR. FRANCISCO ANTNIO BELO

PROF. DR. JUAN MOISS MAURCIO VILLANUEVA

PROF. DR. YURI PERCY MOLINA RODRIGUEZ

Joo Pessoa/PB, 28 de novembro de 2014.

Aos meus pais amados, Dcio de Cerqueira Vras e Dinalva Cezar Vras, por

estarem sempre ao meu lado em minhas escolhas.

Aos meus irmo, George Cezar de Cerqueira Vras, Augusto Cezar de Cerqueira

Vras e Valria M F. Cezar de Cerqueira Vras, pelo apoio e incentivo.

s minhas cunhadas Natlia Sibele Vras e Marlia Souto

Dedico

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, que por meio de minha famlia maravilhosa e amigos

to presentes sempre transmitiu-me conforto por meio de suas palavras.

Ao Prof. Dr. Cleonilson Protsio de Souza, pela pacincia, dedicao e por

todas as lies durante todo o perodo do programa.

Aos amigos Thyago Vasconcelos e toda a famlia, Fabrcio Cabral, Andr

Padilha, pela grande fora e palavras de sabedoria e incentivo.

Aos meus colegas da ps, em especial, ao colega e amigo Bruno Wililan, pois

tornaram o perodo de dedicao em algo satisfatrio.

Embora todos queiram viver no topo da montanha, toda a felicidade e crescimento ocorre durante a escalada.

William Shakespeare.

SUMRIO

LISTA DE ILUSTRAES .................................................................................. VII

LISTA DE TABELAS .......................................................................................... VIII

LISTA DE ABREVIAES E SMBOLOS ........................................................... IX

RESUMO X

ABSTRACT XI

1 INTRODUO ................................................................................................ 13

1.1 OBJETIVOS ................................................................................................. 15

1.2 MOTIVAO ................................................................................................ 16

2 REVISO DE LITERATURA .......................................................................... 19

2.1 REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................... 19

2.2 ESTADO DA ARTE ...................................................................................... 22

3 FUNDAMENTAO TERICA ...................................................................... 26

3.1 ENERGIA INTERNA..................................................................................... 26

3.2 RESISTIVIDADE TRMICA ......................................................................... 27

3.3 RESISTIVIDADE ELTRICA ........................................................................ 28

3.4 EFEITO SEEBECK....................................................................................... 28

3.5 EFEITO PELTIER ........................................................................................ 29

3.6 CONDUO TRMICA ............................................................................... 30

3.7 GERADOR TERMOELTRICO ................................................................... 32

3.8 FIGURA DE MRITO ................................................................................... 34

3.9 COLHEITA DE ENERGIA ............................................................................ 35

3.10 TERMOELETRICIDADE .............................................................................. 36

4 PLATAFORMA EXPERIMENTAL .................................................................. 39

4.1 INSTRUMENTAO VIRTUAL .................................................................... 42

4.2 SISTEMA TRMICO .................................................................................... 43

4.3 CICLOS TRMICOS .................................................................................... 45

5 MEDIES E CLCULOS ............................................................................. 49

5.1 MTODO HARMAN ..................................................................................... 49

5.2 MEDIES .................................................................................................. 51

5.3 MEDIES CONSIDERANDO APLICAES DE CICLOS TRMICOS .... 53

6 CONCLUSES ............................................................................................... 58

7 TRABALHO PUBLICADO .............................................................................. 61

REFERNCIAS ..................................................................................................... 62

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 1 - GERADOR TERMOELTRICO COM SEMICONDUTOR ............... 14

FIGURA 2 - EM (A) H EXPANSO NO VOLUME INTERNO DO SISTEMA, DEVIDO A TROCA DE CALOR TRABALHO REALIZADO PELO SISTEMA. NO SISTEMA (B) NO H AGITAO MOLECULAR, PORM H MUDANA NO VOLUME SOBRE O SISTEMA. ........ 27

FIGURA 3 - EFEITO SEEBECK: TERMOPAR DE COBRE E METAL ............... 29

FIGURA 4 - EFEITO PELTIER: TERMOPAR DE COBRE E METAL ................. 30

FIGURA 5 - CONDUO TRMICA EM UM MATERIAL ................................. 31

FIGURA 6 - TERMOPAR METLICO ................................................................. 32

FIGURA 7 - GERADOR TERMOELTRICO (TEG) ............................................ 33

FIGURA 8 - DIAGRAMA DE BLOCOS GENERALIZADO PARA COLHEITA DE ENERGIA ......................................................................................... 36

FIGURA 9 - REPRESENTAO DA PLATAFORMA EXPERIMENTAL ............ 40

FIGURA 10 - RESPOSTA DO SISTEMA A UM DEGRAU .................................... 41

FIGURA 11 - MTODO ZIEGLER-NICHOLS PONTOS DE INSERO ........... 41

FIGURA 12 - PROGRAMA EM LABVIEW IHM.................................................. 43

FIGURA 13 - SISTEMA TRMICO ........................................................................ 44

FIGURA 14 - BANCADA DE TESTES ................................................................. 45

FIGURA 15 - CICLO TRMICO T E TENSO .................................................... 46

FIGURA 16 - SENTIDO DE FLUXO DE CALOR.................................................. 46

FIGURA 17 - ILUSTRAO DO MTODO HARMAN .......................................... 51

FIGURA 18 - CICLO DE CORRENTE ................................................................... 52

FIGURA 19 - TENSO GERADA PELO MTODO HARMAN.............................. 52

FIGURA 20 - CICLO TRMICO EM UMA HORA.................................................. 54

FIGURA 21 - EFEITO DO CICLO TRMICO NA TENSO GERADA .................. 54

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - ESPECIFICAES DO TEG ........................................................... 39

TABELA 2 - PARMETROS CALCULADOS ANTES DOS CICLOS TRMICOS ...................................................................................... 53

TABELA 3 - PARMETROS CALCULADOS APS CICLOS TRMICOS ........ 55

TABELA 4 - COMPARATIVO PR E PS CICLOS TRMICOS ........................ 56

LISTA DE ABREVIAES E SMBOLOS

Coeficiente de Seebeck [V/K]

rea da seco transversal do Material [mm2]

Diferena de Temperatura [K]

TEC Thermoelectric Cooler

TEG Thermoelectric Generator

TEM Thermoelectric Module

Rin Resistncia Interna []

ZT Figura de Mrito

Th Temperature Hot [K]

Tc Temperature Cold [K]

Tenso Total [V]

Tenso de Seebeck [V]

Corrente Fornecida Total [A]

Resistividade Eltrica [/mm]

Resistividade Trmica [K.mm/mW]

Condutividade Eltrica [mm/]

Condutividade Trmica [mW/K.mm]

Comprimento do Material [mm]

Coeficiente de Peltier [W/K]

Potncia de Peltier [W]

Potncia de Fourier [W]

Fator de Potncia [adimensional]

Fluxo de Calor [W]

RESUMO

ANLISE EXPERIMENTAL DOS EFEITOS DE CICLOS TRMICOS EM GERADORES TERMOELTRICOS Objetivo: Os geradores termoeltricos so dispositivos de estado slido que utilizam a diferena de temperatura para a converso em energia eltrica. No entanto, submeter os geradores termoeltricos a variaes de temperatura pode comprometer o tempo de vida desses dispositivos. Assim, com o objetivo de investigar a possvel influncia das variaes de temperatura ciclos trmicos a que os mdulos geradores termoeltricos (TEGs) esto expostos, este trabalho desenvolveu uma plataforma experimental capaz de submeter TEGs influncia de ciclos trmicos, permitindo assim que os TEGs possam ser avaliados. Para constatar os efeitos na degradao do TEG, alguns parmetros foram avaliados antes da aplicao dos ciclos trmicos e aps uma sequncia de ciclos trmicos. Ao fim da pesquisa, as avaliaes feitas nos parmetros so apresentadas em uma tabela comparativa, em que so apresentados os valores obtidos antes da aplicao dos ciclos trmicos e os valores dos parmetros aps a aplicao dos ciclos trmicos. Palavras-chave: Plataforma Experimental, Ciclo Trmico, Gerador Termoeltrico

ABSTRACT

EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE THERMAL CYCLING EFFECTS IN THERMOELECTRIC GENERATORS A thermoelectric generator is a solid-state temperature dependent device that provide power generation on thermoelectric conversion. For that, the thermoelectric modules needs a temperature difference to ensure the thermoelectric conversion process. However, being subject to temperature variations may compromise the thermoelectric generator lifetime. Thus, in order to evaluate the temperature variation (thermal cycling) that the thermoelectric generators are exposed, this work has proposed an experimental platform that submits the thermoelectric generators modules to thermal cycling. With the experimental platform proposed the parameters of the thermoelectric generators may be to investigate properly. To evaluate the degradation effects on TEG the parameters were evaluated before the thermal cycling and then the parameters were evaluated after the thermal cycling process. At the research end, the parameters are presented by a comparative table with parameters evaluation before the thermal cycling and parameters evaluation after thermal cycling which brings to the experimental platform reliability. Keywords: Experimental Platform, Thermal Cycling, Thermoelectric Generators

1 INTRODUO

INTRODUO

13

1 INTRODUO

Com o desenvolvimento crescente de dispositivos de baixa potncia como os

ns em uma rede de sensores sem fio, dispositivos mdicos implantados, sensores

industriais, dentre outras tecnologias, a utilizao de baterias como fonte de energia

pode se tornar um alternativa invivel, especialmente quando as dimenses da bateria

excedem as dimenses do prprio dispositivo ou quando o acesso ao dispositivo

impraticvel, como em florestas, oceanos, entre outros. Dentro desse contexto, alguns

esforos em pesquisas tem sido empregados em uma tcnica que pode auxiliar tais

dispositivos a se tornarem autossuficientes ou em alguns casos garantir um

prolongamento de vida til s baterias (RADAMASS; CHANDRAKASAN, 2011). Tal

tcnica conhecida como colheita de energia (energy harvesting).

Segundo Beeby (2010) e Harb (2011) o conceito de colheita de energia est

relacionado ao processo de converso da energia (trmica, solar, elica, dentre

outras) que desperdiada ao meio ambiente para energia eltrica, a fim de tornar

dispositivos como implantes biomdicos, ns sensores de uma rede de sensores sem

fio, dispositivos de monitoramento militar, entre outros, em sistemas

autossustentveis. Em Tan e Panda (2010) as tcnicas de energy harvesting tratam

da converso de energia em baixa potncia (normalmente em ), ou seja, uma

tcnica em baixa escala de potncia, diferente da colheita com fontes de energia

renovveis que fornecem grandes potncias, como parques solares ou parques

elicos. Os sistemas de colheita de energia so compostos normalmente por elemento

de coleta, dispositivo para converso e condicionamento, e um dispositivo de

armazenamento. Como tcnica de colheita de energia, pode-se citar a colheita de

energia trmica, que apresenta como soluo a possibilidade de converter

temperatura desperdiada ao meio em energia eltrica (GLANTZ et al., 2006).

A colheita de energia trmica uma tcnica que permite a converso de calor

em energia eltrica e um dispositivo com potencial para a converso termoeltrica

o gerador termoeltrico (TEG), que opera quando exposto a diferena de temperatura

(HARB, 2011; ISMAIL; AHMED, 2009; NI et al., 2012; BOBEAN; PAVEL, 2013). Para

Priya (2009), um ambiente pode fornecer diferena de temperatura adequada

converso da energia termoeltica. Entretanto, mesmo sobre grandes diferenas na

temperatura, a eficincia na converso termoeltrica baixa, uma vez que est

INTRODUO

14

limitada aos materiais com que o TEG produzido (PARK et al., 2012; TAN; PANDA,

2010).

O efeito termoeltrico foi observado primeiramente em 1821 por Thomas

Seebeck a partir de termopares metlicos (JAVAN, 2000; KASAP, 2001). Atualmente,

os termopares em um TEG so semicondutores, pois possuem caractersticas mais

vantajosas sobre os metais, tais como menor perda pelo efeito Joule, maior

sensibilidade s diferenas de temperatura, dentre outras caractersticas (JAVA, 2000;

PRYIA, 2009). Assim, o gerador termoeltrico semicondutor definido como sendo

a associao de termopares semicondutores com dopagem do tipo e

semicondutores com dopagem do tipo, dispostos em srie eletricamente e em

paralelo termicamente entre dois substratos de cermica (ISMAIL; AHMED, 2009)

(LU; LAIRD, 2006), como mostrado na Figura 1.

FIGURA 1 - GERADOR TERMOELTRICO COM SEMICONDUTOR

O TEG caracterizado por sua eficincia na converso termoeltrica, a partir

de uma diferena de temperatura entre as placas de cermica (NI et al., 2012;

PARK et al., 2012). Assim, quanto maior o a que o TEG submetido, maior ser a

tenso eltrica gerada na converso. Essa relao expressa por = . , em que

o coeficiente de Seebeck. Entretanto, Park (2012) e Hatzikraniotis (2010)

verificaram que variaes constantes nas diferenas de temperatura podem

comprometer a eficincia de um TEG, o que pode causar estresse trmico significante

ao TEG. Em resumo, o desempenho do TEG poder apresentar degradao na

medida em que o material que forma o gerador termoeltrico submetido a ciclos

trmicos de diferenas de temperatura (PARK et al., 2012).

Assim, a proposta apresentada neste trabalho o de avaliar a degradao na

eficincia em um gerador termoeltrico comercial, o TEC12708 da Hebei

INTRODUO

15

I.T.(Shanghai) Co. Ltd, formado por 127 termopares semicondutores e medidas de

40mm x 40mm x 3,3mm. Assim, esse TEG ser submetido a variaes de temperatura

controladas de ciclos trmicos, de modo que sejam verificadas possveis degradaes

em parmetros como o coeficiente de Seebeck, a tenso gerada, condutividade

trmica e eltrica, entre outros.

Para Bhatt (1992) e Kumar (2010) submeter um gerador termoeltrico a ciclos

trmicos poder causar ao material que o forma um desgaste mais acelerado. Isso

significa dizer que o material pode sofrer fissuras ou a criao de pequenas bolsas de

ar. Assim, submeter materiais a ciclos trmicos pode determinar em qual ambiente o

material pode se tornar mais eficiente ou mensurar o tempo de vida do gerador

termoeltrico. Nesse contexto, conclui-se que avaliar os geradores termoeltricos sob

ciclos trmicos de suma importncia de modo a garantir aos TEGs que o ambiente

mais adequado a que sero submetidos ao calor e assim, no sofram uma possvel

degradao em seu material de modo precoce. Assim, neste trabalho foi criada uma

plataforma que controla a diferena de temperatura a que submetido o TEG. O

desenvolvimento da plataforma dever auxiliar na anlise de eficincia de outros

geradores termoeltricos.

Este trabalho est dividido como segue: na Seo 1, esto descritos os

objetivos e a motivao para o trabalho; na Seo 2, feita uma reviso na literatura

e o que h de mais recente na rea; na Seo 3, apresentada a base terica para o

entendimento no que se refere a converso termoeltrica; na Seo 4, descrita a

plataforma experimental desenvolvida; na Seao 5 apresentada a metodologia

utilizada nas medies e nos clculos dos parmetros que foram avaliados; na Seo

6 esto as concluses a partir da avaliao dos parmetros; e na Seo 7 esto os

trabalhos que foram submetidos em eventos e concressos.

1.1 OBJETIVOS

Os objetivos gerais deste trabalho so:

1. Desenvolver uma plataforma que seja capaz de controlar as variaes de

temperatura e medir parmetros do gerador termoeltrico; e

2. Analisar o desempenho do gerador termoeltrico comercial modelo TEC-

12708 durante exposio de ciclos trmicos.

INTRODUO

16

Os objetivos especficos so os seguintes:

1. Desenvolver sistema de Integrao Homem-Mquina para interagir com a

plataforma trmica;

2. Aplicar o mtodo Harman para avaliao dos parmetros de geradores

termoeltricos;

3. Avaliar a possvel degradao nos parmetros do TEG;

1.2 MOTIVAO

O crescente ganho em desempenho dos geradores termoeltricos por parte

de estudos nos materiais que os compem demonstra que a converso termoeltrica

como fonte de energia torna-se cada vez mais promissora e poder garantir

eventualmente maior autonomia ou at mesmo tentar tornar dispositivos mveis

energeticamente autnomos (PRYIA, 2009; JEYASHREE, 2013). Fornecer energia a

fim de garantir autonomia a dispositivos que esto dispostos em regies onde no h

fcil acesso da energia eltrica ou recursos em energia eltrica so escassos torna

essa tecnologia atrativa. Alm do mais, para Pryia (2009), algumas vezes

impraticvel a utilizao de fontes externas como baterias para alimentao de

dispositivos mveis, pois necessitam de substituio e, em muitas vezes, h grandes

dificuldades em acessar os dispositivos, como em florestas densas, no mar, entre

outros. Segundo Tan e Panda (2010), o ciclo de vida dos dispositivos mveis est

associado ao tempo de vida de uma fonte central de energia eltrica ou baterias.

Nesse contexto, a tcnica de colheita de energia termoeltrica, alm de no poluente,

podem oferecer algumas vantagens por possurem estrutura simples, no possurem

partes mveis, serem relativamente pequenos e leves, entre outros (GOULD et al.,

2008).

Embora o TEG necessite de variaes na temperatura para a converso

termoeltrica, para Park (2012), importante avaliar a exposio do material que

submetido ciclos trmicos, que podem criar no material algum tipo de fissura ou

bolsas de ar, o que poderia provocar no TEG mal funcionamento ou degradao na

converso termoeltrica, alm de mudanas em caractersticas que afetem, por

exemplo, a resistncia interna do TEG. Assim, importante avaliar o impacto dos

INTRODUO

17

ciclos trmicos sobre o TEG. Do ponto de vista prtico, este estudo poder auxiliar na

avaliao do tempo de vida de um TEG exposto s variaes de gradientes de

temperatura em ambientes naturais.

2 REVISO DE LITERATURA

REVISO DE LITERATURA

19

2 REVISO DE LITERATURA

2.1 REVISO BIBLIOGRFICA

Segundo Egli (1961), a termoeletricidade vem sendo intensamente

investigada e, naquele momento em que feito o estudo, cita-se quo precoce

definir possveis aplicaes para a converso termoeltrica, de modo que possa

apresentar melhor desempenho. No entanto, os estudos em termoeletricidade ainda

esto focados em problemas relacionados a converso termoeltrica, como o tipo de

material utilizado, que acredita-se, o impacto no desempenho dos mdulos

termoeltricos pontual. Assim, ainda segundo Egli (1961), para uma proposta de

uma aplicao, importante propor um modelo matemtico de modo que se possa ter

uma avaliao prvia do desempenho de um TEG a partir das caractersticas do

material que o formam.

Em Javan (2000), so avaliados termopares metlicos e termopares

semicondutores sobre o efeito dos fenmenos de Seebeck, Peltier e Thomson. Aps

a avaliao de alguns geradores termoeltricos diferentes tipos de material, o autor

do estudo realizado conclui que utilizar semicondutores de Germnio (Ge), por

apresentar alto valor da figura de mrito ZT, entende que essa mostrou ser a melhor

opo na produo de TEGs.

De acordo com Chen (2000), imprescindvel que seja feito um estudo sobre

a eficincia dos TEGs comerciais, de modo que sejam avaliados dois parmetros: a

figura de mrito e a eficincia . Para tanto, as expresses gerais para clculo

desses dois importantes parmetros so apresentadas e aplicadas.

Em Chaves (2000) so propostos trs modelos SPICE para representar o

funcionamento de um gerador termoeltrico. Aps a modelagem feita uma

simulao da influncia dos efeitos termoeltricos na variao da tenso.

Segundo Singh e Bhandari (2004), o material que um gerador termoeltrico

produzido oferece melhor eficincia quando produzido com material semicondutor de

telureto de bismuto (23). O trabalho prope avaliar o desempenho de um gerador

termoeltrico produzido semicondutores de telureto de bismuto e faz a comparao

de sua eficincia com alguns geradores termoeltricos formados por outros tipos de

materiais.


20

Paradiso e Starner (2005) afirmam que o crescimento em pesquisas na rea

de geradores termoeltricos crescente e sugerem que tcnicas de colheita de

energia, tais como as baseadas em converso termoeltrica, tm se tornado atrativas

na medida em que podem possibilitar a alguns dispositivos mveis a possibilidade de

tornarem-se autossustentveis. No trabalho, feita uma anlise na eficincia da

colheita por converso termoeltrica e na eficincia da tcnica de colheita por

vibrao, de modo que as duas tcnicas possam ser comparadas.

No trabalho de Tritt e Subramanian (2006) so feitas avaliaes em parmetros

de um TEG, tais como eficincia na converso, desempenho, eficincia do efeito

Seebeck e a eficincia do efeito Peltier. Na pesquisa feita ainda uma anlise

comparativa de alguns materiais utilizados em geradores termoeltricos de estado

slido. O trabalho ainda escralece o processo do fluxo de eltrons no interior dos

semicondutores.

Em Laird e Lu (2006) feita uma modelagem SPICE para a converso

termoeltrica em um TEG. No modelo so apresentados os efeitos Peltier, Seebeck,

Joule, Thomson e o efeito de fluxo de calor. A modelagem feita a partir do estudo

em circuitos eltricos que podem representar os efeitos em um TEG. No estudo,

citado ainda que o efeito Thomson possui uma influncia nfima na converso

termoeltrica, e portanto, costuma ser negligenciado nos estudos que tratam de

converso termoeltrica. Para tal concluso, a modelagem avaliou os efeitos a partir

de duas equaes analticas: uma das equaes considera o efeito Thomson e a outra

equao desconsidera o efeito Thomson.

Em Glatz (2006) apresentado uma metodologia que otimize a produo de

um TEG no modo como desenvolvido e melhorar os parmetros da interface do

TEG. A otimizao no material do TEG apresenta um processo de fabricao mais

barato e possibilita a fabricao de TEGs de polmero.

Lossec (2006) sugere que, para geradores termoeltricos utilizados em contato

com o corpo humano, interessante a busca por materiais com maior eficincia na

converso termoeltrica. Para tanto, feito um estudo simulado em parmetros de

alguns materiais no que diz respeito a eficincia e desempenho do TEG quando h

mudanas de temperatura do corpo.

Para Lineykin e Yaakov (2007), analisar a topologia do circuito proposto para

um resfriador termoeltrico (TEC) importante. A contribuio do trabalho propor, a


21

partir de estudos no circuito dado para um TEC, que um mtodo analtico possa ser

desenvolvido, e portanto, possa ser capaz de extrair parmetros especificados pelos

fabricantes nos datasheets dos TECs comerciais.

Para Gonalves (2008), importante propor um novo tipo de gerador

termoeltrico feito com materiais semicondutores tipo de 23 (telureto de

bismuto) e semicondutores tipo de 23 (telureto de antimnio). Para garantir

melhor desempenho aos materiais, o trabalho tambm avalia o desempenho e a

eficincia do gerador termoeltrico produzido pelos materiais propostos.

Segundo Apostol (2008), importante que as equaes fundamentais da

termoeletricidade sejam revistas e, portanto, estudadas de modo mais aprofundado.

Nos estudos, citado que embora haja grande importncia na reviso de todas as

equaes envolvidas no processo termoeltrico, estudar as equaes que calculam a

figura de mrito e a eficincia em um gerador termoeltrico mais importante. Esse

foco dado na medida em que a importncia desses parmetros na relao de

eficincia na converso dos geradores termoeltricos pontual.

Em Ismail e Ahmed (2009) apresentado um conhecimento bsico do que vem

a ser um gerador termoeltrico. Assim, so apresentadas as frmulas utilizadas para

o clculo do desempenho de um TEG, conceitos sobre o efeito Seebeck e frmulas

para o clculo da eficincia. No trabalho so apresentados estudos de desempenho

em vrios tipos de materiais.

Pryia (2009) trata dos conceitos sobre energy harvesting, alm de suas

tecnologias. H uma seo dedicada aos geradores termoeltricos com conceitos e

frmulas sobre , eficincia, entre outras. No livro, vrios estudos da utilizao de

dispositivos termoeltricos a semicondutores de telureto de bismuto como proposta

de aplicao para as tecnologias de redes de sensores sem fio que utilizam ns

sensores, citada como bastante promissora.

Para que um n sensor seja totalmente autnomo e autossustentvel em um

Rede de Sensor Sem Fio (RSSF), o consumo de energia do dispositivo deve ser

totalmente colhido do ambiente. Para tanto, a colheita de energia trmica vem sendo

estudada e os geradores termoeltricos estudados de modo a garantir que a eficincia

na converso de energia trmica em energia eltrica por meio do efeito Seebeck seja

maior possvel. Entretanto, a eficincia tpica em geradores termoeltricos a

semicondutor baixa, de modo que em uma diferena de temperatura que varie em


22

at 40C, a eficincia apresentada pouco menos de 1%. Uma diferena de

temperatura de 40C pouco provvel em ambientes normais, o que torna a tcnica

de converso termoeltrica uma tecnologia pouco atrativa na medida em que h

dispositivos que necessitam de mais potncia do que pode ser fornecida. Assim, a

colheita termoeltrica estudada em aplicaes prticas para as RSSFs, por fornecer

baixa potncia, com poucos ou centenas de (TAN; PANDA, 2010).

Na medida a converso termoeltrica de um TEG depende diretamente da

variao de temperatura, ou seja, quanto maior o gradiente de temperatura, maior a

potncia fornecida, para Dalola (2009) importante observar os TEGs quando

submetidos ciclos trmicos elevados, o que pode comprometer e degradar de

maneira precoce a estrutura no material em que o TEG feito. Nos estudos

apresentados no artigo, os TEGs so expostos variaes elevadas de temperatura

e algumas fotos da estrutura interna dos material na degradao material so

apresentadas, antes e aps o TEG ser submetido aos ciclos.

Em Radamass e Chandrakasan (2011) feita a avaliao no desempenho de

um TEG comercial. O TEG estudado submetido a diferena de temperatura, que

varia com a temperatura do ambiente e a temperatura corporal. As diferenas de

temperatura produzidas so utilizadas na converso termoeltrica e a potncia

produzida fornecida para o funcionamento de relgio de pulso.

2.2 ESTADO DA ARTE

Em Bobean e Pavel (2013), uma plataforma experimental montada para que

algumas caractersticas em alguns parmetros de um gerador termoeltrico possam

ser estudados e avaliados. A ideia principal foi utilizar a plataforma para propsitos

educacionais. No trabalho foi obtido e apresentado, a partir da plataforma, um teste

experimental em um TEG comercial modelo TG 100. As caractersticas analisadas

foram de tenso e da potncia fornecidas para o circuito.

No trabalho de Jo (2013) apresentado um novo material para fabricao de

um TEG, que pode garantir melhor converso termoeltrica quando o TEG

submetido temperatura corporal. O material utilizado como substrato e que garante,

alm de melhor eficincia na converso termoeltrica, maior flexibilidade para o TEG


23

o polidimetiloxano. Aps a fabricao do TEG, feita uma avaliao em seus

parmetros. O TEG foi submetido a uma diferena de temperatura de 19 K, que gerou

potncia de aproximadamente 2,1 na converso termoeltrica.

Em Jeyashree (2013), apresentado um novo modelo de TEG, conhecido por

microTEG. So feitas algumas simulaes, alm de estudos prticos no que se refere

ao desempenho do TEG. Para tanto, o TEG submetido radiao solar direta, de

modo a provocar as variaes de temperatura. Assim, a diferena de temperatura

obtida a partir da temperatura da superfcie em um dos lados e no outro lado est a

temperatura submetida pela radiao solar.

Para Assion (2013), importante que haja uma ferramenta capaz de

desenvolver um TEG rapidamente e sem gastos a partir dos materiais e das condies

de limites dos materiais, ou ainda, que a ferramenta seja capaz de propor uma melhora

a uma estrutura j existente. Assim, o trabalho faz um estudo do mtodo de volumes

finitos a partir do clculo analtico em um TEG e compara seus resultados aos medidos

na prtica.

Segundo Park (2012), importante verificar a preciso em avaliaes de

parmetros dos TEGs. Nos estudos, foram comparados dois mtodos que permitem

avaliar a figura de mrito em um gerador termoeltrico aps ser submetido ciclos

trmicos: o mtodo de Harmann e o mtodo dependente de frequncia. Para tanto, o

TEG estudado foi submetido temperaturas pouco comuns ao meio ambiente, de at

200 e a partir dos testes, pode-se concluir quando os dois mtodos so comparados

que h um erro entre estes de aproximadamente 2% o que aceitvel entre os

fabricantes, segundo o autor. Assim, para qualquer um dos dois mtodos aplicados, a

avaliao sobre ciclos trmicos satisfatria e garantem a avaliao adequada de um

TEG.

Em Feinaeugle (2013), proposta uma metodologia para que os elementos

semicondutores de telureto sejam depositados nos substratos. A metodologia consiste

na utilizao de induo a laser para fixao dos semicondutores.

Niotaki (2013) prope a coleta de calor a partir da dissipao de calor gerada

por um circuito amplificador que funciona a 1 Watt de potncia. Para tanto, o TEG

colocado sobre o circuito integrado amplificador, que fornecer ao TEG o calor

dissipado.


24

Do que foi exposto, o estudo em geradores termoeltricos tem por foco na

maioria dos trabalhos estudados um tema que aponta para o melhoramento dos

materiais utilizados na produo de TEGs. Outro ponto bastante recorrente nas

pesquisas o estudo no desempenho de TEGs, para que possam ser sugeridas

aplicaes especficas. Entretanto, h pouca abordagem sobre a avaliao dos efeitos

das variaes de temperatura (ciclos trmicos) sobre o material dos TEGs,

especialmente da influncia dessas variaes, logo que os TEGs so submetidos

converso termoeltrica. importante que sejam verificadas as possveis

degradaes em parmetros, tais como a resistncia interna do TEG, alm da

avaliao na energia fornecida pelo TEG aps ser submetido a variaes de

temperatura contnuas, sobretudo para garantir confiabilidade quando um dispositivo

TEG for indicado possvel aplicao. Assim, fundamentado em um estudo

apresentado por Park (2012) que avalia alguns efeitos de ciclos trmicos aplicados

aos TEGs, este trabalho dissertativo avalia os parmetros de um TEG comercial

quando submetido ciclos trmicos, observando a necessidade de buscar variaes

de temperatura que podem ser impostas pelo ambiente natural. Ao final da pesquisa,

apresentada uma tabela comparativa dos parmetros avaliados antes dos ciclos

trmicos e aps a imposio dos ciclos trmicos.

3 FUNDAMENTAO TERICA

FUNDAMENTAO TERICA

26

3 FUNDAMENTAO TERICA

Para a converso termoeltrica, os geradores termoeltricos dependem de

propriedades que so intrnsecas dos materiais (HATZIKRANIOTIS et al., 2010). Para

tanto, os efeitos termoeltricos em um material condutor geram um fluxo de portadores

eltricos em funo da variao de temperatura e, para que haja melhor compreenso

da influncia dos materiais que formam os mdulos geradores termoeltricos

necessria uma breve fundamentao no que diz respeito a alguns parmetros e

efeitos envolvidos no processo de converso termoeltrica.

3.1 ENERGIA INTERNA

A energia interna pode ser definida como sendo a relao entre as atraes

intermoleculares, movimentos de rotao, translao e vibrao das molculas.

Assim, para um sistema, a variao de energia dada pela diferena entre o calor

trocado pelo sistema com o meio e o trabalho realizado pelo/sobre o sistema ( =

) como mostra a Figura 2 (HALLIDAY; RESNICK, 2009). Em outras palavras, a

primeira Lei da Termodinmica (ou princpio da conservao de energia) pode

representar essa relao de modo que: a soma da energia mecnica com a

quantidade de calor trocado pelo sistema, seja este um sistema isolado, constante.

De outro modo, a energia total inicial do sistema igual a energia total final desse

mesmo sistema (HALLIDAY; RESNICK, 2009).

Uma vez que em sua estrutura o TEG no apresenta partes mecnicas, pode-

se verificar que os geradores termoeltricos no sofrem ou executam trabalho, pois o

trabalho est associado variao considervel de volume em um sistema (ou energia

mecnica). Isso significa dizer que, por no possuir partes mveis ou no depender

de variaes mecnicas na estrutura do sistema, para que ocorra o efeito de

converso termoeltrica, tem-se que a variao de energia total do sistema em um

gerador termoeltrico igual quantidade de calor trocado com o meio ambiente

( = ) (HALLIDAY; RESNICK, 2009). Para representar a variao de um sistema

a partir da variao de temperatura, so apresentados na Figura 2 a expanso e o

resfriamento de dois sistemas trmicos.

FUNDAMENTAO TERICA

27

FIGURA 2 - EM (A) H EXPANSO NO VOLUME INTERNO DO SISTEMA, DEVIDO A TROCA DE CALOR TRABALHO REALIZADO PELO SISTEMA. NO SISTEMA (B) NO H AGITAO MOLECULAR, PORM H MUDANA NO VOLUME SOBRE O SISTEMA.

3.2 RESISTIVIDADE TRMICA

Para uma escolha acertada do material no que diz respeito a boa ou m

transferncia trmica, pode-se utilizar o conceito de resistividade trmica ().

Portanto, se um material transfere facilmente energia trmica por conduo, este

material um bom condutor de calor e deve possuir um alto valor de (HALLIDAY;

RESNICK, 2009) (BARAKO et al., 2012).

A resistividade trmica uma caracterstica intrnseca em um material e para

um TEG uma tcnica que pode ser empregada para o seu clculo o mtodo Harman

que ser apresentado na ltima Seo deste trabalho. Para tanto, uma vez que

medidos os parmetros necessrios, calcula-se a resistividade trmica a partir

equao dada (BARAKO, 2012; YATIM, 2012)

=

(1)

em que o coeficiente de Seebeck, a corrente percorrida pelo mdulo

termoeltrico, a temperatura ambiente em Kelvin, a variao de temperatura

(A) (B)

FUNDAMENTAO TERICA

28

entre as faces, a altura de um semicondutor e a rea de seco transversal

em um semicondutor.

3.3 RESISTIVIDADE ELTRICA

Assim como a resistividade trmica, a resistividade eltrica de um material

caracterstica intrnseca do material. A resistividade eltrica define o quanto pode ser

permissvel a passagem de corrente eltrica no material, ou seja, se bom ou mau

condutor eltrico (HAYT; BUCK, 2003; HALLIDAY; RESNICK, 2009). Pode-se definir

a resistividade eltrica como sendo o inverso da condutividade eltrica

=1

(2)

em que a condutividade eltrica dada em (. m)1 e a resistividade eltrica do

material em (. m).

Para o clculo de resitividade eltrica em um gerador termoeltrico utiliza-se

a relao matemtica dada pela 2 Lei de Ohm, que relaciona a resistncia eltrica

interna () e as medidas de comprimento e de rea da seco transversal do

gerador termoeltrico (HALLIDAY; RESNICK, 2009; YATIM, 2012). Assim, tem-se a

equao

=

(3)

3.4 EFEITO SEEBECK

No efeito Seebeck, se dois materiais metlicos conectados por junes, de

modo que estas junes mantidas temperaturas diferentes e , como mostrado

na Figura 3, em que > , os metais so capazes de produzir uma tenso (GOULD

et al., 2008; DZIURDIA, 2011). Assim, para que ocorra o efeito Seebeck entre dois

tipos de metais conectados, as junes devem estar a uma diferena de temperatura

() (BOBEAN; PAVEL, 2013). Para o clculo da tenso de Seebeck () dada uma

FUNDAMENTAO TERICA

29

relao na equao (4), em que o gradiente de temperatura entre as junes

localizadas nos lados opostos do material (DZIURDIA, 2011).

= ( ) ( 4)

em que o coeficiente de Seebeck.

FIGURA 3 - EFEITO SEEBECK: TERMOPAR DE COBRE E METAL

Segundo Ahiska e Mamur (2013), o coeficiente de Seebeck para geradores

termoeltricos produzidos com metais na ordem de 1 microvolt por grau Celsius

(/), enquanto que para materiais semicondutores o coeficiente de Seebeck

tipicamente da ordem de cem microvolts por grau Celsius (100/). Para se obter

uma tenso de Seebeck, a perda do condutor deve ser no mnimo, a fim de que possa

ser gerada a maior eficincia termoeltrica em um TEG (RAMADASS;

CHANDRAKASAN, 2011).

3.5 EFEITO PELTIER

O efeito Peltier ocorre de maneira contrria ao efeito Seebeck, o que significa

dizer que, uma vez que seja aplicada uma corrente, as junes entre os termopares

metlicos devero, em uma juno dissipar calor e na outra juno absorver calor.

Essa energia dissipada ou absorvida proporcional a corrente eltrica (Figura 4). O

efeito Peltier pode ser quantificado pelo coeficiente de Peltier (), que se relaciona

com o coeficiente de Seebeck, de acordo com a seguinte equao (BOBEAN; PAVEL,

2013)

FUNDAMENTAO TERICA

30

= . (5)

O efeito de Peltier se inverte na medida em que o sentido da corrente invertida

tambm (LINEYKEIN; YAAKOV, 2007; DZIURDZIA, 2011). A quantidade de calor

absorvida/dissipada proporcional a corrente eltrica aplicada e a temperatura

absoluta . Assim, o calor associado ao efeito Peltier pode ser calculada pela equao

= . = . . (6)

em que a corrente eltrica que flui nos materiais, o coeficiente de Peltier, e que

pode ser expresso em termos de coeficiente de Seebeck () (DZIURDZIA, 2011).

FIGURA 4 - EFEITO PELTIER: TERMOPAR DE COBRE E METAL

3.6 CONDUO TRMICA

A conduo trmica ocorre quando h transferncia de calor de um ponto a

outro em um dado material (Figura 5). Para que essa transferncia de calor possa

ocorrer, um material deve ser submetido a uma diferena de temperatura, o que faz

surgir um fluxo de calor entre dois pontos do material. Este fluxo de calor segue a

segunda lei da termodinmica, e portanto, flui do ponto em que h maior temperatura

em direo ao ponto de menor temperatura (LINEYKIN; YAAKOV, 2007; HALLIDAY;

RESNICK, 2009). Nos semicondutores, os efeitos termoeltricos surgem por causa da

quantidade de portadores de cargas livres, que carregam a carga eltrica,

aumentando durante o processo de converso termoeltrica, a quantidade de cargas

FUNDAMENTAO TERICA

31

e de lacunas nos semicondutores que, por difuso, buscam equilbrio

(SUBRAMANIAN; 2006).

Uma grande dificuldade em descrever o processo de conduo trmica

encontrar uma diferena de temperatura ideal a que deve ser submetido o material

semicondutor, e mais ainda, encontrar a melhor relao entre a resistividade trmica

() sobre a dependncia da variao de temperatura (DZIURDZIA, 2011).

FIGURA 5 - CONDUO TRMICA EM UM MATERIAL

A conduo trmica ()entre dois pontos separados pode ser determinada

pela Lei de Fourier (calor de Fourier QF) , desde que as temperaturas dos dois pontos

no variem, ou seja, mantenham-se em estado estacionrio (PRYIA e INMAN, 2009)

(LAIRD; LU, 2008)

=1

(7)

em que a espessura do material em questo em metros (), a rea da seco

transversal do material em metros quadrados (2), a diferena de temperatura

entre as faces em Kelvin () e a resistividade trmica do material dada em metro

Kelvin por watt (. ).

FUNDAMENTAO TERICA

32

3.7 GERADOR TERMOELTRICO

O efeito de um gerador termoeltrico foi observado pela primeira vez por J.

Seebeck em 1821 em um termopar metlico, formado por dois tipos de metais

diferentes conectados entre si por meio de junes (Figura 7) (JAVAN, 2000;

RAMADASS; CHANDRAKASAN, 2011). Segundo Javan (2000) os materiais

semicondutores tambm podem exibir os efeitos termoeltricos, e alm do mais,

apresentam algumas vantagens sobre os metais, tais como reduo do efeito Joule,

alm de possurem maior sensibilidade ao calor.

FIGURA 6 - TERMOPAR METLICO

O gerador termoeltrico (TEG) um dispositivo formado por semicondutores

de estado slido capazes de converter energia trmica diretamente em energia

eltrica quando submetidos a uma diferena de temperatura (ISMAIL; AHMED, 2009).

O TEG formado por termopares semicondutores do tipo e do tipo que

esto conectados em srie eletricamente e em paralelo termicamente e esto

dispostos entre dois substratos de cermica, que so bons condutores de calor e

oferecem alta resistncia eltrica (Figura 8) (LAIRD; LU, 2006; ISMAIL; AHMED, 2009;

DZIURDZIA, 2011).

Segundo Ismail e Ahmed (2009) e Dziurdzia (2009) h algumas vantagens que

podem ser citadas sobre os mdulos geradores termoeltricos:

FUNDAMENTAO TERICA

33

i) So confiveis e silenciosos por no possurem partes mveis;

ii) Requerem pouca manuteno;

iii) Tm tamanhos e pesos reduzidos;

iv) So capazes de operar em altas temperaturas;

v) Possuem longo tempo de vida;

vi) So adequados a aplicaes de pequena escala ou aplicaes remotas,

tpicas aplicaes para ambientes rurais em que o fornecimento de energia

bastante limitado ou muitas vezes no tem; e

vii) So ecologicamente corretos.

Como desvantagem, Javan (2000) cita que o TEG tem uma baixa eficincia de

converso termoeltrica em relao variao de temperatura, aproximadamente 5%

para os metais e pouco mais de 23% para os alguns semicondutores.

FIGURA 7 - GERADOR TERMOELTRICO (TEG)

Na converso termoeltrica esto envolvidos quatro efeitos efeito Peltier,

efeito Joule, efeito Fourier e o efeito Seebeck que esto associados a vrios

mecanismos de transporte e esto expressos pelas equaes (8) e (9), considerando

o nmero de termopares (BITSCH, 2009; GOULDSMID, 2009).

= + . 1

22 (8)

FUNDAMENTAO TERICA

34

= + . +1

22 (9)

em que a condutividade trmica do material, a resistncia eltrica do material,

e e so a quantidade de calor absorvido e a quantidade de calor dissipado pelas

faces do TEG, respectivamente. A diferena entre os fluxos de calor das faces e

representam a potncia eltrica () produzida na converso termoeltrica.

Portanto, pode ser reescrita como sendo (CHVEZ, 2000; YATIM,2012)

= = ( ) . + 2 (10)

O primeiro termo da equao (10) representa os efeitos Seebeck e Peltier, o

segundo termo representa o efeito Fourier e expressa o fluxo de calor, e o terceiro

termo representa o efeito Joule (YATIM,2012; PARK, 2013).

3.8 FIGURA DE MRITO

Para que o desempenho dos materiais termoeltricos seja avaliado, foi

proposta uma figura de mrito que est em funo das propriedades do material, e

representada pela seguinte equao (LINEYKIN, 2007; BOBEAN; PAVEL, 2013):

=.2

(11)

em que a figura de mrito do material termoeltrico, o coeficiente de Seebeck,

a condutividade eltrica e a condutividade trmica do material. De acordo com

Yatim (2012, p.18), a figura de mrito importante e representa o desempenho dos

dispositivos termoeltricos semicondutores. A fim de se obter uma figura de mrito

adimensional, multiplicada pela temperatura absoluta (estabelecida em algum

valor dado), sendo a equao (11) reescrita como (PRYIA, 2009; BOBEAN; PAVEL,

2013):

=.2

(12)

FUNDAMENTAO TERICA

35

Uma grandeza que tambm pode ser avaliada a partir da figura de mrito, o

fator de potncia que calculado a partir da equao retirada do numerador da

figura de mrito , dada por

= . 2 (13)

O fator de potncia frequentemente utilizado para o estudo dos materiais,

mais efetivamente estuda-se a condutividade eltrica dos materiais. Por ter uma

relao direta, quanto maior a potncia efetiva, maior tambm deve ser a figura de

mrito.

Para uma mxima eficincia esperada na converso em um TEG, a relao

pode ser dada pela equao (YAN, 2011; YATIM, 2012; PARK, 2013)

= (

)

(1+)1

(1+)+(

) (14)

em que (

) a relao dada pela eficincia de Carnot ().

3.9 COLHEITA DE ENERGIA

A colheita de energia uma tcnica que coleta e armazena a energia

desperdiada pelo ambiente (tais como: vibraes, calor, fora dos ventos, radiao

solar, entre outras) e converte essa energia coletada em energia eltrica, que

armazenada para alimentar dispositivos eletrnicos de baixo consumo, geralmente

dispositivos mveis (HARB, 2011). A colheita de energia trabalha em baixa escala de

potncia (aproximadamente em ) e os dispositivos utilizados para a converso

podem apresentar pequenas dimenses, o que pode permitir mobilidade ao sistema

(TAN; PANDA, 2010; HARB, 2011).

Os sistemas de colheita de energia consistem geralmente de elementos de

coleta de energia, equipamento para converso e/ou condicionamento de potncia, e

dispositivos de armazenamento (Figura 8). Portanto, parte do processo de colheita de

energia envolve um dispositivo que dever converter a energia desperdiada em um

FUNDAMENTAO TERICA

36

determinado ambiente em energia eltrica, condicionar essa tenso por meio de um

circuito que dever gerenciar essa tenso coletada, armazenar em elementos como

baterias por fim, fornecer energia carga (TAN; PANDA, 2010).

Na tcnica de colheita de energia, vrios so os mtodos de converso:

vibrao, eletromagntica (RF), gradiente de presso, solar, biolgica, trmica, dentre

outras (HARB, 2011). Neste trabalho dissertativo, a tcnica de energy harvesting

estudada a converso de energia trmica em energia eltrica, ou simplesmente

converso termoeltrica.

FIGURA 8 - DIAGRAMA DE BLOCOS GENERALIZADO PARA COLHEITA DE ENERGIA

3.10 TERMOELETRICIDADE

A colheita termoeltrica uma tcnica de colheita de energia que converte

energia trmica em energia eltrica por meio de dispositivos de estado slido. No

entanto, a capacidade de converso para esses dispositivos limita-se a poucos watts

de potncia por mdulo e muitas opes podem ser utilizadas como fonte de calor,

como a chama de uma vela ou o calor dissipado por um circuito, por exemplo

(JEYASHREE et al., 2013).

Por trs dcadas consecutivas os efeitos bsicos da termoeletricidade foram

explorados e entendidos macroscopicamente e sua aplicabilidade, que era baseada

na termometria, foram reconhecidas (FARMER, 2007). Entretanto, a possibilidade de

FUNDAMENTAO TERICA

37

uso do fenmeno termoeltrico na gerao de eletricidade s foi considerada em 1885

por Rayleigh, que primeiro sugeriu o clculo, embora incorretamente, para eficincia

de um gerador termoeltrico. Apenas em 1909 e 1911 Altenkirch forneceu uma teoria

satisfatria para a gerao de energia e a refrigerao trmica, e mostrou que os bons

materiais termoeltricos deveriam possuir grandes coeficientes de Seebeck com uma

baixa condutividade trmica () para reter o calor na juno e, uma alta condutividade

eltrica para minimizar ao mximo o efeito Joule (GONCALVES et al., 2008).

Segundo Farmer (2007), na dcada de 30 e nas dcadas seguintes, um estudo

microscpio da termoeletricidade levou ao desenvolvimento de mais materiais

sofisticados, muitos deles ainda em uso. Embora a eficincia desses materiais tenha

avanado constantemente, as pesquisas na rea tiveram queda na dcada de 70.

Apenas na dcada de 90, uma combinao de fatores como a preocupao com o

meio ambiente e o interesse em resfriamento de equipamentos eletrnicos que

conduziram a um novo interesse em tecnologias alternativas para resfriamento. O

resfriamento termoeltrico j era uma tecnologia estabelecida e, portanto, um novo

mbito de pesquisas e avanos teve maior foco, que era produzir um gerador

termoeltrico de energia menor, com maior eficincia e maior produo de energia.

Aps 12 anos, um efeito complementar foi descoberto por Peltier, que observou

mudanas de temperatura nas vizinhanas das junes entre os diferentes tipos de

metais, na medida em que havia passagem de corrente (GONCALVES et al., 2008;

PRYIA; INMAN, 2009). Embora Peltier utilizasse o efeito Seebeck em seus

experimentos como fontes de correntes baixas, ele falhou em verificar a natureza

fundamental de suas observaes, ou de como relatar o efeito com as concluses de

Seebeck, e a verdadeira natureza do efeito Peltier s foi explicado por Lenz em 1938,

que conclui que, dependendo da direo em que flui a corrente, o calor pode ser

absorvido ou dissipado em uma juno entre dois metais diferentes. Lenz demonstrou

esse funcionamento congelando a gua em uma bismuto-juno e derreteu o gelo

invertendo o sentido da corrente (GONCALVES et al., 2008).

O funcionamento geral de um gerador de energia termoeltrico , segundo

Lineykin e Yaakov (2007) e Dziurdzia (2011), governado por trs fenmenos

principais: Seebeck, Peltier e a conduo trmica dos materiais. Alguns dos materiais

promovem a converso termoeltrica, porm alguns materiais limitam o desempenho

do gerador termoeltrico.

4 PLATAFORMA EXPERIMENTAL

PLATAFORMA EXPERIMENTAL

39

4 PLATAFORMA EXPERIMENTAL

Para avaliao experimental, uma plataforma foi desenvolvida, de modo a

atuar no processo de controle da diferena de temperatura que sero aplicadas sobre

o TEG submetido ao teste (TEG-under-test). Para tanto, tem-se como suporte uma

interface de aquisio de dados da National Instruments para medio e controle das

temperaturas nas faces, alm de efetuar a medio de tenso produzida pelo TEG-

under-test.

A plataforma proposta ir atuar em trs mdulos termoeltricos comerciais

modelo TEC1-1278 de 23. Dois mdulos definidos como Thermoelectric Coolers

(TECs) sero as fontes de calor e iro fornecer as temperaturas nas faces do mdulo

central, o TEG-under-test (Figura 9). A especificaes dos mdulos so mostradas na

Tabela 1.

TABELA 1 - ESPECIFICAES DO TEG

Quantidade de termopares

semicondutores

127

Medidas 40mm x 40mm x 3,5mm

Temperatura Mxima 235

Corrente Mx como Peltier 8 A

Resistncia Nominal Interna 1

Medidas dos termopares

Seco Transversal (A) 1,44 mm2

Comprimento (L) 3,3 mm

Como mostrado na Figura 9, para as medies de temperatura, foram utilizados

termopares (TPs) do tipo K dispostos entre cada face do TEG-under-test, sendo estas

denominadas UP e DOWN, para as faces superior e inferior, respectivamente. Os

termopares foram escolhidos dada a sensibilidade variao de temperatura. De

qualquer modo, para suavizar a variao nas mudanas de temperatura, reservatrios

de calor de cobre foram colocados nas faces do TEG-under-test. Esse procedimento

permite uma variao de temperatura mais eficiente nas faces, permitindo um melhor


40

controle. Assim, a partir das medies o programa desenvolvido ser capaz de

controlar as temperaturas e a variao do ciclo trmico definido.

FIGURA 9 - REPRESENTAO DA PLATAFORMA EXPERIMENTAL

Para controlar a temperatura, foi implementado um algoritmo em LabView,

baseado em controle PI, que atua por meio da interface de aquisio de dados PCIe-

6321, case SCB68A da National Instruments. O controle mede os valores de

temperatura nas faces do TEG-under-test, e o sistema controla o valor de setpoint

definido. Para tanto, h um driver de corrente conectado ao sistema que controla as

correntes nos TECs e, portanto, tem-se como varivel de controle do sistema a

temperatura. Para o clculo dos parmetros do controlador foi feita a medio da

temperatura quando aplicada a mxima corrente, de modo que seja verificada a

resposta do sistema em temperatura (C) ao degrau de corrente. A partir dos dados

da resposta do sistema, que apresentada pela Figura 9, pde-se aplicar o mtodo

emprico de Ziegler-Nichols.


41

FIGURA 10 - RESPOSTA DO SISTEMA A UM DEGRAU

A partir da resposta do sistema ao degrau da corrente so traadas as retas

para aplicao do mtodo de Ziegler-Nichols, como pode ser visto na Figura 10. Em

seguida, com o auxlio do comando ginput do matlab, so encontrados os valores de

atraso de transporte e da constante de tempo, L=27,4102 e T=329,8677L, dadas em

segundos. A partir dos parmetros L e T so encontrados os parmetros do

controlador, em que P 10 e I 91,37.

FIGURA 11 - MTODO ZIEGLER-NICHOLS PONTOS DE INSERO


42

O erro no controle foi calculado em dois momentos dos ciclos: (a) quando o

positivo o erro foi de 0,22%, o que satisfaz as condies requisitadas para o controle,

com baixa oscilao em relao ao setpoint, mantendo a temperatura mdia desejada

do controle; (b) quando o negativo o erro calculado foi de 0,97%, maior que o

controle positivo, porm satisfez s condies necessrias de controle para a

pesquisa.

4.1 INSTRUMENTAO VIRTUAL

Um recurso que d suporte na criao de sistemas de testes, medies e

automatizao a utilizao da instrumentao virtual. A instrumentao virtual

utilizada na combinao de diferentes componentes de hardware e software. Portanto,

em caso de mudana no sistema, possvel que sejam feitas modificaes sem que

haja a necessidade de adquirir equipamentos adicionais.

Para este trabalho, a instrumentao virtual foi empregada no desenvolvimento

do sistema de medio e controle dos ciclos trmicos, com exibio de grficos e

dados relevantes ao processo. Na Figura 12 apresentada a interface homem-

mquina (IHM) desenvolvida para este trabalho utilizando o software LabView.

Na IHM so definidos parmetros como a durao de cada ciclo trmico, o

tempo em que o programa deve funcionar (em horas) e o setpoint da diferena de

temperatura a que sero submetidas as faces do TEG-under-test. Alm da definio

de parmetros do controle a IHM apresenta grficos com os valores medidos, em

tempo real, no momento em que h atuao do ciclo trmico. Assim, so medidas as

temperaturas das faces do TEG-under-test e da tenso que est sendo gerada pelo

TEG-under-test a partir do efeito Seebeck. A medio da tenso pode fornecer ao

usurio um acompanhamento efetivo de uma possvel degradao na gerao de

tenso, que produzido pelo efeito termoeltrico no TEG-under-test, alm de verificar

a resposta do sistema, se est funcionando de acordo com o que esperado. Para

tanto, a Interface Homem-Mquina apresenta dois indicadores de temperatura e dois

blocos com grficos UP e DOWN. Os blocos com os grficos mostram valores de

temperatura para as faces do TEG-under-test. H ainda um bloco que apresenta dois

grficos para T: (i) em que so apresentados os valores requeridos pelo usurio

valores de setpoint para a diferena de temperatura entre as faces do TED-under-


43

test; e (ii) em que so apresentados os valores de temperatura medidos efetivamente

entre as faces do TEG-under-test.

FIGURA 12 - PROGRAMA EM LABVIEW IHM

4.2 SISTEMA TRMICO

Para a atuao efetiva do IHM desenvolvido em instrumentao virtual

necessria a estrutura do sistema trmico, que apresentado na Figura 13. Nessa

estrutura que esto dispostos os TECs e o TEG-under-test.

A estrutura do sistema de ao e possui em suas extremidades, dissipadores

e coolers, que auxiliam na dissipao de excesso de calor que produzido durante o

processo de ciclos trmicos. Assim, o uso dos dissipadores e dos coolers deve

favorecer limites mximos de calor a que o sistema pode alcanar, uma vez que o

calor produzido fora do que se deseja nas faces do TEG-under-test deve ser

eliminado. No momento em que eliminado todo o calor excedente, a temperatura

desejada dependente apenas do nvel de corrente a que o TEC submetido pelo

controle.


44

FIGURA 13 - SISTEMA TRMICO

Na estrutura esto dispostos ao centro o TEG-under-test, que ser submetido

ao processo de ciclos trmicos. Conectados as faces do TEG-under-test esto

dispostos os reservatrios de calor de cobre e, entre eles foi disposta uma fina camada

de pasta trmica, que auxilia na conduo de calor.

Dispostos entre os reservatrios de calor e os coolers esto os TECs que sero

controlados pelo programa implementado no LabView. Para tanto, foram construdos

dois circuitos drivers de corrente para controlar a intensidade de corrente a que os

TECs sero submetido. Para os TECs aplicado portanto, o efeito Peltier, que gera

diferena de temperatura entre as faces de acordo com a intensidade de corrente.

Para a medio da temperatura, foram colocados dois termopares (TPs) do tipo

K em cada uma das faces do TEG-under-test.

Toda a estrutura da plataforma experimental apresentada pela Figura 14, em

que h a exposio da bancada de testes.

TEG-under-test TECs

TPs


45

FIGURA 14 - BANCADA DE TESTES

Na bancada onde foram feitas as medies e controle dos ciclos trmicos foram

utilizadas duas fontes como fontes de corrente para os TECs e uma fonte para

alimentar os coolers. apresentada a Interface Homem-mquina programada no

LabView o driver de corrente para controle e o case SCB-68A com as conexes

necessrias para controle e medio.

4.3 CICLOS TRMICOS

Os ciclos trmicos aplicados ao TEG tm durao de 15 minutos (900

segundos), em que a diferena de temperatura positiva na metade do ciclo e

negativa na outra metade do ciclo trmico. Isso significa dizer que, so definidos

valores de setpoint para as duas faces e na metade do ciclo esses valores so

invertidos. Essa mudana de temperatura nas faces feita para tentar causar ao TEG-

under-test choques trmicos de modo que o processo de degradao acelere. O ciclo

trmico aplicado pode ser visto nos grficos da Figura 15.

Sistema

Trmico

DAQ

IHM LabView

Fontes Fonte

Driver


46

-40

-20

0

20

40

0 2000 4000 6000 8000 10000

Tem

per

atu

ra T

()

Tempo (s)

Ciclo Trmico

medido setpoint

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0 2000 4000 6000 8000 10000Ten

so

(V

)

Tempo (s)

Ciclo Trmico na Tenso

tenso

FIGURA 15 - CICLO TRMICO E TENSO

A diferena de temperatura escolhida para aplicao do ciclo trmico leva em

considerao possveis aplicaes do TEG em um ambiente natural, onde as

aplicaes devem ser de baixa potncia, e portanto aplicadas em tcnicas de energy

harvesting. Assim, o de setpoint foi definido em 20, em que a temperatura inicial

na face UP deve ser de 40 e a temperatura inicial na face DOWN deve ser de 20.

Aps meio ciclo trmico os setpoints so invertidos, ou seja, a face UP deve chegar a

20 e a face DOWN a 40. Nesse processo, o fluxo de calor na estrutura muda de

sentido, como est representado na Figura 16, em que h fluxo descendente, como

ilustrado pela Figura 16a e fluxo ascendente como est ilustrado na Figura 16b.

FIGURA 16 - SENTIDO DE FLUXO DE CALOR


47

O tempo em que a temperatura leva para que o sistema se estabilize no

setpoint definido de aproximadamente 56 segundos para um positivo, e 90

segundos aproximadamente para um negativo, como mostrado no ciclo trmico

da Figura 15. A tenso medida, apresentada pela Figura 15, do TEG-under-test no

inicio do processo, ou seja, a partir do primeiro ciclo trmico de aproximadamente

430mV. A variao da tenso pode ser observada atravs do programa implementado

em tempo real de modo que seja verificada o momento de inicio na degradao do

material.

Para a medio e clculo dos parmetros como o parmetro de figura de mrito

ZT, condutividades trmica e eltrica, so apresentadas na seo seguinte.

5 MEDIES E CLCULOS

MEDIES E CLCULOS

49

5 MEDIES E CLCULOS

Para as medies e clculos dos parmetros do TEG-under-test foi utilizado o

mtodo de Harman que, avaliado dentre outros mtodos dispostos na literatura,

apresentou um erro de 2% quando comparado a outros mtodos como o mtodo

frequncia-dependente, microscpio infravermelho, dentre outros (BARAKO, 2012;

PARK, 2013). Segundo Barako (2012), em seu trabalho comparativo, o percentual

apresentado pelo mtodo Hardman tolerante. Nas sees que seguem, o mtodo

Harman apresentado e em seguida o mtodo aplicado nas medies e clculos.

5.1 MTODO HARMAN

O mtodo Harman foi proposto em 1958 por T. C. Harman (HARMAN, 1958).

A metodologia baseia-se no fato da co-existncia de duas tenses: a tenso ()

gerada pela diferena de temperatura (trmica) no mdulo e a tenso resistiva (),

pela queda de tenso na resistncia interna do mdulo, a partir de uma pequena

intensidade de corrente aplicada aos terminais do mdulo termoeltrico.

O fluxo de calor gerado pelo efeito Peltier quando as faces do mdulo

chegam ao estado de equilbrio, e assumindo que no h perdas de calor, o efeito

Peltier entra em equilbrio com o efeito de transporte de calor, conhecido por efeito

Fourier. Assim, tem-se que (BARAKO, 2012; YATIM, 2012; PARK, 2012)

=

(15)

em que e so o coeficiente de Seebeck e a condutividade trmica,

respectivamente, o comprimento da amostra, a seco transverso da

amostra, a corrente aplicada ao mdulo, a temperatura ambiente e a

diferena de temperatura gerada pelo efeito Peltier. O coeficiente de Seebeck e a

resistividade eltrica podem ser calculados a partir das equaes

=

(16)

MEDIES E CLCULOS

50

=

=

(17)

em que a tenso de Seebeck e a tenso em .

A condutividade trmica pode ser retirada da relao dada pela figura de

mrito em (12), e portanto tem-se a equao

=

=

2

(18)

No momento em que a corrente flui, a diferena de temperatura produzida no

mdulo termoeltrico gera uma tenso total (), que a soma das tenses de Peltier

e de Seebeck, dadas portanto pela relao

= + (19)

Assim, uma vez que forem definidas as tenses, a figura de mrito ZT pode

ser obtida a partir da equao (12). Uma vez que a figura de mrito depende dos

parmetros que so calculados em (16), (17) e (18).

Na prtica, as medies de e so feitas como est ilustrado na Figura

17. No grfico da Figura 17a representada a curva da corrente () que aplicada

ao mdulo termoeltrico por um perodo determinado, em que = . No

mesmo perodo medida a variao de tenso que est sendo gerada pelo mdulo.

Essa curva representada pela Figura 17b. A partir da curva de tenso que so

retirados of valores das tenses total (), da tenso de Seebeck () e da tenso no

resitor () (YATIM, 2012).

O perodo deve ter durao tal que s faces do mdulo alcancem um estado

trmico fixo, ou seja, a diferena de temperatura entre elas seja constante. Aps o

perodo determinado, a corrente desligada e o processo pode ser repetido logo

que o equilbrio trmico entre as faces do mdulo seja estabelecido. Isso significa dizer

que o processo s deve ser repetido quando as temperaturas das faces forem iguais.

MEDIES E CLCULOS

51

(a) (b)

FIGURA 17 - ILUSTRAO DO MTODO HARMAN

5.2 MEDIES

Para as medies das tenses e para fornecer uma corrente ao mdulo,

como prope o mtodo de Harman, utilizou-se um sistema de aquisio myDAQ da

National Instruments controlado por LabView tambm da National Instruments fornece

ao mdulo uma corrente DC com intensidade de 10 por um perodo = 70

segundos e ento cessa o fornecimento da corrente ( = 70), como apresentado

no grfico da Figura 18. Aps esse perodo, a corrente se mantm desligada por 60

segundos, tempo suficiente para que as temperaturas das faces entrem em equilbrio

trmico, uma vez que o tempo de resposta do equilbrio trmico est em um intervalo

menor, de 19 < < 35 .

Os ciclos de corrente so efetuados 30 vezes, a fim de garantir maior preciso

nos resultados. Os tempos dos ciclos de corrente e so utilizados a partir do

trabalho de Barako (2012) cuja diferena nas medies est na quantidade de ciclos,

que de 10 vezes.

MEDIES E CLCULOS

52

-0,004

-0,002

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0 20 40 60 80 100

Ten

so

(V

)

Tempo (s)

Tenso em Harman

FIGURA 18 - CICLO DE CORRENTE

Com o sistema de aquisio myDAQ tambm foram feitas as medies das

variaes de tenso geradas pelo mdulo termoeltrico. Foram medidas tambm as

temperaturas e nas faces do mdulo utilizando termopares tipo K.

Desligar a fonte de corrente elimina a contribuio da tenso eltrica () e

deixa apenas a contribuio da tenso trmica de Seebeck () (Figura 19). No

momento em que a corrente () retirada, a corrente () a corrente fornecida pelo

TEG e, a partir desses dados, pode-se calcular a resistncia interna do TEG ()

utilizando a Lei de Ohm ( = ).

FIGURA 19 - TENSO GERADA PELO MTODO HARMAN

MEDIES E CLCULOS

53

5.3 MEDIES CONSIDERANDO APLICAES DE CICLOS TRMICOS

As tenses mdias geradas antes do mdulo ser submetido aos ciclos

trmicos podem ser observadas no grfico da Figura 19. Aps 30 ciclos de corrente,

os valores mdios de tenso foram = 8,348 , = 6,447 e = 1,902 .

Das medies, tem-se ainda valores mdios de = 0,22 e = 1,127. O valor

da corrente de Seebeck verificada em um multmetro, logo que a fonte de corrente

deixa de fornecer ao mdulo a corrente ().

Outros parmetros foram calculados a partir das equaes (12), (16), (17) e

(18), e a resistncia interna a partir da Lei de Ohm. Os resultados dos clculos esto

dispostos na Tabela 2.

TABELA 2 - PARMETROS CALCULADOS ANTES DOS CICLOS TRMICOS

Resistncia Interna () 1,688

Coef. De Seebeck () 0,0308 V/K

Condutividade Trmica () 2,1616 K.mm/mW

Condutividade Eltrica () 0,368 /

Figura de mrito ZT 0,08943

Aps os clculos dos parmetros, iniciou-se o processo de ciclos trmicos,

com as configuraes de = 20, com durao de 15 minutos por ciclo. H

inverso do ciclo, que ocorre a cada 7min30seg do ciclo.

A cada hora, os dados de temperatura e tenso so armazenados em um

arquivo do Microsoft excel, o que totaliza 4 ciclos trmicos por hora. Isso possibilita

manter o programa funcionando de maneira ininterrupta, alm disso, os dados esto

armazenados no caso de uma possvel falha externa como queda de energia. O

armazenamento dos arquivos foi feito em uma pasta compartilhada que pode ser

acessada a partir de outro ambiente, o que permite uma acompanhado distncia do

processo. Na Figura 20 mostrado o grfico do ciclo trmico em uma hora. So

mostradas a curva de setpoint, que a curva da diferena de temperatura controlada.

MEDIES E CLCULOS

54

FIGURA 20 - CICLO TRMICO EM UMA HORA

Aps aproximadamente 238 ciclos trmicos mais de 59 horas a que o TEG

foi submetido, a tenso gerada comeou a apresentar degradao. A mdia da tenso

inicial era de 430mV logo na primeira hora. Aps esses ciclos, a tenso gerada pelo

TEG foi de aproximadamente 402mV, o que representa uma reduo de 6,51% da

tenso inicial gerada.

Em seguida, o TEG foi submetido a 548 ciclos trmicos durante 137 horas

at a avaliao final de seus parmetros. Em aproximadamente 451 ciclos trmicos

112 horas ficou evidente uma reduo na tenso gerada pelo TEG-under-test,

como apresentado no grfico de tenso sobre ciclos trmicos apresentado pela

Figura 21.

FIGURA 21 - EFEITO DO CICLO TRMICO NA TENSO GERADA

MEDIES E CLCULOS

55

A tenso mdia aps o final de todos os ciclos trmicos, apresenta um valor

de 383mV, que representa uma reduo de 10,93% em relao a tenso inicial.

Novamente os parmetros so avaliados e no processo de avaliao, os valores de

tenso j apresentaram um decaimento. Assim, tem-se os valores medidos de tenso

= 7,969 , = 6,206 e = 1,764 .

O valor mdio em tambm variou no momento em que o TEG foi avaliado,

embora pouco, a queda foi percebida. Isso ocorre com a variao da resistncia

interna do gerador termoeltrico. No momento em que foi avaliado com a mesma

intensidade de corrente em que foi avaliado antes dos ciclos trmicos, a resistncia

interna aumentou, o que imprimiu ao efeito Peltier maior resistncia. Assim, tem-se

que o valor medido de = 0,21 e, para para a corrente de Seebeck, foi medido

= 0,9523. Os valores dos parmetros calculados esto dispostos na Tabela 3.

TABELA 3 - PARMETROS CALCULADOS APS CICLOS TRMICOS

Resistncia Interna () 1,8538

Coef. De Seebeck () 0,0296 V/K

Condutividade Trmica () 1,9745 K.mm/mW

Condutividade Eltrica () 0,4044 /

Figura de mrito ZT 0,07266

Ao comparar os valores da Tabela 2 prciclo trmico e da Tabela 3 psciclo

trmico, verificam-se mudanas em parmetros. Na resistncia interna pode-se

verificar um aumento, isso poderia ser percebido uma vez que a corrente medida

psciclos foi menor que que a corrente prciclos. Assim, a resistncia interna teve um

aumento de 9,79% quando comparada ao valor inicial.

Para o coeficiente de Seebeck, que dependente da tenso de Seebeck ()

e do produzido, verifica-se uma reduo de 3,89% em relao ao valor inicial. Na

condutividade trmica, a reduo do significa menor fluxo de calor. Isso significa

dizer que houve degradao na condutividade trmica, que representa uma queda de

8,65% do valor inicial calculado. Com a queda na gerao de tenso, a condutividade

eltrica sofreu degradao na ordem de 9,64% se comparada com o valor inicial.

MEDIES E CLCULOS

56

O parmetro de desempenho do TEG-under-test, ou figura de mrito ZT,

tambm sofreu uma degradao e, por depender de parmetros como condutividade

trmica e condutividade eltrica, alm do coeficiente de Seebeck, foi o parmetro com

maior degradao quando comparado ao valor inicial. Assim, a figura de mrito

apresentou degradao de 18,75% em relao ao valor inicial. Na Tabela 4 so

dispostos os valores dos parmetros de modo que possam ser verificados em

comparativo.

TABELA 4 - COMPARATIVO PR E PS CICLOS TRMICOS

PR CICLOS TRMICOS PS CICLOS TRMICOS

Resistncia Interna () 1,688 1,8538

Coef. De Seebeck () 0,0308 V/K 0,0296 V/K

Condutividade Trmica () 2,1616 K.mm/mW 1,9745 K.mm/mW

Condutividade Eltrica () 0,368 / 0,4044 /

Figura de mrito ZT 0,08943 0,07266

Para a mxima eficincia () esperada, que calculada pela equao (14),

espera-se reduo uma vez em que a mxima eficincia depende da figura de mrito.

Assim, para avaliaes iniciais dos parmetros, o percentual da eficincia para

converso termoeltrica deve ser de 8,54% e a avaliao dos parmetros aps os

ciclos trmicos, tem-se que a eficincia na converso de 1,39%. Para tanto, os

valores de temperatura utilizados foram as temperaturas medidas sobre s faces do

TEG-under-test quando avaliados pelo mtodo Harman.

6 CONCLUSES

CONCLUSES

58

6 CONCLUSES

Neste trabalho foram investigados a partir da imposio de variao de

temperatura, os parmetros do TEG que esto relacionados ao seu desempenho. O

TEG avaliado, foi um dispositivo comercial especfico. Para tanto, foi desenvolvida

uma plataforma experimental formada por uma estrutura fsica que possue em seu

interior dispositivos controlados por uma interface implementada em um computador.

A plataforma experimental tem por finalidade impor aos dispositivos

termoeltricos ciclos trmicos com variaes de temperatura em ambas as faces do

dispositivo posto prova. A partir da aplicao dos ciclos trmicos, pode-se estudar o

nvel de degradao na eficincia do dispositivo. Isso permite determinar por exemplo

qual ambiente e qual aplicao mais adequada para um determinado dispositivo, uma

vez que seja avaliado na plataforma.

Na primeira etapa foi feito um estudo de como podem ser determinados os

parmetros referentes ao desempenho do TEG. Para tanto, foi escolhido o mtodo de

medio direta de Harman, proposto em 1958, pois apresentam um percentual baixo

de erro quando comparado a outros mtodos. Assim, foram medidos os parmetros

do TEG-under-test antes que este seja submetido ao processo de degradao pelos

ciclos trmicos.

Em uma segunda etapa o TEG-under-test foi submetido a ciclos trmicos por

mais de 137 horas sobre ciclos com diferena de temperatura de 20, para que se

aproxime mais s variaes naturais a que um dispositivo de baixa potncia ser

submetido.

Aps a aplicao dos ciclos trmicos, os parmetros do TEG-under-test foram

avaliados mais uma vez, de modo que foram percebidas e constatadas degradaes

nos parmetros avaliados. Isso significa portanto, que mesmo em ambientes em que

as variaes de temperatura so baixas, submeter os TEGs a tais condies podem

ainda sim, comprometer o seu desempenho. Um comparativo resumido dos

parmetros prciclos e psciclos trmicos foi realizado.

As degradaes dos parmetros podem comprometer portanto, o desempenho

do TEG-under-test. Como sugesto de trabalhos que tomem por base este estudo,

partir das comparaes nas degradaes dos parmetros apresentados pode ajudar

a traar um tempo de vida til a este dispositivo, levando em considerao a variao

CONCLUSES

59

de temperatura em que o TEG deve operar. Para que este estudo seja mais

aprofundado, necessrio que o TEG-under-test seja submetido a quantidades

maiores de ciclos trmicos. Desse modo, pode ser traado um grfico de degradao.

Avaliar sobre o mesmo perfil de temperatura pode ser interessante em vrios

modelos de dispositivos TEG. Essa avaliao pode resultar em um modelo analtico

para um possvel tempo de vida em um dispositivo termoeltrico.

Enfim, para a proposta de avaliar a degradao no TEC1-12708 foi satisfatria

visto que, o objetivo era verificar temperaturas naturais uma possvel degradao

em seus parmetros. Outro ponto da proposta que funcionou de modo esperado foi a

plataforma experimental, uma vez que cumpriu o propsito de imposio de ciclos

trmicos sobre o material avaliado.

7 TRABALHO PUBLICADO

TRABALHO PUBLICADO

61

7 TRABALHO PUBLICADO

VRAS, J. C. C.; ARRUDA, B.W.S.; MELO, E.C.S; SOUZA, C.P. An Authomatic

Thermal Cycling based Test Platform for Thermoelectric Generator Testing.

International Instrumentation and Measurement Technology Conference I2MTC,

2015 Pizza, Itlia. March 11-14,2015.

REFERNCIAS

AHISKA, R.; MAMUR, H. Design and implementation of a new portable thermoelectric

generator for low geothermal temperatures. IET renew. Power gener., v. 7, p. 700 -

706, Maio 2013.

APOSTOL, M. Generalized theory of thermoelectric figure of merit. Journal Of Applied

Physics, p. 104-106, 2008.

BEEBY, S.; WHITE, N. Energy Harvesting for Autonomous Systems. Norwood:

Artech House, 2010.

BOBEAN, C.; PAVEL, V. The Study and Modeling of a Thermoelectric Generator

Module. The 8th International Symposium on Advanced Topics in Electric Engineering,

p. 1 - 4, Maio 2013.

CHAVES, J. A. et al. SPICE Model of Thermoelectric Elements Including Thermal

Effects, p. 1019-1023, 2000.

CHEN, J. et al. Optimal Design of a Multi-Couple Thermoelectric Generator.

Semiconductor Science Technology, p. 184-188, 2000.

DALOLA, S. et al. Characterization of Thermoelectric Modules for Powering

Autonomous Sensors. IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement, v.

58, n. 1, p. 99-107, 2009.

DZIURDZIA, P. Modeling and Simulation of Thermoelectric Energy Harvesting

Processes. Sustainable Energy Harvesting Technologies Past, Present and Future,

p. 109-128, 2011.

EGLI, P. H. Progress in Thermoelectricity. IRE Transactions On Military Electronics, p.

27 - 34, 1961.

REFERNCIAS

63

FARMER, J. R. A comparison of power harvesting techniques and related energy

storage issues. Blacksburg. 2007.

FEINAEUGLE, M. et al. Deposition of elements for a thermoelectric generator via laser-

induced forward transfer. CLEO Technical Digest, p. 1-2, 2013.

GLATZ, W.; MUNTWYLER, S.; HIEROLD, C. Optimization and fabrication of thick

flexible polymer based micro thermoelectric generator. Micro and Nanosystems, 26

Maio 2006. 337 - 345.

GONCALVES, L. M. et al. Optimization of Bi2Te3 and Sb2Te3 thin films deposited by

co-evaporation on polyimide for thermoelectric applications. Vacuum, n. 82, p. 1499 -

1502, 2008.

GOULD, C. A. et al. A Comprehensive Review of Thermoelectric Technology, Micro-

electrical and Power Generation Porperties. Proc. 26th International Conference On

Microelectronics (MIEL 2008). NIS: [s.n.]. 2008. p. 329 - 332.

HALLIDAY, D.; RESNICK, J. W. Fundamentos de Fsica - Vol. 2. Rio de Janeiro:

LTC, 2009.

HALLIDAY, D.; RESNICK, J. W. Fundamentos de Fsica - Vol. 3. Rio de Janeiro:

LTC, 2009.

HARB, A. Energy harvesting: State-of-the-art. Renewable Energy, n. 36, p. 2641 -

2654, 2011.

HARMAN, C. Special Techniques for Masurement of Thermoelectric Properties.

Journal of Applied Physics, p. 1373-1374, 1958.

HAYT, W. H.; BUCK, J. A. Eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC - Livros Tcnicos

e Cientficos, 2003.

REFERNCIAS

64

ISMAIL, B. I.; AHMED, W. H. Thermoelectric Power Generator Using Waste-Heat

Energy as an Alternative Green Technology. Recent Patents on Electrical Engineering,

v. 2, p. 27 - 39, 2009.

JAVAN, H. OPTIMAL DESIGN OF THERMOELECTRIC GENERATOR, 2000. 345 -

348.

JEYASHREE, Y.; CHERIAN, P.; JULIET, A. V. Micro Thermoelectric Generator - A

Source of Clean Energy. International Conference on Microelectronics,

Communication and Renewable Energy. [S.l.]: [s.n.]. 2013.

KUMAR, S. An Experimental Study on Effects of Thermal Cycling on Cast Aluminium

Composites Reinforced with Silicon Carbide and Fly Ash Particles. Thapar University.

Patiala, p. 76. 2010.

LAIRD , I.; LU, D. D. C. SPICE Steady State Modelling of Thermoelectric Generators

Involving The Thomson Effect, p. 1 - 6, 2006.

LAIRD, I.; LU, D. D.-C. High Step-Up DC/DC Topology and MPPT Algorithm for Use

With a Thermoelectric Generator. IEEE Transactions On Power Electronics, v. 28, n.

7, p. 3147-3157, Julho 2013.

NI, L.-X. et al. A High Efficiency Step-up DC-DC Converter for Thermoelectric

Generator with Wide Input Voltage Range, p. 52 - 57, 2012.

PARADISO, J. A.; STARNER, T. Energy Scavenging for Mobile and Wireless

Electronics. Energy Harvesting & Conservation, p. 18-27, 2005.

PARK, W. et al. Effect of Thermal Cycling on Commercial Thermoelectric Modules.

13th IEEE ITHERM Conference. [S.l.]: [s.n.]. 2012. p. 107 - 112.

PRYIA, S.; INMAN, D. Energy Harvesting Technologies. New York: Springer, 2009.

REFERNCIAS

65

RADAMASS, Y. K.; CHANDRAKASAN, A. P. A Battery-Less Thermoelectric Energy

Harvesting Interface Circuit With 35 mV Startup Voltage. IEEE Journal Of Solid-State

Circuits, v. 46, n. 1, p. 333-341, 2011.

SHERMAN, B.; HEIKES, R. R.; URE, R. W. Calculation of Efficiency of Thermoelectric

Devices. Journal of Applied Physics, v. 31, n. 1, p. 1-16, 1960.

SINGH, M. P.; BHANDARI, C. M. High-temperature Thermoelectric Behavior of Lead

Telluride. Indian Academy of Sciences, v. 62, n. 6, p. 1309-1317, 2004.

TAN, Y. K.; PANDA, S. K. Review of Energy Harvesting Technologies for Sustainable

WSN. Sustainable Wireless Sensor Networks, p. 15 - 43, 2010.

TRITT, T. M.; SUBRAMANIAN, M. A. Thermoelectric Materials, Phenomena, and

Applications: A Bird's Eye View, v. 31, p. 188-229, 2006.

YATIM, N. M. Development of "Open-Short Circuit" Dimensionless Figure-Of-Merit

(ZT) Measurement Technique for Investigation of Thermoelements and Segmented

Thermoelectric Structures". Dissertao. 2012. 284 f. Institute of Energy School of

Engineering Cardiff University. Cardiff University, Maio. 2012.

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