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�rea Cient�fica: Electrónica e Instrumentação
Reaproveitamento de calor em automóveis para geração de energia eléctrica
Publicada a 2012-02-02
Aluno: Romeu Filipe Pereira da Rocha N�mero: 33037 Email: a33037@alunos.uminho.pt
Data in�cio: 01/10/2009 Data Conclus�o: 29/09/2011

Orientador(es):
Nome: Luis Miguel Valente Gonçalves Email: lgoncalves@dei.uminho.pt

Arguente(s):
Nome: Luis Gonçalves Email: lgoncalves@dei.uminho.pt
Data da defesa: 29/09/2011

vers�o electr�nica

Descri��o:

Dispositivos para realizar a conversão de energia térmica em energia eléctrica (geradores termoeléctricos) e energia eléctrica em energia térmica (dispositivos de arrefecimento/aquecimento por efeito Peltier) são utilizados há vários anos em aplicações específicas, devido à sua elevada fiabilidade. No entanto, o seu rendimento é ainda muito reduzido, pelo que são apenas utilizados quando o rendimento não é o factor mais relevante. Uma aplicação que tem renovado o interesse nos materiais termoeléctricos é a sua utilização para recuperar parte da energia térmica desperdiçada nos motores de combustão pois a energia térmica perdida nos gases de escape pode mesmo exceder a energia útil mecânica. Considerando a potência (em baixa carga) de um automóvel (10 kW) com um rendimento de 25%, considerando as perdas do motor pelo circuito de arrefecimento e outras perdas térmicas, mais de 15 kW de energia térmica estão disponíveis no escape. A temperatura dos gases de escape é, no entanto, muito elevada para que possam ser utilizados os geradores termoeléctricos comerciais. Estes geradores, baseados em compostos de Bismuto (Bi), Telúrio (Te) e Antimónio (Sb), suportam temperaturas até 200 ºC, com fluxos de calor que não vão além dos 10 W/cm2 relativamente à energia térmica. No entanto, a temperatura dos gases de escape pode exceder os 600 ºC, destruindo os conversores termoeléctricos comerciais de Bi, Sb e Te. Os compostos de Silicio-Germânio (Si-Ge) suportam esta temperatura, apesar de possuírem propriedades termoeléctricas muito inferiores. A utilização destes materiais em dispositivos de filme fino permite aumentar o fluxo de calor, podendo chegar aos 500 W/cm2, reduzindo a dimensão e o custo dos dispositivos. No entanto, o desenho de dissipadores para esta densidade de energia é impraticável e um compromisso entre os dispositivos de filme fino e os dispositivos comerciais terá de ser considerada nesta aplicação.

Objectivos:

Projectar simular, construir e caracterizar um protótipo para geração de energia eléctrica, utilizando a energia térmica desperdiçada na exaustão de motores de combustão, recorrendo ao efeito Seebeck de dispositivos termoeléctricos.

Tarefas

1- Estudo dos dispositivos de efeito Seebeck e Peltier. 1 mês

Como funcionam

Como modelar (matematicamente) o seu comportamento térmico/electrico, nomeadamente:

Tensão/corrente gerada, em função da temperatura

Calor absorvido

Rendimento

Como as carateristicas (numero de junções, comprimento de cada elemento, propriedades dos materiais, ...) influenciam o comportmento dos dispositivos.

Quais as condições de funcionamento? Temperatura máxima? Dilatação?

2- Estudo do estado da arte. 1 mês

O que já foi feito?

Como foi feito?

Que resultados foram obtidos?

Que problemas foram detectados?

Deliverables (até 30 Nov)

Texto sobre estado da arte, a incorporar posteriormente na tese.

3- Caracterização do sistema de exaustão do automóvel, em particular caudal e temperatura dos gases. 1 mês

Obter caudal típico e temperatura dos gases de escape para um motor a gasolina, a circular em diversas situações?

Qual a potência térmica disponível?

Qual o local do sistema de exaustão mais adequado para a instalação do dispositivo gerador?

Obter informações obre banco de ensaio de motores disponível no dep. de mecânica.

Deliverables (até 31 Dez)

Texto caracterização do sistema de exaustão, a incorporar posteriormente na tese.

4- Projecto e simulação de um gerador termoeléctrico para aproveitamento de calor. 3 meses

Projectar um dispositivo gerador.

Prever matematicamente o seu comprtamento.

Simular o seu comportamento termoeléctrico com ferramentas FEM.

Simular o seu comportamento termo-mecanico com ferramentas FEM.

Aquisição de material para fabrico do protótipo.

Deliverables (até 31 Março)

Capítulo Modelação e Simulação da tese, que inclui:

Projecto do dispositivo gerador.

Modelo matemático para prever a potência de saída, em função do caudal/temperatura dos gases ou velocidade/potência do motor de combustão.

Validação do modelo anterior com FEM

5 -Desenho e fabrico de um gerador termoeléctrico. Testes e caracterização do dispositivo. 3 meses

Fabrico do dispositivo gerador.

Testes e caracterização.

6- Optimização. 1 mês

Alterações ao protótipo para optimização de desempenho.

Deliverables (até 31 Julho)

Protótipo e seus resultados.

7 -Escrita de relatório e artigo. 1 mês

Deliverables (até 30 Setembro)

Tese de dissertação

Apresentação em conferência e/ou artigo em revista.