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Monografia apresentada ao curso de graduação em Engenharia Civil, da Faculdade de Rondônia – FARO/IJN, como requisito para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil.
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FARO - Faculdade de Rondônia 788 (Decreto Federal nº 96.577 de 24/08/1988) 453 (Portaria MEC de 29/04/2010) IJN - Instituto João Neórico 3443 (Portaria MEC / Sesu nº369 de 19/05/2008)
HÉRISSON FAGUNDES RIBEIRO
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE
TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO
DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO
Porto Velho - RO
2015.1
FACULDADE DE RONDÔNIA - INSTITUTO JOÃO NEÓRICO
HÉRISSON FAGUNDES RIBEIRO
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE
TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO
DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO
Trabalho de Conclusão de Curso,
como requisito à graduação em
Engenharia Civil, apresentado à
Faculdade de Rondônia –
FARO/IJN, para título de Bacharel
em Engenharia Civil.
Orientador: Dr. Fernando Berton
Zanchi.
Porto Velho - RO
2015.1
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE
TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO
DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO
Monografia apresentada ao curso de graduação em Engenharia Civil, da
Faculdade de Rondônia – FARO/IJN, como requisito para obtenção do grau de
Bacharel em Engenharia Civil, aprovado em de junho de 2015, com a
nota ( ), pela Banca Examinadora constituída pelos seguintes
professores:
_______________________________________________________________ Coordenadora do Curso: Maria Angélica Foes Rocha
Faculdade de Rondônia – FARO/IJN
_______________________________________________________________ Orientador: Dr. Fernando Berton Zanchi
Faculdade de Rondônia – FARO/IJN
Junho, 2015
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho à minha
mãe, Silvana Aparecida Fagundes,
por acreditar em mim e sempre me
mostrar que sou capaz de realizar meus
sonhos, e aos meus familiares que
sempre me fizeram acreditar em Deus.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus, por ter me dado força e sabedoria
para superar os desafios;
A minha mãe, Silvana Aparecida, que sempre me apoiou em todos os
momentos da minha vida;
A minha namorada, Jennifer Cosmo, pela paciência, compreensão e
força nos momentos mais difíceis;
A minha família por ter me apoiado e dado força para seguir em frente
mesmo com dificuldades;
Aos meus amigos, pelo incentivo e ideias que foram, e sempre serão
compartilhados;
Ao meu líder, amigo e colega de classe, Elisandrio Bertol, pela
oportunidade que me proporcionou e por todos os conselhos que recebi;
Ao colega de trabalho, José Francisco, por ter disponibilizado seus
conhecimentos e aparelhos para a execução deste trabalho;
Ao meu professor e orientador Fernando Berton, pelos ensinamentos e
orientações principalmente nesta etapa do curso;
E todos àqueles que participaram desta minha jornada até a formação,
ficam os meus agradecimentos.
“Mesmo as noites totalmente sem estrelas podem anunciar a aurora de uma grande realização”.
Martin Luther King Jr.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 - Pastilha termoelétrica de efeito Peltier ........................................... 13
Figura 02 - Exemplo de pastilhas single stage (foto „a‟) e multi stage
(foto „b‟) ............................................................................................................. 14
Figura 03 - Esquema de um efeito Peltier (dispositivo de refrigeração
termoelétrico) .................................................................................................... 15
Figura 04 - Visão interna de uma Célula Peltier ............................................... 16
Figura 05 - Gerador termoelétrico construído em filme fino .............................. 18
Figura 06 - Pastilha Peltier Comercial – Thermoeletric Cooler – Modelo
TEC1-12706 ..................................................................................................... 23
Figura 07 - Termômetro Infravermelho Instrutherm TI-870 ............................... 24
Figura 08 - Multímetro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e Termopar
Tipo K ............................................................................................................... 24
Figura 09 - Multímetro Fluke 787 Processmeter ............................................... 25
Figura 10 - Container selecionado para a realização do experimento .............. 27
Figura 11 - Temperatura máxima observada na superfície externa do
container em horário sem incidência direta do sol (41 ºC) ............................... 28
Figura 12 - Corte inicial feito no revestimento interno do container até o
zinco ................................................................................................................. 29
Figura 13 - Extensão da abertura na parede sem cortar a última
camada do revestimento e detalhe do posicionamento dos fios ...................... 29
Figura 14 - Pastilhas Peltier ligadas em série ................................................... 30
Figura 15 - Detalhe do termopar instalado entre as pastilhas Peltier e o
zinco ................................................................................................................. 30
Figura 16 - Pastilhas Peltier instaladas com as camadas de fita crepe
coladas sobre as fendas entre a parede e as pastilhas .................................... 31
Figura 17 - Instrumentos posicionados para realizar uma leitura ..................... 32
Figura 18 – Gráfico da Potência em função da Diferença de
Temperatura ..................................................................................................... 33
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Ficha para preenchimento manual das medições realizadas ........ 26
Tabela 02 - Modelo de tabela para apresentação dos resultados
obtidos durante o estudo .................................................................................. 26
Tabela 03 - Dados obtidos nas leituras com os instrumentos,
classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura ................... 31
RESUMO
No presente trabalho é proposta uma técnica experimental para a produção de
energia elétrica utilizando pastilhas termoelétricas com base no efeito Seebeck.
O efeito Seebeck ou também conhecido como efeito termoelétrico, foi
descoberto em 1821 por Thomas Johann Seebeck, que diz que a junção de
metais distintos produz uma tensão elétrica quando expostos a uma variação
de temperatura. Já o efeito Peltier é o oposto. Pastilhas Peltier são pastilhas
termoelétricas que utilizam o efeito Peltier para aplicações de resfriamento ou
aquecimento. O projeto é composto por seis pastilhas Peltier ligadas em série e
posicionadas na parede de um container escritório, que irão gerar energia
através da diferença de temperatura existente entre as paredes internas e
externas. Através das medidas obtidas é possível descobrir a eficácia do
dispositivo testado analisando os dados e simulando uma expansão de sua
área de captação. As variáveis medidas foram as correntes e tensões elétricas
e a temperatura da face interna e externa das pastilhas Peltier. Os objetivos
foram todos alcançados e o resultado é satisfatório, levando em conta que as
Pastilhas Peltier não foram desenvolvidas para trabalhar usando o efeito
Seebeck, o resultado obtido foi aproximadamente 1 W/m² em média, o que
poderia ser melhorado se fosse fabricada uma pastilha para trabalhar usando o
Efeito Seebeck.
Palavras chave: Gerador Termoelétrico, Produção de Energia Elétrica, Efeito
Seebeck, Pastilhas Peltier.
ABSTRACT
In this paper I propose an experimental technique for the production of
electricity using thermal pads based on the Seebeck effect. The Seebeck effect
or also known as thermoelectric effect, it was discovered in 1821 by Thomas
Johann Seebeck, which says that the addition of different metals produces an
electric voltage when exposed to a temperature variation. But the Peltier effect
is the opposite. Peltier tablets are thermoelectric tablets that use the Peltier
effect for cooling or heating applications. The project consists of six Peltier
tablets connected in series and positioned on the wall of a shipping container
office, which will generate energy through the existing temperature difference
between the walls interior and exterior. Through the measurements obtained I
can discover the effectiveness of the device tested analyzing data and
simulating an expansion of its catchment area. The variables measured were
the currents and voltages and the temperature of the internal and external
surface of the Peltier tablets. The objectives were all achieved and the result is
satisfactory, taking into account that the Peltier tablets are not designed to work
using the Seebeck effect, the result was about 1 W/m² on average, which could
be improved if it were a tablet made to work using the Seebeck effect.
Keywords: Thermoelectric Generator, Electric Energy Production, Seebeck
effect, Peltier Tablets.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 12
1.1. Efeito Peltier-Seebeck ......................................................................... 12
1.2. Dispositivos Termoelétricos ................................................................ 13
1.3. Utilização da energia elétrica .............................................................. 19
2. OBJETIVO ................................................................................................. 21
2.1. Objetivo geral ...................................................................................... 21
2.2. Objetivo específico .............................................................................. 21
3. MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................... 22
3.1. Verificação do container para estudo e instalação do dispositivo
termoelétrico ................................................................................................. 22
3.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container .......... 22
3.3. Verificação da temperatura das superfícies internas e externas do
dispositivo termoelétrico ................................................................................ 23
3.4. Medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo
termoelétrico e cálculo da potência gerada ................................................... 25
3.5. Análise dos dados obtidos neste estudo ............................................. 25
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 27
4.1. Container selecionado para a instalação do dispositivo
termoelétrico ................................................................................................. 27
4.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container .......... 28
4.3. Medição da temperatura, corrente e tensão ........................................ 31
4.4. Análise dos dados ............................................................................... 32
5. CONCLUSÃO ............................................................................................ 35
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 36
12
1. INTRODUÇÃO
1.1. Efeito Peltier-Seebeck
Thomas Johann Seebeck, em 1821, descobriu que uma junção de
metais distintos produz uma tensão elétrica cujo valor depende dos materiais
constituintes e da temperatura a que se encontra (efeito termoelétrico). Na
década seguinte, Jean Charles Athanase Peltier descobriu que a passagem de
uma corrente elétrica através da interface formada por dois condutores
diferentes gera um gradiente de temperatura na junção. Assim, dependendo do
sentido da corrente elétrica poder-se-ia aquecer ou resfriar. Uma descrição
teórica desses efeitos foi dada por William Thomson, 1º Barão Kelvin, que fez
importantes contribuições na análise matemática da termoeletricidade, sendo
bem conhecido por desenvolver a escala Kelvin de temperatura absoluta
(MOURA e ALMEIDA, 2013).
Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e
denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Na verdade, são
dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do
mesmo fenômeno físico (SOUZA et al, 2010).
O efeito Peltier é utilizado em coolers em que usando uma diferença de
potencial se pode transferir calor da junção fria para quente aplicando-se a
polaridade elétrica adequada (é um refrigerador no sentido termodinâmico da
palavra). O mesmo efeito também é utilizado para produzir temperaturas
próximas de 0 K onde o terminal aquecido é refrigerado por Nitrogênio líquido
cuja temperatura de ebulição é de 77,35 K (-196,15 °C). Tal procedimento é
conhecido como ultra resfriamento termoelétrico sendo capaz de produzir
temperaturas próximas ao zero absoluto no terminal refrigerado, o ultra
resfriamento por termopar é utilizado para o estudo de supercondutores e do
comportamento de matérias na temperatura do espaço inter-estelar, onde as
temperaturas são próximas a 0 K. A termoeletricidade ou termeletricidade
estuda fenômenos de transformação direta de energia térmica (gradientes de
temperatura) em eletricidade e vice versa (SOUZA et al, 2010).
13
Figura 01: Pastilha termoelétrica de efeito Peltier
Fonte: JUNIOR et al, 2011.
1.2. Dispositivos Termoelétricos
A célula de Peltier ou módulo de Peltier é uma pastilha termoelétrica
que utiliza o efeito de Peltier para aplicações de resfriamento ou aquecimento
nos setores de eletrônica, automotivo, industrial e militar, como: resfriamento
de microprocessadores, mini geladeiras e pequenos refrigeradores, aquecedor
e resfriador de acentos (na indústria automobilística), coolers eletrônicos,
desumidificador, adegas climatizadas de uso pessoal e outras aplicações
(ALMEIDA, 2013).
Está sendo dada atenção considerável para a possibilidade de obter
energia elétrica de uma fonte natural sem passar através de estágios de calor
e/ou energia mecânica. A eliminação do último estágio evita partes móveis e
algumas das dificuldades originadas das limitações de temperatura dos
materiais. Se o processo de conversão também pode ser feito sem passar
através de um estágio de calor, a limitação Carnot é evitada e podem ser
conseguidos rendimentos teóricos muito altos (M. G. SAY, 2004).
Pastilhas termoelétricas são pequenos dispositivos que operam através
do efeito Peltier. Quando uma corrente elétrica é imposta em dois fios elétricos
de materiais diferentes, unidas em suas pontas, uma diferença de temperatura
aparece entre as suas junções. O princípio de funcionamento é inverso do
14
efeito Seebeck, utilizado nos termopares. Porém ao contrário dos termopares,
são utilizados na construção dos módulos materiais semicondutores (dopados
com Bi2Te3), sendo usados na prática mais de um par de junções ligados em
série, obtendo assim um efeito maior. Essas junções são colocadas entre duas
placas, de forma que quando em funcionamento, calor é transferido de uma
face a outra. As pastilhas termoelétricas são fornecidas comercialmente em
várias formas e tamanhos, no limite de até 250 W. É comum serem
encontradas pastilhas únicas (single stage) ou construídas empilhadas (multi
stage), de forma a aumentar o efeito (MAIDANA et al, 2007).
Figura 02: Exemplo de pastilhas single stage (foto „a‟) e multi stage (foto „b‟) a) b)
Fonte: MAIDANA et al, 2007.
Dispositivos termoelétricos oferecem varias vantagens sobre outras
tecnologias, por não possuírem peças móveis dispensam manutenção
frequente e não contém clorofluorcarbonos, a direção do calor bombeado é
reversível, ou seja, mudando a polaridade da DC um refrigerador de
alimentação de energia pode, então, tornar-se um aquecedor, pois eles podem
trabalhar em ambientes que são demasiadamente sensíveis ou muito
pequenos para refrigeração convencional e não são dependentes de posição.
Devido a estas vantagens, dispositivos termoelétricos tem encontrado
aplicações em escala muito extensas, tais como, militar, aeroespacial, medica,
microeletrônica, laboratório, sensores e instrumentos, produtos industriais e
comerciais (CAMARGO e OLIVEIRA, 2011).
15
Figura 03: Esquema de um efeito Peltier (dispositivo de refrigeração termoelétrico)
Fonte: CAMARGO e OLIVEIRA, 2011.
Até o ano de 1949 não existiam materiais que permitissem aplicações
industriais para a termoeletricidade. A partir desta data, iniciou-se o
desenvolvimento de novos materiais, denominados semicondutores, que
apresentavam Coeficientes Seebeck muito superiores aos dos metais e
permitiram o início do desenvolvimento industrial de processos ligados à
termoeletricidade. Em 1955 foi sintetizado o telureto de bismuto (Bi2Te3),
semicondutor que permitiu diferença de temperatura da ordem de 72 °C entre a
face quente e a face fria (MARTINEWSKI et al, 2010).
O resfriamento ou a geração de energia termoelétrica difere dos
demais ciclos térmicos por consistir essencialmente de um fenômeno de estado
sólido, o que possibilita a construção de dispositivos sem partes móveis, o que
evita desgaste e ruído de funcionamento. Além disso, dispositivos
termoelétricos podem ser produzidos em tamanhos reduzidos, são mais leves e
não poluem o ambiente. Apesar dessas vantagens, ainda existem problemas
na utilização desses dispositivos, uma vez que eles apresentam uma eficiência
muito baixa, quando comparados aos dispositivos convencionais
(MARTINOTTO, 2012).
As células de Peltier são pastilhas termoelétricas que utilizam o efeito
Peltier. E são pequenas unidades que utilizam tecnologia de matéria
condensada para operarem como bombas de calor. Uma unidade típica tem
espessura de alguns milímetros e forma quadrada. Esses módulos são
essencialmente um sanduíche de placas cerâmicas recheado com pequenos
cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto) (ARANTES, 2013).
16
Como o efeito de Seebeck é um efeito inverso do efeito de Peltier.
Baseado neste efeito de Seebeck, os dispositivos termoelétricos podem agir
também como geradores de energia elétrica. Na pratica, é necessário um
grande número de termopares conectados eletricamente em série para formar
um módulo (SANTOS, 2010).
Geralmente mais de um par de semicondutores são montados juntos
para dar forma a um dispositivo termoelétrico (módulo). Dentro do módulo,
cada um dos semicondutores são chamados termo elementos, que por sua vez
são chamados de termopar. Para descrever o funcionamento dos módulos
termoelétricos podemos compará-los com os termopares. Os termopares são
dispositivos que geram uma diferença de potencial (d.d.p.) a partir de duas
junções de metais diferentes que são expostas a temperaturas diferentes
(SANTOS, 2010).
Um dispositivo termoelétrico típico é composto por duas carcaças
cerâmicas, as quais servem como estrutura para preservar a integridade
mecânica do módulo e como isolação elétrica para os termo elementos de
telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são conectados eletricamente em série
e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas). Os dispositivos em
geral contêm de 3 a 127 termopares. O cobre é usado como material condutor
elétrico entre os semicondutores postados em série. O sistema é conectado por
solda (SANTOS, 2010).
Figura 04: Visão interna de uma Célula Peltier.
Fonte: ARANTES, 2013.
17
Uma das aplicações dos módulos termoelétricos é geração de energia,
usando como fundamento básico o efeito Seebeck. Para o projeto de um
gerador termoelétrico, vários parâmetros devem ser considerados para se ter
um melhor aproveitamento do sistema. Os mais importantes deles são o
rendimento e a potência de saída do sistema, além da diferença de
temperatura entre os lados quente e frio (SANTOS, 2010).
Comparando um Termoeletrogerador com um “Thermo-Electric Cooler”
(TEC), descobrimos que eles são (quase) iguais. Assim, o TEG e o TEC é o
mesmo dispositivo capaz de produzir os efeitos inversos: quando ele recebe
calor e produz eletricidade, ele se chama TEG; quando ele recebe eletricidade
e produz frio, ele se chama TEC (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).
Os dispositivos TEC foram desenvolvidos, na forma de pastilhas
Peltier, para as aplicações de pequena capacidade, pouco espaço, sem partes
móveis e sem importância de eficiência energética. Eles foram destinados
exclusivamente para resfriamento de microcircuitos elétricos e controle de
temperaturas dos componentes eletrônicos. Por estes motivos, as tecnologias
de fabricação deste produto são orientadas para produção de pastilhas
relativamente pequenas(POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).
As pastilhas são compostas por peças miúdas, cuja fabricação e
montagem são baseadas nas linhas robotizadas. As pastilhas Peltier também
podem ser usadas na geração de energia elétrica, mas elas foram projetadas
para outras tarefas, e por isso, não são adequadas ao processo de geração de
eletricidade na escala industrial (POLOZINE e SCHAEFFER, 2013).
18
Figura 05: Gerador termoelétrico construído em filme fino.
Fonte: FERNANDES, 2012.
Desde a descoberta do Seebeck, vários materiais foram considerados
úteis para a geração de termoeletricidade. Os primeiros termoeletrogeradores
foram baseados nos condutores e semicondutores de eletricidade, tais como
antimônio, bismuto, cobre, ferro, chumbo, zinco e diferentes ligas, entre outros.
Mais tarde, no século XX, foram desenvolvidos vários outros tipos de Materiais
Termoelétricos: cerâmicas, compósitos, etc. Todos esses materiais foram
obtidos empiricamente, por milhares de tentativas baseados, geralmente, na
experiência. Quanto aos semicondutores antigos, eles continuam ser
considerados MTs básicos em produção de efeitos termoelétricos (POLOZINE
e SCHAEFFER, 2013).
Desde o século XIX, os engenheiros procuraram construir um TEG
eficiente e economicamente viável. Eles perceberam que o rendimento do
gerador depende de vários parâmetros do mesmo e das propriedades do
Material Termoelétrico. Mas apenas em 1909, o engenheiro Edmund Altenkirch
expressou matematicamente a relação entre as propriedades físicas dos MTs e
o rendimento de uma termopilha, ou TEG, simplificada. A equação do
Altenkirch inclui, entre outros parâmetros e variáveis, a força eletromotriz, a
condutividade térmica e elétrica da termopilha (POLOZINE e SCHAEFFER,
2013).
19
A resposta termoelétrica de um dispositivo está diretamente
relacionada ao material utilizado na sua fabricação. Nesse sentido, há uma
busca por novos materiais ou estruturas que apresentem uma maior eficiência
termoelétrica. Uma das formas de atingir esse objetivo é a aplicação da
engenharia de bandas, que pode ser feita principalmente por meio de
alterações na composição ou dopagem dos materiais e nanoestruturas.
Nanoestruturas semicondutoras têm mostrado grandes possibilidades para
aplicações termoelétricas. Dentre essas nanoestruturas, fios quânticos
semicondutores representam a estrutura básica para o transporte eletrônico e
são uma promessa para alto desempenho termoelétrico (COSTA, 2010).
Existem grandes vantagens no uso desses dispositivos, pois eles são
leves, compactos, silenciosos, não poluem o ambiente e têm grande
durabilidade, por esses motivos são aplicados na aérea espacial, por exemplo,
pela NASA na Voyager I e II e na missão Cassini a Saturno. Apesar das
vantagens apresentadas, ainda existem problemas na aplicabilidade desses
sistemas, pois eles apresentam baixa eficiência, quando são comparados com
os equivalentes mecânicos (COSTA, 2010).
1.3. Utilização da energia elétrica
O uso da energia elétrica está aumentando em muitos países
industriais a uma taxa entre os 8 e 11 por cento ao ano, duplicando a cada 10
anos. Isto é em parte devido ao aumento de consumo total de energia primária
e em parte porque a energia elétrica tende a substituir outras formas por causa
de sua extrema limpeza, sua simplicidade de controle e a facilidade com que
pode ser distribuída e usada tanto em grandes como em pequenas
quantidades (M. G. SAY, 2004).
O crescente aumento do custo dos combustíveis fósseis (carvão,
petróleo ou mesmo gás natural) leva a um aumento sucessivo do preço da
eletricidade. Em Portugal, onde parte da energia elétrica é produzida em
centrais térmicas, tem-se verificado que a sociedade está cada vez mais
dependente da disponibilidade de energia. Nas sociedades modernas, a
20
energia é um dos fatores que condiciona o desenvolvimento econômico,
financeiro, os transportes, o ambiente, as relações internacionais, a gestão de
empresas, as famílias, o Estado, etc. (FERNANDES, 2012).
A Terra recebe cerca de 1 kW por m² de área da sua superfície quando
a radiação solar atinge a superfície ou sua atmosfera em incidência
perpendicular; cerca de 160 x 106 TW são assim recebidos, uma quantidade
muito maior que a taxa de consumo de energia total mundial (M. G. SAY,
2004).
A questão energética é vital para todos os países, sendo importante
diminuir a dependência sobre os combustíveis fósseis. Com os avanços
tecnológicos e a preocupação com o aquecimento global, a busca por fontes
alternativas está cada vez maior. Atualmente, a energia elétrica é um bem
básico para o desenvolvimento da população que melhora a qualidade de vida,
proporcionando crescimento social e econômico. Porém, vive-se uma crise
energética que tem evidenciado os limites da oferta de energia para atender a
demanda crescente (JUNIOR, 2014).
21
2. OBJETIVO
2.1. Objetivo geral
Estudar a viabilidade para produção de energia elétrica utilizando um
dispositivo termoelétrico.
2.2. Objetivo específico
Selecionar o container para estudo e instalação do dispositivo
termoelétrico;
Instalar o dispositivo termoelétrico na parede do container;
Verificar a temperatura das superfícies internas e externas do
dispositivo termoelétrico;
Medir a corrente e a tensão produzida pelo dispositivo termoelétrico e
calcular a potência gerada;
Analisar os dados obtidos neste estudo.
22
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Verificação do container para estudo e instalação do dispositivo
termoelétrico
Será escolhido um container de zinco tipo escritório em um canteiro de
obras obedecendo aos seguintes termos:
Que esteja posicionado em um local em que pelo menos uma de suas
paredes fique exposta diretamente ao sol por no mínimo 6 horas em
um dia com o tempo limpo;
Que o ambiente interno seja climatizado por ar-condicionado;
Que seja autorizado o acesso para as verificações realizadas no
período de estudo;
Que este não seja realocado por algum motivo programado durante o
período de estudo.
3.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container
Para a instalação do dispositivo termoelétrico será feito um corte
retangular, de 4x7 cm, no revestimento interno do container até chegar à
superfície externa de zinco, a qual não será cortada, para evitar a umidade em
contato com o dispositivo. Será utilizado no estudo um dispositivo termoelétrico
Módulo Peltier disponível no mercado local (Pastilha Peltier Comercial –
Thermoeletric Cooler – Modelo TEC1-12706) (Figura 06). Serão fixadas seis
pastilhas Peltier ligadas em série e posicionadas no corte feito na parede do
container. Será posicionado também um termopar tipo K entre as pastilhas
Peltier e a camada externa de zinco do container para medir a real temperatura
encontrada na superfície da pastilha voltada para o lado externo do container.
A superfície das pastilhas voltadas para o lado interno não serão cobertas,
ficando assim diretamente em contato com o ar frio dentro do container.
23
Figura 06 - Pastilha Peltier Comercial – Thermoeletric Cooler – Modelo TEC1-12706
Fonte: Autor.
3.3. Verificação da temperatura das superfícies internas e externas do
dispositivo termoelétrico
Para a verificação da temperatura da superfície voltada para o lado
interno do container será utilizado um Termômetro Infravermelho Instrutherm
TI-870 (Figura 07), o termômetro deverá estar posicionado aproximadamente a
30 cm da superfície a ser medida seguindo recomendações do fabricante. E
para a verificação da temperatura da superfície voltada para o lado externo
será utilizado um Multímetro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e um Termopar
tipo K (Figura 08), diretamente em contato com o módulo Peltier, realizando
leituras simultaneamente com o termômetro infravermelho e registrados os
valores manualmente. Serão verificadas as temperaturas em um dia com o
tempo limpo e ensolarado.
24
Figura 07 - Termômetro Infravermelho Instrutherm TI-870
Fonte: Autor.
Figura 08 - Multímetro Industrial Fluke 87-V TRUE RMS e Termopar Tipo K
Fonte: Autor.
25
3.4. Medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo
termoelétrico e cálculo da potência gerada
Para a medição da corrente e tensão produzida pelo dispositivo
termoelétrico será utilizado um Multímetro Fluke 787 Processmeter (Figura 09).
Serão medidos simultaneamente com a temperatura e registrados
manualmente. Para obter a potência gerada (P), encontra-se o produto entre a
corrente (i) e a tensão (E).
(1)
Figura 09 - Multímetro Fluke 787 Processmeter
Fonte: Autor.
3.5. Análise dos dados obtidos neste estudo
Para a análise dos dados será apresentado uma tabela com as
medições obtidas durante o estudo:
26
Tabela 01 – Ficha para preenchimento manual das medições realizadas.
LINHA
Temperatura da Superfície
Externa Peltier (°C)
Temperatura da Superfície Interna
Peltier (°C) Tensão (V) Corrente (mA)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Será gerado um gráfico também apresentando as potências obtidas em
função da diferença de temperatura para melhor visualização e comparação
dos dados.
Tabela 02 – Modelo de tabela para apresentação dos resultados obtidos durante o estudo.
LINHA
Temperatura da
Superfície Externa
Peltier (°C)
Temperatura da
Superfície Interna
Peltier (°C)
Diferença de Temperatura
ΔT(°C)
Tensão (V)
Corrente (mA)
Potência (mW)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Média =
Média =
27
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Container selecionado para a instalação do dispositivo
termoelétrico
Foi selecionado um container na Usina Hidrelétrica de Santo Antônio,
onde o encarregado responsável disponibilizou o acesso e instalação do
dispositivo termoelétrico. O container fica exposto diretamente ao sol durante
um período de seis horas, das 07:00 ás 13:00, e mesmo em horários onde não
tem incidência direta do sol, observou-se temperaturas consideráveis para o
experimento (Figura 11). O ambiente interno é climatizado por dois ares-
condicionados.
Figura 10 – Container selecionado para a realização do experimento.
Fonte: Autor
28
Figura 11 – Temperatura máxima observada na superfície externa do container em horário sem incidência direta do sol (41 ºC).
Fonte: Autor
O container selecionado foi muito eficaz no experimento, pois não teve
nenhum problema quanto ao acesso, se mostrou satisfatório o seu
posicionamento para o aquecimento da parede externa, e o sistema de
refrigeração interna foi eficiente.
4.2. Instalação do dispositivo termoelétrico na parede do container
Inicialmente foi feito um corte de 4x5 cm na parede do container para a
instalação das pastilhas Peltier (Figura 12) e posteriormente foi aberto mais 2
cm abaixo sem cortar a última camada do revestimento para que fiquem
alocados os fios e reduzir a propagação de calor (Figura 13). As pastilhas
foram ligadas em série (Figura 14) e posicionadas na parede sem nenhum
problema. O termopar também foi instalado e fixado com fita crepe a sua
extremidade (Figura 15). Depois de alocados as pastilhas e o termopar, foram
fixadas várias camadas de fita crepe ao redor das pastilhas tampando as
fendas existentes para reduzir a transmissão de calor entre os lados (Figura
16).
29
Figura 12 – Corte inicial feito no revestimento interno do container até o zinco.
Fonte: Autor
Figura 13 – Extensão da abertura na parede sem cortar a última camada do revestimento e detalhe do posicionamento dos fios.
Fonte: Autor
30
Figura 14 – Pastilhas Peltier ligadas em série.
Fonte: Autor
Figura 15 – Detalhe do termopar instalado entre as pastilhas Peltier e o zinco.
Fonte: Autor
31
Figura 16 – Pastilhas Peltier instaladas com as camadas de fita crepe coladas sobre as fendas entre a parede e as pastilhas.
Fonte: Autor
4.3. Medição da temperatura, corrente e tensão
As medições foram feitas em diversos horários durante o dia, obtendo-
se valores altos e baixos, a tabela a seguir mostra todos os valores obtidos nas
medições classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura:
Tabela 03 – Dados obtidos nas leituras com os instrumentos, classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura.
LINHA
Temperatura da
Superfície Externa
Peltier (°C)
Temperatura da
Superfície Interna
Peltier (°C)
Diferença de Temperatura
ΔT(°C)
Tensão (V)
Corrente (mA)
Potência (mW)
1 31,1 28,4 2,7 0,061 2,371 0,14
2 31,5 27,4 4,1 0,078 3,247 0,25
3 32,3 27,4 4,9 0,090 3,191 0,29
4 33,8 27,6 6,2 0,120 4,052 0,49
5 37,2 29,7 7,5 0,152 5,001 0,76
6 36,1 27,9 8,2 0,195 5,929 1,16
7 38,9 29,8 9,1 0,198 8,951 1,77
8 38,6 21,4 17,2 0,346 9,452 3,27
9 38,5 20,3 18,2 0,373 10,337 3,86
10 40,2 20,8 19,4 0,482 11,186 5,39
Média = 9,8
Média = 1,74
32
A diferença de temperatura foi obtida subtraindo a temperatura externa
pela interna. E a média aritmética obtida pela soma dos valores da coluna
dividido por 10 (quantidade de linhas). Os aparelhos eram observados ao
mesmo tempo durante uma leitura.
Figura 17 – Instrumentos posicionados para realizar uma leitura.
Fonte: Autor
4.4. Análise dos dados
Ao analisar os valores da diferença de temperatura com a potência
gerada, obtemos um gráfico onde nos mostra a linha de tendência, para que
seja possível estimar uma potência para diversas diferenças de temperatura
através da equação da reta [y = 0,2857x – 1,0476], onde „y‟ é a potência
gerada em mW, e „x‟ é a diferença de temperatura em ºC.
33
Figura 18 – Gráfico da Potência em função da Diferença de Temperatura.
Fonte: Autor
Com os valores das médias aritméticas obtidos da diferença de
temperatura e potência, podemos estimar um aumento da área de captação de
calor para produzir uma maior potência. Enquanto uma pastilha Peltier tem
uma área de 0,0016 m² e gera em média 1,74 mW com uma diferença de
temperatura de 9,8 ºC, ampliando essa área para 1 m² teria a geração em
média de 1.087,5 mW, aproximadamente 1 W/m², em média, o que é bem
pouco, pois para acender uma única lâmpada que tenha um consumo de 10 W
seria necessário ter uma parede com 10 m² feita com pastilhas Peltier. Porém,
com o atual desenvolvimento tecnológico, em que aparelhos e lâmpadas são
produzidos para ter um consumo cada vez menor, é possível que, em um
futuro não tão distante, seja viável a utilização deste método para produção de
energia.
As pastilhas Peltier são utilizadas para aquecer ou resfriar algo, é
comum sua utilização em coolers eletrônicos, onde se tem a necessidade de
utilizar peças cada vez menores, com isso as pastilhas Peltier estão sendo
produzidas cada vez mais finas e menores, mas se houvesse a produção de
um modelo de pastilhas Peltier para aplicação na construção civil e geração de
energia, poderia aumentar significativamente o seu rendimento diminuindo as
34
resistências internas presentes no gerador em função das ligações em série e
consequentemente aumentando a tensão gerada.
Outro fator importante seria a necessidade de deixar a superfície das
pastilhas diretamente em contato com o ambiente, fazendo com que a
diferença de temperatura existente entre as suas superfícies seja maior, o que
também seria útil, pois sua superfície cerâmica poderia ser utilizada como
acabamento para uma parede de vedação sem função estrutural.
35
5. CONCLUSÕES
Com base nos experimentos realizados, pode-se concluir que:
O experimento foi eficaz, para efeito de análise dos dados;
Com os materiais disponíveis, torna-se inviável a utilização desse
método atualmente, com as pastilhas alocadas em um único ponto e
tendo em vista que a fabricação das mesmas foi para a refrigeração ou
aquecimento e não para produção de energia elétrica;
São necessários outros estudos mais complexos para efeito de
aplicação deste método;
É necessária a fabricação de pastilhas Peltier voltadas para a
construção civil e produção de energia, tendo uma espessura maior e
melhor rendimento potencial.
36
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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