Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

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
Na rysunku: schemat budowy półprzewodnikowego generatora
termoelektrycznego
Na rysunku: schemat budowy półprzewodnikowego generatora termoelektrycznego
Rys. autorzy (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)

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.

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)
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 - patrz: zdjęcie przy tytule publikacji).

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. 3. Strumienie energii w konwencjonalnym systemie cieplnym; rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
Rys. 3. Strumienie energii w konwencjonalnym systemie cieplnym; rys. archiwum autorów (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. 4. Idea wykorzystania generatorów termoelektrycznych w systemie cieplnym przy zastosowaniu ciepła odpadowego do zasilania TEG; rys. archiwum autorów (M. Sidorczyk, P. Jadwiszczak)
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. 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)
Rys. 6. Idea wykorzystania generatorów termoelektrycznych w systemie cieplnym przy zastosowaniu ciepła użytecznego do zasilania TEG; 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.

Czytaj też: Modernizacja instalacji klimatyzacyjnej w obiekcie publicznym z wykorzystaniem chłodziarek sorpcyjnych – przykład realizacji >>>

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.

Literatura

1. Zaporowski B., Technologie wytwarzania energii elektrycznej dla polskiej elektroenergetyki, „Polityka Energetyczna” 2015, 18.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Sidorczyk M., Wykorzystanie ciepła do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej dla systemów cieplnych, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, 2016.
6. Jadwiszczak P., Sidorczyk M., Produkcja energii elektrycznej z ciepła za pomocą ogniw TEG, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2016.
7. Brazdil M., Pospisil J., Thermoelectric Power Generation Utilizing the Waste Heat from a Biomass Boiler, „J Electron Mater.” 2013, 42(7), p. 2198–202.

streszczenie

Wymiarowanie termoelektrycznych zespołów zasilających wytwarzających energię pomocniczą dla systemów cieplnych wymaga znajomości zarówno warunków pracy systemu cieplnego, jak i charakterystyk elektrycznych i cieplnych modułu termoelektrycznego. Odpowiednia metodyka doboru umożliwia zaprojektowanie układu, który będzie w stanie w pełni pokryć zapotrzebowanie systemu cieplnego na energię elektryczną.



abstract

Dimensioning of thermoelectric power units which produce auxiliary energy for heating systems requires knowledge of both the operating conditions of the heating system and the electrical and thermal characteristics of the thermoelectric module. The appropriate methodology of selection allows to design a system that will be able to fully cover the heating system’s demand for electricity.

 

 

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[energia, sieci ciepłownicze, generatory termoelektryczne, systemy cieplne]

Ten artykuł jest PŁATNY. Aby go przeczytać, wykup dostęp.
DOSTĘP ABONAMENTOWY
DOSTĘP SMS
Dostęp za pomocą SMS czasowo zawieszony







Reklamacje usługi prosimy zgłaszać przez formularz reklamacyjny
Masz już abonament - zaloguj się:
:
:
zapomniałem hasła
Nie posiadasz konta - kliknij i załóż »
Nie masz abonamentu - wykup dostęp:
Abonament umożliwia zalogowanym użytkownikom dostęp do wszystkich płatnych treści na naszym portalu.
Dostępne opcje abonamentowe:
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (365 dni) - 0,00 zł
Dostęp do treści elektronicznych portalu rynekinstalacyjny.pl dla prenumeratorów miesięcznika "Rynek Instalacyjny", którzy mają opłaconą roczną prenumeratę papierową.
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (730 dni) - 0,00 zł
Dostęp do treści elektronicznych portalu rynekinstalacyjny.pl dla prenumeratorów miesięcznika "Rynek Instalacyjny", którzy mają opłaconą 2-letnią prenumeratę papierową.
Pakiet: roczna prenumerata papierowa (10 numerów) + roczny dostęp do portalu - 130,00 zł
Prenumerata + dostęp do treści portalu ► ZAMÓW
Pakiet: dwuletnia prenumerata papierowa (20 numerów) + dwuletni dostęp do portalu - 240,00 zł
Prenumerata + dostęp do treści portalu ► ZAMÓW
Prenumerata edukacyjna - wersja papierowa + NOWOŚĆ: roczny dostęp do portalu - 90,00 zł
dla studentów: prenumerata + dostęp do treści portalu
Prenumerata elektroniczna (30 dni) - 18,00 zł
30-dniowy dostęp do wszystkich płatnych treści portalu
Prenumerata elektroniczna (365 dni) - 98,00 zł
Roczny dostęp do wszystkich płatnych treści portalu
Prenumerata elektroniczna (730 dni) - 180,00 zł
Dostęp dwuletni do wszystkich treści publikowanych w portalu
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (30 dni) - 0,00 zł
Bezpłatny dostęp dla prenumeratorów magazynu (30 dni), tylko w ramach promocji redakcyjnych.
Regulamin korzystania z portalu RynekInstalacyjny.pl - zobacz regulamin
Uwagi prosimy zgłaszać na adres:
   02.08.2018

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Przedłuż certyfikat HVAC bez wychodzenia z firmy »

szkolenia hvac

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
10/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Ogrzewanie obiektów przemysłowych
  • - Wentylacja domów jednorodzinnych
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl