Universidade Luterana do Brasil Centro Tecnológico da ULBRA
Douglas Pacheco dos Santos Thomaz de Souza Rocha
O USO DE PASTILHAS P ASTILHAS TERMOELÉTRICAS TERMOELÉTRICAS NA RECUPERAÇÃO DE ENERGIAS RESIDUAIS
Professor Orientador: Gilmar Sales
Escola ULBRA – São Lucas Rua 25 de julho, 550 Bairro: Vargas CEP 93.218-200 Sapucaia do Sul, 2011 .
Dedicamos este trabalho aos nossos pais e nossos mestres que acreditam na capacidade inovadora e visionária do grupo.
Dedicamos este trabalho aos nossos pais e nossos mestres que acreditam na capacidade inovadora e visionária do grupo.
Agradecemos
ao
Professor
Orientador Gilmar Sales, pelo apoio e orientação técnica proposta na construção do projeto, aos nossos pais pelo apoio financeiro protótipo.
e
moral
na
elaboração
do
Resumo Nos dias de hoje, toda a pesquisa e dedicação em encontrar formas mais racionais e sustentáveis no consumo de energia são válidas, pois serão o legado que deixaremos para as próximas gerações. Seguindo uma linha de microeconomias de energia, onde o aproveitamento de parte de uma energia desperdiçada pode ser recuperado e usado no próprio local gerador deste desperdício, apresentamos nossa contribuição para a geração termoelétrica a partir de uma energia residual, que tanto pode ser em um simples banho doméstico como o uso acoplado a uma surdina de um automóvel, aproveitando neste mesmo veículo a energia acumulada. As pesquisas mundiais sobre geradores termoelétricos ainda são muito incipientes, mas acreditamos no potencial e no futuro desenvolvimento das tecnologias, a ponto de que no futuro deixemos de ser considerados consumidores inconsequentes de energia.
Sumário 1. Introdução................................................................................................................. 7 2. Objetivos ................................................................................................................... 8 3. Justificativa ............................................................................................................... 9 4. Referencial Teórico ................................................................................................ 10 4.1
Pastilha Termoelétrica ............................................................................................... 10
4.2
Materiais Termoelétricos ........................................................................................... 16
4.3
Descrições e Especificações de Pastilhas ................................................................... 18
4.4
Desempenho do Módulo ............................................................................................. 20
4.5
Controle de Temperatura .......................................................................................... 22
4.6
Efeito Peltier................................................................................................................ 25
4.7
Efeito Seebeck ............................................................................................................. 26
4.8
Pesquisas de Otimização ............................................................................................ 27
4.8.1
Utilização automotiva............................................................................................ 28
4.8.2
Utilização em processos industriais ...................................................................... 30
4.8.3
Utilizações avançadas............................................................................................ 31
4.8.4
Utilização em Iluminação...................................................................................... 33
4.9
Tipos de Lâmpadas..................................................................................................... 34
5.1
Instrumentação Utilizada........................................................................................... 38
5.2
Montagem do Protótipo ............................................................................................. 39
5.3
Controlador de Carga ................................................................................................ 41
5.4
Custos Aproximados................................................................................................... 43
6
Resultados ................................................................................................................... 43
7
Conclusões ................................................................................................................... 44
8
Referências Bibliográficas ......................................................................................... 45
6
Índice de Figuras Figura 1- Pastilha Termoelétrica ..............................................................................10 Figura 2 - Pastilha Termoelétrica Comercial ............................................................11 Figura 3 – Separação entre termoelementos ............................................................14 Figura 4 – Relação de Qw com dT .............................................................................15 Figura 5 - Esboço de um sistema termoelétrico ........................................................16 Figura 6 – Estrutura Cristalina Simplificada...........................................................17 Figura 7 - Gráfico Comparativo dos Materiais Termoelétricos ................................18 Figura 8 – Diferentes Modelos de Pastilhas .............................................................19 Figura 9 – Esboço Construtivo do Módulo ................................................................20 Figura 10 – Balanço de Energia ................................................................................21 Figura 11 - Curvas de COP versus dT, Analisadas de acordo com variações de Z...21 Figura 12 - Comparação Eficiência de Carnot Termoelétrico com o do Ciclo de Compressão a Vapor ..........................................................................................22 Figura 13 - Comparação da Variação de Temperatura Entre um Refrigerador Compressor e um MTE ......................................................................................22 Figura 14 - Distribuição de Temperatura Dentro de um MTE.................................23 Figura 15 - Circuito Eletrônico de Controle de Temperatura...................................24 Figura 16 – Conjunto de Termopares Ligados Eletricamente ..................................25 Figura 17 – Efeito Seebeck ........................................................................................26 Figura 18 – Aplicação do Efeito Seebeck ...................................................................27 Figura 19 - Fluxo de elétrons nos termoelementos ...................................................27 Figura 20 – Experiências de Vans equipadas com pastilhas ....................................28 Figura 21 - Diagrama da localização dos trocadores de calor ...................................28 Figura 22 Protótipos da californiana BSST ..............................................................29 Figura 23- recuperador de calor residual da BSST...................................................30 Figura 24- Pesquisa de sistema de alta eficiência ar-ar (BSST) ..............................30 Figura 25 - dispositivos para recuperação industrial de calor..................................31 Figura 26- Gerador termoelétrico líquido -líquido ....................................................31 Figura 27 - Funcionamento do "efeito Seebeck". .......................................................32 Figura 28 - protótipo do green TEG ..........................................................................33 Figura 29 – Lâmpada Fluorescente Tubular ............................................................35 Figura 30 – Lâmpadas Fluorescentes Compactas ....................................................36 Figura 31- Lâmpadas de LEDs..................................................................................36 Figura 32 – Lâmpadas Halogéneas ...........................................................................37 Figura 33 – Lâmpada Incandecente ..........................................................................37 Figura 34 – Multímetro - Amperímetro Digital Minipa ET - 1110 ..........................38 Figura 35 – Termômetro Digital Tipo Vareta Minipa ..............................................39 Figura 36 - Aquecedor elétrico simulando chuveiro..................................................39 Figura 37 - montagem do protótipo em bancada ......................................................40 Figura 38 – Circuito do Controlador de Carga..........................................................41
1. Introdução Este trabalho foi feito com intuito de desenvolver técnicas de geração termoelétrica através da recuperação de energias residuais de processos industriais ou domésticos. Entendemos por energias residuais aquelas que são desperdiçadas no nosso dia-a-dia, e que não se traduzem em trabalho útil. A intenção foi a criação de um dispositivo que possa analisar a quantidade de energia que se pode recuperar através do uso incomum de pastilhas termoelétricas. Incomum pois a quase totalidade dos projetos que fazem uso desta novíssima tecnologia de pastilhas (que também são chamadas de Pastilhas de Peltier), aplica uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais afim de gerar duas superfícies termicamente bem diferenciadas ( uma superfície fria de um lado da cerâmica e outra superfície quente no outro), gerando com isto um fluxo de calor que se comporta como um compressor sem peças móveis. No nosso presente projeto idealizamos o inverso: através de uma superfície quente, que recebeu energia de um processo doméstico ou industrial, e que desperdiçaria esta energia para o ambiente, queremos gerar uma diferença de potencial e um fluxo de energia elétrica que possa ser armazenada para um uso útil. O protótipo tentará provar que a água quente gerada num banho de chuveiro (elétrico ou á gás), poderá ser utilizada para converter diretamente o calor em energia elétrica que, após armazenamento, poderá ser utilizado para acender uma lâmpada de tecnologia LED para a iluminação do próprio ambiente onde se encontra o chuveiro. A conversão de energia térmica em energia elétrica (que alimentará a lâmpada LED) se dará pela aplicação de conceitos como o princípio físico chamado Efeito de Seebeck que utiliza a diferença de temperatura para produzir eletricidade. Queremos demonstrar que as pesquisas neste sentido poderão nos levar a formas inovadoras de economia de energia e até de novos conceitos de iluminação para banheiros, já que parte de premissas de sustentabilidade de construções residenciais ecosustentáveis.
8
2. Objetivos O projeto denominado “O Uso De Pastilhas Termoelétricas Na Recuperação De Energias Residuais ” tem como objetivo mostrar que podemos recuperar o calor “perdido” em duas das formas usuais de aquecimento de banhos de conforto
na água de pós-banho pelo esgoto pluvial, ou
na chaminé de aquecedores à gás
para gerar energia elétrica, aplicando alguns conceitos de geração de energia elétrica a partir do Efeito Seebeck , que é uma derivação do Efeito Peltier . Neste a energia térmica gerada pelo chuveiro será transformada diretamente em energia elétrica através de pastilhas termoelétricas chamadas de Pastilhas de Peltier. A diferença de potencial gerada por junções PNP do interior destas placas cerâmicas faz circular uma corrente elétrica que, se devidamente armazenada em pequenas baterias, poderá servir para alimentar a iluminação do ambiente onde está localizado este chuveiro. Em todas as pesquisas realizadas pela internet não foram encontrados projetos semelhantes, o que pode conferir uma característica de ineditismo ao nosso trabalho.
3. Justificativa A escolha desse tema para o projeto se deu principalmente pela leitura do conjunto de dicas encontradas em um e-mail recebido ocasionalmente, falando sobre a geração de energia elétrica. Este artigo trazia como fonte o site Feira de Ciências , para onde navegamos e retiramos todo o conceito básico de funcionamento de uma Célula Peltier. Se adotarmos por base o principio físico conhecido como Efeito Seebeck que diz “ que quando as extremidades de um fio, eletricamente isolado, são colocadas em diferentes temperaturas há o aparecimento de uma tensão elétrica entre estas pontas ” e
se fizermos com que a diferença de temperatura possa vir de um fluido que contenha energia que seria lançada ao meio ambiente como desperdício, poderemos desenvolver um projeto que condicione e armazene esta energia e a utilize para propostas mais nobres. Com base nesse princípio parece-nos viável e economicamente possível gerar energia elétrica através da diferença de temperatura aplicada em uma ou em uma série de células Peltier.
4. Referencial Teórico Todo o referencial teórico deste projeto está sendo baseado em pesquisas realizadas pela rede mundial de computadores (internet) e em bibliografias específicas também encontradas na rede. Foi divido nos seguintes tópicos, distribuídos para prospecção de cada um dos componentes do grupo. A base de toda a pesquisa teórica envolve a célula termoelétrica descrita abaixo:
Figura 1- Pastilha Termoelétrica
Só que ao invés de aplicar corrente elétrica nos condutores para ter duas superfícies (uma quente e uma fria) na pastilha, nós iremos inverter o conceito e aplicar duas fontes (a água fria e a água quente) de um banho, para ver se conseguimos extrair uma tensão elétrica nas pontas dos condutores, e uma posterior circulação de corrente elétrica num circuito armazenador armazenador de energia (baterias).
4.1 Pastilha Termoelétrica Os aparelhos termoelétricos (módulos termoelétricos) podem converter energia elétrica em um gradiente de temperatura. Este fenômeno foi descoberto por Peltier em 1834. A aplicação desse fenômeno permaneceu mínima até o desenvolvimento dos materiais semicondutores nos anos 50.
11
Com o advento dos materiais semicondutores veio a capacidade de uma grande variedade de aplicações praticas de refrigeração termoelétrica.
Figura 2 - Pastilha Termoelétrica Comercial
Dispositivos termoelétricos podem também converter a energia térmica de um gradiente de temperatura em energia elétrica; este fenômeno foi descoberto em 1821 e foi chamado Efeito Seebeck. Como mencionado anteriormente, quando um diferencial de temperatura é estabelecido entre as extremidades quentes e frias do material semicondutor, uma tensão é gerada; isto é, a tensão de Seebeck. Realmente, 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. Se o calor fornecido na junção fizer com que uma corrente elétrica flua no circuito uma potência elétrica é gerada. Na pratica, é necessário um grande número de termopares conectados eletricamente em série para formar um módulo. 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 termoelementos e um par dos termoelementos é chamado um termopar. Para descrever o funcionamento dos módulos termoelétricos podemos compará-los com os termopares. Os termopares são dispositivos que geram uma corrente elétrica a partir de duas junções de metais diferentes que se encontram a diferentes temperaturas. Devido a esta característica, eles são utilizados para indicação e controle de temperatura em muitos processos industriais. Tal sinal pode ser
12
transformado para análise comparativa de outra grandeza, como temperatura, ou até deformação. Os módulos termoelétricos funcionam conforme o efeito Peltier e possuem comportamento inverso aos termopares. Nesses módulos, como previamente descrito, um fluxo de elétrons é forçado entre as junções dos metais dissimilares, e, conseqüentemente, uma região é aquecida e outra é resfriada; ou seja, o calor é transferido de um lado do módulo ao outro, o que descreve o funcionamento do dispositivo como um refrigerador sem partes móveis. Já os termopares utilizam-se de metais nas junções e os valores de tensão e corrente captados por eles são bastante baixos. Contudo, isso não é de grande importância pois a finalidade é apenas medição. Os dispositivos práticos do efeito Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e, assim, de potência. Em geral, eles utilizam materiais semicondutores, como o telureto de bismuto altamente dopado, para criar semicondutores tipo-p e tipo-n. Esses elementos semicondutores são soldados entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. A direção do fluxo térmico pode ser modificada por uma alteração na corrente contínua gerada pela polaridade aplicada entre os pólos do módulo.
Figura 3 – Fluxo Térmico
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 termoelementos de
13
telureto de bismuto tipo-n e tipo-p (que são conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas). Os dispositivos termoelétricos convencionais têm várias especificações para várias aplicações. As dimensões variam de 3 mm de lado por 4 mm de espessura, até 60 mm de lado por 5 mm de espessura. A taxa de calor bombeado máxima varia de 1 a 125 W. A máxima diferença da temperatura entre o lado quente e frio pode alcançar os 70 ºC. Os dispositivos em geral contêm de 3 a 127 termopares. Existem alguns dispositivos termopares que são dispostos em série (cascata) funcionando em vários estágios com a finalidade de obter diferenciais de temperatura maiores (até 130 °C). A temperatura mais baixa alcançada na prática é de aproximadamente −100 °C. Como o lado frio do dispositivo contrai
enquanto o lado quente expande, os aparatos que possuem área quadrada de lado superior a 50 mm geralmente sofrem estresse térmico induzido (o que pode gerar um curto-circuito em certos pontos na conexão elétrica), assim eles não são comumente utilizados. As áreas maiores do que um único MTE podem ser resfriadas ou terem a temperatura controlada pelo uso de vários módulos. Dois tipos de dispositivos termoelétricos multipares comercialmente disponíveis são representados na figura abaixo foi originalmente projetado para aplicações de refrigeração e possui a separação entre os termoelementos significativa. Neste tipo de dispositivo, o termoelementos semicondutor do tipon e o tipo-p são conectados eletricamente em série por tiras de metal altamente condutoras e são prensados entre placas, as quais agem como condutoras térmicas e isoladoras elétricas. Na figura abaixo tem sido desenvolvido recentemente para a geração de energia elétrica, sendo construído compactadamente com uma separação muito pequena entre os termoelementos com o objetivo de aumentar a potência obtida por área. Entretanto, as tiras condutoras do metal no dispositivo anterior não são isoladas e portanto o módulo não pode ser conectado diretamente ao condutor elétrico, tal como o dissipador de calor metálico. Existem alguns materiais de uso comum na construção da carcaça dos módulos termoelétricos, por exemplo: o óxido de alumínio (Al2O3), nitrito de alumínio (AlN) ou óxido de berílio (BeO). O (Al2O3) é mais utilizado devido à sua relação custo benefício e a técnica de fabricação desenvolvida. Os outros
14
dois materiais cerâmicos são melhores condutores térmicos, de cinco a sete vezes melhor que o (Al2O3), mas são mais caros; além do mais, o óxido de berílio (BeO) é venenoso. O cobre é usado como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em paralelo; estes, como previamente descritos, são do tipo-n composto por Bismuto-Telureto-Selenium (BiTeSe) e do tipop, Bismuto-Telureto-Antimônio (BiTeSb). O sistema é conectado por solda. As aplicações do módulo para geração de energia exigem uma compactação maior dos termoelementos do que no caso da geração ou absorção de calor.
Figura 3 – Separação entre termoelementos
As soldas fornecem a montagem do MTE, elas incluem ligas de antimônio. O ponto de derretimento de uma solda é o fator limitante da temperatura da operação do módulo. Ele representa a temperatura em que ocorre o superaquecimento a qual pode haver dissociação entre as soldas de cobre e semicondutores, e entre as dos próprios semicondutores em si, causando falha na transferência elétrica e/ou térmica. Para longo da vida do módulo, a temperatura da operação deve ser mais baixa do que o ponto de derretimento da solda tanto quanto possível ou procurar utilizar módulos que possuam solda resistente à temperaturas elevadas. Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar a temperaturas mais baixas, embora alcançar níveis criogênicos requer processos muito complexos. Vale ressaltar que cada pastilha tem seu próprio limite máximo da quantidade de calor que ela pode transferir, Qmax. A corrente elétrica associada ao Qmax é conhecida como Imax e a voltagem correspondente
15
como Vmax. Para se evitar superaquecimento das placas, o uso de dissipadores de calor e ventiladores é obrigatório tanto do lado quente quanto do lado frio. Para a montagem, recomenda-se o uso de pasta térmica entre a placa e o dissipador para que se aumente a eficiência de troca térmica. Na figura abaixo apresenta-se um gráfico de um módulo termoelétrico convencional, que correlaciona Qw com dT.
Figura 4 – Relação de Qw com dT
Os dispositivos termoelétricos não podem ser usados independentemente, eles devem ser conectados com os trocadores térmicos para dissipar o calor, que constituem o sistema termoelétrico. A teoria básica e a operação dos sistemas termoelétricos foram desenvolvidas por muitos anos. Os sistemas termoelétricos são geralmente microbombas de calor ou os pequenos geradores de potência (que seguem as leis da termodinâmica da mesma maneira que bombas de calor mecânicas, compressores do vapor associados com os refrigeradores convencionais, ou qualquer outro instrumento utilizado para transferir energia).
16
Figura 5 - Esboço de um sistema termoelétrico
4.2 Materiais Termoelétricos Podem-se classificar os materiais em relação ao seu caráter macroscópico de ser permissivo ou não de cargas elétricas e, conseqüentemente, calor. Dado esse parâmetro, classificam-se os materiais, em geral, em condutores, semi-condutores e isolantes. No âmbito microscópico, a classificação se refere ao comportamento do elétron da camada de valência do material sob ação de um campo elétrico gerado dada uma diferença de potencial. Obviamente os materiais isolantes possuem os elétrons de valência fortemente ligados aos seus átomos, e os elétrons dos materiais condutores se deslocam facilmente do seu átomo. Os materiais semicondutores são sólidos cristalinos que a 0 K seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis da banda de energia mais alta, ou seja, a banda de valência. Eles apresentam uma característica intermediária aos isolantes e semicondutores. Contudo, eles podem ser tratados químicamente com a adição de impurezas incorporadas a sua estrutura cristalina (dopagem) que aumentam a sua condutibilidade elétrica gerando semicondutores chamados extrínsecos. A dopagem pode, por exemplo, estabelecer um sentido preferencial para o fluxo elétrico, ou seja, o material pode se tornar condutor em um sentido e isolante no outro. Um esboço simplificado da rede cristalina de um material semicondutor é exemplificado de
17
acordo com a figura abaixo, assim como os sistema de transporte de calor e cargas elétricas.
Figura 6 – Estrutura Cristalina Simplificada
Em relação aos semicondutores comerciais, há uma classificação em relação à temperatura de trabalho dos mesmos. Tal estipulação deve-se a possível mudança de caráter condutor com o aumento da temperatura. Estipula-se para o uso de até 450 K, a aplicação de ligas cristalinas baseadas em antimônio, selênio e telúrio. Para uma faixa de operação superior de até 850 K disponibilizam-se semi-metais com ligações de telureto, e para altas faixas de operação, acima de 1300 K, utilizam-se de ligas de Silício-Germânio dopadas com Arsênio. Os novos materiais termoelétricos com grande figura de mérito Z podem ampliar as aplicações dos dispositivos termoelétricos em vários campos. Não há caminho fácil para obter um grande valor de Z , mas há muitas aproximações plausíveis que ainda podem ser tentadas. Venkatasubramanian e pesquisadores associados (Triangle Institute, EUA) relataram no Journal Nature (2005) um ZT = 2, 4 no semicondutores película fina de Bi2Te3/Sb2Te3.3 do tipo-p. Estes materiais parecem alcançar elevados valores de Z.T devido à sua estrutura incomum, uma super compactação formada por camadas alternadas de semicondutores Bi2Te3 e Sb2Te3. O registro anterior para Z.T na temperatura ambiente era em torno de 1, alcançado por uma liga semicondutora baseada em Bi2Te3 e em Sb2Te33. A estrutura compactada parece aumentar o transporte de corrente elétrica enquanto inibe o transporte de calor pelos fônons (vibrações quantizadas do cristal), ambos efeitos
18
aumentam Z.T. A Figura 2.13 contém um gráfico comparativo da eficiência do Bi2Te3 em relação a outros materiais cerâmicos. Um grande número estudos de dispositivos e materiais termoelétricos se baseiam no (Bi, Sb) e (Te, Se) por causa de seu desempenho excelente na refrigeração e na geração de energia termoelétrica à temperatura ambiente. Os termoelementos são geralmente fabricados por blocos sintetizados desses materiais. Há, entretanto, algumas dificuldades determinadas e limitações em fazer módulos altamente miniaturizados (como a natureza frágil destes materiais). Além disso, o número de pares p/n possível de ser acoplado em um espaço limitado disponível torna impossível obter uma tensão relativamente alta na saída para a geração de energia.
Figura 7 - Gráfico Comparativo dos Materiais Termoelétricos
4.3 Descrições e Especificações de Pastilhas Os refrigeradores termoelétricos podem ser feitos de diferentes formas e tamanhos, sendo as formas mais comuns da carcaça a retangular e a quadrada. O tamanho usual de um MTE de simples estágio varia entre 3 mm x 3 mm e 60 mm x 60 mm. A limitação de tamanho em 60 mm x 60 mm é devido ao estresse térmico que causa a expansão de deformação entre as junções frias e quentes do RTE; tal estresse pode desconectar as soldas. Para obter uma diferença maior de temperatura entre as faces, pode-se construir um sistemas com RTEs de vários estágios. A disposição dos RTEs de múltiplos
19
estágios se faz usualmente na forma de cascata e seis estágios são o limite prático. Na figura abaixo pode-se observar RTEs de vários tamanhos.
Figura 8 – Diferentes Modelos de Pastilhas
A figura que segue abaixo apresenta um exemplo de características de um módulo comercial simples. Como previamente citado, ocorre geração de calor em um material devido às resistências térmicas de condução quando impõe-se uma corrente elétrica. Este fator então se torna determinante para a quantidade máxima de calor Qmax transferida por um MTE. A corrente elétrica associada ao Qmax é definida como Imax, e a voltagem correspondente como Vmax. Numa situação em que o módulo se apresenta trabalhando isoladamente do sistema a Imax ele produzirá a diferença máxima de temperatura entre os lados quente e frio, definida como dTmax. Os módulos termoelétricos funcionam à corrente direta, DC. Uma fonte chaveada pode ser utilizada, mas suas variações devem estar limitadas a ±10A. A freqüência ideal é entre 50 e 60 Hz. A fonte não precisa estar ajustada exatamente aos níveis de Vmax e Imax, embora não seja recomendável que eles sejam ultrapassados. É muito comum, por exemplo, se operar uma pastilha cujo Vmax seja 15.4V com uma fonte de 12V. Caso uma corrente e/ou tensão menores sejam utilizados, a pastilha transferirá menos calor em watts.
20
Figura 9 – Esboço Construtivo do Módulo
4.4 Desempenho do Módulo O funcionamento do módulo termoelétrico como agente resfriador acontece pela remoção de uma taxa de calor ˙Qc de um lugar ou um aparato a
ser resfriado que se encontra à uma temperatura Tc. O calor líquido dissipado na extremidade quente é a soma do calor líquido absorvido na extremidade fria mais a potência elétrica aplicada. O coeficiente de performance (COP) usado definir a eficiência de refrigeração é definido como o calor líquido absorvido na extremidade fria dividido pela potência elétrica aplicada, e pode ser definida como:
Onde: COP = Coeficiente de Performance Qc = Calor Líquido Absorvido Pin = Potência de Entrada
e
Onde: Pin = Potência de Entrada Qh = Calor Dissipado Qc = Calor Líquido Absorvido
21
Figura 10 – Balanço de Energia
Sendo assim, o COP representa quantas vezes o calor é removido por unidade de potência de entrada. Usualmente, o valor encontrado para esse fator é entre 0.4 e 0.7 para aplicações com um módulo comum de simples estágio, ou de único módulo. Contudo, COP mais altos podem ser conseguidos via utilização de módulos feitos sob medida. Existe uma relação entre o COP, a figura de mérito Z e a diferença de temperatura imposta (dT ), tal relação é quantificada no gráfico.
Figura 11 - Curvas de COP versus dT, Analisadas de acordo com variações de Z
22
Pode-se comparar a eficiência de um módulo termoelétrico com o de um compressor refrigerador doméstico, tomando como base a máxima eficiência alcançada entre as temperaturas de trabalho: Th e Tc; definida pelo ciclo de Carnot. A Figura 2.18 mostra que um RTE tem uma eficiência de 5-10%, enquanto um compressor refrigerador tem a máxima eficiência em torno de 45%.
Figura 12 - Comparação Eficiência de Carnot Termoelétrico com o do Ciclo de Compressão a Vapor
4.5 Controle de Temperatura Nos refrigeradores-compressores convencionais, em geral, o controle de temperatura é conseguido por uma simples operação de ligar e desligar usando um sensor/interruptor de expansão térmica. Este tipo de controle de temperatura causa flutuações senoidais de temperatura, conforme se vislumbra na figura abaixo:
Figura 13 - Comparação da Variação de Temperatura Entre um Refrigerador - Compressor e um MTE
23
A distribuição da temperatura dentro do módulo é representada de acordo com a figura abaixo. Porém, tratando-se de refrigeradores termoelétricos, essas flutuações não ocorrem pelas seguintes razões:
Figura 14 - Distribuição de Temperatura Dentro de um MTE
A fim de minimizar a condução do calor através do módulo, um controle de temperatura que usa a técnica de PID (derivativo integral proporcional) deve ser empregado. O método permite o RTE operar em modo de grande capacidade de retirada de calor quando um resfriamento rápido é necessário e, também, operar em um modo de baixa da capacidade de retirada, quando só se deseja manter a temperatura, de forma a obter um consumo mínimo de energia. Consequentemente, a transferência de calor através do módulo de Peltier pode ser impedido, assim como o controle exato da temperatura da carcaça pode ser conseguido. Relata-se que a confiabilidade dos MTE pode ser reduzida significativamente ao impor vários ciclos de operação devido à uma tensão lateral induzida pela contração no lado frio e pela expansão no lado quente. Dessa forma, o uso do controle PID permite que os módulos de Peltier operem num modo relativamente baixo de estresse comparada com o modo ligadesliga repetido. Assim, o problema da confiabilidade pode ser minimizado
24
Como a capacidade de absorção de calor de um RTE é proporcional a potência de entrada, a taxa de absorção pode ser prontamente controlada alterando a potência de entrada de seus módulos. Esta flexibilidade permite aos MTE operarem de duas formas diferentes: um modo de grande capacidade de absorção, quando uma taxa de refrigeração rápida é requerida; e um modo de elevado COP, quando se preferir o menor consumo de energia. Além disso, o controle de PID pode ser prontamente incorporado ao computador para obter-se uma operação de refrigeração programável. Uma vantagem clara da operação programável é que a temperatura do refrigerador pode ser pré-ajustada e controlada convenientemente para obter um perfil de refrigeração requerido e um grau mais elevado de estabilidade. Um RTE com características programáveis fornece uma facilidade de refrigeração controlável que pode ser útil em uma variedade de aplicações, em particular, na medicina e na bio-tecnologia. Os controladores de temperatura são formados por uma série de placas de circuito conectadas em paralelo que fazem o ajuste de temperatura do módulo de forma automática, a abaixo representa um circuito eletrônico de controle de temperatura com oito placas em paralelo.
Figura 15 - Circuito Eletrônico de Controle de Temperatura
25
4.6 Efeito Peltier1 O efeito Peltier, responsável pela refrigeração termoelétrica, trata do surgimento de um gradiente de temperatura entre dois materiais diferentes quando expostos a uma tensão. A refrigeração termoelétrica baseada no efeito Peltier é ativada quando uma corrente direta é forçada através de um ou mais pares de materiais semicondutores do tipo-n e do tipo-p. Para obter a operação de resfriamento, a corrente deve passar do material semicondutor tipo-n para o tipo-p. Dessa forma haverá uma absorção de calor do ambiente e a temperatura da placa fria Tc diminuirá. Em termos de microanálise, o resfriamento ocorre quando elétrons passam do nível baixo de energia no semicondutor do material tipo-p através do condutor interconectado para um nível de energia mais elevado no material semicondutor tipo-n. O calor absorvido é transferido através dos materiais semicondutores por transporte eletrônico até a outra junção final que se encontra a temperatura quente Th, sendo liberado à medida que os elétrons retornam ao baixo nível de energia no material tipo-p. A este fenômeno dá-se o nome de Efeito Peltier.
Figura 16 – Conjunto de Termopares Ligados Eletricamente
O transporte eletrônico ocorre ao impor-se uma tensão. Os elétrons, do material que os contêm em excesso, fluem para o material que possui carência eletrônica, gerando um fluxo livre de elétrons (corrente elétrica). Tal comportamento observado é semelhante ao dos fluidos de trabalhos em ciclos de refrigeração por
1
Artigo Publicado por Diego Henrique Cunha De Souza, no Projeto de Graduação “Otimização Do Uso De Refrigeradores Termoelétricos Em Processos De Refrigeração” na Universidade de Brasília.
26
compressão ou por absorção. Sendo assim, eles aquecem um lado e refrigeram o outro, sendo necessária a interposição de um isolante térmico entre os mesmos com a finalidade de diminuir a condução de calor natural gerada pelo gradiente de temperatura.
4.7 Efeito Seebeck2 O Efeito Seebeck , que trata de um segundo fenômeno também importante na refrigeração termoelétrica. Quando uma variação térmica é estabelecida entre as interfaces mantidas a diferentes temperaturas do material semicondutor, uma força eletromotriz é gerada. A esta força eletromotora dá-se o nome de voltagem de Seebeck, a qual é diretamente proporcional à variação térmica. A constante de proporcionalidade é referida como coeficiente de Seebeck, parâmetro muito significativo para a efetividade de um material semicondutor já que avalia entraves impostos pela resistência à passagem de elétrons e fônons, assim como sua interação. Na verdade, esse efeito pode ser observado em qualquer junta de metais dissimilares. Porém, há materiais, como os semicondutores, em que a captação é mais eficiente. Na figura abaixo, o efeito Seebeck é esboçado de maneira simples.
Figura 17 – Efeito Seebeck
Uma demonstração da aplicação do Efeito Seebeck se faz na figura 18, em que dois reservatórios de água a temperatura diferentes aquecem um módulo termoelétrico, o qual gera uma diferença de potencial (d.d.p.) que fornece energia a um miniventilador.
2
Artigo Publicado por Diego Henrique Cunha De Souza, no Projeto de Graduação “Otimização Do Uso De Refrigeradores Termoelétricos Em Processos De Refrigeração” na Universidade de Brasília.
27
Figura 18 – Aplicação do Efeito Seebeck
Uma aplicação relevante do efeito Seebeck ocorre nos termopares, amplamente utilizados na engenharia. Eles obtêm uma corrente elétrica devido à variação de temperatura da junta bimetálica quando em contato com um corpo, por meio dessa corrente, pode se mensurar a temperatura deste corpo. Outra aplicação interessante é a obtenção de energia elétrica em veículos espaciais pela diferença de temperatura entre a parte exposta ao sol e a parte sombreada. Na figura 19, esboça-se a passagem dos elétrons nos termoelementos semicondutores que constituem o módulo.
Figura 19 - Fluxo de elétrons nos termoelementos
4.8 Pesquisas de Otimização Os pesquisadores desta área de conhecimento tem desenvolvido trabalhos para encontrar novos materiais (que aumentem a performance da
28
troca térmica) e novas utilizações para a tecnologia (pesquisa aplicada). Apresentamos a seguir nossa prospecção sobre os principais avanços nesta área.
4.8.1 Utilização automotiva Segundo o site de pesquisa de energias alternativas denominado greenoptimistic (www.greenoptimist.com/2011/05/25/bmw-gm-ford-thermeletric) alguns dos maiores fabricantes mundiais de automóveis (BMW, Ford e GM) assumiram o compromisso de equipar os carros de teste com o protótipos de dispositivos termoelétricos até o final do verão de 2011 para ver como eles vão se comportar.
Figura 20 – Experiências de Vans equipadas com pastilhas
Eles esperam que a eficiência nas SUVs (utilitários) e sedans equipados com pastilhas peltier poderão aumentar em até 5 por cento a economia do carro. Os dispositivos são feitos pela BSST em Irwindale, um manufaturador de pastilhas com sede na Califórnia e pela equipe de P & D global da General Motors.
Figura 21 - Diagrama da localização dos trocadores de calor
29
Utilizando novos materiais, como misturas de háfnio e zircônio, os dispositivos da BSST vão funcionar bem em temperaturas acima de 250 graus Celsius, temperatura que é o limite superior de uma pastilha termoelétrica usual de telureto de bismuto. Eficiências de cerca de 40 por cento foram mencionadas, o que denota bem uma tecnologia revolucionária. A abordagem que a GM está usando é a de uma outra classe de materiais termoelétricos, chamado skutterudites . Esses são mais baratos que os teluretos e diz-se trabalharem melhor a altas temperaturas. Algumas simulações de computador ainda rendem potências tão elevadas quanto 350 watts em um Chevrolet Suburban, o que pode melhorar a eficiência do veículo por cerca de 3%. A desvantagem de skutterudites é que é difícil incorporá-los em dispositivos, como diz o cientista da GM Gregory Meisner : “isso acontece por causa do grande gradiente de temperatura e o estresse mecânico sobre o dispositivo de contato termoelétrico ”.
"Neste momento, o dispositivo é apenas inserido no sistema de escape", diz Meisner: "A seção de tubo é cortado e o dispositivo, que se parece com um silenciador, é inserido. Precisamos projetar algo que é mais integrado ao sistema do veículo, em vez de um dispositivo add-on . Tenho certeza que com este passo fabricantes de automóveis serão capazes de aprender a integrar melhor os dispositivos termoelétricos em todos os tipos de carros. Em poucos anos (Meisner faz estimativas de quatro anos) eles poderão ser tão familiares a nós como catalisadores são agora ”.
Figura 22 Protótipos da californiana BSST
30
Alguns protótipos da fabricante BSST, que estão na fase de pesquisa prometem um grande avanço nesta tecnologia e a miniaturização dos módulos 3
Figura 23- recuperador de calor residual da BSST
O uso em sistemas de recuperação de calor através do ar também são possíveis e estão na fase embrionária de pesquisa:
Figura 24- Pesquisa de sistema de alta eficiência ar-ar (BSST)
4.8.2 Utilização em processos industriais Alguns pesquisadores estão desenvolvendo módulos baseados em Efeito Seebeck para recuperação de calor em fornos industriais e processos onde a energia é desperdiçada, como dutos e chaminés 4.
3
Segundo site http://www.bsst.com/heating-cooling-electronics.php#liquid_to_air acessado em 23.10.2011
4
Segundo site www.engenhalogia.wordpress.com visitado em 22.10.2011
31
Figura 25 - dispositivos para recuperação industrial de calor
Bem como em processos onde o efluente líquido do processo industrial pode gerar um fluxo de calor com outro efluente mais frio, como este gerador de 180 W da chinesa Thermonamic 5, que possui 16 pastilhas ligadas em série, e produz 96V DC e 3,8 A.
Figura 26- Gerador termoelétrico líquido -líquido
4.8.3 Utilizações avançadas Para demonstrar o quão avançadas podem ser as aplicações de microgeração termoelétrica de energia, transcrevemos a reportagem em que um pesquisador ganhou recentemente um prêmio internacional pelo seu trabalho, inicialmente acadêmico, e que hoje já virou uma patente:
5
http://www.thermonamic.com acessado em 22.10.2011
32
“No dia 16 de setembro de 2009, em Berna (Suíça), o engenh eiro Wulf
Glatz, PhD. pelo Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, recebeu o Swisselectric Research Award 2009 pelo desenvolvimento de micro- geradores termoelétricos flexíveis. Para evitar confusões: um microgerador termoelétrico funciona segundo um princípio diferente de uma usina termoelétrica. Enquanto esta se utiliza de algum combustível (gás, carvão, urânio) para, por exemplo, ferver água e fazer girar uma turbina, o gerador termoelétrico propriamente dito transforma calor em eletricidade sem qualquer processo intermediário – no caso citado, o aquecimento da água. O “efeito Seebeck” é causado pelo aumento de portadores de
carga (elétrons livres ou imperfeições em arranjos atômicos, como defeitos Frenkel, por exemplo) em metais e materiais semicondutores em função do aumento de temperatura e sua posterior difusão, devido ao gradiente térmico.
Figura 27 - Funcionamento do "efeito Seebeck".
No
entanto,
a
grande
contribuição
de
Wulf
Glatz
ao
amadurecimento da tecnologia de geradores termoelétricos foi a de conceber e construir um dispositivo pequeno, versátil, flexível (facilidade de aplicação) e sem partes móveis (baixos custos de manutenção), cujo protótipo já era dez vezes mais barato e 30 vezes mais eficiente do que
33
as máquinas atualmente existentes. Ao substituir a liga de níquel-cobre (Ni-Cu) utilizada por uma de telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ), a geração de potência elétrica observada foi duas vezes maior do a maior potência já observada em dispositivos segundo esse princípio. Para fazer seu projeto chegar ao mercado, o inventor já fundou sua companhia – a greenTEG. Por ora, seu produto não funciona em faixas de temperatura como a do corpo humano. No entanto, tal objetivo encontra-se entre os próximos a serem alcançados, juntamente com a possibilidade de se reverter o processo – transformando eletricidade diretamente em calor (fenômeno conhecido como efeito “Peltier”).
Figura 28 - protótipo do green TEG Sistemas como o de Wulf Glatz consistem, portanto, em uma das mais promissoras formas de geração de energia não-poluente. Soma-se a isso o fato de o greenTEG resfriar ambientes ao sequestrar calor, gerando ao invés de gastar energia para fazê-lo. Além disso, sua motivação é um exemplo bem sucedido da extensão de um projeto inicialmente acadêmico ao mercado ” 6 .
4.8.4 Utilização em Iluminação Segundo exaustivas pesquisas pela rede internet, o uso de geradores termoelétricos para utilização em iluminação ainda não existe como 6
Extraído de http://engenhalogia.wordpress.com/2009/10/05/efeito-termoeletrico/ acessado em 25.10.2011
34
metodologia científica, portanto, passamos a rever alguns tópicos do tema Iluminação, para fundamentar a nossa aplicação presente. A iluminação numa casa é responsável por cerca de 10 a 15% do consumo de eletricidade total da habitação, o que corresponde a uma emissão anual de 450g de CO 2 equivalente (450 000 000 000 g) 7. A escolha da iluminação correta para cada divisão, tendo em conta o tipo de atividades que se realizam em cada espaço, é muito importante para um maior conforto e um consumo mais racional de energia, traduzindo-se numa redução da fatura da luz, ao final do mês. O uso de lâmpadas tecnologicamente mais eficientes permite poupar dinheiro, por consumir menos energia, e ao poupar energia estaremos preservando o ambiente. A mudança do tipo de lâmpadas utilizadas é cada vez menos restringida, graças à adaptação das “novas” lâmpadas ao sistema das incandescentes.
Atualmente é obrigatória a presença da etiqueta de eficiência energética nas embalagens das lâmpadas, como forma de distinguir as lâmpadas que são mais eficientes (do ponto de vista energético), das que são menos eficientes. É também muito importante reparar na sua classificação quando têm a designação de ecológicas/econômicas, pois existem no mercado lâmpadas com esta designação que têm uma baixa eficiência energética (classe D ou até menos). É preciso ter também atenção à potência de lâmpadas que é indicada para cada luminária, sob pena de degradá-los rapidamente. É preferível utilizar menos lâmpadas, mas com maior potência: uma lâmpada de 100 Watts consome a mesma energia que 4 de 25 Watts, mas produz aproximadamente o dobro da luz. No entanto a melhor opção é a utilização de uma lâmpada fluorescente compacta que, com uma menor potência, atinge o mesmo grau de iluminação.
4.9 Tipos de Lâmpadas8 Lâmpadas fluorescentes 7
8
Extraído do artigo publicado no blog Sala de Estar em Junho de 2008 e acessado em 15.10.2011
Artigo Publicado no Site http://www.ecocasa.pt em Outubro de 2009 e acessado em 15.10.2011
35
As lâmpadas fluorescentes podem ser classificadas de acordo com o seu formato: as mais vulgares são geralmente utilizadas nas cozinhas e designam-se por Lâmpadas Fluorescentes Tubulares. As Lâmpadas Fluorescente Compactas não são mais do que uma lâmpada fluorescente miniaturizada que se destina a substituir as vulgares lâmpadas incandescentes. Tubulares Estas lâmpadas são muito utilizadas, pois proporcionam uma boa iluminação com pouca potência e baixo consumo energético, sendo as mais adequadas para locais com necessidades de longa iluminação. Estas lâmpadas têm uma elevada eficácia e um período de vida muito elevado (cerca de 12.000 horas), permitindo economizar energia em até 85 %, dependendo do modelo e da potência.
Figura 29 – Lâmpada Fluorescente Tubular
Compactas As lâmpadas fluorescentes compactas apresentam as mesmas vantagens das tubulares e têm uma instalação compatível com as roscas tradicionais usadas para as lâmpadas incandescentes. São especialmente recomendadas quando se necessita de utilização contínua por períodos de tempo superiores a 01 hora. Existem lâmpadas indicadas para zonas de descanso (branco quente) e outras adequadas para zonas de atividade (branca fria). Estas lâmpadas têm um número elevado de horas de utilização, de 6 a 15 mil horas, e já estão preparadas para um número elevado de ciclos de ligar e desligar.
36
Figura 30 – Lâmpadas Fluorescentes Compactas
Díodos Emissores de Luz (LEDs) A redução do consumo de energia elétrica na iluminação passa indiscutivelmente pela utilização de LEDs. Atualmente já existem LEDs com potências equivalentes às lâmpadas incandescentes. Estas lâmpadas têm um preço mais elevado que as lâmpadas fluorescentes compactas, mas têm um período de vida muito superior (20 a 45 mil horas em oposição a 6 a 15 mil horas).
Figura 31- Lâmpadas de LEDs
Lâmpadas de halogênio As lâmpadas de halogênio têm tido uma melhoria na sua eficiência energética. Atualmente já existem lâmpadas 20 a 60% mais eficientes que as tradicionais, e com um tempo de vida útil também superior que pode atingir as 5.000 horas de utilização. Estas lâmpadas têm um funcionamento semelhante ao das lâmpadas incandescentes. No entanto, apresentam a vantagem de conseguirem recuperar o calor libertado pela lâmpada, reduzindo a necessidade de eletricidade para manter a sua iluminação. Estas lâmpadas emitem uma claridade constante. Outra vantagem deste tipo de lâmpadas, quando comparadas com as lâmpadas incandescentes, é a possibilidade de orientação da emissão de luz segundo diversos ângulos de abertura.
37
Figura 32 – Lâmpadas Halogéneas
Lâmpadas Incandescentes Este tipo de lâmpada está ainda muito presente nas habitações. Este é. no entanto o tipo de iluminação com menor eficiência luminosa (15 lm/W) e com o menor tempo de vida média (cerca de 1 000 horas).
Figura 33 – Lâmpada Incandecente
A sua baixa eficiência em relação aos restantes tipos de lâmpadas devese ao fato de converterem a maior parte da eletricidade (90 a 95%) em calor e apenas uma percentagem muito reduzida (5 a 10%) em luz. Daí ficarem bastante quentes muito pouco tempo após terem sido acesas. A sua elevada ineficiência conduziu a que a União Europeia aprovasse uma diretiva com o objetivo de retirar estas lâmpadas do mercado. Este processo teve início em 2009 com o seguinte calendário de proibição de venda: Lâmpadas acima de 80W proibidas a partir de 1 de Setembro 2009; Lâmpadas acima de 65W proibidas a partir de 1 de Setembro 2010; Lâmpadas acima de 45W proibidas a partir de 1 de Setembro 2011; Lâmpadas acima de 7W proibidas a partir de 1 de Setembro 2012.
38
Partimos de experiências pesquisadas na internet (de boa eficiência porém elevadas temperaturas) para projetar esse nosso conjunto, onde o objetivo essencial é reaproveitar qualquer energia térmica residual para gerar energia elétrica e avaliar se este aproveitamento é viável termo economicamente. A montagem inicialmente concebida para simulação (um circuito hidráulico com chuveiro elétrico, um ralo coletor e um bombinha de recirculação), foi substituída no início das montagens, pois não se tornava prática para alterações de temperaturas e vazões. No seu lugar criamos um dispositivo hidráulico com 02 compartimentos, para fazer circular dois sistemas hídricos de temperaturas dissimilares (um simulando a água quente e outro simulando a água fria). Futuras alterações de quais fluídos usar, como aproveitar os gases exaustos de aquecedores à gás, podem fazer as pastilhas terem um desempenho ainda melhor.
5.1 Instrumentação Utilizada Todos os testes estão sendo realizados ao decorrer da construção do protótipo com auxilio de multímetro/amperímetro e termômetro digital onde está sendo coletado dados de tensões, corrente e temperatura e analisando o comportamento da pastilha em relação a variação de temperatura.
Figura 34 – Multímetro - Amperímetro Digital Minipa ET - 1110
39
Figura 35 – Termômetro Digital Tipo Vareta Minipa
Aquecedor elétrico para elevação das temperaturas da água quente, utilizado por aquaristas e adquirido em loja do ramo
Figura 36 - Aquecedor elétrico simulando chuveiro
5.2 Montagem do Protótipo A metodologia é usar um pequeno kit construído em tubos de alumínio (um para a água fria de entrada e outro para a água quente residual) e conexões pneumáticas comerciais, como forma de estabelecer o lado frio e o lado quente da célula de Peltier. A célula deverá ficar rigidamente fixada entre duas placas planas de alumínio, formando a junção termoelétrica requerida pela tecnologia Peltier, registrar os passos para construção e montagem do protótipo e coletar dados sobre o comportamento da pastilha termoelétrica com diferentes temperaturas e demonstrar dados das variações de tensões e corrente de acordo com as temperaturas aplicadas na pastilha. Utilizamos uma bomba de recirculação retirada de uma processadora de análises clínicas velha, como forma de manter homogênea a água no circuito quente, simulando a fonte de energia residual.
40
Montamos e adaptamos (reforçamos a capacidade de corrente) de uma fonte de corrente contínua existente, como forma de alimentar a bomba de recirculação de água quente residual. Alternativamente, utilizamos uma fonte de alimentação de CPU que gerasse 12 VDC e com uma boa capacidade de corrente (10 A), para experimentar a alimentação de uma das 03 células de Peltier compradas, para que a mesma gerasse duas superfícies com diferenças de temperaturas significativas, para apropriar os dados de tensão e corrente das outras 02 células restantes.
Figura 37 - montagem do protótipo em bancada
Na foto podemos ver as 03 pastilhas Peltier entre os 02 tubos de alumínio (trocadores de calor) e as tubulações que levam os fluídos frio e quente aos seus respectivos circuitos. Ao fundo aparece o sistema de circulação e bombeamento de água quente, com a resistência simulando uma fonte de aquecimento, o termômetro mergulhado no banho, a bomba de 24 VDC e sua respectiva fonte de alimentação. Em primeiro plano aparece a medição da tensão elétrica gerada pelas pastilhas e uma fonte chaveada 12 VDC que usamos para injetar tensão em uma das pastilhas (a central), para
41
experimentar se a mesma gerava um fluxo de calor e frio para aumentar a diferença de temperatura que estávamos tendo (para mais de 65 ºC). O módulo trocador do nosso projeto está apoiado sob um bloco de gelo o que garantiu temperaturas na parte fria em torno de 15 a 20 ºC, similares as encontradas em água corrente no nosso clima.
5.3 Controlador de Carga Este dispositivo9 destina-se sobretudo a proteger as baterias, regulando a carga especifica e atuando de modo a proteger a bateria de sobrecargas. É utilizado entre a fonte de energia (módulos fotovoltaicos, painéis fotovoltaicos) e as baterias. Quando a bateria fica com a carga máxima, o regulador de carga desvia a corrente com origem na fonte de energia (pastilhas Peltier) para outra utilização ou simplesmente evita que as baterias continuem a carregar.
Figura 38 – Circuito do Controlador de Carga
No estágio atual do projeto tivemos que adquirir os microprocessadores deste circuito no mercado internacional (Farnell Newark) pois não foram
9
Circuito Publicado no Site http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/22/36/ em Outubro de 2007.
42
encontrados no mercado local. Isto fez com que a etapa de regulação ficasse para uma continuação do projeto, já que a demora na chegada dos componentes (greve dos correios) impediu a validação do circuito, projetado inicialmente para painéis solares. Como inicialmente cremos que as tensões obtidas ainda não ultrapassarão os 10-12 VDC, não teremos perdas significativas nos resultados esperados.
43
5.4 Custos Aproximados Não se pode medir exatamente os custos envolvidos num projeto deste tipo, não só por envolver alguns componentes já adquiridos para experiências anteriores, bem como por saber que uma pesquisa científica envolve custos de montagem que não existirão em um projeto de uso comercial da tecnologia. Só para constar, descrevemos alguns dos valores até agora desembolsados:
Material
Quantidade
Local
Valor
Tubo de Alumínio Componentes Eletrônicos Componentes Eletrônicos Controladores Farnell Pastilha Peltier Aquecedor de Aquário Lâmpada LED Total
1,50 Metro divs divs divs 3 Unidades 1 Unidade 1 unidade
Ferro Velho Severo Roth Radional Farnell Mercado Livre Aquarista Severo Roth
R$ 15,00 R$ 21,50 R$ 23,50 RS 32,50 R$ 90,00 R$ 13,50 R$ 12,00 R$ 208,00
6 Resultados Conseguimos através do sistema protótipo tensões de até 7,0 VDC e correntes de até 800 mA. Estes parâmetros foram para uma diferença de temperatura em média de 65ºC. Estes valores já são suficientes para alimentar um circuito elevador de tensão DC-DC que possa alimentar uma ou mais baterias instaladas no controlador de carga mencionado no capítulo 5.3 . Nossa projeção (baseada nos gráficos apresentados no referencial teórico) é a de que, em aquecedores à gás, com o módulo colocado na saída dos gases da chaminé (parte quente) e a parte fria na rede de alimentação d’água do aparelho , as tensões irão chegar a 14,5 V e as correntes poderão passar dos 2.200 mA.
44
7 Conclusões Todos os dados extraídos da experimentação prática, mesmo que ainda em fase de desenvolvimento, nos levam a crer na plena possibilidade de, em futuro muito próximo, seja possível disseminar a utilização de módulos microgeradores de energia termoelétrica para uso doméstico, como forma de garantir uma melhor eficiência no uso da energia. Em indústrias que possuem processos onde existem geração de calor e por consequência o seu desperdício, também vemos uma fonte potencial de uso de um economizador baseado neste nosso projeto. Nos casos de automotiva e eletrônica embarcada, as próprias montadoras de automóveis já estão com suas unidades de pesquisa e desenvolvimento trabalhando nesta linha de inovação, o que nos dá certeza da plena viabilidade técnica e econômica desta idéia de economizadores energéticos baseados na microgeração termoelétrica.
