Avaliação numérica do desempenho termodinâmico de células termoelétricas

Abstract

Resumo: A refrigeração termoelétrica vem se destacando como tecnologia alternativa na produção de frio, em virtude de seu baixo custo, confiabilidade, baixo nível de ruído e versatilidade de aplicação. Sistemas termoelétricos convertem energia elétrica em gradiente de temperatura e vice-versa, permitindo que essa tecnologia seja utilizada também na geração de energia elétrica. Uma célula termelétrica típica é fabricada com duas placas finas de cerâmica e uma sequência de blocos de materiais semicondutores dopados do tipo p e n. Os blocos de semicondutores do tipo p e n estão conectados eletricamente em série e termicamente em paralelo, formando assim um par termoelétrico. O presente trabalho tem como objetivo apresentar, com base nos princípios fundamentais da Termodinâmica Irreversível, um modelo bidimensional para o par termoelétrico. A equação de conservação de energia foi formulada a fim de considerar os efeitos dos fenômenos de Fourier (condução de calor), Joule (conversão irreversível de energia elétrica em calor) e Thomson (efeito termoelétrico) sobre a distribuição de temperatura. O campo elétrico também foi solucionado, obtendo-se a distribuição de tensão e fluxo corrente elétrica . As equações foram discretizadas através do método dos volumes finitos e o algoritmo TDMA foi utilizado para solucionar o sistemas de equações. Um método iterativo foi utilizado para tratar a influência da temperatura sobre o coeficiente de Seebeck e sobre as demais propriedades termofísicas do material . Os resultados do modelo foram comparados com dados experimentais, obtendo-se uma concordância satisfatória tanto para a capacidade de refrigeração, corrente elétrica e COP, com erros dentro de uma faixa de +/- 10%. Após exercício de validação, o modelo foi utilizado para avaliar os efeitos das propriedades termoelétricas (i.e., o coeficiente Seebeck, condutividade térmica e resistividade elétrica) e da geometria (i.e., razão de aspecto) sobre o desempenho da célula termoelétrica.