Jeśli popatrzymy na stary, dobry wiatrak (mający już z grubsza 2 tysiące lat) jak na przodka współczesnej turbiny wiatrowej.

Fotosynteza była fundamentem wszystkich historycznych źródeł energii mechanicznej: dzięki niej ludzie i zwierzęta otrzymywali paliwo w postaci pożywienia i drewna do budowy młynów i wiatraków. Chociaż ani staroświecki wiatrak, ani piec na drewno, nie wytwarzają elektryczności to oba można w łatwy sposób do tego przystosować. Wystarczy do wiatraka podpiąć generator prądu, a do pieca generator termoelektryczny.

Generator Termoelektryczny

Generatory termoelektryczne są bardzo zbliżone do generatorów „fotoelektrycznych” - dzisiaj nazywanych „fotowoltaicznymi” (albo ogniwami fotowoltaicznymi). Generator fotowoltaiczny bezpośrednio zmienia światło słoneczne w elektryczność, a generator termoelektryczny bezpośrednio zmienia ciepło w elektryczność. ¹

Generator termoelektryczny składa się z elementów półprzewodnikowych w kształcie sztabek, które są połączone szeregowo z paskami metalu. Z góry i z dołu, sztabki są izolowane ceramicznymi płytkami przewodzącymi ciepło (ale nie prąd elektryczny). Taki zestaw tworzy kompaktowy moduł o budowie „kanapki”. ² Gotowe moduły są dostępne w sprzedaży przez takich producentów jak Hi-Z, Tellurex, Thermalforce i Thermomanic.

Przyklej moduł termoelektryczny do powierzchni pieca na drewno, a będzie on wytwarzał energię elektryczną za każdym razem gdy piec będzie rozpalany do gotowania, ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody. W eksperymentach i prototypach, które są opisane bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu, uzyskano moc wyjściową na moduł od 3 do 19 watów.

Podobnie jak w przypadku paneli słonecznych, moduły termoelektryczne można łączyć ze sobą równolegle i szeregowo, aby uzyskać dowolne napięcie i moc wyjściową - przynajmniej tak długo na ile starczy nam powierzchni pieca. Tak, jak w ogniwie fotowoltaicznym, prąd elektryczny wytwarzany przez moduł/y termoelektryczny jest regulowany przez regulator ładowania i gromadzony w baterii, dzięki czemu nadwyżka energii jest dostępna również wtedy gdy piec nie jest używany. Piec termoelektryczny jest zwykle łączony z urządzeniami niskonapięciowymi na prąd stały, co pozwala uniknąć strat na konwersji wynikających z zastosowania falownika.

Piece termoelektryczne mogą znaleźć zastosowanie w wielu częściach świata. Większość badań nad ich wykorzystaniem celuje w „Globalne Południe”, gdzie prawie 3 miliardy ludzi (40% światowej populacji) jest zależnych od spalania biomasy do grzania wody i gotowania. Niektóre z tych gospodarstw domowych, używają pieców lub palenisk również do oświetlania (1,3 miliarda ludzi nie ma dostępu do elektryczności) oraz do ogrzewania pomieszczeń. Istnieją również badania nad wykorzystaniem pieców termoelektrycznych w społeczeństwach przemysłowych gdzie piece i kominki na biomasą, szczególnie poza miastami, zyskują na popularności.

Sprawność 100%

Od czasu kiedy efekt termoelektryczny został po raz pierwszy opisany przez Thomasa Seebecka w 1821 roku, generatory termoelektryczne cieszą się złą sławą ze względu na słabą sprawność konwersji ciepła na elektryczność. ³⁴⁵⁶ Dzisiejsze moduły termoelektryczne osiągają sprawność rzędu 5-6%, mniej więcej trzy razy niższą niż przeciętny panel fotowoltaiczny. ⁴

Jednak w połączeniu z piecem na biomasę, sprawność konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego przestaje być tak istotna. Jeśli moduł osiąga jedynie 5% sprawności, zamieniając energię termalną na elektryczną, to pozostałe 95% energii pozostaje do wykorzystania w postaci ciepła. Jeśli piec jest używany do ogrzewania pomieszczeń to nie można mówić o stratach energii, ponieważ 95% ciepła wykonuje zamierzoną pracę. Całkowita sprawność systemu (ciepło + elektryczność) zbliża się do 100% - energia się nie marnuje. Odpowiednio zaprojektowany piec może ponownie wykorzystać ciepło konwersji elektrycznej do gotowania czy grzania wody.

Bardziej Niezawodny Niż Panel Fotowoltaiczny

Moduły termoelektryczne dzielą wiele zalet z panelami fotowoltaicznymi: są modułowe, wymagają niewiele uwagi, nie mają ruchomych części, pracują bezgłośnie i ich żywotność jest długa. ⁷ Jednak moduły termoelektryczne, jeśli w domu regularnie używa się nieelektrycznego źródła ciepła, oferują coś więcej niż panel solarny.

Chociaż moduły termoelektryczne są prawie trzy razy mniej sprawne od fotowoltaiki, to piece termoelektryczne dostarczają elektryczności w bardziej przewidywalny sposób, ponieważ ich działanie nie jest uzależnione od kaprysów pogody, pory roku czy od obecności słońca na niebie. Używając żargonu inżynierów powiedzielibyśmy; że piece termoelektryczne mają wyższy „współczynnik wykorzystania mocy netto”.

Nawet, jeśli piec używany byłby jedynie do gotowania i grzania wody, to codzienne domowe prace gwarantują przewidywalną produkcję elektryczności bez względu na klimat. Co więcej, produkcja elektryczności przez piece termoelektryczne bardzo dobrze dopasowuje się do zapotrzebowania na prąd gospodarstwa domowego: w tym samym czasie kiedy używa się pieca, z reguły pojawia się potrzeba użycia elektryczności. Niestety, fotowoltaika generuje bardzo niewiele, albo wcale, energii elektrycznej wtedy kiedy potrzeba jej w domu.

Pamiętajmy, że ta przewaga znika kiedy generator termoelektryczny jest bezpośrednio zasilany energią słoneczną. Solarne generatory termoelektryczne (z ang. „STEGS”), w których moduł termoelektryczny nagrzewany jest skoncentrowaną wiązką promieni słonecznych, nie zrekompensuje niskiej sprawności modułu swoją wyższą przewidywalnością produkcji energii, ponieważ jest, tak samo jak fotowoltaika, skazany na zmienną pogodę. ⁸⁹¹⁰

Mniejsza Potrzeba Magazynowania Energii

Dzięki większej przewidywalności nie ma potrzeby zbytniej rozbudowy mocy wytwórczej i systemów magazynowania energii, żeby zrekompensować niższą produkcję prądu na jesieni i zimą (oraz w pochmurne dni), tak jak wymaga tego fotowoltaika. Baterie muszę mieć tylko tyle pojemności, aby energii starczyło pomiędzy jednym rozpaleniem pieca, a kolejnym i nie ma potrzeby montować dodatkowych modułów, żeby zrekompensować okresy niskiej produkcji.

Generatory termoelektryczne można łączyć z panelami fotowoltaicznymi, dzięki czemu stworzymy pewny, poza-sieciowy system korzystający jedynie ze skromnych magazynów energii. Taki hybrydowy system dobrze współpracuje z piecem służącym tylko do ogrzewania pomieszczeń. Moduły termoelektryczne dostarczają większości energii zimą, a fotowoltaika latem.

Tańsze w Instalacji, Łatwiejsze w Recyklingu

Drugą przewagą termoelektryki nad fotowoltaiką jest jej łatwiejszy montaż. Nie ma potrzeby budowania konstrukcji na dachu i połączenia elektrycznego ze światem zewnętrznym, ponieważ cała elektrownia znajduje się wewnątrz domu. Zapobiega to również kradzieży instalacji co, w przypadku fotowoltaiki, jest poważnym problemem w niektórych regionach świata.

Wszystkie te czynniki sprawiają, że piec termoelektryczny jest tańszy i bardziej zrównoważony w porównaniu do paneli fotowoltaicznych. Zaoszczędzimy sporo energii, surowców i pieniędzy, które trzeba by zużyć na wyprodukowanie baterii, modułów i infrastruktury towarzyszącej fotowoltaice.

Kolejną przewagą modułów termoelektrycznych jest ich wyższy stopień zrównoważania, ponieważ łatwiej od paneli słonecznych poddają się recyklingowi. Chociaż krzem w ogniwach fotowoltaicznych doskonale nadaje się do ponownego przetworzeniu to problemem jest to, że ogniwa otoczone są warstwą plastiku (przeważnie laminatem „EVA”, czyli etylenem/polimerem winylowym), który jest kluczowy dla długotrwałej sprawności modułu. ¹¹ Zdjęcie warstwy polimerowej bez uszkadzanie ogniw krzemowych jest technicznie możliwe, ale jest to proces tak bardzo złożony, że recykling fotowoltaiki staje się nieatrakcyjny zarówno ze względów finansowych jak i energetycznych. ¹²¹³ Moduły termoelektryczne nie posiadają żadnych elementów plastikowych. ¹⁴¹⁵¹⁶

Chłodzenie Modułów

Sprawność elektryczna generatora termoelektrycznego nie zależy jedynie od samego modułu. W dużej mierze jest związana z różnicą temperatur pomiędzy gorącą, a chłodną stroną modułu. Kiedy różnica temperatur spadnie o połowę to moduł termoelektryczny będzie generował tylko jedną czwartą mocy. W związku z tym, poprawa zarządzania ciepłem generatora termoelektrycznego jest głównym celem projektowania pieców termoelektrycznych, ponieważ umożliwia wytwarzanie większej mocy przy użyciu mniejszej liczby modułów.

Po pierwsze, polega to na zlokalizowaniu najgorętszych miejsc na piecu i zamocowaniu tam modułów - pod warunkiem, że są w stanie przyjąć tyle ciepła. Większość pieców ma temperaturę powierzchni od 100 do 300ºC, natomiast gorąca strona modułów z tellurku bizmutu (najbardziej przystępnych cenowo i wydajnych) wytrzymuje ciągłe temperatury od 150 do 350ºC, w zależności od modelu.

Po drugie, zarządzanie ciepłem sprowadza się do maksymalnego obniżenia temperatury strony chłodnej, co można osiągnąć na cztery sposoby: konwekcją wymuszoną chłodzoną powietrzem i wodą z wykorzystaniem wentylatorów i pomp elektrycznych albo chłodzoną powietrzem lub wodą konwekcją naturalną, która polega na zastosowaniu pasywnych radiatorów nie powodujących pasożytniczego obciążenia systemu.

Wymuszone chłodzenie ma zwykle wyższą wydajność, nawet jeśli weźmie się pod uwagę dodatkowe użycie wentylatora lub pompy. Z drugiej strony, systemy pasywne są tańsze, działają cicho i są bardziej niezawodne niż systemy aktywne. W szczególności awaria wentylatora może być problematyczna, ponieważ przegrzanie może doprowadzić do awarii modułu. ¹⁷

Piece Termoelektryczne Z Radiatorami

Pierwsze piece termoelektryczne na biomasę zostały zbudowane na początku XXI wieku, chociaż Sowieci byli pionierami podobnej koncepcji w latach pięćdziesiątych XX wieku, wykorzystując lampy naftowe do zasilania elektrycznych odbiorników radiowych. ⁶ W 2004 roku zespół libańskich naukowców doposażył typowy żeliwny piec opalany drewnem, powszechnie używany na terenach wiejskich, w wykonany przez zespół, pojedynczy moduł termoelektryczny o wymiarach 56 na 56 mm. ¹⁸

Naukowcy przykręcili gładką aluminiową płytę o grubości 1 cm do najgorętszego miejsca na powierzchni pieca, następnie do niej zamocowali moduł termoelektryczny, a do zimnej strony modułu dołożyli duży (180 na 136 na 125 mm) aluminiowy radiator żebrowany. Przy szybkości spalania wynoszącej 2,5 kg drewna sosnowego na godzinę, uzyskali średnią moc wyjściową równą 4,2 wata. Dziesięć godzin pracy pieca dziennie (z wyłączeniem fazy rozgrzewania) dostarcza zatem wiejskiemu libańskiemu gospodarstwu domowemu 42 watogodzin energii elektrycznej. Wystarczająco dużo na pokrycie podstawowych potrzeb.

Zawsze można dodać więcej modułów i radiatorów w celu zwiększenia mocy wyjściowej, ale oczywiście powierzchnia pieca jest ograniczona, a wraz z dodawaniem modułów będą one umieszczane w obszarach o niższej temperaturze co pogorszy ich wydajność. Innym sposobem na zwiększenie produkcji energii jest zastosowanie jeszcze większego radiatora i / lub droższego radiatora wykonanego z materiałów o wyższej przewodności cieplnej.

Piece Termoelektryczne z Wentylatorami

Większość dotychczas zbudowanych pieców termoelektrycznych do chłodzenie modułu wykorzystuje wentylatory elektryczne w połączeniu ze znacznie mniejszym radiatorem. Chociaż wentylator może się zepsuć, i jest pasożytniczym obciążeniem systemu, to jednocześnie pozwala zwiększyć wydajność pieca poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza do komory spalania - zmniejszając tym sposobem zużycie drewna opałowego i zanieczyszczenie powietrza, mniej więcej o połowę. Ponadto, piece z wentylatorem nie potrzebują komina i zamiast niego wystarczy im pozioma rura dymowa. ¹⁹ Dzięki takim rozwiązaniom, piece z własnym zasilaniem, chłodzone wentylatorem umożliwiają zmniejszenie zużycia drewna opałowego i zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach na wiejskich obszarach Globalnego Południa, gdzie ludzie nie mają łatwego dostępu do elektryczności, ani środków na zbudowanie standardowego komina.

Podczas testów jednomodułowa, termoelektryczna kuchenka z wymuszonym nadmuchem osiągnęła moc wyjściową 4,5 W, z czego 1 W był potrzebny do zasilenia wentylatora. ²⁰ Produkcja energii netto (3,5 W) była niższa w porównaniu z piecem z samym radiatorem (4,2 W), jednak piec chłodzony wentylatorem zużył o połowę mniej drewna opałowego: wytwarzał 3,5 W energii elektrycznej netto przy szybkości spalania 1 kg drewna na godzinę, podczas gdy piec pasywnie chłodzony potrzebował 2,5 kg drewna do wyprodukowania 4,2 wata.

W przeprowadzonym w Malawi, 80-dniowym teście podobnej konstrukcji przenośnej, terenowej kuchenki termoelektrycznej wykazano, że technologia ta była wysoko ceniona przez użytkowników, ponieważ piece wytwarzały więcej energii elektrycznej niż było to potrzebne. W całym okresie testów produkcja energii wynosiła od 250 do 700 Wh energii elektrycznej, a zużycie energii elektrycznej od 100 do 250 Wh. ²¹

Niektóre, dostępne w handlu termoelektryczne kuchenki do gotowania chłodzone wentylatorem, często są projektowane z myślą o turystach. Przykładami są produkty firm BioLite, Termomanic i Termefor, które podają moc wyjściową od 3 do 10 W, w zależności od konstrukcji kuchenki i liczby modułów termoelektrycznych. ¹⁷

Piece Termoelektryczne ze Zbiornikami Na Wodę

Najbardziej wydajne piece termoelektryczne to takie, w których zimna strona modułu (modułów) jest chłodzona przez bezpośredni kontakt ze zbiornikiem wody. Woda ma niższy opór cieplny niż powietrze, dzięki czemu skuteczniej chłodzi. Co więcej, jej temperatura nie przekroczyć 100ºC co zmniejsza prawdopodobieństwo awarii modułu z powodu przegrzania.

Ciepło odpadowe, powstające podczas konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego chłodzonego wodą, nie służy do ogrzewania pomieszczeń, ale do ogrzewania wody użytkowej. Piece termoelektryczne chłodzone wodą mogą być aktywne (wyposażone w pompy) lub pasywne (bez ruchomych części). ¹⁷

Większość pieców termoelektrycznych z pasywnym chłodzeniem wodnym ma małe rozmiary i służy jedynie do podgrzewania stosunkowo niewielkich ilości wody. Z reguły, nie jest to klasyczny piec, a najczęściej garnek wyposażony w moduły termoelektryczne. Na przykład PowerPot, to dostępny w sprzedaży, turystyczny garnek do gotowania wyposażony w moduł termoelektryczny przymocowany do podstawy. Można go postawić bezpośrednio na kuchence, a wygeneruje 5-10 W mocy.

Znacznie większy i bardziej wszechstronny piec termoelektryczny z pasywnym chłodzeniem wodnym został zaprojektowany przez francuskich naukowców na podstawie dużego, wielofunkcyjnego pieca na drewno z Maroka. ^1922232425 Zainstalowali oni osiem modułów termoelektrycznych na dnie 30-litrowego zbiornika wody, który służył nie tylko jako radiator dla zimnej strony generatora, ale także jako źródło ciepłej wody użytkowej dla gospodarstwa domowego. Ponadto, piec wyposażono w wentylator elektryczny z własnym zasilaniem i podwójną komorę spalania podnoszącą efektywność spalania drewna.

Prototypowy piec wygenerował w teście 28 watów mocy przy użyciu dwóch modułów, spalając 1,5 kg drewna do gotowania i / lub ogrzewania. Wentylator zużywał 15 W, co oznaczało, że do pozostałych zastosowań zostało ​​13 W mocy. Praca pieca dostarczała 60 litrów ciepłej wody na godzinę. W zależności od tego, ile czasu zajmowało gotowanie na piecu (dwa razy dziennie), w akumulatorach zgromadzono w ciągu doby od 35 do 55 Wh energii elektrycznej. Zwróćmy uwagę na to, że badacze uwzględnili w obliczeniach straty wynikające z pracy regulatora ładowania, akumulatora 6 V i wentylatora.

Piece Termoelektryczne z Pompami

Pasywne chłodzenie wodne ma istotną wadę. Wraz ze wzrostem temperatury wody w zbiorniku różnica między zimną, a gorącą stroną modułu zmniejsza się, przez co spada sprawność pieca. Musi minąć odpowiednio dużo czasu, pomiędzy kolejnymi rozpaleniami pieca, aby woda w zbiorniku dostatecznie ostygła. Można również regularnie wymieniać ciepłą wodę (i używać ją do prac domowych) na zimną, a żeby się ciągle nie męczyć i ręcznie nie wymieniać wody, wystarczy zamontować pompę, która zrobi to za nas.

Przyjrzyjmy się teraz prototypowi pieca z 2015 roku. W tej konstrukcji pieca opalanego drewnem, służącego do gotowania i ogrzewania pomieszczeń oraz wody, umieszczono 21 modułów termoelektrycznych z aktywnym systemem chłodzeniem wodnym. Testy wykazały produkcję mocy na poziomie od 25 W (spalanie 1 kg drewna sosnowego na godzinę), przez 70 W (4 kg drewna / godzinę), do 166 W (9 kg drewna / godzinę). ²⁶ Moc wyjściowa na jeden moduł wyniosła aż 7,9 wata, co stanowi prawie dwukrotność mocy wyjściowej na jeden moduł pieca z pasywnym chłodzeniem powietrznym. Pompa zużywała 5 W. Prototyp posiadał dodatkowy wentylator (pobierający 1W) zwiększający efektywność spalania. ²⁷²⁸

Gazowe Kotły Termoelektryczne?

W obecnej infrastrukturze energetycznej społeczeństw ery przemysłowej lepiej odnajdą się generatory termoelektryczne z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zwłaszcza w gospodarstwach domowych z systemami centralnego ogrzewania. Można zwiększyć liczbę zainstalowanych modułów, dzięki czemu wzrośnie produkcja energii elektrycznej, tak potrzebna w „wysokoenergetycznym” stylu życia. Niestety pojawiają się tutaj pewne trudności. Po pierwsze, systemy centralnego ogrzewania są używane tylko do ogrzewania pomieszczeń i wody, a nie do gotowania, co sprawia że ilość energii, którą wytwarzają zmienia się sezonowo. Po drugie, tylko niektóre systemy CO spalają biomasę lub pelet drzewny. Większość działa na gaz, olej opałowy, węgiel lub prąd.

Gdy źródło ciepła jest elektryczne, nie ma oczywiście sensu przyklejać do niego modułu termoelektrycznego. System termoelektryczny jest nie do pogodzenia z wizją nowoczesnego, zrównoważonego budynku, w którym ogrzewanie odbywa się za pomocą elektrycznej pompy ciepła, gotowanie odbywa się na kuchence elektrycznej, a ciepłą wodę dostarcza bojler elektryczny.

Jednakże, gdy źródłem ciepła w domu jest gaz lub olej opałowy, to kocioł termoelektryczny jest niskoemisyjnym dostawcą elektryczności, na równi z systemem fotowoltaicznym umieszczonym na dachu. ²⁹ Taki termoelektryczny system grzewczy nie uniezależni jednak gospodarstwa domowego od paliw kopalnych, podobnie jak nie uczyni tego instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci energetycznej. Opiera się on bowiem na centralnej sieci energetycznej (w dużej mierze zasilanej paliwami kopalnymi), aby uniknąć niedoborów energii i pozbyć się nadwyżek, a do ogrzewania pomieszczeń i wody wykorzystuje z reguły system CO zasilany paliwami kopalnymi.

Termoelektryczny system grzewczy zasilany paliwami kopalnymi wypada korzystniej w porównaniu z dużą elektrociepłownią, która wychwytuje ciepło odpadowe z produkcji energii elektrycznej i rozprowadza je do indywidualnych gospodarstw domowych. W termoelektrycznym systemie grzewczym ciepło i moc są wytwarzane i konsumowane na miejscu. W przeciwieństwie do centralnej elektrociepłowni, nie ma potrzeby utrzymywania rozbudowanej infrastruktury dystrybucji ciepła i prądu. W ten sposób, oszczędza się zasoby i zapobiega stratom energii podczas przesyłu, które wynoszą od 10 do 20% w przypadku dystrybucji ciepła, i od 3 do 10% (lub znacznie więcej w niektórych regionach) w przypadku elektryczności.

Elektrociepłownia jest bardziej energooszczędna (25-40% sprawności konwersji) w procesie przetwarzaniu ciepła w energię elektryczną. Termoelektryczny system cieplny dostarcza znacząco więcej ciepła niż energii elektrycznej w porównaniu do elektrociepłowni. Nie jest to jednak problem ponieważ średnio, nawet w Europie, 80% zużywanej w gospodarstwach domowych energii schodzi na ogrzewanie pomieszczeń i wody.