INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE
LISBOA
Departamento de Engenharia Mecânica
Caracterização dos materiais da pastilha Peltier
DIOGO GONÇALVES BRAZ DE AZEVEDO
Trabalho de Pesquisa de Processos de Ligação de Materiais
11/2017
Sumário
Sumário de Figuras ................................................................................................................. 3
Sumário de Tabelas ................................................................................................................ 4
Introdução ............................................................................................................................... 5
Desenvolvimento .................................................................................................................... 6
1.
Pastilha Peltier (PP) ................................................................................................................. 6
2.
Balanço energético .................................................................................................................. 7
3.
Eficiência energética ............................................................................................................... 8
4.
Características dos materiais ................................................................................................... 9
4.1.
Telureto de Bismuto ............................................................................................................ 9
4.2.
Alumina Cerâmica............................................................................................................. 10
Conclusão ............................................................................................................................. 11
Referências ........................................................................................................................... 12
2
Sumário de Figuras
Figura 1. Representação do efeito peltier em um par de semicondutores do tipo P/N
5
Figura 2. Pastilha Peltier
6
Figura 3. Modelo de um termopar tipo Peltier
6
Figura 4. Fluxo de calor na PP
7
Figura 5. Comparação de eficiência termoelétrica
8
(a) Pastilha Peltier sem cerâmica
Figura 6.
9
(b) Comparação visual de dimensões do Telureto de Bismuto usado na PP
3
Sumário de Tabelas
Tabela 1. Propriedades físicas e termoelétricas do Telureto de bismuto tipo N
9
Tabela 2. Propriedades da cerâmica de Alumina
10
4
Introdução
O intuito desse trabalho é demostrar como é feita a seleção de matérias para o uso do efeito
Peltier em uma pastilha Peltier, do qual foi descoberto em meados de 1821 por Thomas Johann
Seedbeck [1]. Ele descobriu que dois metais diferentes, se eles fossem conectados em dois pontos
diferentes do qual esses pontos estivessem em temperaturas diferentes, surgia-se uma micro tensão
entre os metais. Esse efeito foi chamado de “Seebeck effect” igual ao o seu descobridor.
Alguns anos depois, um cientista descobriu o efeito oposto ao efeito Seebeck. Ele descobriu
que ao aplicar uma tensão em dois metais diferentes ligados por suas junções, como demostrado na
Figura 1, uma das duas superfícies de contato da junção de um ponto esquentará enquanto a outra
superfície esfriará. O cientista que descobriu esse efeito se chama Peltier e sua descoberta foi
nomeada com teu nome “efeito Peltier”.
Figura 1. Representação do efeito peltier em um par de semicondutores do tipo P/N [3]
Tendo em vista que o efeito Peltier cria-se um gradiente de temperatura, do qual pode ser
usado para refrigeração, ele passa a ser bom candidato na substituição das maquinas frigorificas e
bombas de calor pelo fato de não haver nenhum solido ou fluido em movimento, ruídos devido a
fricção ou qualquer tipo de fadiga mecânica.
O estudo foi desenvolvido de modo a sintetizar o conhecimento sobre o efeito Peltier e as
características dos materiais usados para fazê-lo, foi usado as regras ABNT para modelar o texto da
pesquisa e o ScienceDirect como motor de busca de artigos científicos do qual me baseie toda
minha pesquisa.
5
Desenvolvimento
1. Pastilha Peltier (PP)
Com intuito de estudar o efeito Peltier e os matérias usado para o efeito, usarei como base
de estudos uma pastilha Peltier Figura 2, da qual normalmente pode ser usada como bomba de
calor, mas também pode ser usada como um transdutor que transforma energia térmica em energia
elétrica através do efeito Seedbeck.
Figura 2. Pastilha Peltier
Fonte: http://www.peltier.com.br
A pastilha peltier (PP) é um dispositivo da qual agrega vários termopares dos quais são
montados em paralelo em relação a transferência de calor, mas são conectados em serie em relação
a corrente elétrica [2]. Internamente da PP conecta-se pares de semicondutores p-n de características
termoelétricas: coeficiente de Seebeck, coeficiente Peltier, resistividade elétrica e condutividade
térmica. O conversor termoelétrico (PP) pode ser representado como um bloco plano com três
camadas, duas camadas de placas cerâmicas Figura 3 feita do material AL2O3 de mesma espessura.
Entre essas duas placas cerâmicas, temos colunas bem organizadas em serie feitas de Bi2Te3.
Se o PP for usado no processo de refrigeração, o fluxo é direcionado da placa fria para a
placa quente devido a passagem de corrente elétrica. Mas devido ao efeito Joule, o calor gerado pela
corrente elétrica irá fazer com que a média de temperatura no PP aumente, mas não interferindo na
sua taxa calorifica.
Figura 3. Modelo de um termopar tipo Peltier [1]
6
2. Balanço energético
Se uma corrente elétrica é conduzida através dos conectores da PP, a corrente elétrica irá
percorrer o circuito e uma diferença de temperatura será induzida entre as duas placas de cerâmica
resultado do efeito Peltier [2]. O calor conduzido 𝑃𝑘 que flui entre a placa quente e a placa fria é
consequência da diferença de temperaturas. A potência elétrica introduzida no PP é transformada
em calor pelo efeito Joule, do qual acontece nas duas placas. Na Figura 4 demonstra-se o balanço
energético do PP. A relação (1) descreve a relação global de calor de saída 𝑃ℎ do lado quente. Essa
potência de saída depende do calor absorvido 𝑃𝑐 que advem da placa fria e a potência elétrica 𝑃𝑒𝑙 .
De acordo com o principio da conservação de energia.
𝑃ℎ = 𝑃𝑐 + 𝑃𝑒𝑙
(1)
Durante a passagem da corrente elétrica na PP, calor será gerado devido à resistência elétrica [Ω]
dos semicondutores pelo efeito Joule, do qual se dissipará igualmente entre as duas placas
ceramicas de acordo com a relação (2).
𝑃𝑗 = 𝑅. 𝐼 2
(2)
A descrição da potência transferida por condução térmica pode ser expressada pela equação (3), da
qual desconsidera a perda de fluxo calórico dos semicondutores em comparação a superfície das
placas cerâmicas. O calor transferido da placa quente com uma temperatura 𝑇ℎ para a placa fria
com temperatura 𝑇𝑐 , pode ser determinada pela lei de Fourier:
𝑇ℎ − 𝑇𝑐
(3)
𝑙
Onde 𝑇ℎ − 𝑇𝑐 é a diferença entre as placas ceramicas (K), 𝜆 é a condutividade termica do material
aplicado (Wm-1K-1), S é a área global de todos os semicondutores do PP (m2) e a altura das colunas
dos semicondutores.
𝑃𝑘 = 𝜆. 𝑆.
Seguindo o balanço energético da equação (4), a potência térmica transferida da placa fria a
placa quente pode ser descrita na relação, sendo 𝛼 = coeficiente de Seedbeck (VK-1):
𝑅. 𝐼 2
𝑇ℎ − 𝑇𝑐
− 𝜆. 𝑆.
2
𝑙
E a potência térmica de saída da placa quente pode ser modulada pela equação (5):
𝑃𝑐 = 𝛼. 𝐼. 𝑇𝑐 −
𝑅. 𝐼 2
𝑇ℎ − 𝑇𝑐
𝑃ℎ = 𝛼. 𝐼. 𝑇𝑐 +
− 𝜆. 𝑆.
2
𝑙
(4)
(5)
Figura 4. Fluxo de calor na PP [1]
7
3. Eficiência energética
Para ter uma melhor visualização da seleção de materiais para construção de uma pastilha
peltier, deve-se ter prioridade no aumento da eficiência energética na PP para que haja um melhor
aproveitamento dos efeitos Peltier, Seedbeck e na diminuição do efeito Joule [3].
A eficiência de conversão [4], 𝜂 𝑇𝐸 é depedente da diferença de temperatura Δ𝑇 e da figura
de merito 𝑍𝑇̅ (eficiencia ZT entre Δ𝑇) definida por 𝑍𝑇̅ = (𝑆 2 . 𝑇⁄𝜌. 𝑘 ) e determinada por três
propriedades de materias: coeficiente de Seedbeck S (𝜇𝑉 ⁄𝐾 ), resistividade elétrica 𝜌 (Ω. 𝑚) e o
coeficiente de condutividade térmica κ (𝑊 ⁄𝑚. 𝐾). A eficiência termoelétrica é dada por:
𝜂 𝑇𝐸 = (
√1 + 𝑍𝑇̅ − 1
𝑇ℎ − 𝑇𝑐
)(
)
𝑇ℎ
√1 + 𝑍𝑇̅ + 𝑇𝑐
𝑇ℎ
(6)
O primeiro termo do lado direito da equação descreve a eficiência termoelétrica de Carnot
com o PP em operando com a diferença de temperatura entre as placas de 𝑇ℎ − 𝑇𝑐 . A eficiencia
termoeletrica para diferentes valores de 𝑍𝑇̅ pode ser observada na Figura 5 em comparação com
eficiência de outros tipos de sistemas.
Figura 5. Comparação de eficiência termoelétrica [4]
8
4. Características dos materiais
4.1. Telureto de Bismuto
O composto Telureto de bismuto (Bi2Te3) é um semicondutor da família V-VI, que
apresenta características termoelétricas [5]. Para torna-lo um material para utilização na PP deve-se
tonar um semicondutor tipo P e tipo N, que ocorre através do desvio estequiométrico, sendo
matérias com excesso de Bi são do tipo P e materiais com excesso de Te são do tipo N.
Para criação dos semicondutores tipo P e N de Telureto de bismuto usa-se o método de
Bridgman, Sputtering e etc, do qual para o tipo P nos fornece características descritas na Tabela 1 e
que pode ser visualizado na Figura 6.
Tabela 1. Propriedades físicas e termoelétricas do Telureto de bismuto tipo N [5]
Propriedades
Condutividade elétrica 𝜌 (Ω. 𝑚)
Condutividade térmica κ (𝑊 ⁄𝑚. 𝐾)
Coeficiente de Seedbeck S (𝜇𝑉 ⁄𝐾 )
Densidade (Kg/m3)
(a)
Valor
4,7393365 x 10-5
1,8
190
7530
(b)
Figura 6. (a) Pastilha Peltier sem cerâmica, (b) Comparação visual de dimensões do Telureto de Bismuto usado na PP [5]
9
4.2. Alumina Cerâmica
A função das placas cerâmicas de alumina na PP é de aumentar a área de contato do meio
externo com todos as junções dos semicondutores e transferir uniformemente o fluxo calorifico na
PP sem causar curto-circuito no sistema. Por essas características, a placa cerâmica deve ser um
bom isolante elétrico, mas deve ser um bom condutor térmico para que a condução do calor seja
mais rápida possível através da sua espessura. Na Tabela 2 vemos algumas propriedades físicas da
alumina cerâmica de acordo com a porcentagem de Al2O3 na cerâmica [6].
Tabela 2. Propriedades da cerâmica de Alumina [6]
Al2O3 [%]
Densidade [g/mm3]
Calor especifico
[J/gK]
Condutividade
térmica [W/mK]
99.6
99.8
99.5
99.6
99.0
96.5 - 99.0
94.5 - 94.5
86.0 - 94.5
80.0 - 86.0
3,75 – 3,95
3,97 – 3,99
3,90 – 3,99
3,75 – 3,85
3,76 – 3,94
3,71 – 3,92
3,60 – 3,90
3,40 – 3,90
3,30 – 3,60
0,755
0,755
0,755
0,755
0,780
0,780
0,760 – 0,780
0,755 – 0,785
0,750 – 0,785
30 – 40
30 – 40
30 – 40
25 – 35
30 – 40
25 – 30
20 – 30
15 – 20
15 – 20
Resistencia
volumétrica
[Ω𝑚]
1014 – 1016
1014 – 1016
1014 – 1016
1014 – 1016
1014 – 1016
1014 – 1016
1014 – 1016
1013 – 1016
1013 – 1016
A resistência volumétrica é expressada em função a temperatura T (K):
𝑅 = 10
log(𝑅𝑜 −
3(𝑇−300𝐾)
)
200
(7)
10
Conclusão
Após a análise das leis e das propriedades dos materiais que envolvem uma pastilha Peltier,
é possível perceber o quanto estudo é feito acima desse tipo de material, sendo que o grande foco
para os quem tem objetivo de aprimorar o efeito Peltier em si é diretamente proporcional ao
aprimoramento das características dos semicondutores.
Como mencionado anteriormente na equação (6), o fator 𝑍𝑇̅ [4] é o principal aliado dos
pesquisadores para referência de eficiência, dos quais através de vários métodos [7] [8] proporciona
um aumento no fator 𝑍𝑇̅ da pastilha Peltier para que seja possível sua utilização em larga escala
devido a suas propriedades únicas de instalação e funcionamento.
Para o caso da placa cerâmica, deve-se um estudo separado dos semicondutores pelo fato de que são
materiais diferentes e de objetivo diferente. Para este tipo de material tem-se estudos [9] [10] que
tem o objetivo de aprimorar o fator κ que o relaciona com fator 𝑍𝑇̅ equação (6), e proporciona um
menor atraso de transferência de calor entre os semicondutores e o ambiente externo.
A pastilha Peltier tem se mostrado de grande utilidade apesar de sua pequena eficiência [4]
tanto como bomba de calor quanto como transdutor de energia térmica para energia elétrica, mas
devido a pesquisa e ao grande investimento em tecnologias renováveis a pastilha Peltier está se
tornando a cada dia uma realidade para um amplo uso no ramo comercial e industrial [11] [12].
11
Referências
[1] MAHAN, G D. Thermoelectric Effect BT - Reference Module in Materials Science and
Materials Engineering. [S.l.]: Elsevier, 2016. . Disponível em:
<https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128035818012911>.
[2] BRESTOVI??, Tom???? e colab. Measuring of thermal characteristics for Peltier
thermopile using calorimetric method. Measurement: Journal of the International Measurement
Confederation, v. 53, n. Supplement C, p. 40–48, 2014. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263224114001225>.
[3] PÉREZ–APARICIO, J L e PALMA, R e TAYLOR, R L. Finite element analysis and material
sensitivity of Peltier thermoelectric cells coolers. International Journal of Heat and Mass
Transfer, v. 55, n. 4, p. 1363–1374, 2012. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931011004765>.
[4] SAJID, Muhammad e HASSAN, Ibrahim e RAHMAN, Aziz. An overview of cooling of
thermoelectric devices. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 78, n. Supplement C, p.
15–22, 2017. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117306044>.
[5] Oliveira Alves, Edvaldo. Propriedades Fisicas do semicondutor Bi2Te3. dezembro de 2007.
131f. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Fisica Teórica e Experimental, Universidade
Federal do Rio Grande do Norte. Natal-RN, 13 de dezembro de 2007.
[6] VTT Manufacturing Technology. Mechanical and physical properties of engineering
alumina ceramics. TECHNICAL RESEARCH CENTER OF FILAND: 1996.
[7] LI, Di e SUN, Rui-rui e QIN, Xiao-ying. Improving thermoelectric properties of p-type
Bi2Te3-based alloys by spark plasma sintering. Progress in Natural Science: Materials
International, v. 21, n. 4, p. 336–340, 2011. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002007112600665>.
[8] PARK, Chang-Sun e colab. Enhancement of Seebeck coefficient of mesoporous SrTiO3 with
V-group elements V, Nb, and Ta substituted for Ti. Journal of the European Ceramic Society, v.
38, n. 1, p. 125–130, 2018. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221917305605>.
[9] ZAKE-TILUGA, Ieva e colab. Thermal conductivity and microstructure characterisation of
lightweight alumina and alumina–mullite ceramics. Journal of the European Ceramic Society, v.
36, n. 6, p. 1469–1477, 2016. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221915302855>.
[10] HA, J e colab. Enhanced thermal conductivity of alumina nanoparticle suspensions by
femtosecond laser irradiation. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 107, n.
Supplement C, p. 755–760, 2017. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931016322827>.
12
[11] SANTANA, Harrson S e SANCHEZ, Geovanni B e TARANTO, Osvaldir P. Evaporation of
excess alcohol in biodiesel in a microchannel heat exchanger with Peltier module. Chemical
Engineering Research and Design, v. 124, n. Supplement C, p. 20–28, 2017. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263876217303118>.
[12] PIANTANIDA, Paolo. PV & Peltier Façade: Preliminary Experimental Results. Energy
Procedia, v. 78, n. Supplement C, p. 3477–3482, 2015. Disponível em:
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187661021502069X>.
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