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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
JOÃO DOS SANTOS NETO
NÍCOLAS THOMAS PLETSCH
SÉRGIO GUILHERME SCHMITT RIBEIRO
GERADOR DE ELETRICIDADE ATRAVÉS DO CALOR
ORIENTADOR: RAMON FERNANDO HANS
Novo Hamburgo
2016
JOÃO DOS SANTOS NETO
NÍCOLAS THOMAS PLETSCH
SÉRGIO GUILHERME SCHMITT RIBEIRO
GERADOR DE ELETRICIDADE ATRÁVES DO CALOR
Projeto de Integração Disciplinar apresentado ao Curso de Mecânica na Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha. Orientador: Professor Ramon Fernando Hans
Novo Hamburgo, setembro de 2016.
FOLHA DE ASSINATURAS
JOÃO DOS SANTOS NETO
NÍCOLAS THOMAS PLETSCH
SÉRGIO GUILHERME SCHMITT RIBEIRO
GERADOR DE ELETRICIDADE ATRAVÉS DO CALOR
FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
Novo Hamburgo, setembro de 2016.
_______________________________________
João dos Santos Neto – (51) 9909 2646
_______________________________________
Nícolas Thomas Pletsch – (51) 8268 3672
_______________________________________
Sérgio Guilherme Schmitt Ribeiro – (51) 8540 8991
_______________________________________
Ramon Fernando Hans
Professor Orientador
AGRADECIMENTOS
À Fundação Liberato Salzano Vieira da Cunha, por emprestar os laboratórios
necessários para a aplicação dos procedimentos.
RESUMO
O projeto é um estudo sobre as aplicações dos efeitos Seebeck e Peltier, sendo
testados no módulo de Peltier, popularmente conhecido como pastilha termoelétrica.
O efeito Seebeck consiste em usar o dispositivo para usar a diferença de
temperatura entre uma face da pastilha e a outra, gerando assim uma corrente
elétrica. Esta pesquisa tem o objetivo de testar o módulo e seu comportamento
quando submetido às diferenças de temperatura encontradas dentro de uma casa,
obtendo assim uma variável nova para a equação que define o efeito Seebeck e
definindo se é rentável utilizar o módulo para a produção de energia elétrica ou não.
Palavras-chave: Efeito Seebeck. Efeito Peltier. Corrente elétrica.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Termopar.....................................................................................................11
Figura 2: Materiais......................................................................................................13
Figura 3: Copo de plástico com água quente sobre uma superfície do módulo........14
Figura 4: Valores das tensões para diferentes materiais...........................................15
Figura 5: Curva do efeito Seebeck.............................................................................16
Figura 6: Medição feita em casa................................................................................17
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tensão em função da diferença de temperatura.....................18
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................................8
2 REFERENCIAL TEÓRICO ........................................................................................... 10
2.1 Telureto de Bismuto .................................................................................................... 10
2.2 Termopares .................................................................................................................... 10
2.3 Efeito Peltier .................................................................................................................. 11
2.4 Efeito Seebeck .............................................................................................................. 12
2.5 Movimento dos elétrons............................................................................................. 12
3 METODOLOGIA ............................................................................................................ 14
3.1 Desenvolvimento.......................................................................................................... 14
3.2 Materiais ......................................................................................................................... 14
3.3 Testes .............................................................................................................................. 15
3.4 Medições ........................................................................................................................ 17
4 ANÁLISE ......................................................................................................................... 18
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 19
REFERÊNCIAS..........................................................................................................20
8
1 INTRODUÇÃO
O módulo de Peltier é um termopar, ou seja, um dispositivo com dois metais
diferentes que com uma diferenciação de temperatura produz uma corrente elétrica.
Existem dois efeitos que funcionam a partir desta pastilha termoelétrica, um deles
sendo o efeito Seebeck e o outro o efeito Peltier. O efeito Seebeck foi descoberto
por acidente em 1821 pelo físico Thomas Seebeck, onde com uma diferença de
temperatura submetida a dois metais diferentes, gera-se uma corrente elétrica. E há
também o efeito inverso, denominado Peltier, que foi descoberto em 1834 pelo físico
Jean Peltier, onde com uma corrente elétrica, dois metais podem criar uma diferença
de temperatura, e este efeito é usado até hoje em bebedouros.
Os termopares são utilizados em sensores para medir a temperatura com o
efeito Seebeck, o que levou o grupo a estudar o assunto para conhecer, entender e
testar o comportamento do módulo de Peltier verificando se as fórmulas existentes
irão funcionar. A partir deste estudo, propor a possibilidade de utilização das
variações de temperatura em ambientes.
Desse modo, foi testado em laboratório o módulo de Peltier para comparar
os resultados com as equações existentes. Foi necessário compilar os resultados
das varias medições e obter o gráfico de comportamento para obter a constante
Seebeck real, comparando com a teoria existente. Também foi necessário estudar o
comportamento dos materiais como o ferro e outros.
A variação da temperatura está presente em todos os ambientes, isto é,
grande parte dessa energia é dissipada no ambiente. Um exemplo em grande escala
do mau aproveitamento de energia térmica na atualidade, segundo VIEIRA (2010 p.
231):
As usinas termoelétricas norte-americanas transformam o combustível, geralmente o carvão, em uma media de 34 por cento de eletricidade e 66
por cento de calor desperdiçado, jogando fora uma quantidade de calor igual ao total do consumo de energia do Japão, a segunda maior economia do mundo.
Muita energia elétrica é necessária para gerar a variação de temperatura. O
projeto aproveita a variação de temperatura gerada, transformando novamente em
energia elétrica, com isto espera-se reduzir o gasto total de energia.
O PID, ou Projeto de Integração Disciplinar, é dividido em quatro partes,
sendo elas o referencial teórico, a metodologia, os resultados e a conclusão. O
9
referencial teórico é constituído de todas as informações que nós conseguimos
reunir no decorrer do ano. A metodologia é a forma utilizada a qual escolhemos para
dar sequência ao projeto, analisar os gráficos e conseguir os resultados. A análise é
o que conseguimos com os testes realizados e a conclusão é analisar se os
objetivos foram alcançados ou não.
10 2 REFERENCIAL TEÓRICO
Aqui apresentaremos as principais teorias que foram fundamentais para o
desenvolvimento deste projeto.
2.1 Telureto de Bismuto
O termopar é uma dupla de metais que com a atuação de um diferencial de
temperatura pode produzir uma corrente elétrica. Estes pares apresentam
propriedades físicas próprias de um semicondutor, sendo que no caso deste projeto
o semicondutor é o Bi2Te3, ou telureto de bismuto.
O telureto de bismuto é muito usado em termopares por ser barato, de fácil
aquisição e prático. Este semicondutor se comporta como polo negativo e polo
positivo, e por esse motivo em sua apresentação aparece apenas um material.
Moura refere-se ao telureto de bismuto, afirmando que:
O telureto de bismuto tem a mesma simetria cristalina do bismuto e é o material semicondutor mais utilizado atualmente tendo energia de gap muito
pequena (0, 15 eV ) e coeficiente Seebeck no valor de ±260 µV/K a temperatura ambiente. A sua condutividade térmica é da ordem de 2 W.m−1 .K−1 (MOURA, 2007)
O telureto de Bismuto tem uma qualidade muito alta, comparado com outros
materiais que poderiam ser utilizados no lugar dele, ele é um isolante topológico a
temperatura ambiente, isto é, ele permite o fluxo livre de elétrons na sua superfície,
sem perda de energia e com um aquecimento muito menor.
2.2 Termopares
Os termopares também conhecido como pastilhas termoelétricas, são
pequenas pastilhas com dois metais distintos, submetidas a uma diferença de
temperatura, o que gera uma tensão elétrica, dependendo da temperatura e de cada
metal que forma a junção.
Os termopares são utilizados em indústrias pela sua alta faixa de
temperatura que pode ir de -200ºC até +1200ºC, e tem, dependendo do termopar e
sua qualidade, uma resposta rápida, precisa e alta durabilidade, além dos módulos
que segundo SANTOS e ROCHA (2001, p. 12) são definidos como:
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 elét rica para os termoelementos de
11
telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são conectados eletricamente em
série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas).
Quando a diferença de temperatura gera uma tensão elétrica, este efeito é
conhecido como efeito Seebeck e desse modo que funciona os termopares. Quando
o calor é aplicado de um lado, os elétrons se agitam e tendem a ir para o lado mais
frio, gerando assim uma tensão elétrica. Na figura 01 está a demonstração do
funcionamento do equipamento.
Figura 1: Termopar.
Fonte: PELTIER, 2010.
2.3 Efeito Peltier
Tão importante quanto o efeito Seebeck é o efeito Peltier, um efeito que é o
oposto do outro ou podem ser considerados um só, o efeito Peltier-Seebeck ou
efeito termelétrico. O efeito Peltier foi descoberto 13 anos depois do efeito Seebeck,
por Jean Charles Athanase Peltier.
Ele acabou por descobrir efeitos termoelétricos ao introduzir pequenas
correntes elétricas externas em um termopar. Os resultados demonstraram que
quando se passa uma corrente elétrica pela junção o termopar arrefece, absorvendo
a energia pelo calor do meio em que se encontra. Quando a direção da corrente é
invertida, a junção é aquecida, aquecendo o meio em que ela se encontra. Quando
se passa uma corrente elétrica pelo módulo cada placa acaba por obter uma
temperatura, por isso é usado um dissipador nos dois lados para não superaquecer.
12
As aplicações do efeito Peltier poderiam ser amplamente utilizadas, mas
como não se tem uma alta capacidade de corrente, é utilizado em pequenos
dispositivos, ele pode facilmente substituir os compressores, condensadores e
evaporadores; os quais são pouco adequados para equipamentos pequenos, pois
eles ocupam um espaço maior comparado com os módulos, tem partes móveis e
requer uma manutenção muito mais especializada. Os módulos Peltier são
pequenos se comparados aos refrigeradores citados, são bastante confiáveis, não
tem partes móveis e podem ser usados em equipamentos como geladeiras para
automóveis, equipamentos para laboratório, refrigeradores para processadores.
2.4 Efeito Seebeck
O efeito Seebeck é, assim como o efeito Peltier, um fenômeno físico que é
explicado em nível molecular, com as ações de elétrons. O efeito Seebeck foi
descoberto quando Thomas Johann Seebeck estudava fenômenos termoelétricos, o
fenômeno ocorre quando dois condutores metálicos de diferentes naturezas são
acoplados e sofrem uma diferença de temperatura. O que ocorre é que quando um
dos lados do termopar tem uma temperatura maior os elétrons do metal tendem a
migrar para o outro condutor, gerando assim uma diferença de potencial elétrico em
mV.
Os termopares que são utilizados com o efeito Seebeck são utilizados para
fazer termômetros em que é necessário se medir uma diferença de temperatura
através de um voltímetro, que é calibrado apenas para este fim. Outra aplicação
deste fenômeno que explica bem como é o funcionamento das pastilhas é em pilhas
atômicas, onde é necessária pequena potência, mas de longa duração, o que é
usado em casos especiais.
2.5 Movimento dos elétrons
Elétrons carregados se comportam de forma semelhante a um gás perfeito,
de forma que o movimento de um elétron nos termopares é semelhante ao de um
gás perfeito dentro de um tubo quando com extremidades de diferentes
temperaturas. Nessa situação, o gás perfeito tende a se locomover do lado mais
quente para o mais frio, de maior pressão para o de menor pressão, isso porque os
13
átomos do gás, quando aquecidos, vibram e essa vibração gera um movimento e
assim podemos descrever o movimento dos elétrons que partem de uma zona de
maior temperatura para uma de menor. Esse fenômeno que gera a tensão se dá
pelo movimento de elétrons.
14
3 METODOLOGIA
3.1 Desenvolvimento
O projeto consiste em testar o módulo de Peltier e comparar com a teoria por
trás do que é divulgado e vendido. Os testes de capacidade laboratorial do módulo
(entre 0ºC e 80ºC) foram realizados nos laboratórios da Fundação Liberato.
O projeto consiste em 4 etapas: a escolha da pastilha termoelétrica mais
acessível, o teste em laboratório da pastilha, os testes na residência escolhida pelo
grupo da pastilha e por fim a comparação entre os resultados para averiguar o que é
dito como verdadeiro ou não, e se é um meio energético eficiente ou não.
3.2 Materiais
Em laboratório foram utilizados: o módulo de Peltier modelo TEC1-12706,
uma jarra de ferro, um rabo quente para o aquecimento da água, um multímetro,
dois termômetros (um digital a laser e um analógico) e um copo plástico.
Figura 2: Materiais.
Fonte: Os autores, 2016.
15 3.3 Testes
Para que os objetivos possam ser testados, devemos obter os valores das
tensões correspondentes às variações de temperatura.
Sabendo do funcionamento do módulo, podem-se obter os valores de tensão,
utilizando-se do seguinte experimento. Devemos proporcionar ao módulo uma
diferença de temperatura, que foi oferecida por recipientes de diferentes materiais
com água quente e uma superfície, e com o auxi lio de um multímetro, mede-se a
tensão obtendo-se assim a corrente relativa àquela temperatura. Os testes foram
realizados com recipientes de plástico, vidro, ferro e com um cubo de gelo, aplicados
a uma superfície do módulo enquanto a outra superfície estava em uma mesa de
madeira, que não tinha uma temperatura fixa, mas ficava entre 17 e 19ºC. Quando
era aplicada a temperatura vinda dos recipientes, media-se instantaneamente, pois
era o momento onde havia a temperatura mais alta.
Figura 3: Copo de plástico com água quente sobre uma superfície do módulo.
Fonte: Os autores, 2016.
Com os dados obtidos, foi criado um gráfico com os valores da tensão em
mV em função da diferença de temperatura:
16
Figura 4: Valores das tensões para diferentes materiais.
Fonte: Os autores, 2016.
Após os dados coletados buscamos por dados mais complexos, assumindo
o recipiente de ferro e o gelo como padrão, uma vez que eles apresentam a maior
tensão testada, uma boa superfície de contato e uma temperatura mais fiel à
temperatura medida. Foram utilizados os dados obtidos anteriormente adicionando
desta vez medições da diferença de temperatura entre o recipiente de ferro e o gelo.
Utilizando os dados da tabela, foi formulado este gráfico correspondente à
quantidade de mV em função da diferença de temperatura:
Figura 5: Curva do efeito Seebeck.
Fonte: Os autores, 2016.
0
100
200
300
400
500
600
0 20 40 60
mV
K
Medições
Recipiente de plastico
Recipiente de vidro
recipiente de ferro
Gelo
0 20 40 60 80 100
0
500
1000
1500
2000
2500
K
mV
seebeck
Série1
Exponencial (Série1)
17
Este gráfico nos da uma ideia de linha que tende a uma função exponencial
ou polinomial, que corresponde ao funcionamento do efeito termelétrico inverso, o
efeito Peltier, que é uma curva logarítmica.
3.4 Medições na casa
Foram mensuradas em locais de uma residência a tensão e a diferença de
temperatura entre eles. Foram medidos valores nas paredes da casa e entre o forro,
porém, o período de medições foi curto, cerca de dez dias, comprometendo um
melhor estudo.
Figura 6: Medição feita em casa
Fonte: Os autores, 2016.
O maior valor obtido das medições foi de 38 mV para uma diferença de
10 °C numa parede às 14:30 num dia de 25 °C.
18 4 ANÁLISE
Na teoria temos que então:
Onde V é a tensão, é o coeficiente de Seebeck e é a variação de
temperatura. De acordo com a teoria, a tensão produzida por uma diferença de 10°C
deveria ser de 2.6 mV, porém como foi mensurada a tensão é de 38 mV, portanto, a
equação que temos é inadequada para se estipular um valor real de milivolts.
Juntando os valores das medições em laboratório e na casa temos esta
tabela:
Tabela 1: Tensão em função da diferença de temperatura
ΔT mV
81 1750
76 1100
36 541
33 450
33 420
32,5 378
32 350
31,5 326
18 264
10 40
3 7
2 4
0,1 1
Fonte: Os autores, 2016.
19 5 CONCLUSÃO
Concluímos após os testes, experimentos e cálculos que não é rentável
utilizar um módulo de Peltier para esse proposito, uma vez que sem um circuito, uma
unidade pode produzir cerca de 50 mV, e que a formula não é adequada nesse caso.
Entretanto, devido à falta de informações do fornecedor para esse propósito,
elaboramos uma equação para estipular a quantidade aproximada de mV que pode
ser obtida de um delta temperatura. Foi descoberta a partir de cálculos, que, sendo
uma função exponencial, a base de x tende a dois quanto menor o valor e tende a 1
quanto menor o valor. Devido a essa instabilidade da base definimos a função como
uma de segundo grau correspondendo a seguinte fórmula e com uma margem de
erro de ±30 mV:
V ≈ 0.2511870845204179 ² + 1.2464387464387465 + 1
Podemos estipular através desse calculo que, por exemplo, um ambiente a
30Cº refrigerado por um ar condicionado indo para 20ºC, isso entre o ambiente e o
forro, teria uma diferença de 10°C que, com uma unidade, geraria, de acordo com a
função, cerca de 40 mV.
Para produzirmos 1 V precisaríamos de 25 módulos e para 3 V, 75 módulos,
de acordo com Usinainfo o modulo utilizado custa R$ 33,90, e tem uma área de 16
cm², logo, um custo de R$ 2542,50 e uma área de 0,12 m²
20
REFERÊNCIAS
ABREU, Yolanda Vieira de et al. Energia, Economia, Rotas Tecnológicas. Textos
Selecionados. Palmas: Yolanda Vieira de Abreu, 2010.
MOURA, José Américo de Sousa. Filmes nanométricos de FeN e ALN crescidos por sputtering e aplicações do efeito peltier. 2010. 102p. (Tese de Doutorado),
Faculdade de Física. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Rio Grande do
Norte, 2010.
PELTIER. Disponível em:<www.peltier.com.br>. Acesso em 03 de set. de 2016
SANTOS, Douglas Pacheco de Souza; ROCHA, Thomaz de Souza. O uso de pastilhas termoelétricas na recuperação de energias residuais. Sapucaia do Sul:
Universidade Luterana do Brasil, 2001.
USINAINFO. Disponível em: <http://www.usinainfo.com.br>. Acesso em 03 de set.
de 2016
