Simulação térmica e elétrica dos módulos termoelétricos e a sua respetiva otimização
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| Data de Publicação: | 2014 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | por |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1822/34335 |
Resumo: | Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente) |
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Simulação térmica e elétrica dos módulos termoelétricos e a sua respetiva otimizaçãoMódulos termoelétricosModelação de TEGGeometria do móduloResistências de contactoPotência elétrica máximaThermoelectric modulesTEG modellingModule geometryContact resistanceElectric power maximization621.36Engenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente)A preocupação ambiental hoje em dia é cada vez maior, principalmente, quando se trata da tarefa de assegurar a sustentabilidade ambiental e dos recursos naturais, de reduzir a poluição atmosférica urbana e as emissões de gases de efeito de estufa. Isto levou à necessidade de diminuir o consumo e a dependência do uso de combustíveis fósseis. É sabido que os motores de combustão interna são dos principais responsáveis pelo consumo destes recursos e pelas emissões a eles associadas. Isto promoveu nas últimas décadas a criação de normas e regulamentos internacionais que intimam os fabricantes de automóveis a cortarem drasticamente as suas emissões por quilómetro. Estas restrições têm levado os fabricantes a tomar inúmeras medidas para aumentar a eficiência energética dos seus veículos. Uma das formas de o fazer, e onde o presente trabalho incide, passa pela recuperação de parte da entalpia contida nos gases de escape, que é da mesma ordem de grandeza do trabalho mecânico produzido pelo motor. Isto pode ser conseguido por diversos métodos, nomeadamente através do uso de dispositivos que convertem diretamente a energia térmica em eletricidade, como os módulos termoelétricos. Estes dispositivos permitem a geração de energia elétrica a partir da existência de um diferencial de temperatura através das suas faces. Porém, um dos problemas dos módulos termoelétricos é a sua baixa eficiência energética. Para além disso, os materiais termoelétricos (pares de materiais semicondutores que permitem a conversão da energia térmica em energia elétrica através do efeito Seebeck) são geralmente caros. Recentes investigações concluíram que a geometria dos módulos em si tem um papel muito importante no seu funcionamento e desempenho. Nomeadamente, é possível aumentar a densidade de potência e reduzir substancialmente o uso de terras raras se se associarem métodos eficientes de transferência de calor com o uso de módulos de baixo perfil. Tendo em conta os aspetos acima expostos, que são o contexto fundamental desta dissertação, são propostos vários métodos de cálculo, com diferentes graus de complexidade e esforço de computação, para a determinação dos parâmetros de desempenho dos módulos termoelétricos com vista à sua otimização. Esta otimização passa pela análise das principais variáveis que afetam a potência elétrica gerada, como a espessura do material termoelétrico e do substrato cerâmico, as resistências de contacto térmicas e elétricas. Conseguiu-se uma boa complementaridade entre os métodos mais simplificados, baseados em abordagens térmicas 1D e bastante expeditos para cálculos em massa, e os métodos mais realistas e exigentes computacionalmente, baseados em ferramentas comerciais do tipo multiphysics. Concluiu-se que efetivamente é possível otimizar a geometria dos atuais módulos termoelétricos de forma a aumentar a sua potência máxima e reduzir o seu custo, especialmente se for possível minimizar as resistências térmicas e elétricas de contacto.Environmental concerns are increasing nowadays. This is especially true when it comes to the task of ensuring environmental and resources sustainability, of reducing urban atmospheric pollution and Greenhouse Gases emissions. This has led to the need of reducing the consumption and dependency on fossil fuels. It is widely known that internal combustion engines are among the major contributors for the depletion of these resources and for their associated emissions. This fact has spurred the issuing of international standards and regulations enforcing automakers to drastically reduce their emissions per km. These restrictions have led manufacturers to take many measures that increase the energy efficiency of their vehicles. One way of achieving it, which is the focus of the present work, involves the recovery of part of the enthalpy contained in exhaust gases. This enthalpy is of the same order of magnitude of the mechanical work provided by the engine. This recovery may be accomplished by various methods, namely through the use of devices that directly convert thermal energy into electricity, such as thermoelectric modules. These devices allow the generation of electrical energy from the an existing temperature differential across their faces. Nevertheless, one of the problems of thermoelectric modules is its low energy efficiency. In addition, the thermoelectric materials (pairs of semiconductors that allow the conversion of thermal energy into electrical energy through Seebeck effect) are generally expensive. Recent investigations have concluded that the geometry of the modules itself has a very important role in its operation and performance. Namely, it is possible to increase power density and reduce substantially the use of rare earths if effective heat transfer methods are associated with low profile modules. Considering the aforementioned aspects, which constitute the fundamental context of this dissertation, several calculating methods, with various complexity degree and computation intensiveness, have been proposed for determining the performance parameters of thermoelectric modules aiming at their optimization. This optimization encompasses the analysis of the main variables affecting the electric power generated, such as the thickness of both the thermoelectric materials and the ceramic substrate, the thermal and electrical contact resistances. A good complementarity has been achieved between straightforward 1D thermal approaches which are suited for quick mass calculations and more realistic and computational intensive methods based on multiphysics-based commercial packages. It was concluded that it is possible to optimize the geometry of existing modules so that an increase of the generated power and a reduction of their cost is achieved, especially if thermal and electric contact resistances may be minimized.Gonçalves, L. M.Brito, F. P.Universidade do MinhoCruz, António Pedro Varela da20142014-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/34335por201189500info: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:RCAAP2023-07-21T12:10:27Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/34335Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:02:06.097929Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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