Peči na drva lahko oskrbijo gospodinjstvo s toplotno energijo za kuhanje ter za ogrevanje prostora in vode. Peči na drva, opremljene s termoelektričnimi generatorji, proizvajajo tudi električno energijo, ki je lahko bolj trajnostna, zanesljivejša in cenejša od energije iz sončnih panelov.
Če je 2000 let stara vetrnica predhodnica današnjih vetrnic, sta kamin in peč na drva še starejša predhodnika današnjih sončnih plošč. Tako kot sončne plošče tudi drevesa in druge rastline sončno svetlobo pretvorijo v uporaben vir energije za ljudi. Skozi zgodovino je kurjenje lesa in druge biomase zagotavljalo gospodinjstvom toplotno energijo, ki se je uporabljala za kuhanje, ogrevanje, pranje in razsvetljavo.
Fotosinteza
Fotosinteza je podprla tudi vse zgodovinske vire mehanske moči in zagotovila, da so goriva uporabna za človeško moč in gradbene materiale za vodne mline in vetrnice. Niti staromodna vetrnica niti staromodna peč na drva nista proizvajali električne energije, vendar je oboje za to preprosto prilagoditi. Dovolj je, da električni generator priključimo na vetrnico in termoelektrični generator priključimo na peč za drva.
Kisik kot stranski produkt fotosinteze izločajo rastline v zrak. Malo več kot polovico kisika (55 %) pridelajo kopenske rastline, skoraj polovico (45 %) pa rastline v oceanih. V rastlinah poteka fotosinteza, katere stranski produkt je plinasti kisik O2. V naravi kisik nastaja v listih zelenih rastlin.
Termoelektrični generator
Termoelektrični generatorji (ali "TEGS") so zelo podobni "fotoelektričnim" generatorjem, ki jih danes imenujemo "fotonapetostni" generatorji ali sončne PV celice. Fotonapetostni generator pretvori svetlobo neposredno v električno energijo, termoelektrični generator pa toploto pretvori neposredno v električno energijo.
Termoelektrični generator je sestavljen iz številnih polprevodniških elementov v obliki ingota, ki so medsebojno povezani s kovinskimi trakovi in vpeti med dve električno izolirani in toplotno prevodni keramični plošči, da tvorita zelo kompakten modul. Komercialno so na voljo pri proizvajalcih, kot so Hi-Z, Tellurex, Thermalforce in Thermomanic.
Kako delujejo termoelektrični generatorji
Termoelektrični modul prilepite na površino peči za drva in ta bo proizvajala elektriko, kadar se peč uporablja za kuhanje, ogrevanje prostora ali ogrevanje vode. V poskusih in prototipih, ki so podrobneje opisani spodaj, se izhodna moč na modul giblje med 3 in 19 vatov.
Tako kot pri sončnih panelih je mogoče module vzporedno in serijsko povezati, da dobimo poljubno izhodno napetost in moč, vsaj toliko časa, kolikor je še ostalo toplote na površini peči. Tako kot pri sončnih panelih tudi električni tok, ki ga proizvajajo termoelektrični moduli, regulira krmilnik napolnjenosti in ga shrani v baterijo, tako da je na voljo tudi, ko se peč ne uporablja. Termoelektrična peč je običajno kombinirana z nizkonapetostnimi napravami z enosmernim tokom, kar preprečuje izgube pretvorbe uporabe pretvornika.
Termoelektrične peči bi lahko uporabili v mnogih delih sveta. Večina raziskav je usmerjena na svetovni jug, kjer se blizu 3.000 milijonov ljudi (40 % svetovnega prebivalstva) zanaša na kurjenje biomase za kuhanje in ogrevanje vode v gospodinjstvu. Nekatera od teh gospodinjstev peč ali kamin uporabljajo tudi za razsvetljavo (1.300 milijonov ljudi nima dostopa do električne energije) in za ogrevanje prostorov v delu leta. Vendar pa obstajajo tudi raziskave, namenjene gospodinjstvom v industrijskih družbah, kjer so se peči na biomaso in kurišča povečale, zlasti zunaj mest.
100 - % učinkovitost
Odkar je termoelektrični učinek prvič opisal Thomas Seebeck leta 1821, so bili termoelektrični generatorji zloglasni zaradi svoje nizke učinkovitosti pri pretvorbi toplote v električno energijo. Danes je električna učinkovitost termoelektričnih modulov le okrog 5-6 %, kar je približno trikrat nižja od električne energije najpogosteje uporabljenih sončnih PV plošč.
Če je 2000 let stara vetrnica predhodnica današnjih vetrnic, sta kamin in peč na drva še starejša predhodnika današnjih sončnih plošč. Tako kot sončne plošče tudi drevesa in druge rastline sončno svetlobo pretvorijo v uporaben vir energije za ljudi. Skozi zgodovino je kurjenje lesa in druge biomase zagotavljalo gospodinjstvom toplotno energijo, ki se je uporabljala za kuhanje, ogrevanje, pranje in razsvetljavo.
Termoelektrični generator
Termoelektrični generatorji (ali "TEGS") so zelo podobni "fotoelektričnim" generatorjem, ki jih danes imenujemo "fotonapetostni" generatorji ali sončne PV celice. Fotonapetostni generator pretvori svetlobo neposredno v električno energijo, termoelektrični generator pa pretvori v toplotno energijo.
Termoelektrični generator je sestavljen iz številnih polprevodniških elementov v obliki ingota, ki so medsebojno povezani s kovinskimi trakovi in vpeti med dve električno izolirani, a toplotno prevodni keramični plošči, da tvorita zelo kompakten modul. Komercialno so na voljo pri proizvajalcih, kot so Hi-Z, Tellurex, Thermalforce in Thermomanic.
Kako delujejo termoelektrični generatorji
Termoelektrični modul prilepite na površino peči na drva in ta bo proizvajal elektriko. To se dogaja, kadar se peč uporablja za kuhanje, ogrevanje prostora ali ogrevanje vode. V poskusih in prototipih, ki so podrobneje opisani spodaj, se izhodna moč na modul giblje med 3 in 19 vatov.
Tako kot pri sončnih panelih je mogoče module vzporedno in serijsko povezati, da dobimo poljubno izhodno napetost in moč, vsaj toliko časa, kolikor je še ostalo na površini peči. Tako kot pri sončnih panelih tudi električni tok, ki ga proizvajajo termoelektrični moduli, regulira krmilnik napolnjenosti in ga shrani v baterijo, tako da je moč tudi na voljo, ko se peč ne uporablja. Termoelektrična peč je običajno kombinirana z nizkonapetostnimi napravami z enosmernim tokom, kar preprečuje izgube pretvorbe uporabe pretvornika.
Termoelektrične peči bi lahko uporabili v mnogih delih sveta. Večina raziskav je usmerjena na svetovni jug, kjer se blizu 3.000 milijonov ljudi (40 % svetovnega prebivalstva) zanaša na kurjenje biomase za kuhanje in ogrevanje vode v gospodinjstvu. Nekatera od teh gospodinjstev peč ali kamin uporabljajo tudi za razsvetljavo (1.300 milijonov ljudi nima dostopa do električne energije) in za ogrevanje prostorov v delu leta. Vendar pa obstajajo tudi raziskave, namenjene gospodinjstvom v industrijskih družbah, kjer so se peči na biomaso in kurišča povečale, zlasti zunaj mest.
Učinkovitost 100 %
Odkar je termoelektrični učinek prvič opisal Thomas Seebeck leta 1821, so bili termoelektrični generatorji zloglasni zaradi svoje nizke učinkovitosti pri pretvorbi toplote v električno energijo. Danes je električna učinkovitost termoelektričnih modulov le okrog 5-6 %, kar je približno trikrat nižje od električne energije in najpogosteje uporabljenih sončnih PV plošč.
Vendar v kombinaciji s štedilnikom električni izkoristek termoelektričnega modula ni toliko pomemben. Če je modul le 5 % učinkovit pri pretvorbi toplote v električno energijo, se ostalih 95 % ponovno pojavi kot toplota. Če se peč uporablja za ogrevanje prostora, se ta toplota ne more šteti za izgubo energije, ker še vedno prispeva k njenemu prvotnemu namenu. Skupna učinkovitost sistema (toplota + elektrika) je blizu 100 % in se ne izgublja nobena energija. Z ustrezno zasnovo peči lahko toploto iz pretvorbe električne energije uporabimo tudi za kuhanje ali ogrevanje vode v gospodinjstvu.
Zanesljivejši od sončnih panelov
Termoelektrični moduli imajo številne prednosti od sončnih panelov: so modularni, potrebujejo malo vzdrževanja, nimajo gibljivih delov, delujejo tiho in imajo dolgo življenjsko dobo. Vendar pa termoelektrični moduli ponujajo tudi zanimive prednosti v primerjavi s sončnimi PV ploščami, pod pogojem, da je v gospodinjstvu redno uporabljen (ne električni) vir toplote.
Čeprav so termoelektrični moduli približno trikrat manj učinkoviti od sončnih PV plošč, termoelektrične peči zagotavljajo zanesljivejšo oskrbo z električno energijo, saj je njihova proizvodnja električne energije manj odvisna od vremena, letnih časov in časa dneva. V žargonu imajo termoelektrične peči večji „čisti dejavnik zmogljivosti“ kot sončne PV plošče.
Četudi se peč uporablja samo za kuhanje in pripravo tople vode, te vsakodnevne gospodinjske dejavnosti še vedno zagotavljajo zanesljivo moč, ne glede na podnebje. Poleg tega se proizvodnja električne energije s termoelektrične peči zelo dobro ujema s potrebo gospodinjstev, kot so časi, ko se peč uporablja in je običajno tudi poraba električne energije največja. Po drugi strani pa sončni paneli proizvajajo malo ali nič električne energije, ko povpraševanje gospodinjstev doseže največjo porabo.
Termoelektrične peči z ventilatorji
Upoštevajte, da te prednosti izginejo, ko termoelektrične generatorje poganja neposredna sončna energija. Sončni termoelektrični generatorji (ali "STEGS"), v katerih se termoelektrični moduli segrevajo s koncentrirano sončno svetlobo, ne nadomestijo nizke učinkovitosti svojih modulov zaradi večje zanesljivosti, saj so ravno tako odvisni od vremena, kot so sončni PV paneli.
Manj shranjevanja energije
Zaradi njegove večje zanesljivosti ni treba prekomerno povečevati zmogljivosti za proizvodnjo in shranjevanje termoelektričnega sistema, da bi nadomestili noči, temne letne čase ali dneve slabega vremena, kot je to primer pri sončni PV - instalaciji. Zmogljivost baterije mora biti le dovolj velika, da lahko shranite električno energijo za uporabo med dvema pečema peči in vam ni treba dodajati dodatnih modulov, da bi nadomestili obdobja nizke porabe energije.
Solarne plošče in termoelektrične peči se lahko tudi kombinirajo, kar povzroči zanesljiv sistem brez omrežja z malo potrebe po shranjevanju energije. Tak hibridni sistem se dobro kombinira s pečjo, ki se uporablja samo za ogrevanje prostora. Termoelektrični moduli proizvajajo večino energije pozimi, sončni paneli pa poleti.
Cenejši za namestitev, lažji za recikliranje
Druga prednost je, da je termoelektrične module lažje namestiti kot sončne panele. Na strehi ni treba graditi konstrukcije in električne povezave z zunanjim svetom, ker je celotna elektrarna v zaprtih prostorih. To preprečuje tudi krajo vira energije, kar je velika težava s sončnimi paneli v nekaterih pokrajinah.
Vsi ti dejavniki omogočajo, da je moč iz termoelektrične peči cenejša in bolj trajnostna v primerjavi z močjo sončnih PV plošč. Za izdelavo baterij, modulov in podpornih konstrukcij je potrebnih manj energije, materialov in denarja.
Glede trajnosti je še ena prednost, za razliko od sončnih PV plošč, kjer je termoelektrične module relativno preprosto reciklirati. Čeprav so silikonske sončne celice popolnoma reciklirane, so v kapsuli v plastični plasti (po navadi EVA ali polimer etilen / vinil acetat), kar je ključno za dolgoročno delovanje modulov. Odstranjevanje tega sloja, ne da bi uničili silicijeve celice, je tehnično možno, vendar tako zapleteno, da recikliranje postane neatraktivno tako s finančnega kot z energijskega vidika. Po drugi strani termoelektrični moduli sploh ne vsebujejo plastike.
Hlajenje modulov
Električna učinkovitost termoelektričnega generatorja ni odvisna samo od modula. V veliki meri na to vpliva tudi temperaturna razlika med hladno in vročo stranjo modula. Termoelektrični modul, ki deluje na polovici temperaturne razlike, bo ustvaril le četrtino moči. Zato je izboljšanje toplotnega upravljanja termoelektričnega generatorja glavni poudarek pri načrtovanju termoelektričnih peči, saj omogoča proizvodnjo več energije z manj moduli.
Po eni strani to vključuje iskanje najbolj vročih mest na štedilniku in pritrditev modulov pod pogojem, da lahko odvzamejo toploto. Večina peči ima površinsko temperaturo od 100 do 300 stopinj Celzija, medtem ko vroča stran modulov telurida bizmuta (najbolj dostopna in učinkovita) zdrži stalne temperature od 150 do 350 stopinj, odvisno od modela.
Po drugi strani pa se s toplotnim upravljanjem čim bolj zniža temperatura hladne strani, kar lahko storimo na štiri načine: zračno hlajenje in prisilno konvekcijo z vodnim hlajenjem, ki vključuje električne ventilatorje in črpalke, in zračno oziroma ohlajena in vodno hlajena naravna konvekcija, ki vključuje uporabo pasivnih toplotnih odtokov, ki nimajo parazitske obremenitve sistema.
Aktivno hlajenje ima običajno večji izkoristek, tudi če se upošteva dodatna uporaba ventilatorja ali črpalke. Vendar so pasivni sistemi cenejši, delujejo tiho in so bolj zanesljivi od aktivnih sistemov. Težavna je zlasti okvara ventilatorja, saj lahko zaradi pregrevanja pride do okvare modula.
Termoelektrične peči s hlajenjem
Raziskovalci so na najbolj vroče mesto površine štedilnika privili 1 cm debelo aluminijasto ploščo, pritrdili modul in na njegovo hladno stran pritrdili zelo veliko (180 x 136 x 125 mm) aluminijasti pladenj. Pri hitrosti gorenja 2,5 kg mehkega borovega lesa na uro so njihovi poskusi pokazali povprečno izhodno moč 4,2 vata. Delovanje peči na drva 10 ur na dan (brez faze ogrevanja) tako oskrbuje podeželsko libanonsko gospodinjstvo z 42 vatnimi urami električne energije, dovolj za pokritje osnovnih potreb.
Za povečanje izpuščene moči je mogoče dodati več modulov in toplotnih odtokov, seveda pa je površina peči omejena, in ker je dodanih več modulov, bodo nameščeni na območjih z nižjo površinsko temperaturo, kar zmanjšuje njihovo učinkovitost. Drug način za povečanje proizvodnje električne energije je uporaba še večjega hladilnega telesa in / ali dražjega hladilnika, izdelanega iz materialov z višjo toplotno prevodnostjo.
Termoelektrične peči z ventilatorji
Večina termoelektričnih štedilnikov, ki so bili do danes zgrajeni, uporablja električne ventilatorje za hlajenje modula v kombinaciji s precej manjšim hladilnikom. Čeprav se ventilator lahko zlomi in se parazitska obremenitev sistema lahko hkrati poveča, je učinkovitost peči takšna, da v zgorevalno komoro piha vroči zrak, poraba kurilnega lesa in onesnaževanje zraka pa je približno za polovico manjša.
Poleg tega se peči na ventilatorje izogibajo gradnji dimnika in se namesto tega lahko zanesejo na vodoravno izpušno cev. Posledično peči s hlajenjem z ventilatorjem omogočajo zmanjšanje porabe drv in onesnaževanja zraka v zaprtih pokrajinah na južnem svetovnem jugu, kjer ljudje nimajo dostopa do električne energije niti sredstev za izdelavo dimnika skozi streho.
Študija termoelektrične kuhalne plošče z enim modulom je pokazala 4,5-vatno izhodno moč, od tega je za delovanje ventilatorja potrebna moč 1 vata. Proizvodnja električne energije (3,5 vata) je nižja v primerjavi s štedilnikom s samo hladilnikom (4,2 vata), vendar peč, hlajena z ventilatorjem, porabi za polovico manj drv in ustvari 3,5 vata neto električne energije na stopnji gorenja 1 kg kurilnega lesa na uro, medtem ko pasivno hlajena peč potrebuje 2,5 kg kurilnega lesa za proizvodnjo 4,2 vata
80-dnevni terenski preizkus podobne zasnove prenosne termoelektrične kuhalne plošče v Malaviju je pokazal, da so uporabniki zelo cenili tehnologijo, saj so peči proizvajale več električne energije, kot je bilo treba. V celotnem obdobju je proizvodnja električne energije znašala med 250 in 700 vatnimi urami električne energije, poraba električne energije pa med 100 in 250 vatnih ur.
Nekatere termoelektrične kuhalne plošče z ventilatorjem so komercialno na voljo, pogosto zasnovane z nahrbtniki. Primeri so peči BioLite, Termomanic in Termefor, ki oglašujejo izhodne moči med 3 in 10 W, odvisno od zasnove in števila modulov.
Termoelektrične peči z rezervoarji za vodo
Najbolj učinkovite termoelektrične peči so tiste, pri katerih se hladna stran modulov hladi z neposrednim stikom z rezervoarjem za vodo. Voda ima nižjo toplotno odpornost kot zrak in se tako učinkoviteje hladi. Poleg tega njegova temperatura ne more preseči 100 stopinj Celzija, zaradi česar je okvara modula zaradi pregrevanja manj verjetna.
Ko so termoelektrični moduli vodno hlajeni, odpadna toplota iz pretvorbe električne energije ne prispeva k ogrevanju prostora, temveč k ogrevanju vode v gospodinjstvu. Termoelektrične peči z vodnim hlajenjem so lahko aktivne (s pomočjo črpalke) ali pasivne (brez gibljivih delov).
Večina termoelektričnih peči s pasivnim vodnim hlajenjem je majhnih in jih uporabljamo le za ogrevanje relativno majhnih količin vode. V bistvu gre za štedilnik, ki je nameščen s termoelektričnimi moduli, namesto peči. Na primer, PowerPot je komercialno na voljo z nahrbtnikom za kuhanje in s termoelektričnim modulom, pritrjenim na podlago, ki ga je mogoče neposredno postaviti na vrh peči in oglaševati električno moč 5-10 vatov.
Veliko večjo in bolj vsestransko uporabno termoelektrično peč s pasivnim vodnim hlajenjem so francoski raziskovalci zasnovali na velikem, več funkcijskem oblikovanju peči na drva iz Maroka. Vgradili so osem termoelektričnih modulov na dnu vgrajenega 30 l rezervoarja za vodo, ki ne služi le kot hladilnik hladne strani generatorja, ampak tudi kot oskrba s toplo vodo v gospodinjstvu. Poleg tega je štedilnik opremljen z električnim ventilatorjem in ima dvojno zgorevalno komoro za povečanje učinkovitosti zgorevanja.
Preskusi prototipa so z uporabo dveh modulov ustvarili 28 vatov moči, medtem ko je gorelo 1,5 kg lesa za kuhanje in / ali ogrevanje. Ventilator je porabil 15 W, kar pomeni, da 13 W moči ostane za druge namene. Peč je zagotavljala tudi 60 litrov tople vode na uro. Odvisno od trajanja dveh kuharskih dejanj se je v bateriji na dan shranil med 35 in 55 vatnih ur električne energije. Upoštevajte, da tukaj raziskovalci upoštevajo izgube regulatorja napolnjenosti, 6 V baterijo in ventilatorja.
Pasivno vodno hlajenje ima slabost
Ko se temperatura vode v rezervoarju poveča, se bo razlika med hladno in vročo stranjo modula zmanjšala, prav tako pa tudi električni izkoristek. Med dvema pečema mora biti dovolj časa, da se voda ponovno ohladi, ali pa toplo vodo redno uporabljati in nadomeščati s hladno vodo. Črpalka naredi to domačo nalogo bolj priročno.
Prototip leta 2015, v katerem je bila peč na drva, ki se uporablja za kuhanje ter ogrevanje prostorov in vode, opremljena z 21 termoelektričnimi moduli, ki jih hladi črpalni vodni sistem, je pokazala moč električne energije od 25 W (kurjenje 1 kg borovega lesa na uro) nad 70 W (4 kg lesa / uro) do 166 W (9 kg lesa / uro). Izhodna moč na modul znaša kar 7,9 vata, kar skoraj podvoji izhodno moč na modul peči z naravnim hlajenjem zraka. Črpalka porabi 5 W, peč pa ima tudi ventilator za povečanje izkoristka zgorevanja, ki porabi 1W.
Termoelektrični plinski kotli?
Termoelektrični generatorji s prisilnim vodnim hlajenjem bolje ustrezajo energetski infrastrukturi v industrijskih družbah, zlasti v gospodinjstvih s centralnimi ogrevalnimi sistemi. Dodali bi lahko več modulov, kar bo povzročilo proizvodnjo električne energije, ki ustreza razmeroma visokemu življenjskemu slogu energije. Vendar pa obstaja nekaj opozoril. Prvič, centralni ogrevalni sistemi se uporabljajo samo za ogrevanje prostora in vode, ne za kuhanje, zaradi česar je njihova proizvodnja skozi vse leto manj zanesljiva. Drugič, samo nekateri sistemi centralnega ogrevanja delujejo z gorilniki na biomaso ali lesne pelete, veliko več pa jih deluje na plin, olje ali elektriko.
Slika št. 15 - Prototip termoelektričnega gorilnika na lesne pelete
Ko je toplotni vir električen, očitno ni smiselno, da bi nanj prilepili termoelektrični modul. Termoelektrični sistem ni združljiv z vizijo visokotehnološke trajnostne zgradbe, kjer se ogrevanje izvaja z električno toplotno črpalko, kuhanje se dogaja na električni kuhalni plošči, toplo vodo pa proizvaja električni kotel.
Ko pa je vir energije plin ali olje, je v termoelektričnem kotlu toliko nizko ogljikove raztopine, kolikor je na strehi povezanih PV solarnih sistemov. Termoelektrični ogrevalni sistem ne naredi gospodinjstev neodvisnih od fosilnih goriv, hkrati pa tudi solarne fotonapetostne instalacije, povezane z omrežjem. Za reševanje primanjkljaja energije in presežkov se zanaša na (v glavnem pogon na fosilna goriva) in običajno za ogrevanje prostora in vode se računajo na sistem centralnega ogrevanja na fosilna goriva.
Termoelektrični ogrevalni sistem, ki deluje na fosilna goriva, se tudi primerja z veliko elektrarno za soproizvodnjo, ki zajame odpadno toploto za svojo proizvodnjo električne energije in jo distribuira posameznim gospodinjstvom za ogrevanje prostora in vode. V termoelektričnem ogrevalnem sistemu se toplota in moč proizvajata in porabljata na mestu. Slika št. 15 - Termoelektrični generator 1 kW s hlajenjem s prisilno vodo za geotermalne vire pri nizkih temperaturah.
Termoelektrični ogrevalni sistem, ki deluje na fosilna goriva, se tudi primerja z veliko elektrarno za soproizvodnjo, ki zajame odpadno toploto za svojo proizvodnjo električne energije in jo distribuira posameznim gospodinjstvom za ogrevanje prostora in vode. V termoelektričnem ogrevalnem sistemu se toplota in moč proizvajata in porabljata na mestu.
Kogeneracijska elektrarna je energetsko učinkovitejša (25 - 40 %) za pretvorbo toplote v električno energijo, kar pomeni, da v primerjavi s termoelektričnim ogrevalnim sistemom dobimo večji delež toplote in manjši delež električne energije. To pa še zdaleč ni problematično, saj tudi v Evropi 80 % povprečne porabe energije v gospodinjstvu gre za ogrevanje prostorov in vode.
Vir: Kris De Decker
Podpirajte nizkotehnološko revijo prek Paypala ali Patreona.
I.K.
