Wykorzystanie generatorów termoelektrycznych do lokalnego wytwarzania energii pomocniczej w systemach 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.

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.

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.

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.

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).

W obiegu grzewczym woda ma temperaturę t_h = 90°C i przepływ V_h = 0,6 m³/h, w obiegu chłodzącym t_c = 30°C i  V_c = 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).

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:
t_h – temperatura czynnika w obiegu dostarczającym ciepło do generatora,
t_c – temperatura czynnika w obiegu odbierającym ciepło z generatora,
V_h – strumień przepływu czynnika w obiegu dostarczającym ciepło do generatora,
V_c – 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.

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.

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

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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!