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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 916 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Para investigar o efeito da redução da perda de calor devido ao isolante térmico e da resistência da interface térmica devido à estrutura multicamadas, a fim de melhorar a eficiência de um dispositivo termoelétrico, um tijolo termoelétrico de concreto foi fabricado usando um módulo termoelétrico CaMnO3 tipo n unileg em seu interior. Materiais termoelétricos CaMnO3 foram sintetizados a partir dos materiais iniciais CaCO3 e MnO2 para produzir um módulo de 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 isoladores de concreto diferentes). A diferença de temperatura, corrente elétrica e tensão ocorrida no módulo CaMnO3 e no tijolo termoelétrico de concreto foram medidas em circuitos fechados e abertos. Foram medidas a diferença de temperatura, distribuição térmica e tensão de saída ao aplicar temperaturas constantes de 100, 200 e 400 °C. Simulações computacionais do Método dos Elementos Finitos (MEF) foram realizadas para comparação com os resultados experimentais. As tendências da diferença de temperatura e da tensão de saída das simulações experimentais e computacionais estavam em boa concordância. 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 da camada III de 172 °C e tijolo da camada I de 132 ° C são maiores que os do módulo CaMnO3 TEG sem usar um isolador térmico de concreto de 108 °C. Os tijolos termoelétricos de concreto do tipo III camada de 27,70 mV apresentaram resultados de tensão de saída superiores aos do tijolo da camada I de 26,57 mV e do módulo CaMnO3 TEG sem utilização de isolante térmico de concreto de 24,35 mV. O tijolo de concreto termoelétrico do tipo camada III apresentou maior potência de geração elétrica que o tijolo da camada I e o módulo TEG CaMnO3. Além disso, os resultados exibiram 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 CaMnO3 tipo n unileg 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 a partir de energia térmica. Os TEGs podem funcionar sem peças 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 em áreas remotas, recuperação de calor residual em automóveis e indústrias, microeletrônica e sensores2, fogões de biomassa3,4, gerador termoelétrico solar (STEG)5, têxteis6, tinta7 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) entregue 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 na forma de figura de mérito dos materiais por13:

onde ZT é a figura adimensional do mérito; \(T_{H}\) 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 elétricas .