Waste Heat Recovery Plant for Exhaust Ducts Using Thermoelectric Generators P. H. G. Gomes, W. P. Calixto, M. A. A. Faria, P. A. J. Stecanella, A. J. Alves and E. G. Domingues 1

Abstract— Alternative methods for electricity production are needed in view of the scarcity of natural sources resulting from population growth and the consequent demand for energy. The inefficient use of energy requires new recovery processes in order to increase the system's gains. The use of Seebeck modules (TEG) have been shown the novel output of power recovery using waste heat energy. This work proposes a recovery plant from waste heat starting from a geometry optimization of exhaust duct. The distance between each TEG and surface was varied lengthwise to flow, creating a thermally resistive air layer, and from a heuristic optimization process, good results about equalization on surface temperature were found by finite element analysis. The thermoelectric modules used were tested in real conditions and results compared with data sheet. Finally it is exposed an electrical arrangement for a 42 TEG MPPT power plant. The novel design shows a low surface temperature gradient that allows TEG work closely to maximum efficiency condition and distant of mechanical failure. Keywords— Geometry optimization, Thermoelectric efficiency, Recovery System, Waste energy, TEG Simulation.

S

I. INTRODUÇÃO

EGUNDO o Departamento de Energia dos EUA (DOE), até 50% de todos os combustíveis queimados nos EUA são liberados para atmosfera na forma de calor. A pesquisa indica que a energia atualmente desperdiçada pelas instalações industriais poderiam produzir 20% do total de eletricidade associada redução de 20% nas emissões de gases do efeito de estufa [1]. Portanto, uma razão importante para estudar a geração termelétrica utilizando o calor rejeitado, é reduzir o custo por watt do dispositivo [2]. O custo por watt pode ser reduzido essencialmente de quatro maneiras: através da otimização da geometria do dispositivo (otimização do duto de escape), melhorando o processo de qualidade e de construção, operando em gradientes de temperatura elevados ou melhorar e descobrir materiais com alta eficiência termoelétrica (altos valores de Figura de Mérito Z) como representada pela expressão (1) abaixo, que implica elevado coeficiente de Seebeck (S), baixa condutividade térmica (K) e alta condutividade elétrica [2]. (1)

P. H. Gomes; W. P. Calixto, Unb, Brazil, [email protected] A. J. Alves, IFG, Brazil, [email protected]

Com Z tendendo ao infinito, a eficiência do gerador termoelétrico tem eficiência térmica máxima dada pelo ciclo de Carnot. Grande parte de fontes de energia renováveis tiveram foco na descoberta e desenvolvimento de novos materiais. Novas ligas foram pesquisados, alguns usando nanotecnologia. Em 2009, estudos relataram a construção de um material composto usando estruturas de nanotecnologia, Cério-itérbio, que alcançaram uma eficiência de cerca de 25% [2]. A empresa BMW anunciou a implantação de TEG no duto módulos e de exaustão de um veículo em 2008: 24 600W para uma condução em regime total, o que significa, 30% das necessidades elétricas do carro e redução de 5% no consumo de combustível por meio de remoção de alternador [3]. Outras tecnologias associadas ao uso de trocadores de calor, prevêem a redução de consumo de combustível com a eliminação parcial ou total do sistema de alimentação da bateria [4]. Para aumentar a eficiência do sistema, este trabalho propõe uma planta de recuperação de calor a partir da otimização da geometria do duto de exaustão e a validação dos parâmetros de geração do TEG adquirido. Além disso, busca o melhor arranjo elétrico dos 42 TEG com busca automática de potência máxima usando o método Pertube e Observe (P&O). II. METODOLOGIA O problema físico pode ser avaliado a Fig. 1, em que se observa a troca de calor por convecção no fluido quente, a condução no invólucro duto e TEG, e de convecção com o ambiente externo (ar ambiente).

Figura 1. Modelo do TEG.

Para geração de 1kW na planta, foram eleitos 42 TEG de alto desempenho [5]. O dispositivo de captação de calor deve incluir área suficiente para o posicionamento dos TEG e favorecer a manutenção do gradiente de temperatura, na superfície longitudinal de captação, constante e nulo. A partir de uma análise do gerador elétrico real com temperatura de descarga de aproximadamente 500°C, o duto de captação do calor deve conter um comprimento longitudinal limitado de 500mm. A partir deste valor, foram

observadas elevados gradientes de temperatura no eixo do fluxo longitudinal, tanto em elementos finitos quanto ensaios experimentais. Com o objetivo de reduzir esta variação, recomenda-se que TEG ocupe o menor comprimento construível. Considerando-se o comprimento máximo de 500mm do duto, e que cada TEG tem a dimensão de 50x50mm, a melhor solução encontrada foi uma geometria hexagonal, com 6 filas contendo 7 TEG cada um, como se mostra na Fig. 2 e na Tabela I. Tal como proposto em [6] e [7], de forma a equalizar a temperatura da superfície do duto captação, propôs-se algumas mudanças na geometria longitudinal, grande espessura e maior resistência ao calor na entrada, e espessura inferior e menor resistência térmica na saída. O objetivo deste trabalho é encontrar uma relação entre a variação da temperatura dos gases de escape e a espessura variável, para manter a temperatura da superfície com gradiente constante e o mais próximo de zero possível. Esta construção é mostrada na Fig. 2.

A fim de avaliar o desempenho do TEG TELBP1-126560.45 da Thermonamic e compará-lo com dados de catálogo do fabricante, o lado quente do TEG foi montado em um aparelho não-otimizado e instalado no duto de exaustão do gerador. No lado frio, uma caixa de aço foi acoplada (120x65x30mm) através da qual a água circula para manter a refrigeração necessária. O sistema é mostrado na Fig. 4.

Figura 4. Esquema para teste do TEG.

A face em contato com o tubo de gás de escape foi mantida a 300 °C, mas ao instalar o TEG e o reservatório de água de arrefecimento, o lado quente (TH) TEG caiu para 285°C. A Fig. 5 e a Tabela II apresentam os resultados coletados no ensaio e os emitidos pelo fabricante no datasheet.

Figura 2. Modelo de duto Sextavado. TABELA I LISTA DE PARÂMETROS DO TEG

Parâmetro Número de TEG no Sistema Forma estrutural Comprimento máximo Modelo TEG Dimensão Temperatura máxima de operação

Valor 42 Hexágono 500mm TELBP1-12656-45 56x56x5mm 350°C Figura 5. Curva de performance do TEG TELBP1-12656-45 da Thermonamic ensaiado. TABELA II VALIDAÇÃO DOS PARÂMETROS DO TEG

Datasheet Ensaiado

Figura 3. Modelo TELBP1-12656-45 da Thermonamic.

A. TESTE DE VALIDAÇÃO DO TEG

Th (°C) 285 285

Tc (°C) 30 30

Voc (V) 7.30 5.15

Vmp (V) 3.70 2.76

Imp (A) 4.20 2.22

PMP (W) 15.54 6.13

Onde TH, a temperatura no lado quente do TEG, TC, a temperatura no lado frio do TEG, VOC, a tensão de circuito aberto, VMP, a tensão com potência total, IMP a corrente a plena potência e PMP, a potência máxima de saída.

Esta diferença entre os valores de na Tabela 2 é devido ao mau contato entre o aparelho e o TEG eo TEG e a caixa de refrigeração. B. CAMADA DE AR RESISTIVA (CAR) Obter a melhor relação de espessuras entre entrada e saída do aparelho de captação para que se tenha uma superfície com gradiente nulo, torna-se um problema de otimização cujos parâmetros a serem otimizados são a espessura de entrada E e da espessura de saída e, admitindo dimensão constante do lado do hexágono, de tal maneira que a função objetiva descrita pela expressão (2) seja satisfeita. Foram simulados diversos materiais visando a obtenção do gradiente nulo na superfície. Contudo, os metais, por possuírem elevado coeficiente de condutividade térmica, não foram eficientes. Assim, restou o uso de um isolante, o ar atmosférico. Assim, criando-se uma camada de ar, entre a face do duto de escape e o TEG, pode-se aprimorar as relações de forma e resultado.

Para cada temperatura da fonte quente, obteve-se o valor do gradiente nulo na superfície. A partir da curva ilustrada na Figura 9, as expressões (3) e (4), linearizadas, definem as espessuras da camanada de ar resistiva (CAR) a partir de 500 até 1000°C.

Figura 8. Fluxograma de otimização.

Figura 6. Camada de ar resistiva com variação segundo comprimento.

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(2)

Em (2), Tm sendo o limite operacional do TEG, Te a temperatura média da superfície encontrada em cada iteração da simulação, ti a temperatura da superfície do duto de admissão e to na tomada temperatura da superfície do duto. O Tm temperatura do TEG analisados foi de 350°C [5].

Figura 9. Espessura de entrada E [mm] x Temperatura do fluido [°C].

1.119

6.169 5.41

19.79

(3) (4)

Na expressão (3) e (4), T é a temperatura do fluido, E é espessura de entrada da camada de ar resistiva e e é a espessura de saída, ambos em mm. Figura 7. Variáveis ti e to.

O método de otimização heurístico Força-Bruta foi escolhido. Com os parâmetros com base na análise aleatória, esse algoritmo, também conhecido como tentativa e erro, é uma técnica de resolução de problemas muito geral que consiste em enumerar sistematicamente todos os candidatos possíveis para a solução e verificar se cada candidato satisfaz a declaração do problema [8]. A metodologia de otimização é apresentada através do fluxograma na Fig. 8. O problema foi modelado com base nas condições de contorno reais, utilizando uma metodologia de elementos finitos.

III. RESULTADOS A. GEOMETRIA DO DUTO OTIMIZADA A geometria do duto otimizada com CAR e fonte de calor de 1000ºC é mostrado na Fig. 10. No lado da entrada do duto de captação, onde o calor é maior, os módulos termoelétricos são mais afastados da fonte. No lado de saída, quando o sistema já possui menor energia, a distância dos módulos é menor. Na Fig. 11, o gradiente de temperatura na superfície do duto de captação é próxima de zero graus Celsius, como mostra a

simulação por elementos finitos para dados de espessura obtidos pelas expressões (3) e (4).

Figura 10. Vista do duto de captação pela entrada do fluido com TEG sobre Camada de Ar Resistiva. Figura 12. Diagrama elétrico da planta de geração.

Figura 11. Resutados da simulação em Elementos Finitos com RAL para Tfluido=1000°C.

B. SIMULAÇÃO DA PLANTA DE GERAÇÃO A planta termelétrica é composta por 42 TEG, que podem gerar uma potência máxima de 911.4W. O arranjo escolhido será de seis ramos paralelos, com cada ramo contendo sete séries de TEG. O diagrama de fiação elétrica da usina termelétrica é mostrado na Fig. 12.

Um modelo em Simulink (MATLAB) foi desenvolvido para simular a geração termelétrica. Neste modelo foi incluído o Ponto de Rastreamento de Máxima Potência (MPPT) a partir do método Pertube e Observe (P&O). No funcionamento, o sistema MPPT vai usar um conversor de impulso de DC-DC, não isolado. Com a mudança no ciclo eletrônico no interruptor, o circuito muda a impedância externa vista pela fonte de energia, neste caso, o TEG, a fim de realizar a união ideal de impedância (interna e externa) e obter a energia máxima de transferência [9]. Na simulação pode-se variar os parâmetros de entrada da usina termelétrica, com a inserção da temperatura no lado quente TH, a temperatura final frio TC, módulo do coeficiente Seebeck do material e a quantidade de TEG em série. A planta de geração termoelétrica com conversor DC-DC é mostrado na Fig. 13.

Programável (CLP) e monitorado por um sistema de supervisão que, além de supervisionar as variáveis de temperatura, tensão e corrente do TEG, gera alarmes, gráficos e relatórios do processo. A interface do sistema de supervisão é apresentado na Fig. 15.

Figura 15. Sistema Supervisório.

Ademais, como propostas futuras; a construção física do aparelho de captação, a avaliação da quantidade de kWh gerado e a análise económica do projeto. Estudos utilizando o protótipo em uma fonte de calor com resíduos em altas temperaturas (TH>500ºC) pode ser melhor conduzido com a implementação de controle ativo da espessura da Camada de Ar Resistiva (entre a superfície e o TEG) obtendo-se o gradiente mínimo possível. Figura 13. Conversor DC-DC do tipo boost da planta de geração com controle de máxima potência (MPPT) e carga.

Na Fig. 14 observa-se os resultados de potência dissipada na resistência com carga REXT = 25Ω. Com base neste valor, temos uma potência média transferida para a carga de 883W da 911.4W possível, tendo uma eficiência MPPT 96,9% considerando componentes ideais (indutor, chave e capacitores).

Figura 14. Potência gerada com carga acoplada.

C. TRABALHOS FUTUROS Nos próximos trabalhos seria importante a simulação de escoamentos turbulentos (com o fluxo Reynolds real), a fim de verificar se há diferenças significativas com a solução regime laminar sobre o design final otimizado. Para o controle da planta de geração de energia com 42 TEG, as temperaturas quentes e frias dos lados do TEG podem ser constantemente aferidas por um Controlador Lógico

IV. CONCLUSÃO Neste trabalho é apresentado um método alternativo para produção de energia elétrica utilizando energia térmica de fontes residuais e é pioneiro na busca pela maior eficiência de conversão de energia a partir da otimização da geometria do duto de captação térmica. A CAR apresenta bons resultados, a fim de equalizar a temperatura da superfície. Para todas as faixas de temperatura do fluido, um gradiente nulo foi encontrado na superfície de contato com o TEG. Além disso, este trabalho apresenta uma expressão para a obtenção das espessuras de entrada e saída da CAR, descrevendo uma simples proposta construtiva. Para fontes residuais de calor de grande temperatura, este trabalho permite uma configuração do sistema com controle ativo da espessura de ar, mantendo a superfície a temperatura sempre constante.

Automotive, vol. 2nd, pp. 8391, D. J¨ansch, Ed., Renningen: expert verlag, 2011. [4] C. R. Kumar, A. Sonthalia, and R. Goel, “Experimental Study On Waste Heat Recovery From An Internal Combustion Engine Using Thermoelectric Technology,” Therm. Sci., vol. 15, no. 4, pp. 1011–1022, 2011. [5] Thermonamic. Specification of Thermoelectric Module TELBP1-126560.45. Thermonamic Electronics (Xiamen), Jiangxi, P.R. China, 2013. [6] G. P. Meisner, “Thermoelectric Conversion of Exhaust Gas Waste Heat into Usable Electricity,” 2011. [7] B´elanger, S.; Gosselin, L., Thermoeletric generator sandwiched in a crossflow heat exchanger with optimal connectivity between modules, Energy Conversion and Management. V.52, p. 2911 - 2918, 2011. [8] Takagi, Shoichi, et al. "Comparative evaluation of heuristics for time slot assignment in IEEE 802.16 j relay networks." 2014 Seventh International Conference on Mobile Computing and Ubiquitous Networking (ICMU). IEEE, 2014. [9] Ribeiro, R.V. Sistema Fotovoltaico Autˆonomo Baseado Em Conversores CC-CC Boost, Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2011.

Figura 16. Dispositivo com TEG acoplado a motogerador elétrico para ensaios.

A temperatura da superfície constante no duto de captação permite a manutenção global de energia, em troca com o TEG, aproximadamente constante. A ausência de variações de temperatura entre os TEG permitem-lhes trabalharem em ambiente de captação linear, longe de falha mecânica e próximo da eficiência elétrica máxima. Os ensaios laboratoriais do TEG têm excelente correlação com o datasheet do fabricante. As diferenças encontradas podem ser explicadas pela presença de ar entre o TEG e as superfícies de troca de calor (contato térmico). O ar, tal como referido, é um excelente isolante térmico. Diferentemente dos trabalhos existentes que foram ligados à indústrias automobilísticas, este trabalho tem diversas aplicações em fontes térmicas residuais, sejam escape de veículos ou geradores, sejam dutos de vapor quente que são comumente perdidos na atmosfera. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a CAPES pelo apoio financeiro, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) por obter assistência na implementação do projeto 8485 do MEC / SETEC / CNPq 94/2013, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás (FAPEG) e à Universidade de Brasília, em particular, ao Programa de Pós Graduação em Sistemas Eletrônicos e de Automação (PGEA) pelo apoio institucional. REFERÊNCIAS [1] Kong L. Waste Energy Harvesting Mechanical and Thermal Energies, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014. [2] Weal H. Ismael, Basel I.; Ahmed. Thermoelectric power generation using waste-heat energy as an alternative green technology, Recent Patents on Electrical Engineering, Vol 2:27-39, 2009. [3] Crane D. and LaGrandeur J. Progress report on vehicular waste heat recovery using a cylindrical thermoelectric generator, Thermoelectrics Goes

Pedro H. G. Gomes, é engenheiro mecânico pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU) e pela École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques (ENSMM – França), especialista em gestão de projetos pela Fundação Getúlio Vargas (FGV) e Mestrando pela Universidade de Brasília (Unb). Tem interesse nas linhas de pesquisa de otimização, estruturas inteligentes e fontes de energias renováveis. Wesley P. Calixto, possui graduação em Física, mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação pela Universidade Federal de Goiás (UFG). Concluiu o doutoramento em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU) com período na Universidade de Coimbra (UC), Portugal. Atualmente é Professor/Pesquisador do Núcleo de Estudos Experimentais e Tecnológico do Instituto Federal de Goiás (NExT/IFG). Aylton J. Alves, possui formação técnica em Eletrotécnica pela Escola Técnica Federal de Goiás (ETFG-1983), graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Goiás (1990), mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação pela Universidade Federal de Goiás (2001) e Doutorado pela Universidade Federal de Uberlândia (2011). Messias A. A. Faria, Possui graduação em Engenharia Elétrica pelas Faculdades Objetivo (2009) e é mestre em Tecnologia de Processos Sustentáveis pelo Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Goiás (01/2016) na linha de pesquisa de energias renováveis e engenharia econômica aplicada. Priscilla A. J. Stecanella, é mestre em Tecnologia de Processos Sustentáveis pelo IFG Goiânia, pós-graduação em Gerenciamento de Projetos pela Faculdade Alves Faria (2011), graduação em Engenharia de Controle e Automação pela Universidade Paulista (2006) e curso técnico em Eletrotécnica pelo CEFET-GO (1999). Elder G. Domingues, possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1993), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1996) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (2003).