II ENCONTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

Transcrição

1 II ENCONTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE GRADIENTE DE TEMPERATURA ENTRE PAREDES EXTERNAS E INTERNAS UTILIZANDO DISPOSITIVO TERMOELÉTRICO Hérisson Fagundes Ribeiro 1 Fernando Berton Zanchi 2 1. INTRODUÇÃO 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. (MOURA; 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). 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 (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 efeito Seebeck (MAIDANA et al., 2007). 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). Estudar a viabilidade para produção de energia elétrica utilizando um dispositivo termoelétrico. 1 Aluno do Curso de Graduação em Engenharia Civil da Faculdade de Rondônia FARO Professor Orientador da Faculdade de Rondônia FARO

2 METODOLOGIA 2.1. Verificação do container para estudo e instalação do dispositivo termoelétrico Será escolhido um container de zinco tipo escritório em um canteiro de obras que esteja posicionado em um local em que pelo menos uma de suas paredes fique exposta diretamente ao sol por no mínimo 6 horas e que o ambiente interno seja climatizado por arcondicionado 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 TEC ). 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 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, 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, 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 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. Serão medidos simultaneamente com a

3 134 temperatura e registrados manualmente. Para obter a potência gerada (P), encontra-se o produto entre a corrente (i) e a tensão (E). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. 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. O ambiente interno é climatizado por dois arescondicionados. 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 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 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. As pastilhas foram ligadas em série e posicionadas na parede sem nenhum problema. O termopar também foi instalado e fixado com fita crepe a sua extremidade. 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 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:

4 135 Tabela 01 Dados obtidos nas leituras com os instrumentos, classificados em ordem crescente pela diferença de temperatura. Temperatura da Temperatura da Diferença de Superfície Superfície LINHA Temperatura Tensão (V) Corrente (ma) Potência (mw) Externa Peltier Interna Peltier ΔT( C) ( C) ( C) 1 31,1 28,4 2,7 0,061 2,371 0, ,5 27,4 4,1 0,078 3,247 0, ,3 27,4 4,9 0,090 3,191 0, ,8 27,6 6,2 0,120 4,052 0, ,2 29,7 7,5 0,152 5,001 0, ,1 27,9 8,2 0,195 5,929 1, ,9 29,8 9,1 0,198 8,951 1, ,6 21,4 17,2 0,346 9,452 3, ,5 20,3 18,2 0,373 10,337 3, ,2 20,8 19,4 0,482 11,186 5,39 Média = 9,8 Média = 1,74 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 Análise dos dados Ao analisar os valores da diferença de temperatura com a potência gerada, obtemos um gráfico (Figura 02) 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. Figura 01 Módulo Peltier instalado com os instrumentos posicionados para realizar uma leitura Figura 02 Gráfico da Potência em função da Diferença de Temperatura. Fonte: Autor 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,

5 136 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 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. 4. 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. REFERÊNCIAS M. G. SAY. Eletricidade geral eletrotécnica. São Paulo: Hemus, MAIDANA, Cristiano Frandalozo at al. Bancada para medida de eficácia térmica de pastilhas de efeito Peltier. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul,, MOURA, Paulo Roberto de; ALMEIDA, Danilo. Refrigerador termoelétrico de Peltier usado para estabilizar um feixe laser em experimentos didáticos. Florianópolis, SC: Universidade Federal de Santa Catarina, SANTOS, Leonardo Paiva. Análise de desempenho de um gerador termoelétrico baseado no efeito Seebeck. Universidade de Taubaté SP, SOUZA, Emanuel Elvys Silva de et al.. Cooler para notebook com tecnologia Peltier.. Campinas, SP: Escola Técnica SENAI, 2010.