Termoeletricidade

I  SEMINÁRIO  TÓPICOS  EM  FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA - FATECS ENGENHARIA ELÉTRICA[pic 2]

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Brasília - DF

GRUPO - TERMOCEUB

GRUPO DE ESTUDO DE TERMOELETRICIDADE DO UNICEUB- TERMOCEUB

TERMOELETRICIDADE

Calebe Leal

RESUMO

A Termoeletricidade, assunto desenvolvido nessa unidade, é a ciência que estuda a transformação de energia térmica em elétrica e vice-versa, de forma direta. Sendo desta forma uma fonte de energia renovável importante, à medida que, cada vez mais, necessitamos de fontes alternativas e limpas de energia. A termoeletricidade vem sendo desenvolvida e estudada desde o século XIX por Seebeck e hoje vemos sua aplicação e toda a tecnologia envolvida em seus dispositivos.

PALAVRAS-CHAVE

Termoeletricidade, Seebeck, Peltier, Thomson

1.0 - INTRODUÇÃO

Nesse trabalho será abordada quanto à tecnologia usada como fonte de energia renovável, a termoeletricidade. No decorrer, esta unidade será embasada no contexto histórico de sua evolução e desenvolvimento, nas tecnologias empregadas nos dispositivos, os efeitos físicos presentes no seu funcionamento e por fim, onde são aplicados nos dias de hoje.

Ao falarmos de termoeletricidade temos por obrigação tratar dos efeitos Seebeck, Peltier e Thomson, os quais iremos abordar, explicar o funcionamento e exemplificar as aplicações. Com este artigo temos como proposta apresentar a termoeletricidade, como uma tecnologia viável e usual nos dias de hoje, e uma alternativa considerável, tratando-se de energias renováveis.

2.0 - CONTEXTO HISTÓRICO DA UTILIZAÇÃO DE COMPONENTES TERMOELÉTRICOS

O efeito Seebeck foi descoberto em 1821 pelo físico Thomas Johhan Seebeck onde baseia-se na ideia da geração de uma tensão elétrica, a partir da diferença de temperaturas em junções terminais de condutores ou semicondutores de materiais diferentes.

Após 13 anos que o efeito Seebeck foi descoberto; o efeito Peltier foi observado por Jean Charles Athanase Peltier em um experimento envolvendo um termopar de bismuto/antimônio. Nesse experimento eram introduzidas correntes elétricas de pequena carga no termopar. Foi observado que quando a corrente atravessava a junção dos dois metais diferentes em uma determinada direção, a junção absorvia energia na forma de calor do ambiente. E quando se invertia o sentido da corrente, a junção aquecia o ambiente. Porém Peltier não explicou os motivos físicos do que foi observado e nem o porquê do mesmo não obedecer à lei de ohm.

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Em 1838, Emil Lenz realizou um experimento em que congelou um determinado volume de água ao passar uma corrente elétrica pela junção de bismuto e antimônio e logo após descongelou o mesmo ao inverter o potencial. No ano de 1857, William Thomson Kelvin relacionou a geração do gradiente de temperatura com a corrente elétrica imposta no semicondutor.

O físico J.W. Rayleight em 1885 esboçou a possiblidade de usar dispositivos termoelétricos como geradores de eletricidade, porém devido à baixa eficiência constatada, o projeto foi parado. Em 1911 Edmund Altenkirch desenvolveu a teoria básica da termoeletricidade e dos termoelementos, teoria a qual visava melhorar a eficiência de refrigeradores termoelétricos.

O advento dos módulos termoelétricos ocorreu nos anos 50 com o desenvolvimento dos materiais semicondutores, e a partir disso, veio o crescimento da variedade de aplicações desses módulos.

1. - TECNOLOGIAS EMPREGADAS NOS DISPOSITIVOS

1. Módulo termoelétrico

Um módulo é constituído por um grande numero de termopares ligados em série. Mais de um par de semicondutores são montados juntos para dar forma a um dispositivo termoelétrico (módulo). No módulo, cada um dos semicondutores é chamado termoelemento e um par dos termoelementos é chamado de termopar. Os dispositivos de Peltier, também conhecidos como pastilhas termoelétricas, usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e potência. Geralmente, eles utilizam materiais semicondutores, como o telureto de bismuto altamente dopado. Esses elementos semicondutores são soldados entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. O sentido do fluxo térmico pode ser alterado por uma variação na corrente contínua gerada pela polaridade aplicada entre os pólos do módulo.

Um dispositivo termoelétrico mais usual 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 telureto de bismuto tipo-n e tipo-p, conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo entre as placas cerâmicas. Os dispositivos termoelétricos mais usuais têm várias especificações para várias aplicações. As dimensões variam de 3 m de lado por 4 m de espessura, até 60 m de lado por 5 m 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 o 70◦C. 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.

Dentre os materiais de uso comum na construção da carcaça dos módulos termoelétricos, podemos citar: o óxido de alumínio (Al2O3), nitrito de alumínio (AlN) ou óxido de berílio (BeO). O (Al2O3) é mais usado devido à relação custo benefício. Os outros dois materiais cerâmicos são melhores condutores térmicos de que o (Al2O3), mas são mais caros. O cobre é usado como material condutor elétrico entre os semicondutores postados em paralelo; estes são do tipo-n composto por Bismuto-Telureto-Selenium (BiTeSe) e do tipo-p, Bismuto-Telureto-Antimônio (BiTeSb). O sistema é conectado por solda. 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, onde pode ocorrer dissociação entre as soldas de cobre e semicondutores, e entre as dos próprios semicondutores, causando falha  na transferência elétrica e/ou térmica.