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Os recentes desenvolvimentos em materiais Termelétricos (TE) com rendimentos muito superiores [Bell08] têm renovado o interesse do uso dos geradores termoelétricos (TEGs) em recuperação de calor em automóveis, como vários projetos apoiados por construtores parecem indicar. Os maiores obstáculos para a adoção dos TEG em escapes de motores são as suas limitações na temperatura de operação, a sua potência específica e o custo. O grupo propôs uma solução inovadora para controlo passivo, mas fiável, da temperatura de transferência de calor, e assim controlar a temperatura de funcionamento de TEGs com baixa resistência térmica, utilizando heat pipes (HP) [Goncalves10, Martins11, Brito11, Brito15]. Na verdade este conceito elimina os problemas dos protótipos existentes, que necessitam de sistemas de by-pass para evitar o superaquecimento em alta potência [Rowe05].
As limitações na potência específica e no custo podem ser minimizadas pelo uso de módulos TE com baixa espessura. Esta é uma estratégia que está a ser desenvolvida pela equipa num projeto exploratório FCT em curso. Dessa forma é possível reduzir o material TE sem afetar a geração de energia [Brito15]. Usando TE mais finos (sub-milímetro), permite-se uma potência térmica mais elevada e também mais energia elétrica por unidade de massa de material, se os permutadores de calor e os contatos entre camadas de material forem mantidos com o mínimo de resistência [Brito15a]. Isto resultará em menores dimensões para os geradores, bem como reduzirá os custos das matérias-primas [Brito15]. A redução da altura dos dispositivos em 5 vezes permitirá aumentar a potência disponível em aproximadamente o mesmo valor. Isto resultará numa redução de custos de materiais TE em 25 vezes, para a produção da mesma potência elétrica.
Assim, propomos a alteração do objetivo convencional de investigação TEG, da mera maximização de rendimento (focado na pesquisa de materiais e usando módulos com bastante espessura para maximização da di  |
Summary
Os recentes desenvolvimentos em materiais Termelétricos (TE) com rendimentos muito superiores [Bell08] têm renovado o interesse do uso dos geradores termoelétricos (TEGs) em recuperação de calor em automóveis, como vários projetos apoiados por construtores parecem indicar. Os maiores obstáculos para a adoção dos TEG em escapes de motores são as suas limitações na temperatura de operação, a sua potência específica e o custo. O grupo propôs uma solução inovadora para controlo passivo, mas fiável, da temperatura de transferência de calor, e assim controlar a temperatura de funcionamento de TEGs com baixa resistência térmica, utilizando heat pipes (HP) [Goncalves10, Martins11, Brito11, Brito15]. Na verdade este conceito elimina os problemas dos protótipos existentes, que necessitam de sistemas de by-pass para evitar o superaquecimento em alta potência [Rowe05].
As limitações na potência específica e no custo podem ser minimizadas pelo uso de módulos TE com baixa espessura. Esta é uma estratégia que está a ser desenvolvida pela equipa num projeto exploratório FCT em curso. Dessa forma é possível reduzir o material TE sem afetar a geração de energia [Brito15]. Usando TE mais finos (sub-milímetro), permite-se uma potência térmica mais elevada e também mais energia elétrica por unidade de massa de material, se os permutadores de calor e os contatos entre camadas de material forem mantidos com o mínimo de resistência [Brito15a]. Isto resultará em menores dimensões para os geradores, bem como reduzirá os custos das matérias-primas [Brito15]. A redução da altura dos dispositivos em 5 vezes permitirá aumentar a potência disponível em aproximadamente o mesmo valor. Isto resultará numa redução de custos de materiais TE em 25 vezes, para a produção da mesma potência elétrica.
Assim, propomos a alteração do objetivo convencional de investigação TEG, da mera maximização de rendimento (focado na pesquisa de materiais e usando módulos com bastante espessura para maximização da diferença de temperatura) em direção à maximização da densidade energética elétrica. Além disso, quando se tem uma abundante fonte de calor residual (caso do escape), uma elevada transferência de calor através dos TEGs só irá ser um desafio na medida em que vai requerer muito baixa resistência térmica nos permutadores de calor, tanto na fonte de calor como no dissipador. Isso permitirá uma elevada transferência de calor sem reduzir o diferencial de temperatura entre as faces dos módulos [Brito12, Pichanusakorn10, Min07].
Portanto, como objetivo do presente trabalho propõe-se um gerador termoelétrico de desenho inovador para escapes de motores, baseado em módulos de baixo perfil e de permutadores de calor com baixa resistência térmica entre a fonte de calor e o dissipador,
baseados no conceito de controlo de temperatura por mudança de fase. O gerador irá ser concebido para ser aplicado num veículo convencional ou híbrido, e testado em conformidade. Temos uma equipa multidisciplinar, abrangendo especialização em materiais
TE, termodinâmica aplicada, controlo, microeletrónica mecânica e engenharia eletrónica de potência. O trabalho será baseado em laboratórios de três universidades portuguesas (Minho, FEUP, IST-ID) e contará com o apoio do conhecido grupo de TE da UTAustin,
bem como de apoio científico do Prof. Gao Min, líder do prestigioso grupo de desenvolvimento de TE na Univ. Cardiff.
O trabalho inclui as tarefas de modelação e conceção do permutador de calor de escape (T1), sistema de arrefecimento (T2), módulos de TE, incluindo uma investigação sobre a minimização da resistência de contato (T3), projeto do controlador baseado na eletrónica de potência (T4), a construção do um protótipo proof-of-concept (T5), ensaios (T6) e o aperfeiçoamento dos modelos (T7). Haverá uma tarefa específica para a disseminação (T8), que terá como objectivo um forte esforço de publicação científica acompanhada de uma patente europeia para o sistema e a valorização industrial do projeto.
As contribuições e os objetivos originais esperados para este projeto são:
* Demonstrar o potencial de TEGs com base em módulos de baixa espessura e permutadores de calor de baixa resistência térmica e temperatura controlada, de modo a aumentar a potência específica e reduzir o custo de geradores TE em automóveis.
* Projetar, construir e testar um protótipo totalmente funcional para a geração de 1 kWe em veículos com motor térmico usando essa filosofia e demonstrar o potencial de redução de 5% no consumo de combustível em condições de condução realistas.
A relevância industrial é elevada e o valor do presente trabalho é promissor, já que o grupo terá a colaboração da empresa de projeto de permutadores de calor ENERGEST, bem como uma das principais empresa de tecnologia TE, a EUROPEAN THERMODYNAMICS. Estas empresas, bem como as equipas de investigação da Honda e da BORGWARNER demonstraram elevado interesse neste projeto. |