A Eletricidade Global

Introdução

Cerca de 15% da eletricidade global é consumida por vários processos de refrigeração e ar-condicionado, e 46% da energia utilizada em edifícios domésticos e de negócios é atribuída ao aquecimento, ventilação e sistemas de ar-condicionado em 2011 (2011 Building Energy Data Book). A conservação de energia em edifícios é de grande significado hoje em dia. Por outro lado, as preocupações das pessoas sobre o conforto térmico e qualidade do ambiente interior são cada vez maiores. É inaceitável sacrificar o conforto térmico para a conservação de energia. Nesta situação sistemas termoelétricos podem ter significativa atenção porque eles podem gerar frio/calor enquanto eles podem reduzir o consumo de energia.

Sistemas de ar condicionado convencionais, tais como de volume variável, fornece o ar quente ou frio para espaços para remover cargas térmicas. No entanto, os sistemas termoelétricos de ar-condiconado removem as cargas térmicas sensíveis através de radiação e convecção. Corina (Corina) descobriram que empregar um sistema de termoelétrico  em vez de um sistema convencional  de ar condionado poderia economizar em média 30% do consumo de energia em um edifício comercial na Califórnia.

Este trabalho propõe um sistema que adota módulos termelétricas (TEM) em vez  do sistema convencional de refrigeração por compressão. O princípio de funcionamento do TEM é efeito Peltier que ocorre em materiais termoeléctricos. Ao tomar corrente elétrica, TEMs pode transferir o calor contra o gradiente de temperatura por transporte de elétrons. Portanto, TEM pode absorver o calor do ambiente no lado da baixa temperatura, transferir o calor por transporte de elétrons para o lado de alta temperatura e liberar o calor para o ambiente, utilizando corrente elétrica  (Riffat & Ma). TEMs não usam CFCs como  fluidos de trabalho e não contêm parte móvel. Devido à sua alta confiabilidade e flexibilidade na embalagem e integração, tamanho compacto, livre de poluição e peso leve, TEMs têm sido amplamente utilizados para o resfriamento aquecimento para fins militares, aeroespaciais, e indústriais (Rowe).

2. Visão sobre a tecnologia termelétrica

2.2. Princípio de funcionamento de arrefecimento e aquecimento termelétrico

Módulos termoelétricos (TEM) utilizam material termoelétrico no estado sólido que converte energia elétrica em gradiente de temperatura (efeito Peltier). Durante a operação, corrente elétrica passa pelo TEM para criar diferença de temperatura, transferindo calor entre suas extremidades. Atualmente, um único TEM é capaz de produzir uma diferença de temperatura de até 70K.

Ao contrário de outros sistemas de refrigeração, os sistemas termoelétricos não possuem peças móveis. Seu estado sólido garante alta confiabilidade e durabilidade. Tais sistemas podem atingir temperaturas de resfriamento de até -100°C, utilizando módulos termoelétricos em cascata. Permitem também o controle de temperatura com precisão de até ±0,01°C em regime permanente. Outra característica dos sistemas termoelétricos é a possibilidade de aquecer ou resfriar mudando apenas o sentido da corrente (Laird Technologies, 2010).

Considere inicialmente que o semicondutor é do tipo n . Ao ser aplicada uma tensão elétrica, corrente irá escoar de uma placa metálica  para a outra através do semicondutor. O elétron, para passar da placa metálica da extremidade fria, como mostrado na Figura 8c, precisa superar a barreira de energia, criada pela diferença entre a energia (Eg) do elétron na banda de valência do metal e a energia necessária para o elétron alcançar o nível doador na banda de condução do semicondutor. Os elétrons com mais energia vencem esta barreira absorvendo calor nesta região e fluem para a outra interface metal-semicondutor através da banda de condução. Na outra interface, mostrada na Figura 8d, i.e. a extremidade quente, não existe barreira de energia para o elétron, que passa para o metal dissipando calor.(OLIVEIRA)

[pic 1]

Quando as duas extremidades de um fio  mantem uma diferença de temperatura (∆T), uma tensão (U) é gerado entre as duas extremidades. Este fenômeno é conhecido como efeito Seebeck é definida por:

[pic 2]

Onde  ˛ é o coeficiente de Seebeck (VK-1), que é determinada pelas propriedades do material do fio e T é a diferença de temperatura (K). O efeito Seebeck é o princípio de funcionamento do amplamente usados termopares para a medição de uma diferença de temperatura.[pic 3]

Quando uma corrente eléctrica (I) (A) passa através do mesmo fio , a corrente vai converter a energia eléctrica em uma temperatura gradiente de modo que a temperatura de uma extremidade diminuie o outra extremidade aumenta , que é conhecido como o efeito de Peltier  pode ser definida por

[pic 4]

Onde  é o coeficiente de Peltier (V) e Q é o calor de Peltier (W). O efeito Peltier é o oposto do efeito Seebeck. O coeficiente Peltier () representa o produto do coeficiente de Seebeck () do material do fio e  a temperatura absoluta (T) (K), como mostrado na Eq. (3).        [pic 5][pic 6][pic 7]

[pic 8]

Desde que o calor pode ser transferido contra o gradiente de temperatura de acordo com o efeito de Peltier, a extremidade fria do fio  é capaz de absorver o calor para arrefecimento, a extremidade quente é capaz de libertar calor para o aquecimento. No entanto, o uso do efeito Peltier para refrigeração e aquecimento era raro antes de materiais semicondutores apareceu, porque os coeficientes de Peltier de condutores anteriores foram tão baixo que o calor Peltier é dominado pelo calor Joule. O calor de Joule é o calor gerado internamente devido à resistência de um condutor, quando uma corrente passa.

A unidade de funcionamento básico de aquecimento de arrefecimento termoeléctrico é o elemento termelétrico, o qual consiste de um par de semicondutores tipo n e do tipo p , como mostrado na Fig. 1 (a). Gradiente de temperatura é construído para os dois lados de um elemento termelétrico, quando uma corrente passa directos do semicondutor do tipo n para o condutor (cobre) , em seguida, a partir do condutor para o semicondutor do tipo p. A temperatura na junção (lado frio) diminui o calor é absorvido a partir do ambiente. Enquanto isso, a temperatura na outra junção (face quente) aumenta o calor e é rejeitado para o ambiente. Invertendo os lados quente e frio pode ser facilmente conseguida através da inversão do sentido da corrente. As capacidades de refrigeração e aquecimento de um elemento termelétrico são geralmente muito baixa; por conseguinte, uma série de elementos termoeléctricos são montados para formar um módulo termoeléctrico (MET). TEMs são também conhecidos como bombas de calor ativos de estado sólido porque seus lados frias e quentes lados pode ser alternado, invertendo a direção atual. Uma única fase MET é montada, ligando um número de elementos termoeléctricos electricamente série, mas termicamente paralelo ensanduichada entre duas placas de cerâmica, como se mostra na Fig. 1 (b).