Progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Studio di fattibilità di un sistema di cogenerazione termico ed elettrico stand-alone sfruttando il fenomeno dell'effetto Seebeck. In particolare è stata esaminata la sezione di produzione di potenza elettrica. Nella prima parte è trattata l'analisi della tecnologia riguardante i moduli TEG esplicitandone ogni aspetto caratteristico ed è stato inserito un riepilogo delle maggiori sperimentazioni in questo ambito. Nella seconda parte è affrontata la fase di studio preliminare. Sulla base dei dati di progetto ci si è soffermati sui vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. Nella terza parte è descritta la struttura del prototipo ed è mostrata una analisi economica preliminare di carattere indicativo. I risultati ottenuti mostrano il campo di applicabilità al quale questa soluzione tecnologica deve riferirsi per risultare conveniente.

Progettazione e sperimentazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Il tema della presente tesi è lo studio di progettazione e sperimentazione di un generatore termoelettrico, privo di parti in movimento, sfruttando il fenomeno dell’effetto Seebeck. La prima parte offre una panoramica introduttiva riguardo i moduli TEG e i loro possibili campi di applicazione. La seconda parte riassume le equazioni fisiche alla base del fenomeno e lo stato dell’arte della generazione termoelettrica, focalizzando l’attenzione sulle caldaie a biomassa. Nella terza parte è analizzato il procedimento progettuale dell’impianto. Partendo da un analisi comparativa di soluzioni esistenti e dall’obbiettivo di ottenere la massima efficienza dei moduli TEG si è arrivati alla determinazione dei vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. La quarta parte illustra la struttura del prototipo finale dedicato al laboratorio, la sua messa in servizio e il primo collaudo dell’impianto. I risultati ottenuti dai test sono il primo passo verso l’ottimizzazione del generatore termoelettrico che potrà quindi essere studio di un’interessante campagna sperimentale.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Circuiti per la conversione di micro potenze da gradienti termici ambientali

In questa tesi vengono analizzati alcuni schemi circuitali di convertitori di micro potenze da generatori termoelettrici sottoposti a gradienti di temperatura limitati. I circuiti, basati su oscillatori step-up in grado di innescarsi con tensioni di alimentazione estremamente basse, sono stati analizzati dal punto di vista teorico e mediante successive simulazioni circuitali. Le potenze ottenibili con gradienti di temperatura inferiori a 10K risultano tipicamente comprese tra qualche uW e qualche decina di uW, con efficienze fino a circa il 40%.

Characterization of thermoelectric commercial modules using a module test system

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso la DTU, Technical University of Denmark, nel Department of Energy Conversion and Storage, Riso Campus. Lo scopo del periodo di soggiorno estero è stato quello di caratterizzare appropriati moduli termoelettrici forniti da aziende del settore, utilizzando un opportuno apparato di caratterizzazione. Quest’ultimo è noto come “module test system” e, nello specifico, è stato fornito dalla PANCO GmbH, azienda anch’essa attiva nel campo delle tecnologie termoelettriche. Partendo da uno studio teorico dei fenomeni fisici interessati (effetto Seebeck per la produzione di potenza termoelettrica), si è cercato in seguito di analizzare le principali caratteristiche, ed elementi, del “module test system”. Successivamente a questa prima fase di analisi, sono stati condotti esperimenti che, con l’aiuto di modelli computazionali implementati attraverso il software Comsol Multiphysics, hanno permesso di studiare l’affidabilità del sistema di caratterizzazione. Infine, una volta acquisite le basi necessarie ad una corretta comprensione dei fenomeni fisici e delle caratteristiche relative alla strumentazione, sono stati analizzati moduli termoelettrici di tipo commerciale. In particolare, sono stati estrapolati dati quali correnti, tensioni, gradienti di temperatura, che hanno permesso di ricavare flussi termici, efficienze, e potenze che caratterizzano il modulo in questione durante le condizioni di funzionamento. I risultati ottenuti sono stati successivamente comparati con dati forniti dal produttore, presenti sul catalogo.