Инженер-технолог Мигель Араиз, исследователь из Института умных городов (ISC) Государственного университета Наварры (UPNA), разработал термоэлектрический генератор, который использует остаточное тепло тридцатиметровой промышленной трубы, которая рассеивает газы при 250 ° C температуры, чтобы производить в общей сложности 363 МВтч электроэнергии в год, что эквивалентно годовому потреблению электроэнергии в 111 домохозяйствах. Система будет производить такую энергию по цене 14,6 цента за киловатт.
Термоэлектрический генератор является результатом докторской диссертации, которую Мигель Араиз защитил в UPNA под руководством исследователей ISC Дэвида Астраина Улибаррена и Альваро Мартинеса Эчеверри. Исследование получило финансирование от центрального правительства на проекты НИОКР в рамках Государственного плана научных и технологических исследований и инноваций.
«Нынешняя энергетическая ситуация — и все связанные с ней экологические, политические и экономические проблемы — делают все более необходимым оптимизацию систем производства электроэнергии и включение энергосберегающих мер в процессы. В этом смысле различные исследования были сосредоточены на восстановлении отработанного тепла, энергии, которая вырабатывается в различных процессах и которая обычно не используется, но выделяется в окружающую среду или рассеивается», — говорит Мигель Арайз.
Таким образом, в докторской диссертации Мигеля Араиза было изучено использование остаточной энергии через термоэлектрические генераторы на основе эффекта Зеебека, устройства, способные вырабатывать электрическую энергию из источника тепла.
«Для этого достаточно добиться разности температур между гранями термоэлектрических модулей, которые являются неотъемлемым элементом этих устройств. Чем больше эта разность температур, тем больше вырабатывается электроэнергии», — говорит исследователь.
Большая эффективность
Среди преимуществ этих устройств: отсутствие движущихся частей, которые уменьшают и даже устраняют необходимость технического обслуживания; возможность использовать любой скачок температуры для производства электроэнергии; а также масштабируемость и модульность, которые обеспечивают лучшую адаптацию к источнику тепла. Однако эффективность преобразования тепла в электричество в этих системах низка, и одним из способов ее повышения является оптимизация теплообменников, которые сопровождают модули в термоэлектрических генераторах.
Задача этих теплообменников состоит в том, чтобы приблизить температуру поверхностей модулей к температуре соответствующих ламп, увеличивая тем самым разницу температур между сторонами модулей и увеличивая выработку электроэнергии.
В этом смысле Мигель Араиз предложил в своей работе использовать в качестве теплообменников на холодной стороне термоэлектрических генераторов термосифоны с фазовым переходом или двухфазные.
«Они несут ответственность за рассеивание тепла, которое не превращается в термоэлектрические модули в окружающую среду. Кроме того, им не требуется вспомогательное оборудование, такое как вентиляторы или насосы, так что достигается пассивное и автономное охлаждение, в отличие от обычных систем, таких как ребра или водообменники», — говорит он.
В частности, исследователь разработал вычислительную модель, способную моделировать поведение этих двухфазных термосипонов в прототипах теплообменников. С помощью этого инструмента он спроектировал и создал прототип термоэлектрического генератора, который включал двухфазный термосифон на его холодной стороне. Этот прототип был установлен в выпускном канале котла сгорания, расположенном в лабораториях UPNA, и после экспериментов в различных рабочих условиях было получено максимум 240 Вт на квадратный метр дымохода.
Репетиция в реальной индустрии
Учитывая результаты, полученные в ходе экспериментальных испытаний в лабораториях, Мигель Арайз затем провел вычислительное исследование по внедрению этой технологии в реальной промышленности, где остаточное тепло промышленного процесса может быть восстановлено. Таким образом, он проанализировал производственный процесс компании, где есть несколько источников тепла, которые не использовались.
«После выбора точки, которая имела лучшие тепловые характеристики, был разработан термоэлектрический генератор для размещения на внешней поверхности дымохода высотой тридцать метров, в котором горячие газы в настоящее время рассеиваются при температуре 250 ° C», — говорит он.
Предлагаемая система включает в себя теплообменники с обеих сторон термоэлектрических модулей. В частности, он имеет двухфазный термосифон в холодной части и ребристые рассеиватели в горячей части. Таким образом, разработанный термоэлектрический генератор является полностью пассивным, и вся вырабатываемая электроэнергия может использоваться компанией. Кроме того, установка будет стоить десять евро за ватт.
