Wykorzystanie generatorów termoelektrycznych do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej w systemach cieplnych
The technology of thermoelectric generators for the local production of auxiliary energy in heating systems
Schemat budowy półprzewodnikowego generatora termoelektrycznego/rys. autorzy
W ciągu kilku najbliższych lat ciepłownictwo będzie się musiało zmierzyć ze sporymi wyzwaniami. Coraz bardziej restrykcyjne wymagania dotyczące czystości produkcji energii oraz alternatywy w postaci odnawialnych źródeł energii sprawiają, że należy poszukiwać sposobów, które umożliwią utrzymanie konkurencyjności klasycznych form wytwarzania energii cieplnej. Jedną z możliwości, jakie daje współczesna technologia, jest wykorzystanie generatorów termoelektrycznych do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej dla systemów cieplnych.
Zobacz także
FLOWAIR Sprawdź, jak prześcigniesz konkurencję dzięki SYSTEMOWI FLOWAIR
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami...
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami – musisz o nie zadbać, aby podczas składowania nie straciły swoich właściwości.
ADEY Innovation SAS ADEY – optymalna ochrona systemu grzewczego
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie...
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie do ochrony środowiska naturalnego, z dużym naciskiem na poprawę jakości powietrza (umożliwiają obniżenie emisji CO2 o ok. 250 kg rocznie z pojedynczego gospodarstwa domowego).
Alfa Laval Efektywna wymiana ciepła to kwestia nowoczesnych rozwiązań w wymienniku ciepła a nie tylko powierzchni grzewczej
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży...
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży poszukują nowych sposobów maksymalizacji wydajności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii i udoskonaleniu swojego wizerunku w zakresie ochrony środowiska. Wyzwania te będą złożone i wieloaspektowe.
Współczesne wymagania dotyczące efektywności i czystości wytwarzania energii cieplnej stanowią wyzwanie, z którym branża ciepłownicza i grzewcza mierzy się każdego dnia. Coraz ostrzejsze standardy wymagają podjęcia działań, które w przyszłości zapewnią ograniczenie zużycia paliw kopalnych oraz pozwolą wytwarzać energię efektywnie, z jak najmniejszym obciążeniem środowiska. Cele te mogą zostać osiągnięte poprzez poprawę efektywności wykorzystania energii paliw konwencjonalnych, zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii oraz wykorzystanie ciepła odpadowego.
Współczesne systemy cieplne (źródła ciepła, sieci dystrybucji, elementy napędowe, odbiorniki ciepła itd.) wymagają zasilania pomocniczą energią elektryczną. W Polsce energia elektryczna, poza nielicznymi wyjątkami, pochodzi z krajowego systemu energetycznego i wytwarzana jest ze spalania paliw kopalnych ze sprawnością rzędu 40% [1]. Skutecznym sposobem ograniczenia zużycia konwencjonalnej energii elektrycznej pomocniczej z jednoczesnym zwiększeniem efektywności systemów grzewczych jest lokalne wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego, odnawialnego lub innego strumienia ciepła i jej lokalne wykorzystanie jako energii pomocniczej.
Popularne metody generowanie energii elektrycznej z ciepła opierają się na wykorzystaniu Organicznego Obiegu Rankine’a (ORC) [3, 4], silników Stirlinga [2] oraz generatorów termoelektrycznych (TEG, ang. thermoelectric generator) [7]. Sposób produkcji energii elektrycznej w każdym z tych urządzeń jest inny, inna jest technologia i złożoność systemów (rys. 1), różny jest również potencjał ich stosowania w systemach cieplnych. Najbardziej korzystne z punktu widzenia zastosowania w systemach cieplnych wydają się generatory termoelektryczne.
Główną zaletą TEG, w odróżnieniu od pozostałych rozwiązań, jest możliwość bezpośredniej konwersji energii cieplnej w elektryczną i maksymalne uproszczenie procesu generowania energii elektrycznej. Konwersja jest dokonywana bezpośrednio w generatorze i nie wymaga żadnych dodatkowych urządzeń. Dzięki temu uzyskuje się większą niezawodność całego procesu i ogranicza straty energii na poszczególnych elementach systemu.
Rys. 1. Schemat produkcji energii elektrycznej z ciepła dla układów:
a) z turbiną ORC, b) z silnikiem Stirlinga, c) z generatorem termoelektrycznym
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Kolejnym atutem jest budowa TEG typu Solid State. Typowe ogniwo TEG ma kształt kwadratowej płytki o wymiarach około 5×5 cm oraz grubości kilku milimetrów. Składa się z wielu połączonych ze sobą par elementów półprzewodnikowych, które odpowiadają za generowanie stałego prądu elektrycznego. W ogniwach TEG nie ma ruchomych części, dzięki czemu są one bezobsługowe i działają bezawaryjnie. Żywotność ogniw producenci określają na 200 tys. godzin ciągłej pracy.
U podstaw działania generatorów termoelektrycznych leży tzw. zjawisko Seebecka. Siłą napędową tego procesu jest różnica temperatur między stroną ciepłą i zimną termogeneratora (rys. 2).
Energia pomocnicza systemów cieplnych
Atrakcyjnym obszarem takich działań są indywidualne źródła ciepła oraz systemy cieplne oparte na odnawialnych źródłach energii. Ogromna liczba tego rodzaju źródeł, zapewniająca efekt skali, skłania do podjęcia poszukiwań lokalnego źródła energii pomocniczej.
Rys. 2. Schemat budowy półprzewodnikowego generatora termoelektrycznego
rys. autorzy (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Każdy współczesny system cieplny do prawidłowej pracy wymaga dostarczenia z zewnątrz energii pomocniczej. Najczęściej jest nią energia elektryczna do zasilania sterowników, elementów automatyki, pomp obiegowych, wentylatorów i innych urządzeń niezbędnych do efektywnej pracy urządzenia czy systemu cieplnego.
Rys. 3. Strumienie energii w konwencjonalnym systemie cieplnym
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Badania przeprowadzone w [5] wykazały, że w systemach cieplnych wykorzystujących współczesne gazowe kotły kondensacyjne stosunek maksymalnej pobieranej mocy elektrycznej do maksymalnej mocy cieplnej wynosi 1:500. Oznacza to, że urządzenie o mocy cieplnej 20 kW do pracy potrzebuje zasilania 40 W mocy elektrycznej. Energia pomocnicza jest tu niezbędna do zasilania palnika, wentylatora nadmuchowego, pompy obiegowej oraz sterownika. Stosunek ten zachęca do wykorzystania lokalnego ciepła do generowania energii elektrycznej w celu pokrycia lokalnego zapotrzebowania na energię pomocniczą.
Technologia TEG łączy strumienie ciepła i energii elektrycznej w lokalnym systemie cieplnym. Na rys. 3 przedstawiono strumienie energii pierwotnej zawartej w paliwie, pomocniczej energii elektrycznej, ciepła użytecznego i ciepła odpadowego w konwencjonalnym systemie cieplnym jako środowisku umożliwiającym zastosowanie ogniw TEG.
Na rys. 4, rys. 5 i rys. 6 przedstawiono ideę wykorzystania generatorów termoelektrycznych w wybranych konfiguracjach typowego systemu cieplnego.
W każdym przypadku możliwe jest uzyskanie w systemie cieplnym dodatniego bilansu energetycznego.
W systemie przedstawionym na rys. 4 ogniwa TEG wykorzystują odpadową energię cieplną do generowania energii elektrycznej na pokrycie lokalnych potrzeb systemu cieplnego. Przy prawidłowo zaprojektowanym module ogniw TEG rozwiązanie to umożliwia całkowicie lokalne zasilanie systemu cieplnego w wymaganą energię pomocniczą. Możliwe jest osiągnięcie samowystarczalności elektrycznej systemu.
Moduł termoelektryczny charakteryzuje się sprawnością rzędu kilku procent, jednak energia cieplna nieprzekształcona w TEG w energię elektryczną może zostać z powrotem wprowadzona do systemu cieplnego lub wykorzystana do innych celów. Ze względu na lokalne wytwarzanie pomocniczej energii elektrycznej eliminuje się konieczność jej przesyłu i towarzyszące temu straty.
W sprzyjających warunkach energetycznych w systemie cieplnym możliwe jest uzyskanie w odpowiednio zwymiarowanym module ogniw TEG produkcji energii elektrycznej przewyższającej lokalne potrzeby systemu (rys. 5). Umożliwia to produkcję dodatkowej porcji energii elektrycznej, która może być wykorzystana do innych celów lub sprzedana. Także tutaj energia cieplna, która nie zostanie wykorzystana do konwersji na energię elektryczną, może zostać ponownie wprowadzona do systemu.
Mniej korzystnym, ale w określonych wypadkach uzasadnionym rozwiązaniem jest wykorzystanie do lokalnej produkcji energii elektrycznej w TEG ciepła użytecznego generowanego przez system cieplny (rys. 6). Umożliwia to uzyskanie niezależności zasilania systemu w energię elektryczną kosztem jego efektywności cieplnej.
Rys. 4. Idea wykorzystania generatorów termoelektrycznych w systemie cieplnym przy zastosowaniu ciepła odpadowego do zasilania TEG
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 5. Idea wykorzystania generatorów termoelektrycznych w systemie cieplnym przy zastosowaniu ciepła odpadowego do zasilania TEG z nadmiarową produkcją energii elektrycznej
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 6. Idea wykorzystania generatorów termoelektrycznych w systemie cieplnym przy zastosowaniu ciepła użytecznego do zasilania TEG
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Wymiarowanie termoelektrycznych zespołów zasilających
Zastosowanie generatorów termoelektrycznych do lokalnego wytwarzania pomocniczej energii elektrycznej dla systemów cieplnych wymaga ich szczegółowego doboru, z uwzględnieniem parametrów pracy systemu cieplnego i charakterystyki podaży energii elektrycznej przez określony termogenerator.
Podstawą doboru jest charakterystyka pracy termogeneratorów, która wiąże cieplne i elektryczne parametry pracy ogniw TEG. Wydajność elektryczna termogeneratorów zmienia się w zależności od parametrów ciepła przepływającego przez ich okładki oraz obciążenia po stronie odbioru energii elektrycznej.
Parametry ciepła zasilającego TEG opisane są względną i bezwzględną (wysokość temperatury) różnicą temperatury między okładkami generatora oraz strumieniami przepływu czynnika w obiegu grzewczym i chłodzącym.
Parametry elektryczne obejmują napięcie, prąd i moc elektryczną uzyskiwaną przy danych parametrach zasilania ciepłem okładek ogniwa.
Ogólne i szczegółowe charakterystyki ogniw TEG są podstawą doboru rodzaju i liczby ogniw w zestawie zasilającym. Ścieżkę doboru termoelektrycznego systemu zasilającego zaprezentowano w tab. 1.
Zgodnie z tym schematem przedstawiono przykładowy dobór termoelektrycznego modułu TEG dla wodnego systemu cieplnego.
Metodyka doboru została opracowana na podstawie badań i testów przeprowadzonych przez autorów.
Analizowany system cieplny jest systemem wodnym pompowym o wymuszonym obiegu czynnika, obejmującym źródło i odbiorniki ciepła. Moduł TEG zostanie zamontowany między obiegiem źródła ciepła (obieg grzewczy) i obiegiem odbiorników ciepła (obieg chłodzący).
Tabela 1. Dobór termoelektrycznego modułu zasilającego TEG do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej dla systemu cieplnego
W obiegu grzewczym woda ma temperaturę th = 90°C i przepływ Vh = 0,6 m3/h, w obiegu chłodzącym tc = 30°C i Vc = 0,4 m3/h. Założono, że energia elektryczna z TEG ma pokryć lokalne zapotrzebowanie na energię pomocniczą, które wynosi 40 W przy napięciu prądu stałego 12 V. Pozwoli to zasilać system automatycznego sterowania i napędy. Odnosząc podane parametry do rzeczywistego systemu cieplnego, przyjmuje się, że rozważania dotyczą instalacji centralnego ogrzewania zasilanej kotłem stałopalnym oraz wyposażonej w obieg grzewczy z podmieszaniem (ogrzewanie podłogowe). Ciepło dostarczane jest do ogniw z zasilania kotła, a odbiór następuje z wykorzystaniem czynnika z powrotu obiegu ogrzewania podłogowego.
Wyboru modelu ogniwa TEG i wstępnego określenia ich wymaganej liczby dokonuje się na podstawie charakterystyk cieplno-elektrycznych TEG, porównując je z zadanymi parametrami pracy. Na rys. 7 przedstawiono, sporządzoną przez autorów, zbiorczą charakterystykę elektryczną dla sześciu modeli ogniw TEG i stałej różnicy temperatur między okładkami termogeneratorów wynoszącej 60°C [6]. Dla parametrów analizowanego systemu cieplnego wybrano najbardziej wydajne ogniwo TEG: model TEC1-12730.
Wydajność ogniw TEG zmienia się w funkcji zasilania cieplnego i obciążenia elektrycznego. Na podstawie szczegółowych charakterystyk elektrycznych określa się parametry elektryczne TEG jako funkcję dostępnych parametrów cieplnych systemu. Wyznacza się wpływ parametrów pracy systemu cieplnego na charakterystykę podaży prądu elektrycznego generowanego przez ogniwo dla określonej różnicy temperatur między okładkami generatora termoelektrycznego (rys. 8), położenia różnicy temperatur na skali temperatur (rys. 9) oraz strumieni przepływu czynnika w obiegu grzewczym i chłodzącym (rys. 10). W zależności od zastosowania określa się również bezwładność generatora w warunkach rozruchu (rys. 11).
Rys. 7. Zbiorcza charakterystyka elektryczna ogniw TEG przy różnicy temperatur ΔT = 60°C
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 8. Pełna charakterystyka elektryczna generatora TEC1-12730 przy temperaturze w obiegu chłodzącym równej 30°C i różnych temperaturach w obiegu grzewczym
Rys. 9. Charakterystyki elektryczne przy różnicy temperatur czynnika między obiegiem grzewczym i chłodzącym równej 60°C i różnych temperaturach czynnika w obiegu chłodzącym
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 10. Charakterystyka elektryczna generatora TEC1-12730 przy różnicy temperatur między obiegami równej 60°C dla wybranych przepływów czynnika w obiegach wodnych, w kolejności przepływu w obiegu chłodzącym, przepływ w obiegu grzewczym w m3/h
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 11. Charakterystyki elektryczne generatora TEC1-12730 przy badaniu bezwładności dla temperatur w obiegach grzewczym oraz chłodzącym odpowiednio 90°C oraz 30°C. Pomiary po 10, 60 oraz 120 sekundach od podania czynnika do obiegów
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Przy doborze ogniw można też skorzystać z opracowanej przez autorów zależności matematycznej wiążącej parametry pracy systemu cieplnego (temperatury i strumienie przepływu w obiegach grzewczym i chłodzącym oraz napięcie zasilania urządzeń pomocniczych) z natężeniem generowanego prądu elektrycznego:
gdzie:
th – temperatura czynnika w obiegu dostarczającym ciepło do generatora,
tc – temperatura czynnika w obiegu odbierającym ciepło z generatora,
Vh – strumień przepływu czynnika w obiegu dostarczającym ciepło do generatora,
Vc – strumień przepływu czynnika w obiegu odbierającym ciepło z generatora,
U – napięcie pracy urządzeń pomocniczych systemu cieplnego.
Aby wyznaczyć moc generowanego prądu elektrycznego przy danym napięciu, należy powyższą zależność pomnożyć przez wartość napięcia prądu elektrycznego:
Uwzględniając ograniczoną wydajność pojedynczego ogniwa TEG, zależnie od potrzeb termoelektryczny zespół zasilający musi się składać z zespołu ogniw. Modułowa budowa wymaga określenia zmiany temperatury czynnika w obiegu grzewczym i chłodzącym po przejściu przez kolejne moduły termoelektryczne. W opisywanym przypadku zależność ta przyjmuje postać:
Korzystając z powyższych zależności, autorzy stworzyli arkusz umożliwiający szybki dobór liczby oraz sposobu połączenia generatorów termoelektrycznych przy założonych parametrach cieplnych pracy systemu oraz określonych wymaganiach elektrycznych. Wyniki doboru dla rozpatrywanego układu przedstawiono w tab. 2.
Po wprowadzeniu danych wejściowych (parametrów pracy systemu cieplnego oraz wymaganego napięcia zasilania i mocy elektrycznej) algorytm dokonuje doboru liczby ogniw zależnie od sposobu ich połączenia w module oraz połączenia między modułami. Jako podsumowanie podawana jest rzeczywista moc elektryczna uzyskiwana z tak dobranego zespołu ogniw.
W analizowanym systemie cieplnym wymagana różnica temperatury na okładkach TEG zostanie wytworzona przy zastosowaniu wymienników ciepła woda/TEG po stronie obiegu grzewczego i TEG/woda po stronie obiegu chłodzącego. W celu zapewnienia uniwersalności i skalowalności autorzy opracowali rozwiązanie modułowe. Każdy moduł składa się z dwóch ogniw TEG, przyłącza wodnego i elektrycznego (rys. 12 i rys. 13). Taka budowa umożliwia ograniczenie strat ciepła oraz ułatwia połączenie hydrauliczne modułu.
Rys. 12. Elementy podstawowe zespołu termoelektrycznego
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 13. Widok kompletnego termoelektrycznego modułu zasilającego TEG z podłączeniami hydraulicznymi i elektrycznymi
rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Modułowa budowa zmienia jednak parametry czynnika (wody) zasilającego kolejne ogniwa TEG, co wpływa na ich działanie. Na podstawie powyższych zależności określono temperaturę czynnika w obiegu grzewczym i chłodzącym po przejściu przez kolejne moduły termoelektryczne oraz parametry generowanego przez kolejne ogniwa prądu (tab. 3). Pozwalają one zweryfikować dobór termoelektrycznego zespołu zasilającego od strony elektrycznej i wskazują dane temperaturowe, dzięki czemu możliwe jest określenie wpływu implementacji zespołu na pracę systemu cieplnego.
Dobrany zespół TEG będzie lokalnie całkowicie pokrywał zapotrzebowanie na pomocniczą energię elektryczną w analizowanym wodnym systemie cieplnym. Oznacza to całkowite uniezależnienie się od dostaw energii z zewnątrz oraz ograniczenie zużycia energii ze spalania paliw kopalnych. Jest to możliwe dzięki niskiemu zapotrzebowaniu na pomocniczą energię elektryczną we współczesnych systemach cieplnych wyposażonych w energooszczędne urządzenia elektryczne, zasilaniu ich prądem stałym oraz bardzo małemu „zużyciu” ciepła w ogniwach. Rozwiązanie to może być z powodzeniem wdrażane w popularnych instalacjach grzewczych w budynkach o różnym przeznaczeniu.
Tabela 3. Parametry temperaturowe i prądowe dla każdego z ogniw wchodzących w skład dobranego zespołu termoelektrycznego
Wnioski
Przedstawiona powyżej metodyka doboru pozwala na zaprojektowanie termoelektrycznego systemu zasilającego dopasowanego do możliwości i potrzeb danego systemu cieplnego. Została ona stworzona w oparciu o szerokie i szczegółowe badania laboratoryjne i prototypowe. Może być z powodzeniem stosowana na poziomie inżynierskim do wymiarowania termoelektrycznych zespołów zasilających.
Ograniczona efektywność współczesnych ogniw generatorów termoelektrycznych wiąże się z koniecznością wymiarowania dużych i rozbudowanych zespołów zawierających wiele ogniw. Stały rozwój w dziedzinie nanomateriałów daje pewność, że w najbliższej przyszłości sprawność modułów TEG wzrośnie. Przy takim założeniu wykorzystanie generatorów termoelektrycznych stanie się nie tylko korzystne z ekologicznego punktu widzenia, ale także uzasadnione ekonomicznie.
Literatura
-
Zaporowski B., Technologie wytwarzania energii elektrycznej dla polskiej elektroenergetyki, „Polityka Energetyczna” 2015, 18.
-
Song Z., Chen J., Yang L., Heat transfer enhancement in tubular heater of Stirling engine for waste heat recovery from flue gas using steel wool, „Appl Therm Eng.” 2015, 8/5, 87, p. 499–504.
-
Lecompte S., Huisseune H., van den Broek M., Vanslambrouck B., De Paepe M., Review of organic Rankine cycle (ORC) architectures for waste heat recovery, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 2015, 7, 47, p. 448–61.
-
Muhammad U., Imran M., Lee D.H., Park B.S., Design and experimental investigation of a 1 kW organic Rankine cycle system using R245fa as working fluid for low-grade waste heat recovery from steam, „Energy Conversion and Management” 2015, 10, 103, p. 1089–1100.
-
Sidorczyk M., Wykorzystanie ciepła do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej dla systemów cieplnych, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, 2016.
-
-
Brazdil M., Pospisil J., Thermoelectric Power Generation Utilizing the Waste Heat from a Biomass Boiler, „J Electron Mater.” 2013, 42(7), p. 2198–202.