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http://hdl.handle.net/10773/19111
Title: | Characterization and application of a thermoelectric generator |
Other Titles: | Caracterização e aplicação de um gerador termoeléctrico |
Author: | Rocha, Carlos Miguel Oliveira |
Advisor: | Silva, Fernando José Neto da Fagg, Duncan Paul |
Keywords: | Eficiência energética Materiais termoeléctricos |
Defense Date: | 2015 |
Publisher: | Universidade de Aveiro |
Abstract: | This work is dedicated to the characterization of thermoelectric materials,
as well as the simulation of their application and optimization by using
a mathematical model. Thermoelectric generators are commonly used in
space exploration for many decades, however their application can be extended
to the recovery of exhaust gases in automobiles and industrial processes
as well as the powering of different types of remote sensors. In this
work, the BaGd2NiO5 material and its doping states with Ca were studied
for the first time in terms of their thermoelectric properties such as Seebeck
coefficient, thermal conductivity and electrical conductivity. A mathematical
model was also developed to simulate the application performance of
any thermoelectric material for various working conditions. After the experimental
validation of the model it was used to simulate the performance of
Ca0.15BaGd1.85NiO5 compound, which presented the best thermoelectric
properties. The numerical simulations showed that the performance of a
thermoelectric generator with this material would be as better as larger is
the temperature difference that the module is subjected and as greater is
the heat transfer from hot and cold sources to the thermoelectric generator.
The electrical conductivity of Ca0.15BaGd1.85NiO5 is the main reason for
its low viability since the conversion efficiency was much lower than 1% and
the power output was also reduced. This work revealed that the doping of
BaGd2NiO5 with Ca can improve its thermoelectric properties, such as
the increasing of the electrical conductivity and the reduction of the thermal
conductivity. Moreover, the optimization of the application showed to
be important in terms of increasing the performance and reducing the material.
The mathematical model permitted to conclude that the optimum
thickness of the thermoelements will be as smaller as larger is the heat
transfer coefficient by convection of the hot and cold fluids. The simulations
with the mathematical were also useful to conclude that a generator
with thermoelectric properties of Ca0.15BaGd1.85NiO5 could have a wide
applicability if its electrical conductivity could be a hundred times greater
than the current value. Este trabalho é dedicado à caracterização de materiais termoeléctricos, bem como a simulação da sua aplicação e otimização utilizando um modelo matemático. Os geradores termoeléctricos são utilizados com frequência na exploração espacial à várias décadas, no entanto a sua aplicação pode ser alargada à recuperação de gases de escape em automóveis e processos industriais, bem como na alimentação de diferentes tipos de sensores remotos. No presente trabalho, o material BaGd2NiO5 e seus estados de dopagem com Ca foram estudados pela primeira vez a nível das suas propriedades termoeléctricas tais como coeficiente de Seebeck, condutividade térmica e condutividade eléctrica. Um modelo matemático foi desenvolvido de forma a simular o desempenho da aplicação de um determinado material termoeléctrico para várias condições de trabalho. Após a validação experimental do modelo, o mesmo foi utilizado para simular o desempenho do composto Ca0.15BaGd1.85NiO5, o qual apresentou as melhores propriedades termoeléctricas. As simulações numéricas permitiram concluir que o desempenho de um gerador termoeléctrico com este tipo de material seria tanto melhor quanto maior for a diferença de temperaturas a que está sujeito e quanto maior for o coeficiente de transferência de calor por convecção das fontes quente e fria. A baixa condutividade eléctrica do material Ca0.15BaGd1.85NiO5 fez com que a viabilidade da sua utilização apresente algumas dificuldades uma vez que a sua eficiência será inferior a 1%, sendo a potência produzida igualmente reduzida. Este trabalho permitiu concluir que a dopagem do material BaGd2NiO5 com Ca poderá melhorar as suas propriedades termoeléctricas, nomeadamente com o aumento da condutividade eléctrica e com a redução da condutividade térmica. Por outro lado, a otimização da aplicação mostrou ser relevante em termos de aumento do desempenho e redução de material. O modelo matemático permitiu concluir que a espessura ótima dos elementos termoeléctricos será tanto menor quanto maior for o coeficiente de transferência de calor por convecção dos fluídos quente e frio. A partir do modelo matemático foi ainda possível concluir que um gerador com as propriedades de Ca0.15BaGd1.85NiO5 poderia ter uma grande aplicabilidade e se a sua condutividade eléctrica fosse cem vezes superior ao valor atual. |
Description: | Mestrado em Engenharia Mecânica |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/19111 |
Appears in Collections: | UA - Dissertações de mestrado DEM - Dissertações de mestrado |
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