Fabricação e conversão termoelétrica de tijolo de concreto termoelétrico com unileg N enterrado

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 916 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Para investigar o efeito da redução da perda de calor devido ao isolante térmico e resistência da interface térmica devido à estrutura multicamada, a fim de melhorar a eficiência de um dispositivo termoelétrico, um tijolo de concreto termoelétrico foi fabricado usando um módulo termoelétrico CaMnO3 tipo n unileg em seu interior. Materiais termoelétricos CaMnO3 foram sintetizados por materiais de partida CaCO3 e MnO2 para produzir um módulo CaMnO3 tipo n unileg. O tijolo de concreto termoelétrico consistia em dois tipos: tijolo de camada I (uma camada de isolante térmico de concreto) e tijolo de camada III (três camadas de diferentes isoladores de concreto). A diferença de temperatura, corrente elétrica e tensão ocorridas no módulo de CaMnO3 e no tijolo de concreto termoelétrico foram medidas em circuitos fechados e abertos. A diferença de temperatura, distribuição térmica e tensão de saída ao aplicar temperaturas constantes de 100, 200 e 400 °C foram medidas. Simulações computacionais do Método dos Elementos Finitos (MEF) foram realizadas para comparar com os resultados experimentais. As tendências da diferença de temperatura e a tensão de saída das simulações experimentais e de computador estavam de acordo. Os resultados da diferença de temperatura durante a temperatura do lado mais quente de 200 °C exibiram a diferença de temperatura ao longo da direção vertical dos tijolos de concreto termoelétrico para ambos os tipos de tijolo III camada de 172 °C e tijolo I camada de 132 °C C são maiores do que o módulo CaMnO3 TEG sem o uso de isolante térmico de concreto de 108 °C. Os tijolos de concreto termoelétrico do tipo III camada de 27,70 mV apresentaram resultados de tensão de saída superiores aos do tijolo de camada I de 26,57 mV e do módulo CaMnO3 TEG sem uso de isolante térmico de concreto de 24,35 mV. O tijolo de concreto termoelétrico do tipo III camada apresentou maior potência de geração elétrica do que o tijolo I e o módulo CaMnO3 TEG. Além disso, os resultados mostraram a capacidade do tijolo de concreto termoelétrico no modelo de tijolo de camada III para geração de energia elétrica com base na diferença de temperatura. O tijolo de concreto TEG de concreto de camada I cobrindo o circuito de combinação série-paralelo de 120 módulos do tipo unileg n CaMnO3 foi construído e então embutido na superfície externa do forno. Durante a temperatura máxima do lado mais quente de 580 °C do tijolo de concreto, a diferença de temperatura entre o lado mais quente e o lado mais frio do tijolo ocorreu em 365 °C e a tensão máxima de saída foi obtida em 581,7 mV.

Geradores Termoelétricos (TEGs) são dispositivos que geram energia elétrica diretamente da energia térmica. Os TEGs podem funcionar sem partes mecanicamente móveis e reações não químicas, pois a vantagem dos TEGs é a ausência de poluição e silenciamento1. As aplicações do TEG incluem geração de eletricidade no espaço e áreas remotas, recuperação de calor residual em automóveis e indústrias, microeletrônica e sensores2, fogões de biomassa3,4, gerador termoelétrico solar (STEG)5, têxtil6, pintura7 e dispositivos termoelétricos vestíveis8,9,10,11 .

A eficiência de conversão termoelétrica do TEG (η) é definida como a razão entre a potência elétrica de saída (P) fornecida à carga e a taxa de entrada de calor (Q̇h) absorvida na junção quente do TEG usando a seguinte equação \( \eta = \frac{P}{{\dot{Q}_{h} }}\)12: A eficiência do TEG também é calculada em forma de figura de mérito dos materiais por13:

onde ZT é a figura de mérito adimensional; \(T_{H}\) e \(T_{C}\), são as temperaturas do lado mais quente e do lado mais frio, respectivamente. Como mostrado na Eq. (1), a eficiência dos módulos TEG depende do ZT e da diferença de temperatura mantida durante a operação do TEG. Nas últimas duas décadas, houve um progresso significativo na melhoria do desempenho ZT de materiais termoelétricos (TE). No entanto, o desempenho dos módulos TE é muito inferior à eficiência teórica devido à otimização ineficaz da estrutura do módulo TEG, perdas de calor e perdas elétricas13.