Development of thermoelectric-based devices for energy harvesting purposes

Abstract

During the last decades, the particular adverse effects of climate change and global warming have undoubtedly increased the efforts towards a sustainable and highly de-carbonized power generation model. Within this framework, the incorporation of renewable energy technologies within the global energy supply infrastructure has emerged as a promising solution. Renewable energy is practically unlimited and produces almost zero wastes, inducing only minimal effects on the environment. In addition, unlike fossil fuels, the resources required are present over wide geographical areas, allowing for increased proportion of the population to gain access to clean power supply in order to meet their electricity needs and alleviate, up to a point, the negative impacts of energy poverty. Nevertheless, despite the significant growth renewables have faced during the last years, certain limitations commonly related to the efficiency and cost optimality of available technologies still obstruct the perspective for a complete shift from fossil fuels to a clean and sustainable electricity generation model. In this respect, there is still great room for improvement in the particular field, both towards enhancing the performance of existing technologies as well as supporting research activities focused on the promotion of other alternative options. Within this framework, thermoelectric generators have recently emerged as a promising alternative to other green power generation technologies due to the several advantages they present. However, certain efficiency issues still limit their applications to specialized situations, where reliability is of utmost importance. On the other hand, thermoelectric devices still remain a perfect candidate for waste–heat recovery applications, where the required thermal input can become available at very low cost or even be free. Against the general background of increasing interest regarding the utilization of thermoelectric generators for power generation purposes, this thesis examines the performance of thermoelectric units as well as more complex thermoelectric systems both by computational and experimental means. Initially, a methodology for the characterization of thermoelectric units is developed, by correlating computational and experimental data. Thereinafter, the same computational approach is utilized in order to examine the behaviour of different configurations of solar thermoelectric systems. In addition, a parametric analysis is conducted to investigate different techniques for enhancing the power output of the thermoelectric systems under consideration. Finally, performance evaluation of hybrid photovoltaic-thermoelectric systems is executed, by employing theoretical as well as experimental means. Moreover, the outcomes of the experimental process are further elaborated in order to estimate the performance of the hybrid system under actual operating conditions.

Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια η κλιματική αλλαγή και οι πολυποίκιλες αρνητικές συνέπειές της έχουν οδηγήσει σε μια συστηματική αλλαγή κατεύθυνσης του τομέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προς ένα πιο καθαρό και φιλικό προς το περιβάλλον μοντέλο, με όσο το δυνατόν μικρότερη εξάρτηση από τα συμβατικά καύσιμα. Στα πλαίσια αυτά, η ενσωμάτωση μονάδων παραγωγής που αξιοποιούν τεχνολογίες εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί οπωσδήποτε μια βιώσιμη λύση. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητες και οι τεχνολογίες εκμετάλλευσής τους γίνονται συνεχώς πιο αποδοτικές, ελαχιστοποιώντας παράλληλα το περιβαλλοντικό τους αποτύπωμα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η στρατηγική αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών αποκτά σήμερα ευρύτερη κοινωνικοπολιτική σημασία, καθώς, δεδομένης της ευρείας διαθεσιμότητάς τους, μπορεί να προσφέρει ενεργειακή ανεξαρτησία και κατ’ επέκταση μεγαλύτερη οικονομική σταθερότητα σε χώρες οι οποίες λόγω της γεωγραφικής τους θέσης δεν διαθέτουν αξιόλογα αποθέματα συμβατικών καυσίμων. Παρά όμως τη σημαντικότατη ανάπτυξη που ο κλάδος των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει επιτύχει μέχρι σήμερα, ζητήματα τα οποία σχετίζονται με τη βέλτιστη απόδοση και την οικονομική βιωσιμότητα των διαθέσιμων τεχνολογιών αποτελούν τροχοπέδη στην προσπάθεια πλήρους απεξάρτησης της διαδικασίας ηλεκτροπαραγωγής από τα συμβατικά καύσιμα. Γίνεται επομένως κατανοητό ότι υπάρχουν μεγάλα περιθώρια βελτίωσης, τόσο στην κατεύθυνση βελτιστοποίησης της απόδοσης των υφιστάμενων τεχνολογιών όσο και σε ότι αφορά την ενίσχυση ερευνητικών δραστηριοτήτων που στοχεύουν στην προώθηση εναλλακτικών λύσεων. Στα πλαίσια αυτά, έχει εκδηλωθεί τα τελευταία χρόνια έντονο ενδιαφέρον για την αξιοποίηση θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρά όμως τα πλεονεκτήματα που η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει, η χαμηλή απόδοση των διαθέσιμων διατάξεων έχει περιορίσει προς το παρόν τη χρήση τους κυρίως σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Υπό αυτό το πρίσμα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιοποίηση των θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας, όπου η απαιτούμενη για τη λειτουργία τους θερμική ενέργεια είναι συνήθως διαθέσιμη χωρίς κάποιο κόστος. Μέσα σε αυτό το κλίμα γενικότερου ενδιαφέροντος για την αξιοποίηση θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη των σημαντικότερων παραμέτρων λειτουργίας μεμονωμένων θερμοηλεκτρικών διατάξεων αλλά και μεγαλύτερων θερμοηλεκτρικών συστημάτων, αξιοποιώντας τα αποτελέσματα υπολογιστικών μοντέλων αλλά και πειραματικών μετρήσεων. Στα πλαίσια αυτά, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία χαρακτηρισμού θερμοηλεκτρικών γεννητριών, συνδυάζοντας υπολογιστικά δεδομένα με πειραματική επιβεβαίωση. Στη συνέχεια, η διαδικασία υπολογιστικής μοντελοποίησης αξιοποιήθηκε προκειμένου για τη διερεύνηση της απόδοσης ηλιακών θερμοηλεκτρικών συστημάτων, πραγματοποιώντας παράλληλα παραμετρική ανάλυση με στόχο τη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς των συστημάτων αυτών. Τέλος, μελετήθηκε η απόδοση υβριδικών φωτοβολταϊκών-θερμοηλεκτρικών συστημάτων, αξιοποιώντας αναλυτικές μεθόδους και διεξάγοντας πειραματική διαδικασία σε εργαστηριακό περιβάλλον. Πραγματοποιήθηκε επίσης περαιτέρω επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων προκειμένου να διερευνηθεί η απόδοση τέτοιων συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.