TEG

[sigurd]

S TEG sa zaoberám (viac- menej úspešne ) už dlhšiu dobu. Skúsim tu presunúť chronologicky pár príspevkov z mojich experimentov.
TEG pre PA
Příspěvek od sigurd » 10 bře 2020 17:34

Netradičné zdroje energie sú jedným z mojich koníčkov, a termoelektrické zdroje, aj keď nie sú tak známe, a masovo využívané,k nim rozhodne patria. V poslednom desaťročí sa kvalita, výkon, dostupnosť a hlavne cena Peltierových článkov na produkciu elektriny (TEG) dostala na úroveň vhodnú pre bežného kutila. Vyrojili sa aj rozličné vychytávky pre outdoorových dobrodruhov využívajúce tepelné zdroje na produkciu elektriny pomocou TEG (drievkáč BioLite,kachle Indigirka,a pod). V snahe dosiahnúť rozumný el.výkon a prenosnosť sa u týchto zariadení používa aktívne chladenie (ventilátor). Ventilátor je chúlostivý stroj, trpí nárazmi pri transporte, prevádzkou v znečistenom prostredí, spotrebuje značnú časť vyrobenej elektriny-je teda najslabším článkom týchto zariadení. Najhoršie však je, že pri výpadku ventilátora za chodu zariadenia dôjde k prehriatiu studenej strany článkov TEG (štandartne 200°C), a tým k ich nevratnému poškodeniu. Preto som termoelektrické generátory s aktívnym chladením vyhodnotil ako nevhodné pre PA, a rozhodol som sa skonštruovať niečo odolné, blbuvzdorné aj za cenu vyššej hmotnosti a nižšej účinnosti.

Ako palivo som zvolil parafín vo forme čajových sviečok, a chladenie TEG pasívne-hliníkovým chladičovým profilom. Naštudoval som katalógové parametre TEG článkov, a keďže jednou z mojich odborností je energetika, tak som prepočítal výkon ohrevu, prestup tepla a chladenie tak, aby generátor bol ešte rozumne malý.Realizáciu prvého prototypu som začal pred tromi rokmi, a pre problémy s tepelným kolektorom (blok, ktorý zabezpečuje prenos tepla z plameňa a spalín k TEG) - zanášanie sadzami, vysoká teplota odpadných spalín, tepelné mostíky - som to viackrát zabalil.

Výroba elektriny bola 10% s reálne možného výťažku. Postupne som doriešil horáky na spaľovanie sadzí, materiál a hustotu výplne kolektora, geometriu prúdenia a optimálne množstvo spalín. Dostal som sa na 50% možného výťažku elektriny, a tam som skončil - veľkosť generátora už nedovoľuje zvýšenie výťažku. Prototyp som upravil na konečný používateľský vzhľad, pomeral parametre, nafotil-tu je.

Parametre:
rozmery 180x115x165mm výška
váha 2,3kg
el.výkon 0,3W s normálnymi čaj.sviečkami(3ks vyšší typ,doba horenia 4h)
0,5W s vyrobenými čaj.sviečkami(3ks,hrubší knôt,horenie 2,5h)

Čakal som od toho viac, ale bola to cenná skúsenosť. Na základe toho mám rozpracovaný plynový ohrievač 800W/15W elektrina-pasívne chladenie a 7kW/200W elektrina-pevné palivo/chladenie vodou-termocirkulácia.

[sigurd]

Po dvoch rokoch:
V priebehu času som generátor pracujúci s nízkym výkonom 3ks čajových sviečok upravil nasledovne:
- drahšie vysokoteplotné TEG (2ks) pracujúce v spodnej tretine svojho pracovného rozsahu som nahradil 6ks lacných nizkoteplotných TEG (horúca strana max. 150stC), a bez zmeny tepelného príkonu som sa dostal na výkon nad 1W (5V, 0,2A).
- sviečkový a spaľovací priestor som upravil na použitie 8 hodinových čajových sviečok.
- urobil som skladacie potrubie odvodu spalín (Js 13mm) a vložný diel s prechodkami pre potrubie spalín, ktorý sa vloží a sklom pritlačí v zadnom okne auta. Tým je umožnený odvod spalín mimo auto.
Skúška výkonu kúrenia v aute- pri vonkajšej (aj vnútornej) teplote +2 st C bolo v prázdnom aute ( i30 combi) spustené kúrenie, po hodine sa teplota ustálila na +9 st C, a už sa držala (vonkajšia poklesla o 1st), čiže rozdiel 7st C. Keď by sme k tomu prirátali ešte 2 osoby s výkonom po 100W, tak sme niekde na 14 st C, čo je na trojsezónne využitie postačujúce.
Skúška vetrania v aute- kúrenie odsáva cca 270l/h vzduchu do spaľovania- pri odvode spalín mimo auto musí byť toto množstvo čerstvého vzduchu prisávané do auta- tým dochádza ku kontinuálnemu vetraniu. Teoreticky mi to (podľa nejakej normy) pre dve osoby vychádzalo nedostačujúce, ale pri reálnom opakovanom prespaní (horské parkoviská v Dolomitoch ), to bolo pocitovo ok, bez potreby ďalšieho vetrania- nedochádzalo ani k inokedy bežnému zaroseniu okien zvnútra.
Pre použitie byte (dome) mám riešený prechod spalín cez dvojitý klinový tesniaci vankúš (z textílie zo sklenných vláken), ktorý sa vloží do otvorenej vetračky okna, a mierne pritlačí.
Pred dokončením je aj výkonnejšia verzia generátora- o tom inokedy...

[sigurd]

Pred rokom:
Niečo o výkonnejšom generátore: - vychádzal som z toho, že by mal byť na 500g kartušu PB, a na jednu náplň by mal isť 8h. Z toho mi vyšlo 800W tepelného výkonu. Od pôvodného zámeru použiť pasívne chladenie som pre neúnosnú veľkosť a hmotnosť musel ustúpiť, a použiť ventilátory. S využitím skúsenosti s malým (sviečkovým) generátorom, som navrhol a realizoval čo najkompaktnejší, ale ešte efektívny stroj.
Popis: - upravený plynový horák z malého turistického variča, s max. výkonom obmedzeným mechanicky na 800W- výkon sa dá
znížiť ventilom na kartuši. Plameň horáka je smerovaný do tepelného kolektora. Zapaľovanie piezoelektrické.
- na protiľahlých stranách tepelného kolektora sú umiestnené dvojice TEG, a na ich studených stranách sú pritlačené hlavné
hliníkové chladiče s dvojicou ventilátorov. Systém je spojený pomocou pasívnych chladičov tak, aby sa minimalizovali tepelné
mostíky medzi kolektorom a chladičmi.
- TEG sú zapojené sériovo-paralelne tak aby výstupné napätie so záťažou bolo max. 5V. Ventilátory sa zapínajú po protiľahlých
dvojiciach buď manuálne (zasunutím do USB), alebo cez medzikusy spínané dvojicami mechanických termostatov (horné pri
40stC, dolné pri 60stC) na chladičoch. Možno použiť aj USB medzikus s manuálnou reguláciou otáčok.
- potrubie spalín je Js 22 (medené a hliníkové). Prechodky spalín cez okno auta a vetračku v byte tie isté, ako u sviečkového
generátora.
Celá zostava je uložená v drevenej truhlici, ktorá slúži ako stabilná podstava pri chode.

Tepelný výkon generátora je max. 800W, teplota výstupného vzduchu z ventilátorov je cca 36stC, na potrubí spalín sa pol metra od generátora dá udržať ruka.
Elektrický výkon:- jeden pár ventilátorov má spotrebu 1W, pri okolitej teplote cca 22stC sa zapína druhý pár. Využiteľná energia klesá od 10W pri okolitej teplote 0stC po 0W pri 28stC (vtedy výkon stačí akurát na pohon všetkých štyroch ventilátorov). Pri teplote 20stC to dáva 2W (5V, 0,4A).
Generátor je určený na núdzový ohrev auta, evakuačného stanu Beagles 5 so zimnou úpravou, a v prípade výpadku centrálneho vykurovania na temperovanie a vetranie jednej miestnosti. Až to otestujem v riadnej zime, tak dám info.
Zaujímavé je použitie s petrolejovou lampou- generátor bez horáka sa zavesí nad horné hrdlo cylindra, a máme svetlo, teplo, odvod spalín, vetranie a 1W elektriny...
Veľký generátor na tuhé palivo, chladený vodou, spomínaný v úvodnom príspevku bol úspešne odskúšaný (tepelný výkon 7kW, elektrina 120- 200W) sólo (so svojimi radiátormi), a pripojený k samotiažnému kúreniu domu. Tam sa zistilo, že vodné chladiče TEG sú dostatočne dimenzované aj na 25kW tepla, tak som sa rozhodol, že sa vyrobí nový kotol s plným výkonom na kúrenie domu (cca 25kW tepla, a 500W elektriny), a drahé medené chladiče (29kg jeden) sa použijú tam. To by mohlo byť hotové na budúcu zimu...

[drama]

Držím palce s dalším vývojem. Cokoliv s elektrickým výkonem kolem 100 W bude obdivuhodný počin. Já tuto cestu opustil, protože naše energetická náročnost (teplená) je tak malá, že při mizerné účinnosti TEGů z toho nemáme šanci vytěžit rozumný elektrický výkon.

[sigurd]

Ono je to celé o "prevedení" tepla cez TEG- 5% z tejto tepelnej energie sa premení na elektrickú. Tie moje generátory sú tak preppersky konštruované (ako záložné, keď vypadnú všetky energie), ale princíp funkcie zostáva. Na prípadné otázky k veci rád odpoviem.

[drama]

Jak říkám, držím Vám palce. Já jsem se dostal v praxi s TEGy na 2x 24W elektrického výkonu (viz mé starší příspěvky), ale za cenu zbytečných ztrát. Podle mě jediná rozumná cesta je mít dva okruhy, jeden z kamen olejový vysokoteplotní a druhý vodní, radiátorový. Tam je pak účinnost slušná. Ale já doma nechci mít tak horký olej...

[vk_1]

som sa rozhodol, že sa vyrobí nový kotol s plným výkonom na kúrenie domu (cca 25kW tepla, a 500W elektriny)

Tohle téma mě zajímá už od doby, co s tím kdysi @drama experimentoval.

Jaký konkrétní teplotní spád je potřeba, aby šlo z těch 25 kW reálně dostat 500W elektřiny?

Mimo kotel mě napadá myšlenka to použít v kamnech s výměníkem: že by výrobce kamen TEG integroval přímo do zadní stěny kamen, na rozhraní topeniště a výměníku.
Třeba u takovéhle konstrukce může jít do kamen chladnější voda, jen 20 stupňů:
https://www.kamnazvyroby.cz/krbova-kamn ... ni-udrzbu/

V systému s aku nádrží a podlahovkou se dá na těch 20 stupňů zpátečky dostat. Stačilo by to?

[sigurd]

Maximálny rozdiel teplôt vyčítaš z katalógoveho listu aktuálne použitých TEG- tomu je potrebné prispôsobiť konštrukciu kotla a chladenia, alebo naopak . Je to blbá rada, ale je to tak. Teplota chladiacej vody môže byť aj 0°C, na kotol to nemá vplyv.
Teraz ku konštrukcii kolektora- to je tá časť kotla, ktorá odoberá teplo z kúreniska, a odvádza ho k TEG. Musí to byť masívny kus kovu (aby nedochádzalo k tepelnej deformácii plochy priliehajúcej k TEG, a tým k popraskaniu TEG) obopínajúci zdroj tepla tak, aby sa odviedlo maximum tepla k TEG, inak dochádza k zvýšeniu teploty spalín. V masívnom bloku nedochádza k prudkým zmenám teploty, a vytvorí sa stabilný teplotný spád smerom k TEG. Riešenia typu "oplácam petry peltierama", alebo na platňu sporáka vedú k tomu, že masívne chladenie TEGu lokálne "vycucne" teplo z platne, ochladí ju a tepelný spád je v ...
V mojom prvom experimentálnom kotli bola teplota v mase kolektora (4mm od kúreniska) 380°C, a 1mm od TEG 160°C, teplota spalín nad 500°C- plocha kolektora na strane kúreniska bola malá. Po zväčšení plochy 3x už bol tento tepelný rozdiel 380/220°C a spaliny 460°C. Pri rovnakom výkone spaľovania a stúpnutí teloty chladiacej vody (alebo poklese jej prietoku), sa ustáli nový teplotný spád, zníži sa výroba elektriny, a stúpne teplota spalín. Čiže celá účinnosť je daná konštrukciou kolektora, chladením TEG a využitím tepla spalín. Aby bol dosiahnutý vyhovujúci transport tepla cez celú sústavu, je potrebné uvažovať s reálnym výkonom TEG 40-50%- tomu je potrebné prispôsobiť počet TEG.
Bez spoľahlivého merania teplôt, prípadne prietoku vody a znalosti z energetiky, je problém to dotiahnúť do nejakého rozumného riešenia, nehovoriac o tom, že každá zmena v konštrukcii stojí čas a peniaze.

[vk_1]

časť kotla, ktorá odoberá teplo z kúreniska, a odvádza ho k TEG. Musí to byť masívny kus kovu (aby nedochádzalo k tepelnej deformácii plochy priliehajúcej k TEG, a tým k popraskaniu TEG) obopínajúci zdroj tepla tak, aby sa odviedlo maximum tepla k TEG, inak dochádza k zvýšeniu teploty spalín.

Já mám na mysli teplovodní kamna, kdy je topeniště vystlané 3cm šamotu, za tím je plech 5mm, pak by byl TEG, za ním už voda. V topeništi typicky je 550-700 stupňů, za tím šamotem už znatelně méně. Pochopitelně stálejší podmínky by šly dosáhnout v kotli, který je elektronicky řízený, včetně oběhového čerpadla.
Osobně si teda netroufám něco takového konstruovat. Jestli se do toho pustíte, tak se těším na další reporty.

[gupa]

Měl jsem zato, že síla teplosměnné plochy je problém při předávání tepla. Čím silnější, tím pomalejší přesnost podle vzorce tepelné vodivosti a předpokládané admitance ploch.

Myslím si že pochopit jak přenést určitý druh tepla (není teplo jako teplo, záleží na mnoha věcech co ho provází) v konstatním průsaku je to něco jako cedit marmeládu přes sítko. Doslova. Což nakonec ve výpočtu při zadané účinnosti TEGů znamená asi desetinásobná plocha oproti FV článků se stejným výkonem. Takže problém není v tom mít nějakou plochu, problém je v předraženém článku, neschopnosti chápat přenos tepla, schopnost pochopit, že je potřeba ke každému článku vzhledem k průchozí proměnné tepelné, vytvořit novou topologii elektronického měniče. Protože sériové zapojení nese velké ztráty jako u zastíněného FVE panelu. Něco jako BMS, TEG článkový systém.

[drama]

Myslím, že ta regulace je klíčová. TEG lze totiž snadno "upéct" a když kamna někdo naloží a zapomene zavřít vzduch, tak bude po TEGu. A nebo to bude konstruováno z pohledu upečení bezpečně, ale pak se zas přijde o účinnost. Proto si myslím, že varianta se dvěma okruhy, jedním vysokoteplotním a jedním nízkoteplotním a dvěma termostaty na každém okruhu (ideálně s PWM regulací čerpadel), je sázka na "jistotu". A nebo regulovat hoření v kamnech tak, abychom se neustále pohybovali v ideálním okolí pracovního bodu teplé strany TEG. A samozřejmě myslet na celkovou účinnost kamen - teplota spalin by měla být kolem 200 °C.

[gupa]

A samozřejmě myslet na celkovou účinnost kamen - teplota spalin by měla být kolem 200 °C.

Ale TEG a jeho využití je úplně o jiných technologiích přenosů tepla, buď se jedná o přenos typu chlazení reaktoru, nebo se využije schopnost vést teplo na kapce při změně skupenství. Lze najít vědeckou práci třeba 50W výkon ve výzkumu, díky mokré páře při teplotách mnohem nižších než si můžeme nyní myslet. Představa takových výměníků tepla a prostor a výkon na m3 prostoru takové technologie lze tedy již nyní spočítat bez nějakých zdrojů tepla. Zdroj tepla a přenosy tepla jsou dvě odlišné věci.


https://www.researchgate.net/publicatio ... _generator

[vk_1]

Myslím, že ta regulace je klíčová. TEG lze totiž snadno "upéct" a když kamna někdo naloží a zapomene zavřít vzduch, tak bude po TEGu.
...
A samozřejmě myslet na celkovou účinnost kamen - teplota spalin by měla být kolem 200 °C.

Regulace přívodu vzduchu už je dneska v pohodě, stačí čidlo teploty spalin a servo na klapku vzduchu, třeba Timpex.
Pochopitelně, když tam někdo hodí pytel skořápek od ořechů, tak je vymalováno.... Obsluha tam hraje pořád roli.

Dva okruhy rozumím, ale dost náročné na konstrukci a spolehlivost.

[sigurd]

Měl jsem zato, že síla teplosměnné plochy je problém při předávání tepla. Čím silnější, tím pomalejší přesnost podle vzorce tepelné vodivosti a předpokládané admitance ploch.

Myslím si že pochopit jak přenést určitý druh tepla (není teplo jako teplo, záleží na mnoha věcech co ho provází) v konstatním průsaku je to něco jako cedit marmeládu přes sítko. Doslova.

úplne názorné s tým sitkom , ale ak požadujeme určitý prietok marmelády, tak to môžeme dosiahnúť zmenou výšky stĺpca marmelády(teplotný spád), veľkosťou ôk sita (tepelná vodivosť a hrúbka materiálu), a plochou sitka (plochou sústavy)- tieto premenné možno na daný systém optimalizovať tak, aby sa dosiahol rozumný kompromis. Ten je ale na úkor teploty spalín. Nič však nebráni využiť teplo spalín v ďalšom stupni, zase pomocou TEG (pre nižšiu teplotu, teda podstatne lacnejších), alebo výstupnou vodou z TEG tak, aby sa dosiahla rozumná celková účinnosť kotla.
Kotol musí byť blbuvzdorný, žiadna regulácia (reč je v mojom riešení o vsádzkovom kotli na pevné palivo), chladiče musia mať dostatočný objem vody na režim "parného kotla", do vyhasnutia ohniska. "Rozumne" masívny kolektor zabezpečí rovnakú teplotu na horúcej strane TEG, a tým ich rovnomerný výkon-pri jednotlivo vyvedených vývodoch TEG tak možno zistiť prípadný tepelny tieň.
Celá moja koncepcia je poznačená tým, že generátory sú riešené ako núdzový zdroj elektriny v prípade jej dlodobého výpadku na chalupe- v lete FV, v zime TEG a celoročne 2x 25W prenosná vodná elektráreň.

[gupa]

Není hlavně komerčně dokončena energetická logistika celého jevu. Je to něco jako by si člověk kupoval ořízlé tranzistory aby si poskládal pro svou energetickou soběstačnost fotovoltaický článek v době minulého století. Asi bych zatím volil jiný typ konverze.

[unicast]

Zkoušelo se to, nevyplatí se to. Dokonce se to dostalo i do sériově vyráběných aut (Porsche 944), aby se od toho následně zase upustilo.

https://en.wikipedia.org/wiki/Automotiv ... _generator

IMHO bude aerodynamický odpor chlazení toho ATEGu brát víc energie, než kolik se z toho získá. To v domě sice není problém, ale zase toho tepla komínem ztrácíme výrazně méně, než výfukem auta a o výrazně nižší teplotě a stejně tak chlazení větrem bude méně účinné, než chlazení proudícím vzduchem za jízdy.

[drama]

Já bych to tak kategoricky neviděl. U velkých zdrojů s velkým ztrátovým výkonem to chvílemi smysl dává. Proto se to osvědčilo v obrovských amerických náklaďácích, kde byl 1kW TEG od Hi-Z. Např. 250W TEG pracuje na jedné lodi již od roku 1980! Více příkladů zde: https://hi-z.com/systems-design-and-prototyping

[vk_1]

Tihle pánové prodávají 100W systém na kouřovod za 1450 USD.

https://thermoelectric-generator.com/pr ... bbit-ears/

V demu ukazují 50W výrobu:


Dost bych se u toho bál čištění, musí se to žebrování chladiče v tom kouřovodu celkem rychle zanášet.

[drama]

Taky bych se bál toho, že to chladí 20 stupňovou vodou a výkon je 50W. Při mizerné účinnosti TEGu teplota chlazení půjde rychle nahoru a účinnost rychle dolů. Ve 3 minutovém videu se to ale neprojeví...

[unicast]

Což o to, to by tolik nevadilo. Předehřev vody před bojlerem, například, s nějakou rozumnou cirkulací přes termoregulační ventil. No a minimálně 10 z těch 46 W, co to vyrábí, je pryč... Jo, leda samotíž.