UIT 2008 - CNR-IRPI Hydrology

DIN
Università di Palermo
Dipartimento
XXVI Congresso Nazionale UIT sulla Trasmissione del Calore
Ingegneria
Nucleare
Palermo, 23-25 Giugno 2008
Unione Italiana
Termofluidodinamica
ANALISI SPERIMENTALE SUL RENDIMENTO DI UN GENERATORE TERMOELETTRICO A BASSI GRADIENTI TERMICI
a
b
P. Alba , G. Corato , T. Tucciarelli
b
a
SDG Engineering, via Roma 67, 92026 Licata, Italia [email protected]
b
Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Università di Palermo, 90128 Palermo Italia, email: [email protected]
La produzione di energia elettrica mediante utilizzo di energie rinnovabili avviene principalmente mediante trasformazione di energia eolica, fotovoltaica e termica. Quest'ultima, ottenuta anche mediante irraggiamento solare, può essere
concentrata tramite l'utilizzo di specchi riflettenti al fine di aumentare il rendimento e l'economicità del sistema. Nella presente memoria vengono presentati invece alcuni risultati sperimentali relativi alla trasformazione di flussi di calore con
piccolo gradiente termico. Tali flussi possono essere ottenuti intercettando lo scambio termico tra la superficie del suolo irraggiata dal sole e un corpo idrico, quale la falda sottostante, a più bassa temperatura. Il metodo si basa sull'impiego di
moduli termoelettrici che convertano il salto termico disponibile mediante effetto Seebeck. Il rendimento e le caratteristiche di tali moduli sono in genere disponibili per salti termici dell'ordine del centinaio di gradi, superiori a quelli ipotizzati nel
sistema proposto. Le misure raccolte nel laboratorio di Ingegneria Idraulica confermano i bassi valori di rendimento propri di tali moduli elettrici, senza però che si manifestino ulteriori riduzioni in corrispondenza dei piccoli salti termici utilizzati per
la sperimentazione.
INTRODUZIONE
STIMA DEL FLUSSO TERMICO ATTRAVERSO LE CELLE
La produzione di energia elettrica, in regioni non facilmente raggiungibili dalla linea elettrica, attualmente è affidata a sistemi
fotovoltaici, eolici e diesel. Detti sistemi richiedono istallazioni sul piano di campagna che hanno da un lato un impatto
ambientale e visivo dall'altro sono vulnerabili rispetto atti vandalici e/o furti. Un corpo idrico naturale, da potere utilizzare
come mezzo di raffreddamento, ed il calore ottenuto dall'irraggiamento solare mettono a disposizione una differenza di
temperatura e quindi un flusso termico potenziale che potrebbe essere convertito in energia elettrica, superando alcuni degli
inconvenienti dei precedenti dispositivi.
La conversione di energia può avvenire sfruttando l'effetto Seebeck, attraverso cui un circuito, costituito da giunzioni
metalliche o semi-metalliche e sottoposto ad un gradiente termico produce una differenza di potenziale elettrico. I circuiti di
cui sopra sono detti moduli termoelettrici o più comunemente celle di Peltier, in quanto utilizzati in sistemi di raffreddamento
che sfruttano l'effetto Peltier, opposto all'effetto Seebeck.
L'utilizzo delle celle di Peltier come generatori termoelettrici (TEG) è stato proposto per la prima volta da Rowe [1]. Sempre
Rowe nel 2003 [2] ha mostrato come sia possibile produrre energia a basso costo con generatori termoelettrici, utilizzando il
calore di forni a legna.
L'impiego dei generatori termoelettrici ha diversi vantaggi: le celle sono piccole (dimensione tipiche sono 40x40 mm), tali da
permettere la realizzazione di sistemi compatti, sono economiche, il costo unitario è dell'ordine di pochi euro, e non hanno
parti in movimento. I generatori possono essere immersi nel corpo idrico in modo da non essere visibili dall'esterno e si
prestano ad un impiego modulare.
Lo svantaggio principale è costituito invece dal basso rendimento di conversione energetica. I bassi rendimenti tipici dei
moduli termoelettrci ne hanno reso sinora vantaggioso l'uso soprattutto in presenza di notevoli salti termici, maggiori di 100
gradi. La precedente ipotesi di utilizzo dei termogeneratori presuppone invece lo sfruttamento di salti termici minori,
dell'ordine dei 50 gradi. Diversi studi sperimentali sono disponibili sulle caratteristiche delle celle Peltier in corrispondenza dei
maggiori salti termici, ma ben pochi in corrispondenza dei quelli minori. La presente memoria riporta ed analizza alcuni
risultati sperimentali relativi a quest'ultimo range di applicazioni.
Il generatore termoelettrico è stato disposto in una vasca con ricircolo
continuo di acqua di acqua corrente. All'interno di del gIl flusso termico
attraverso le celle è stato stimato a partire dalla variazione di entalpia tra
ingresso e uscita del modulo:
IL SISTEMA PROPOSTO
Nel sistema proposto si intende utilizzare il sole come sorgente
termica ed il corpo idrico come mezzo refrigerante. Il generatore è
posto dentro il corpo idrico che mantiene fredde le sue pareti
esterne mentre al suo interno viene fatto fluire un fluido vettore
caldo riscaldato in superficie per irraggiamento solare.
In regioni come l'Italia e paesi del Mediterraneo è possibile
ottenere temperature del fluido dell'ordine dei 60-70 °C con
semplici serpentine, mentre le temperature degli acquiferi si
mantengono intorno i 16 °C. Il fluido caldo è tenuto in moto da una
piccola pompa alimentata dal generatore stesso. Inoltre la
serpentina può essere posta sotto una superficie calpestabile.
L'uso del corpo idrico come sorgente fredda permette di evitare un
secondo circuito in pressione per refrigerare le celle e di occultare al
suo interno il generatore rendendone più improbabile il
danneggiamento ed eliminando l'impatto paesaggistico.
Piastra protettiva
Serpentina
Superficie
calpestabile
Circuito fluido caldo
Base isolante
Corpo idrico
Pompa
modulo termoelettrico
Corpo idrico
RICHIAMI DI TEORIA
Nei moduli termoelettrici le giunzioni sono disposte elettricamente in serie e termicamente in parallelo. Indicato con DT il
gradiente termico cui sono soggette le giunzioni e con V0 la tensione di circuito aperto ai capi di un modulo si ha:
V0 = aDT
dove è detto coefficiente di Seebeck.
Indicata con RTEP la resistenza elettrica interna del modulo la potenza elettrica massima teorica ottenibile è pari a:
2
1 Vo
1 a2
Pmax =
=
DT 2
4 R TEP 4 R TEP
(1)
(2)
Bilancio termico e rendimento
Indichiamo con I la corrente elettrica prodotta e con Th la temperatura al lato caldo. Il bilancio termico al lato caldo del
modulo termoelettrico è il seguente:
2
Q + RtepI = K T + ThI
(3)
2
dove Q è la potenza termica fornita al modulo dall'esterno, RtepI è la potenza elettrica dissipata per effetto Joule, KDT è
quella trasmessa per conduzione e aThI è quella assorbita per effetto Peltier. Nel punto di massima potenza elettrica
prodotta la Eq.(3) può essere scritta come:
Q = Pmax
Th æ
DT
T ö
ç2 + 4 h ÷÷
DT çè
2Th
Zø
(4)
a
KR
cp =3732.8 J/(K Kg)
e
r = 1000 Kg/m3
(5)
è detta figura di merito del modulo.
Dall'equazione 4 si ricava il rendimento di
conversione massimo del modulo:
ö
æ
÷
ç
æ DT öç
P
1
÷
÷÷
h = max = çç
÷
ç
T
4
D
Q
Th ø
è12
+
3ç 2 +
÷
(6)
2Th ZTh ø
hC è
144
42444
3
hr
dove hC è il rendimento del ciclo di Carnot e hr è
rendimento ridotto. Dall'equazione (6) si desume
che a parità di salto termico il rendimento cresce al
A partire da DQ è possibile valutare la conducibilità termica delle celle k
come:
DQ
s
(9)
k=
DTint -ext nA
dove DTint-ext è il salto termico medio tra interno ed esterno, n, s e A sono
rispettivamente il numero, lo spessore e l'area dei moduli termoelettrici. Il
gradiente termico DTin-ext è stato valutato come differenza della temperatura
misurata al centro del dissipatore interno e il centro di quello esterno.
Fig. 5: Temperature sul dissipatore interno.
ANDAMENTO DELLE TEMPERATURE
Le temperature all'interno del generatore sono state misurate sul dissipatore interno in prossimità del bordo di ingresso (Tin),
del punto medio (Tmed) e del bordo di uscita (Tout) del dissipatore stesso. Il ricircolo di acqua nella vasca ha permesso di
mantenerne costante la temperatura a circa 15 °C.Il termostato del boiler è stato disabilitato in modo da avere una potenza
fornita costante. Il controllo sulla temperatura massima nel boiler è stato realizzato attraverso un canale di output digitale del
datalogger. La presenza di un termocoppia sul boiler ha permesso infatti di monitorarne la temperatura e controllarne
l'alimentazione elettrica in funzione del raggiungimento di una prefissata temperatura massima.Inizialmente il boiler, a
pompa ferma e valvole chiuse, è stato portato a una temperatura di 100 °C. L'apertura delle valvole e l'azionamento della
pompa hanno provocato una repentina riduzione di temperatura nel boiler, dovuta all'immissione di acqua fresca da parte del
circuito. Trascorso il transitorio iniziale, di pochi secondi, la temperatura ha continuato a scendere piuttosto lentamente (circa
1 °C ogni 10 min), tendendo asintoticamente ad una condizione stazionaria. Si veda l'esempio di Fig. 4 relativo al caso della
prova con portata di 233 l/h, dove le temperatura interna ed esterna sono fornite dalle termocoppie poste al centro dei
dissipatori interno ed esterno. Il basso rateo di variazione della temperatura ha consentito di effettuare le prove in condizioni
quasi-stazionarie. Si osservi nella Fig.5 che le temperature Tin e Tout mostrano oscillazioni pseudo periodiche riconducibili a
fenomeni di ricircolo nella regione di ingresso e uscita del fluido caldo all'interno del generatore. A portate più basse i fenomeni
turbolenti risultano attenuati e non si evidenziano oscillazioni nelle temperature.Le misure di temperatura effettuate e i valori
di potenza termica del fluido e di conducibilità termica delle celle desunte da
esse sono risultati influenzate dallo passaggio di corrente elettrica nel
generatore. Il passaggio di corrente infatti innesca fenomeni sia di
dissipazione energetica per effetto Joule che di pompaggio termico dovuto a
effetto Peltier. Nella zona 1 di Fig.4 le prove sono state effettuate con valori
decrescenti di corrente elettrica.
Sul dissipatore interno si ha una
diminuzione di temperatura, più marcata man mano che ci si sposta verso
l'uscita del generatore come si vede nella zona 2 di Fig. 5 confrontando le
temperature Tin, Tmed e Tout. mentre su quello esterno la temperatura cresce,
vedi la temperatura esterna in Fig. 4. Dette variazioni sono imputabili ad
Fig. 6: Gradiente termico medio tra le facce delle celle
effetti Peltier che pompano una potenza termica aThI verso i moduli facendo
diminuire la temperatura interna. Al lato freddo invece viene pompata verso
l'esterno una potenza pari a aTcI, determinando l'aumento della
temperatura esterna. Infatti nella zona 1 di Fig. 4 e Fig. 5 le variazioni di
temperatura si riducono nel tempo al ridursi della corrente. L'effetto
congiunto delle due variazioni di temperatura provoca la diminuzione del
gradiente termico alle facce delle celle raffigurato in Fig. 6 nel caso di q =
233 l/h. All'effetto di pompaggio termoelettrico è da imputare l'aumento
della differenza di temperatura tra ingresso e uscita dal modulo e con essa
Q, visibile nella zona 2 del grafico di Fig. 8. Detti effetti provocano aumento
della conducibilità termica, valutata secondo l'equazione (9), come si può
vedere nella zona 2 di Fig. 7. A circuito elettrico aperto i fenomeni di cui sopra sono
assenti e i valori di k oscillano intorno un valor medio di 4.2 W/(K m). I valori di potenza
Fig. 7: Conducibiltà termica
termica assorbita dal generatore, trascorso il transitorio iniziale immediatamente
successivo all'apertura delle valvole, sono pari a circa 1.2 KW e vanno poi debolmente
decrescendo portandosi lentamente verso condizioni stazionarie.
a= V0/(n DTint-ext) = 0.028 V/K
Fig. 1: Spaccato 3D Prototipo
(10)
CURVE DI CARICO
Presso il Dipartimento di Idraulica ed Applicazioni Ambientali di Palermo è stato realizzato un prototipo di generatore TEG di
cui la Fig.1 mostra uno spaccato tridimensionale.
Il generatore è realizzato con piastre e dissipatori in alluminio anodizzato ed ospita 18 moduli termoelettrici TEC1-12710S
aventi 127 giunzioni e dimensioni 40x40x3.3 mm.
Lo scambio termico tra le celle e il fluido caldo, al lato caldo, e le celle e l'acqua fredda, al lato freddo, è stato ottenuto mediante
dei dissipatori in alluminio. Strati di coibente sono stati posti sulle piastre laterali e quelle frontali in modo da limitare le perdite
termiche.
All'interno del generatore sono state poste tre termocoppie di tipo K per la misura della temperatura sul dissipatore interno e
la stima della temperatura al lato caldo dei moduli. Una quarta termocoppia è stata posta sul dissipatore esterno in modo da
stimare il gradiente termico sulle celle. Per la valutazione dei flussi termici è stata utilizzata una coppia di sensori di
temperatura PT-100 appena a monte e appena a valle del generatore.
Sono state ricavate le curve di carico del generatore in due condizioni di
portata e raffigurate in Fig. 10. A portata più bassa la curva si sposta verso
l'alto mentre la resistenza elettrica diminuisce aumentandone in valore
assoluto il coefficiente angolare. Tali comportamenti sono imputabili ad una
più alta temperatura media interna al generatore termoelettrico, cui
corrisponde da un lato un maggiore salto termico T e quindi maggiori
potenze elettriche prodotte a norma dell'Eq.(2) e dall'altro una maggiore
temperatura media dei moduli, cui si può attribuire l'aumento della
resistenza elettrica. Per temperatura media della cella intendiamo la media
tra le temperature del lato caldo e quella di lato freddo il cui andamento è
riportato in Fig. 11. In corrispondenza del punto di massima produzione di
energia elettrica il fluido ha perso all'interno del generatore una potenza
termica pari a 1.250 KW e 1.322 KW in corrispondenza della portata di
86.22 l/h e 233 l/h con rendimenti energetici di 0.6 % e 0.4%. Per
confronto dai manuali dei generatori termoelettrici Thermator® [4],
prodotti dalla Varmaraf, si desumono rendimenti di conversione dell'ordine
di 1.4:2 % corrispondenti a differenze tra le temperature dei fluidi in
ingresso al sistema di 45-80 °C.
CONFIGURAZIONE DELL'ESPERIMENTO
Il generatore termoelettrico è stato disposto in una vasca con ricircolo continuo di acqua di acqua corrente. All'interno di del
generatore scorre invece una miscela di acqua e glicoletilene. Come sorgente termica è stato utilizzato un boiler di 1,5 KW di
potenza e 30 l di capacità. La figura 3 riporta lo schema idraulico dell'impianto.
Ai sensori di temperatura sul prototipo sono stati
aggiunte altre due termocoppie per monitorare la
temperatura della sorgente termica e quella
dell'acqua nella vasca.
La curva di carico del generatore è stata valutata
mediante l'uso di un generatore di corrente
continua mentre le misure di corrente e tensione
sono state effettuate manualmente mediante due
multimetri di precisione. La figura 2 raffigura lo
schema elettrico dell'esperimento.
Fig. 3: Schema idraulico dell’esperimento
Fig. 8: (a) Gradiente termico tra ingresso e uscita e
(b) potenza termica ceduta dal fluido caldo nel generatore.
cui corrisponde un coefficiente di Seebeck della singola giunzione pari a 221x10-6 V/K.
Il valore trovato di è prossimo a quello di 223x10-6 V/K misurato da Yamashita [3], per
un modulo termoelettrico di proprietà simili al TEC1-12710S testati.
Prototipo
Fig. 2: Schema Circuito elettrico
Fig. 4: Andamento delle temperature.
(8)
All'interno del generatore il fluido caldo si raffredda gradualmente
dall'ingresso verso l'uscita, conseguentemente la temperatura sul lato
caldo dei moduli termoelettrici decresce e con essa il gradiente termico tra
le facce delle celle, vedi Fig.5. Per calcolare il coefficiente di Seebeck del
generatore sarebbe necessario conoscere come si distribuisce la
temperatura al suo interno. Tuttavia la complessa geometria interna al
generatore e la disponibilità di soli tre sensori sul dissipatore non hanno
permesso di ricostruire in dettaglio il campo di temperatura al lato caldo
delle celle. Le misure lette in prossimità dei bordi infatti sono state inficiate
da effetti di estremità di cui le oscillazioni ne sono effetto. Tuttavia a pompa
ferma, trascorso il transitorio, la distribuzione di temperatura all'interno del
modulo diviene uniforme per cui è possibile ricavare il coefficiente di
Seebeck delle celle come:
2
TEP
(7)
STIMA DEL COEFFICIENTE DI SEEBECK
dove:
Z =
Q =rcPqDDTin-out
dove cP è il calore specifico del fluido, la sua densità, q la portata
volumetrica, DTin-out il salto termico tra ingresso e uscita dal generatore
misurato dalle PT-100.
Nei nostri test abbiamo utilizzato una soluzione di acqua al 50% di glicoletilene. Le proprietà fisiche della soluzione sono le seguenti:
Fig.9: Tensione a vuoto al variare della differenza di
temperatura media tra interno ed esterno
CONCLUSIONI
I risultati sperimentali hanno mostrato rendimenti di conversione
energetica bassi seppur comparabili con quelli desumibili dai manuali di
soluzioni commerciali che lavorano con gradienti termici più elevati .
Fig.10: Curve di carico del generatore
REFERENCES
[1] J. H. Kiely, D. V. Morgan, and D. M. Rowe, A reliability study of a miniature
thermoelectric generator, Semicond. Sci. Technol., vol. 9,pp. 17221728, 1994.
[2] R. Y. Nuwayid, D. M. Rowe, and G. Minì, Low cost stove-top thermoelectric
generator for regions with unireliable electricity supply, Renewable Energy, vol.
28, pp. 205222, 2003.
[3] O. Yamashita, H. Odahara, T. Ochi, K. Satou, Dependence of Seebeck
Coefficient on a load resistence and Energy conversion efficiency in a
thermoelectric composite, Material Research Bulletin, vol. 42, pp. 1785-1803,
2007
[4] Thermator type C Technical specifications and user manual, Varmaraf
http://www.varmaraf.is/engl/tc.htm
[5] D. M. Rowe and G. Min. Peltier devices as generators, CRC handbook of
thermoelectrics, CRC Press, 1995.
[6] D. M. Rowe and G. Min, Evaluation of thermoelectric modules of power
generation, J. Power Sources, vol. 73, pp.193198, 1998.
Fig.11: Andamento delle temperatura media durante la
misura delle curve di carico