Avaliação da geração de energia termoelétrica associada a tubos de calor para monitoramento de condições climáticas em rodovias

Abstract

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um protótipo para alimentar um sistema autônomo de monitoramento de condições climáticas em autoestradas, empregando energia termoelétrica. Este protótipo é responsável por gerar, converter, gerenciar e armazenar a energia gerada a partir da energia térmica solar, do calor absorvido pela malha asfáltica e pelo solo. O trabalho propõe algumas abordagens para investigar o melhor funcionamento do gerador termoelétrico, como a utilização do solo como sumidouro de calor e utilização de dispositivos passivos de controle térmico como tubos de calor e materiais que mudam de fase. O circuito conversor deve ser capaz de realizar a conversão de maneira eficiente e com baixo consumo de energia, para isso, analisou-se três topologias de conversores comerciais, os modelos LTC3108, LTC3109 e um circuito conjunto entre os modelos EM8900 e BQ25570. O sistema de monitoramento proposto é capaz de realizar leituras de sensores que aquisitam grandezas físicas pertinentes ao monitoramento climático de uma rodovia, como temperatura, umidade e pressão atmosférica. Além disso, estes sensores devem possuir características ultra-low power para melhorar a eficiência do sistema de geração. Todos estes dados aquisitados pelo sistema foram enviados pela tecnologia LoRa para um servidor onde os dados foram tratados e analisados. Como resultado principal, o protótipo gerou 286,24 Joules para um gradiente de temperatura máximo no TEG de 4,00 ºC pico. O custo energético de transmissão pelo módulo LoRaWAN utilizado, transmitindo uma mensagem de 40 bytes, é de 0,625 Joules. O circuito proposto para aquisição dos dados climáticos possui um consumo teórico de 17,69 Joules. Foram realizados testes práticos com o conversor de modelo LTC3108, disponível no laboratório. Associado a este conversor foi utilizado um supercapacitor de 0,22 F, capaz de armazenar 2,60 J com um tempo para a primeira carga de 6240 s. Com uma carga completa, o supercapacitor pode realizar a transmissão de dados com o sistema LoRaWAN duas vezes. O presente trabalho obteve êxito em seu objetivo proporcionando uma boa base para futuros estudos voltados ao aproveitamento de energia termoelétrica em autoestradas. O trabalho resultou em um protótipo completo que pode ser aplicado em situações reais de rodovias.

Abstract: This work aims to develop a prototype to power an autonomous system for monitoring highway weather conditions using thermoelectric energy. This prototype is employed for generating, converting, managing, and storing the energy generated from solar thermal energy, the heat absorbed by the asphalt and the soil. The work proposes some approaches to investigate the best functioning of the thermoelectric generator, such as using soil as a heat sink and using passive thermal control devices such as heat pipes. The converter circuit must perform the conversion efficiently and with low energy consumption. For this, three topologies of commercial converters were analyzed, models LTC3108, LTC3109, and a joint circuit between models EM8900 and BQ25570. The proposed monitoring system is able to perform readings from sensors that acquire physical quantities relevant to the climate monitoring of a highway, such as temperatures, atmospheric pressure and humidity. In addition, these sensors must have ultra-low power characteristics to improve the efficiency of the generation system. All these data acquired by the system must be sent by LoRa technology to a server where the data will be processed and analyzed. As a main result, the prototype generated 286.24 Joules for a maximum temperature gradient in the TEG of 4.25 ºC. The energy cost of transmission by the LoRaWAN module, transmitting a message of 40 bytes, is 0.625 Joules. The circuit proposed for acquiring climate data has a theoretical consumption of 17.69 Joules. Experimental tests were carried out with the LTC3108 model converter available in the laboratory. A 0.22 F supercapacitor was associated with this converter, capable of storing 2.60 J with the first charging time of 6240 s. From these values, it was possible to carry out the data transmission with the LoRaWAN system twice. The present work successfully provided a reasonable basis for future studies on the use of thermoelectric energy on highways. The work resulted in a complete prototype that can be applied in real road situations.