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�rea Cient�fica: Sistemas de Energia
Reaproveitamento de calor em automóveis para geração de energia eléctrica utilizando módulos termoelétricos
Publicada a 2013-01-22
Aluno: Diogo Amaral de Sousa N�mero: 48007 Email: a48007@alunos.uminho.pt
Data in�cio: 01/11/2011 Data Conclus�o: 12/12/2012

Orientador(es):
Nome: Francisco Carrusca Pimenta de Brito Email: francisco@dem.uminho.pt
Nome: Luis Miguel Valente Gonçalves Email: lgoncalves@dei.uminho.pt

Arguente(s):
Nome: Armando Luís Sousa Araújo   Email: asa@fe.up.pt
Nome: Jorge José Gomes Martins   Email: jmartins@dem.uminho.pt
Data da defesa: 12/12/2012

vers�o electr�nica

Descri��o:

Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases com efeito de estufa, que provocam problemas bem conhecidos como alteração climática e poluição atmosférica incomportáveis a curto/médio prazo, surgiu a necessidade de diminuir a dependência do uso de combustíveis fósseis e consequente emissão de CO₂ resultante da sua queima. Sabendo que os carros são as maiores fontes não naturais de CO₂ (gás responsável por 50% do efeito de estufa) do planeta, surgiram normas internacionais que obrigam os fabricantes de automóveis a desenvolver as suas máquinas tendo em conta que não podem exceder uma determinada quantidade desse gás (em gramas) por quilómetro (g/km), limite esse que vai diminuído gradualmente ao longo do tempo até ser alcançado um objetivo considerado razoável. Observando todos estes fatores e restrições que a natureza indiretamente nos impõe, somos "obrigados" a evoluir tecnologicamente de forma a mantermos e até acrescentarmos funcionalidades nos nossos produtos sem exceder estes limites.

Tendo em conta todos os aspetos referidos, que são o contexto fundamental desta dissertação, apresenta-se o desenho e fabrico de um gerador termoelétrico capaz de reaproveitar o calor proveniente do escape dos automóveis para geração de energia elétrica. Para construir o gerador termoelétrico, utiliza-se conversores termoelétricos que funcionam segundo o efeito Seebeck, ou seja, expondo as faces do conversor termoelétrico a uma diferença de temperatura obtém-se uma diferença de potencial elétrico. Tendo em conta que os conversores termoelétricos não suportam a temperatura que os tubos de escape dos automóveis atingem, tem de se recorrer a sistemas de transferência de calor com a capacidade de controlo e redução da temperatura, os Heat Pipes. Estes sistemas de transferência de calor consistem num tubo fechado onde circula um fluido (fluido de trabalho). Numa das extremidades o tubo recebe o calor até o fluido atingir o seu ponto de ebulição, o fluido no estado gasoso sobe pele tubo até atingir um condensador de arrefecimento que o faz condensar, regressando ao estado líquido novamente e descendo pelo tubo. Isto repete-se ciclicamente, sendo o tubo caminho de transferência de calor para o gerador termoelétrico (face quente). Na face oposta do conversor tem-se um sistema de refrigeração que ajuda a criar a diferencia de temperatura desejável ao funcionamento do Sistema. Os principais parâmetros a alterar de forma a otimizar este sistema são: a pressão dentro do tubo, bem como o fluido que nele circula.

Objectivos:

Objetivos

Caracterizar o protótipo já existente utilizando diferentes pressões no interior do heat pipe, bem como diferentes caudais de gases de escape. Projetar simular, construir e caracterizar um novo protótipo para geração de energia elétrica, utilizando a energia térmica desperdiçada na exaustão de motores de combustão, recorrendo ao efeito Seebeck de dispositivos termoelétricos.

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 características (numero de junções, comprimento de cada elemento, propriedades dos materiais, ...) influenciam o comportamento dos dispositivos.

Quais as condições de funcionamento? Temperatura máxima? Dilatação?

1. Estudo do estado da arte. 1 mês

O que já foi feito?

Como foi feito?

Que resultados foram obtidos?

Que problemas foram detetados?

Deliverables

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

1. 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

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

1.Caracterização do protótipo do gerador termoelétrico já existente. 1 mês

Caracterizar o gerador existente utilizando diferentes pressões no interior do heat pipe.

Caracterizar o gerador existente utilizando diferentes caudais de gases de escape

1. Projecto, simulação e fabrico de um gerador termoeléctrico para aproveitamento de calor. 4 meses

Projetar um dispositivo gerador.

Prever matematicamente o seu comportamento.

Simular o seu comportamento termoeléctrico com ferramentas FEM.

Simular o seu comportamento termomecânico com ferramentas FEM.

Aquisição de material para fabrico do protótipo.

Fabrico do dispositivo gerador.

Testes e caracterização.

Deliverables

Capítulo Modelação e Simulação da tese, que inclui:

Projeto 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

1. Otimização. 1 mês

Alteração ao protótipo para otimização de desempenho.

Deliverables

Protótipo e seus resultados.

1. Escrita de relatório e artigo. 1 mês

Deliverables

Tese de dissertação

Apresentação em conferência e/ou artigo em revista

Palavras chave:
Conversor Termoelétrico (TEG), Peltier, Seebeck, Heat Pipe