Produkcja energii elektrycznej z ciepła za pomocą ogniw TEG; charakterystyki termoelektryczne termogeneratorów

Źródłem ciepła wykorzystywanego przez TEG do generowania energii elektrycznej może być zarówno strumień ciepła kierowany do odbiorników, jak i ciepło odpadowe. Zastosowanie TEG zwiększa więc ogólną efektywność energetyczną systemu oraz ogranicza zapotrzebowanie na energię nieodnawialną.

Właściwe wykorzystanie TEG pozwala na częściowe lub całkowite uniezależnienie systemu cieplnego od zewnętrznego zasilania w energię elektryczną (rys. 1). Można dzięki nim zbudować w pełni funkcjonalny kocioł gazowy, węzeł ciepłowniczy czy układ solarny, który nie wymaga podłączenia do zewnętrznego zasilania elektrycznego.

Czytaj też: Zapotrzebowanie na moc cieplną i energię użytkową do podgrzania ciepłej wody użytkowej – metody obliczeń >>>

Obecnie szeroko podejmowane się próby zabudowy w urządzeniach cieplnych układów zasilających TEG [1, 2, 3]. W prototypach osiągano moce elektryczne rzędu 240, a nawet 500 W. Ogniwa TEG są dostępne na rynku światowym, jednak brakuje wytycznych ich wykorzystania w systemach cieplnych oraz charakterystyk pozwalających projektować takie układy zasilające. Przeprowadzono badania własne kilku typów ogniw TEG pod kątem ich charakterystyk termoelektrycznych i możliwości wykorzystania w systemach cieplnych.

Jakie są wymagania jakości powietrza w przedszkolach i szkołach na 2021 rok? Pobierz bezpłatny e-book »

Generatory termoelektryczne TEG

W ogniwach TEG efekt termoelektryczny jest zjawiskiem związanym z wzajemnością procesów elektrycznych i cieplnych w metalach, przewodnikach i półprzewodnikach [4].

Do grupy zjawisk termoelektrycznych zalicza się zjawisko Peltiera, zjawisko Thomsona i zjawisko Seebecka. Ogólnie dotyczą one obwodu złożonego z dwóch elementów przewodzących, na którego złączach pod wpływem różnicy temperatury generowana jest siła elektromotoryczna w postaci prądu stałego (rys. 2). Obwody połączone w grupy i ograniczone płytkami ceramicznymi tworzą tzw. ogniwo termoelektryczne lub generator termoelektryczny TEG (rys. 3).

W seryjnie produkowanych ogniwach TEG wykorzystywane są elementy półprzewodnikowe wykonane z tellurku bizmutu (Bi₂Te₃) lub tellurku ołowiu (PbTe). Połączone zespoły elementów półprzewodnikowych ograniczone są okładkami ceramicznymi z aluminy (tlenku glinu Al₂O₃) umożliwiającymi dostarczenie ciepła po jednej stronie generatora i odebranie po drugiej. Spomiędzy płytek generatora wyprowadzone są przewody elektryczne. Wymiary typowych ogniw to: 30×30 mm, 40×40 mm, 50×50 mm i 56×56 mm.

Metodyka badań ogniw TEG

Wstępnym etapem przygotowań do budowy zespołu zasilającego system cieplny w pomocniczą energię elektryczną z ogniw TEG jest określenie rzeczywistych parametrów termoelektrycznych wybranych ogniw w danych warunkach cieplnych. Do badań wytypowano sześć modeli generatorów termoelektrycznych dostępnych na rynku (tabela 1), dla których sporządzono charakterystyki termoelektryczne. Opisują one zależność generowanej w ogniwie mocy elektrycznej, natężenia prądu oraz napięcia dla określonych różnic temperatury po obu stronach ogniwa. Badania przeprowadzano w kontrolowanych warunkach temperaturowych i elektrycznych. Na okładkach ogniw utrzymywano określone temperatury dla strony ciepłej i zimnej, monitorując jednocześnie parametry prądu elektrycznego generowanego przez badane ogniwo TEG w zmiennych warunkach obciążenia elektrycznego. Pomiary wykonano dla różnicy temperatury DT po obu stronach ogniwa TEG od 5 do 80°C, zmieniając w sposób powtarzalny obciążenie elektryczne ogniwa dla każdej z ustalonych DT.

Wyniki badań

Podstawowe charakterystyki termoelektryczne analizowanych ogniw TEG przedstawiono na rys. 4, rys. 5, rys. 6, rys. 7, rys 8 i rys. 9 jako zależność maksymalnej mocy elektrycznej ogniwa od różnicy temperatury DT na ciepłej i zimnej okładce TEG. Badania wykonywano w dwóch wariantach montażu ogniw pod kątem doprowadzania i odprowadzania ciepła: z wykorzystaniem przewidzianej przez producenta warstwy grafitu na okładkach TEG oraz po zastąpieniu jej pastą termoprzewodzącą w celu zintensyfikowania wymiany ciepła.

Wszystkie badane ogniwa nieliniowo zwiększają generowaną moc elektryczną wraz ze wzrostem różnicy temperatury DT na okładkach ogniw. Dla tych samych warunków temperaturowych poszczególne ogniwa uzyskują różne moce maksymalne: dla grafitu od 2,0 do 2,7 W, a dla pasty termoprzewodzącej od 2,4 do 4,6 W.

Zastosowanie pasty termoprzewodzącej zamiast warstwy grafitu zwiększa osiąganą moc elektryczną ogniwa o od 7 do 52%. Uwidacznia to istotny wpływ przewodności cieplnej połączenia okładek ogniwa ze źródłem i odbiornikiem ciepła na maksymalną moc elektryczną generowaną przez ogniwo.

W praktyce najkorzystniejsze są elastyczne materiały termoprzewodzące. Wypełniają one mikroprzestrzeń pomiędzy ogniwem a wymiennikiem ciepła w pełnym cyklu pracy. Zwiększa to strumień ciepła przewodzony przez ogniwo, a tym samym jego wydajność elektryczną.

Poszczególne ogniwa, generując maksymalną moc elektryczną, mają różne parametry prądu stałego: napięcie i natężenie prądu. Osiągane moce maksymalne oraz towarzyszące im natężenie i napięcie generowanego prądu przy DT = 80°C zestawiono w tabeli 2.

Dla pozostałych DT, ze względu na współzależność mocy, natężenia i napięcia prądu, charakterystyki przedstawiono na wykresie złożonym (rys. 10).

Sposób odczytu parametrów ogniwa zilustrowano za pomocą strzałek. Przykładowo dla maksymalnej mocy generowanej przez ogniwo TEG1-12611-6.0 (pkt 1) wynoszącej 3,4 W (strzałka 2) natężenie prądu wynosi 1,8 A (strzałki 3 i 4), a napięcie 1,9 V (strzałka 5). Rodzaj kreskowania linii na wykresie odpowiada danemu modelowi ogniwa.

Charakterystyki podaży mocy elektrycznej każdego z badanych ogniw są różne. Wynika to z różnic w ich budowie: liczby, rozmiarów i rozmieszczenia elementów półprzewodnikowych.

Krzywe zmienności mocy wszystkich ogniw charakteryzują się zbliżonym kształtem, wyjątkiem jest ogniwo G2-56-0570. Charakteryzuje się ono maksymalnym napięciem 6 V i maks. mocą osiąganą przy napięciu aż 3 V. Pozostałe ogniwa osiągają moc maks. przy napięciu od 1 do 2 V. Właściwość ta predysponuje ogniwo G2-56-0570 do zasilania odbiorników energii elektrycznej wymagających wyższych napięć przy niewielkim natężeniu prądu.

Parametry generowanego prądu i ich wzajemna zmienność są istotne z punktu widzenia zasilania energią elektryczną konkretnego odbiornika. Z uwagi na to sporządzono pełne charakterystyki elektryczne ogniw w analizowanym zakresie różnic temperatury DT na okładkach ogniwa. Pełne charakterystyki złożone dla trzech przykładowych ogniw przedstawiono na rys. 11, rys. 12 i rys. 13. Sposób odczytu parametrów jest analogiczny jak na rys. 10, a poszczególne pary krzywych mocy oraz napięcia w funkcji natężenia opisano różnicą temperatury DT na okładkach generatora, przy których ją zmierzono.

Czytaj też: Wpływ OZE na wskaźnik energii pierwotnej w budynkach mieszkalnych >>>

Osiągane parametry generowanego prądu stałego wyraźnie wskazują na konieczność stosowania zespołów połączonych ze sobą ogniw do zasilania energią pomocniczą rzeczywistych urządzeń w systemach cieplnych.

W celu porównania wydajności termoelektrycznej badanych ogniw wyznaczono i zestawiono ich jednostkowe maksymalne moce elektryczne w W/cm² w funkcji natężenia generowanego prądu (rys. 14).

Najlepszy wynik osiąga ogniwo TEC1-12730, wyraźnie przewyższając pozostałe typy ogniw (0,185 W/cm²).

Kolejnym parametrem oceny przydatności poszczególnych typów ogniw jest jednostkowy koszt ich zakupu w przeliczeniu na 1 W generowanej mocy elektrycznej (rys. 15).

Zróżnicowanie wynosi aż 750%, a najlepszy wynik ponownie osiąga ogniwo TEC1-12730 (ogniwo Peltiera), którego jednostkowa cena zakupu wynosi ok. 26 zł/W.

Przewiduje się, że, analogicznie do spadku cen ogniw PV, ceny ogniw TEG będą bardzo dynamicznym parametrem.

Możliwości implementacji TEG

Na podstawie wyników przeprowadzonych badań możliwe stało się projektowanie zespołów ogniw TEG do zasilania energią elektryczną urządzeń pomocniczych w systemach cieplnych. Wstępne projektowanie zespołu generatorów TEG polega na doborze liczby i rodzaju ogniw w funkcji parametrów zasilania przewidywanego odbiornika energii elektrycznej i dostępnej różnicy temperatury DT na okładkach ogniwa.

Przykładowo w typowym układzie solarnym c.w.u. energia pomocnicza wymagana jest do zasilania sterownika i solarnej pompy obiegowej. Dla sterownika wymagane parametry zasilania to moc 2 W [6] i napięcie 3 V prądu stałego, a dostępna różnica temperatury DT = 40°C. Dla tych parametrów potrzeby te pokryje zespół dwóch generatorów TEC1-12730 połączonych szeregowo (na podstawie rys. 11).

Zapotrzebowanie na miejsce dla takiego układu to tylko 5×10 cm powierzchni wymiany ciepła. Parametry zasilania obiegowej pompy solarnej to: moc 7 W [7] i napięcie 12 V prądu stałego (projektowany punkt pracy), a dostępna różnica temperatury DT = 60°C. Wymagany jest tu zespół siedmiu generatorów TECTEG TEG1-12611-6.0 połączonych szeregowo (na podstawie rys. 12).

W układach solarnych zapotrzebowanie na energię elektryczną jest stałe w czasie pracy urządzeń, co ułatwia dobór i projektowanie układu zasilającego z ogniw TEG.

W wypadku zasilania energią pomocniczą z TEG np. systemów grzewczych c.o., w których parametry pracy cieplne charakteryzują się dużą zmiennością godzinową i sezonową, dobór zespołu ogniw jest trudniejszy, co nie oznacza, że niemożliwy.

Podsumowanie

Zastosowanie zestawów ogniw TEG wykorzystujących dostępną różnicę temperatur umożliwia lokalne generowanie pomocniczej energii elektrycznej w systemach cieplnych.

Wykorzystywanie energii z TEG do zasilania elektrycznych urządzeń pomocniczych zwiększa efektywność systemu, jest tanie w eksploatacji i ekologiczne, umożliwia również osiągnięcie niezależności od zasilania zewnętrznego. Sprzyja temu energooszczędność urządzeń pomocniczych (sterowników, pomp itd.), które zasilane są prądem stałym i wymagają mocy elektrycznych na poziomie kilku watów.

W ramach badań opracowano metodę badawczą parametrów ogniw, porównano wybrane generatory różnych producentów oraz stworzono charakterystyki termoelektryczne będące podstawą doboru zestawów TEG do konkretnych zastosowań. Rozważono zagadnienie dostarczania strumienia ciepła do ogniwa TEG, montażu ogniw oraz zmiennego obciążenia elektrycznego.

Zespoły zasilające złożone z ogniw TEG można stosować w nowo projektowanych i istniejących systemach cieplnych (przy korzystnych warunkach cieplnych i zasilania elektrycznego). Ich zastosowanie zwiększa sprawność całkowitą systemów cieplnych dzięki lokalnej produkcji energii pomocniczej i wykorzystaniu ciepła odpadowego. Każdorazowo należy szczegółowo rozwiązać zagadnienie warunków cieplnych i elektrycznych oraz sposobu montażu ogniw w systemie cieplnym. Możliwość jedynie częściowego zasilania z TEG nie przekreśla sensu ich zastosowania.

Opisane badania nad wykorzystaniem zespołów ogniw TEG do generowania pomocniczej energii elektrycznej potwierdziły możliwość i atrakcyjność ich praktycznego zastosowania. Wymagają dalszych badań praktycznych i oceny energetycznej w warunkach rzeczywistej eksploatacji. Aktualnie w ramach badań realizowany jest etap budowy prototypu systemu cieplnego współzasilanego z TEG.

Opisane prace badawcze sfinansowane zostały ze środków na badania dla młodych naukowców Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Numer zlecenia: B40020.

Literatura

1. Moser W. et al., Small-scale pellet boiler with thermoelectric generator, ICT ‘06, 25th International Conference on Thermoelectrics, 2006.

2. Brazdil M., Pospisil J., Thermoelectric Power Generation Utilizing the Waste Heat from a Biomass Boiler, „Journal of Electronic Materials” No. 42 (2013).

3. Ohara B., Wagner M. et al., Residential Solar Combined Heat and Power Generation using Solar Thermoelectric Generation, „Journal of Electronic Materials” No. 44 (2015).

4. Januszajtis A., Langer J. et al., Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich. Fizyka, Wydawnictwa Naukowo-Tech­nicz­ne, Warszawa 1991.

5. Kryothermtec, Products, Thermoelectric (Peltier) coolers, strona internetowa firmy Kryothermtec, http://kryothermtec.com/assets/images/refroid.jpg, 18.10.2015.

6. Instrukcja montażowa i serwisowa Vitosolic 100, strona internetowa Viessmann Sp. z o.o., http://www.viessmann.com/web/poland/PDF-90.nsf/3923A2CE5889E52CC1257B49001196DF/$FILE/IM%20IS%20Vitosolic%20100%20(09,2003).pdf?OpenElement, 29.10.2015.

7. Pompa obiegowa Fotton FT5 15PV, strona internetowa firmy Fotton, http://www.fotton.pl/images/fotton/karty/Niskonapieciowa_pompa_obiegowa_FT5-15-PV.pdf, 2.11.2015.

Czytaj też: Narzędzia energooszczędnej eksploatacji systemów ciepłowniczych i instalacji c.o. >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!