Desenvolvimento de um dispositivo termoelétrico flexível para aplicação em wearables

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Azevedo, Bernardo André Pereira
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/83880
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Física
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spelling Desenvolvimento de um dispositivo termoelétrico flexível para aplicação em wearablesDevelopment of a flexible thermoelectric device for wearable applicationGeradores termoelétricosTermoeletricidadeWearableThermoelectric generatorsThermoelectricityEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação de mestrado integrado em Engenharia FísicaO dilema entre a crise energética e a gestão ambiental tem conduzido a uma maior investigação na procura e desenvolvimento de soluções ecofriendly que forneçam energia renovável. Atualmente, a forma como os recursos energéticos globais são consumidos e transformados em outras formas de energia é, principalmente, através do mecanismo térmico. No entanto, a maior parte da energia térmica que é produzida é perdida para a atmosfera como calor residual (∼60%). Por outro lado, prevê-se um forte aumento na valorização do mercado global de materiais têxteis inteligentes até 2024, fator este que poderá impulsionar ainda mais o mercado dos dispositivos wearable capazes de reaproveitar energia perdida dessa forma. Nesta dissertação desenvolveu-se um gerador termoelétrico (TEG) semirrígido flexível capaz de converter gradientes térmicos em energia elétrica, de forma renovável e limpa. O dispositivo é baseado em pellets de telureto de bismuto (Bi2Te3 – tipo-p e tipo-n), depositados em substrato de poliimida (Kapton®) de 75 µm de espessura. O TEG desenvolvido foi submetido a testes elétricos e de flexibilidade. O dispositivo encapsulado em PDMS com contactos elétricos de cobre e solda de Sn42/Bi57.6/Ag0.4, resultante da Abordagem C, foi analisado no que diz respeito à flexibilidade e desempenho elétrico. Este apresentou elevada estabilidade durante os testes mecânicos. Nestes foram realizados 300 ensaios com raios de curvatura de 10 mm e 2,5mm. A abordagem selecionada para dimensionar o TEG apresentou uma elevada potencialidade para ser replicada por métodos industriais. O dispositivo desenvolvido a partir de pellets prismáticos de dimensões 1,4 x 1,4 x 1,6mm apresenta um fill-factor de 11,6%. Os contactos de cobre manualmente obtidos apresentam dimensões de 1.65 x 5,08 mm, sendo responsáveis, juntamente com a solda, por estabelecer a ligação elétrica. O dispositivo constituído por 44 pares de Bi2Te3 – tipo-p e tipo-n conectados em série apresenta um coeficiente de Seebeck de 70µV/K e gera uma potência máxima de 460 µW, correspondendo a uma densidade de potência de saída de 49,8 µW/cm2 (∆T = 20 K). O presente dispositivo apresenta um bom desempenho termoelétrico quando comparado com os dispositivos da literatura, para os mesmos materiais e processos de fabrico. Aqui, o gerador termoelétrico foi desenvolvido como prova de conceito para aplicações wearable. Os resultados obtidos são de grande interesse para a otimização do design de futuros geradores termoelétricos semirrígidos.The dilemma between the energy crisis and environmental management has led to further research in the search and development of ecofriendly solutions to provide renewable energy. The way in which global energy resources are consumed and transformed into other forms of energy is mainly through thermal mechanisms. The majority of the thermal energy that is produced is rejected to the atmosphere as waste heat (∼60%). On the other hand, there is a strong increase in the appreciation of the global market for smart textile materials until 2024, which is a factor that could further boost the market for wearable devices capable of reusing energy lost in this way. In this dissertation a flexible semi-rigid thermoelectric generator (TEG) was developed, which can convert small thermal gradients into electrical energy, in a renewable and clean way. The device is based on bismuth telluride pellets (Bi2Te3 - p-type and n-type), deposited on a 75 µm thick polyimide substrate (Kapton®). The TEG was evaluated by electrical and flexibility tests. The device encapsulated in PDMS with copper electrical contacts and Sn42 / Bi57.6 / Ag0.4 solder, resulting from Approach C, was analyzed with respect to flexibility and electrical performance. It showed high stability during the mechanical tests. Three hundred tests were carried out with curvature radius of 10 mm and 2.5 mm. The selected approach to dimension the TEG showed great potential to be replicated by industrial methods. The developed device from prismatic pellets of dimensions 1.4 x 1.4 x 1.6 mm has a fill factor of 11.6%. The copper contacts manually obtained have dimensions of 1.65 x 5.08 mm, being responsible, together with the solder, for establishing the electrical connection. The device with 44 Bi2Te3 pairs, connected in series, had a Seebeck coefficient of 70µV / K and shows a maximum output power of 460 µW, corresponding to an output power density of 49.8 µW / cm2 (∆T = 20 K). The present device has a good thermoelectric performance when compared to the devices in the literature, for the same materials and manufacturing processes. Here, the thermoelectric generator was developed as a proof of concept for wearable applications. The results are of great interest for the design optimization of future semi-rigid thermoelectric generators.Vieira, E. M. FGonçalves, L. M.Ferraz, João MoreiraSilva, Sónia Isabel MatosUniversidade do MinhoAzevedo, Bernardo André Pereira2020-11-112020-11-11T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/83880por203250397info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:34:14Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/83880Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:29:51.882115Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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