TEEE: Colheita de Energia Termogeração

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1 TEEE: Colheita de Energia Termogeração Prof. Protásio Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB

2 Conversão de Energia Termoelétrica Energia termoelétrica é aquela gerada a partir da conversão de calor em energia elétrica. Os tipos principais de conversão de energia termoelétrica são: Por queima de combustíveis fósseis (diesel, carvão mineral, gás natural, gasolina, etc.), realizada nas usinas termoelétricas: Grande capacidade de geração Por conversão direta utilizando dispositivos semicondutores: Pequena capacidade de geração Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 2

3 Conversão de Energia Termoelétrica A conversão direta de energia termoelétrica: É realizada pela conversão direta de gradientes térmicos (ΔT) em Eletricidade (tensão, corrente). Seus conceitos fundamentais são conhecidos a mais de dois séculos e são baseados em três fenômenos físicos termoelétricos: Efeito Seebeck (1821) Efeito Peltier (1834) Efeito Thomson (1851) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 3

4 Efeito Seebeck O primeiro efeito termoelétrico foi descoberto em 1821 por Thomas Johann Seebeck (físico e químico nascido na Estônia). Experimentação de Seebeck: No experimento ao lado, ele notou que a agulha da bússola se deslocava quando uma extremidade (junção dos dois condutores diferentes) estava em uma temperatura maior que da outra junção. FONTE: Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 4

5 Efeito Seebeck Efeito Seebeck: uma força eletromotriz (EMF) é produzida pela diferença de temperatura ( T = T h T c ) nas junções de dois condutores diferentes. A T h B B T c +V - Exemplo: A = cobre e B = ferro. Esta disposição é denominada de termopar. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 5

6 Efeito Seebeck Seebeck também constatou que a magnitude da tensão produzida (thermoelectric voltage, V) é proporcional à diferença T de temperatura nas junções. A T h B B T c +V - V T T = T h T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 6

7 Coeficiente de Seebeck O coeficiente de Seebeck α é dado pela razão entre a tensão gerada e o gradiente de temperatura S = V T V = S T S depende dos tipos de material dos condutores que formam o termopar Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 7

8 Coeficiente de Seebeck Seebeck realizou diversos experimentos com diferentes tipos de materiais e expressou α de acordo com o que ele denominou de contrastes térmicos: Quanto maior o contrate térmico, maior a diferença a EMF Exemplo: Antimônio e bismuto obtêm a maior EMF, conforme a série de materiais levantadas por Seebeck e dada abaixo: ANTIMÔNIO, FERRO, ZINCO, PRATA, OURO, CHUMBO, MERCÚRIO, COBRE, PLATINA, BISMUTO Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 8

9 Coeficiente de Seebeck O coeficiente de Seebeck também é denominado de potência termoelétrica. É importante observar que α é constante para pequenas faixas de variação de temperatura. Assim, a expressão geral é dada por: V = S(T) T Ou seja, S não é linear com a temperatura. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 9

10 Termopar Montagem típica para medição T h = temperatura da junção de medição T c = temperatura da junção de referência Junção de medição A Junção de referência Fonte de calor T h B C Região isotérmica T c V Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 10

11 Leis dos Termopares Lei 1. A tensão de Seebeck depende somente das temperaturas das junções. Lei 2. A tensão de Seebeck não é afetada se um terceiro condutor é introduzido entre os metais, contando que essas novas junções estejam na mesma temperatura. Dessa forma, um voltímetro pode ser introduzido sem afetar a tensão de Seebeck. Lei 3. Se um terceiro metal é inserido em uma junção, a tensão de Seebeck não é afetada, contando que as temperaturas nesta junção sejam iguais. Dessa forma, um voltímetro pode ser conectado nesta junção. A lei 2 permite conectar um voltímetro entre um metal. A lei 3 permite conectar na junção. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 11

12 Leis dos Termopares Lei 4. Lei dos metais intermediários. A tensão de Seebeck dos materiais AC pode ser avaliada se a tensão de Seebeck dos materiais AB e materiais CB são conhecidas Lei 5. Lei das temperaturas intermediárias. Se as temperaturas T 1 e T 3 produzem a tensão de Seebeck E 13, e as temperaturas T 3 e T 2 produzem a tensão de Seebeck E 32, então as temperaturas T 1 e T 2 produzirão a tensão de Seebeck E 12 = E 13 + E Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 12

13 O efeito Peltier 13 anos após a descoberta de Seebeck, Peltier, um relojoeiro francês, observou o segundo efeito termoelétrico. Peltier constatou que a passagem de uma corrente elétrica através de um termopar produz aquecimento e resfriamento das junções dependendo da direção da corrente T h I T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 13

14 O efeito Peltier O efeito Peltier é difícil de ser demonstrado usando termopares formado por metais, pois esse é sempre acompanhado pelo efeito Joule. Efeito Joule Geração de calor pela passagem de corrente elétrica em um condutor em determinado tempo. Na passagem de corrente, o aquecimento é causado pelas colisões dos elétrons com os átomos do condutor t 2i q = R 2 dt t 1 q: calor gerado i: corrente elétrica R: resistência elétrica do condutor. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 14

15 O efeito Peltier Coeficiente de Peltier, π Considerando a aplicação de uma corrente I, o coeficiente de Peltier, π, é dado pela razão da taxa de aquecimento ou resfriamento, q, por I: π = q I q = πi T h I T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 15

16 Efeito Seebeck e Peltier Os efeitos Seebeck e Peltier dependem das propriedades intrínsecas dos materiais envolvidos. Os elétrons que atravessam um determinado material possuem um determinado nível de energia, enquanto que em outros materiais possuem outros níveis de energia. Efeito Peltier Quando uma corrente passa de um material para o outro, a energia dos elétrons é alterada e a diferença é convertida em aquecimento ou esfriamento. Efeito Seebeck Da mesma forma, quando uma junção é aquecida, elétrons em níveis baixo de energia ganham energia e assim podem saltar para o lado de maior nível de energia, criando-se assim uma força eletromotriz. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 16

17 Efeito Thomson Diferentes dos efeitos Seebeck e Peltier, o efeito Thomson é observado em um material somente. O efeito Thomson consiste em, dependendo da corrente elétrica I que passa no material e do gradiente de temperatura T no material em suas extremidades: Ocorre aquecimento ou esfriamento reversível e aumento ou diminuição de potencial elétrico. V + Diminuição de potencial ao longo do condutor T h I V T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 17

18 Efeito Thomson Dependendo do material, pode-se ter: Efeito Thomson Positivo Efeito Thomson Negativo Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 18

19 Efeito Thomson Positivo O lado quente apresenta maior potencial que o lado frio. Calor é emitido quando a corrente passa do lado quente para o frio. O potencial decai, pois com a emissão de calor, uma parte do fluxo de elétrons que forma corrente elétrica perde energia e a densidade de corrente diminui. Calor é absorvido quando a corrente passa do lado frio para o quente. O potencial sobe, pois com a absorção de calor, uma parte do fluxo de elétrons que forma corrente elétrica ganha energia e a densidade de corrente aumenta. Os metais que apresentam efeito Thomson positivo são: Cu (Cobre), Sn (Antimônio), Ag (Prata), Cd (Cádmium), Zn (Zinco) etc. Absorção de calor V + Emissão de calor V V T c I T h I T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 19

20 Efeito Thomson Negativo O lado frio apresenta maior potencial que o lado quente. Calor é emitido quando a corrente passa do lado frio para o quente. O potencial sobe. Calor é absorvido quando a corrente passa do lado quente para o frio. O potencial decai. Os metais que apresentam efeito Thomson negativo são: Fe (ferro), Co (cobalto), Bi (Bismuto), Pt (Platina), Hg (Mercúrio) etc. V + Emissão de calor Absorção de calor V + V T c I T h I T c Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 20

21 Efeito Thomson Considerando um condutor homogêneo, os portadores de carga (elétrons) ganham ou emitem energia dependendo de sua direção (direção do fluxo da corrente resultante) com relação ao gradiente de temperatura. O calor de Thomson absorvido ou emitido é dado por: J Thomson = T c T hx T J dt em que X(T) o coeficiente de Thomson, J = densidade da corrente, J Thomson = densidade da corrente decorrente do efeito Thomson e dt = gradiente de temperatura. Pela expressão, é possível notar que o efeito Thomson promove um aumento (diminuição) da corrente geral que passa no condutor e com isso o potencial é aumentado (reduzido), pois. V J Thomson Applet JAVA mostrando o efeito Thomson: Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 21

22 Relações entre os coeficientes termoelétricos Coeficiente de Peltier em termos do coeficiente de Seebeck: π = S T O coeficiente de Thomson em termos do coeficiente de Seebeck ou, melhor, a diferença entre os coeficientes de Thomson de dois condutores χ = T ds dt O coeficiente de Thomson é definido pela razão do aquecimento por unidade de comprimento resultante da passagem de uma unidade de corrente ao longo do condutor submetido a um gradiente térmico unitário. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 22

23 Geração de energia com termopar O trabalho de Thomson mostrou que um termopar é um tipo de máquina térmica e, em princípio, poderia ser usado: Na geração de eletricidade através do calor, ou Calor Eletricidade Como uma bomba de calor (refrigerador) Eletricidade Calor Entretanto, os efeitos termoelétricos reversíveis são sempre acompanhados pelo efeito Joule irreversível e pela condução térmica, assim, termopares são geralmente extremamente ineficientes. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 23

24 Geração de energia com termopar O problema de conversão de energia usando termopares foi analisado por Altenkirch em 1911 Altenkirch, E., 1911, Physikalische Zeitschrift, 12, Altenkirch mostrou que o desempenho dos termopares pode ser melhorado: Pelo aumento do coeficiente de Seebeck (S) Pelo aumento da condutividade elétrica (σ) dos dois condutores, e Pela redução da condutividade térmica (κ). Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 24

25 Geração de energia com termopar Como, em geral, os bons condutores de eletricidade são também bons condutores de calor, os termopares construídos a parte de material condutor possuem: Baixo coeficiente de Seebeck (S) Alta condutividade elétrica (σ) e Alta condutividade térmica (κ) Ou seja, com exceção de σ, os outros não atendem os critérios de Altenkirch. Assim, termopares à material condutor apresentem baixa eficiência. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 25

26 Figura de Mérito Z Do estudo de Altenkirch, foi estabelecido uma Figura de Mérito para termogeração: Z = S2 σ κ S: coeficiente de Seebeck σ: condutividade elétrica κ: condutividade térmica Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 26

27 Figura de Mérito ZT Como Z tem unidade de inverso da temperatura e a fim de obter uma figura de mérito sem dimensão, definiu-se ZT em que T é a temperatura absoluta em kelvins. Pode-se medir ZT para várias temperaturas. Normalmente, mede-se para temperatura ambiente. Valores de ZT ~ 1: bom. ZT = S2 σt Melhores valores atualmente: <~3. Valores > 4 significa ser possível competir seriamente com outros métodos de resfriamento. Nanoestruturas tem potencial para conseguir altos valores de ZT κ Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 27

28 Figura de Mérito ZT Dados da literatura The dimensionless figure of merit, ZT, of 1.64 attained by TiO 1.1 at 800 ºC is the largest value of all reported other thermoelectric materials in this temperature region. (Okinaka, 2005). A mixed oxide (Zn1-xAlx)O exhibits promising thermoelectric properties attaining a dimensionless figure of merit ZT of 0.30 at 1000 C, which value is much superior to other oxides and quite comparable to conventional state of the art thermoelectric materials. (Ohtaki, 2009) Currently the materials with the highest figure of merit at room temperature are Bismuth Telluride and related ternary alloys such as Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 and Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 having a thermoelectric figure of merit ZT that peaks at around (Huber, 1997) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 28

29 Figura de Mérito ZT (Huber, 1997) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 29

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