Agenda: 1. Sieć Badawcza Łukasiewicz Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu

(1)

(2)

Agenda:

1. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu

2. Zaawansowane systemy sterowania

innowacyjnymi urządzeniami badawczymi i technologicznymi

3. Termoelektryczny generator do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła odpadowego

4. Układy odzysku ciepła odpadowego

wykorzystujące generatory termoelektryczne

(3)

3

Dr. Marta Żurek-Mortka, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu

3 / 32 Utworzony w 1986 r.

Zatrudnia ok. 200 osób

Realizacja ok. 300 krajowych projektów badawczych

Opracowanie ok. 50 prototypów rocznie

Wdrożenie ok. 300 innowacji produktowych i procesowych do gospodarki

Realizacja ponad 45 międzynarodowych projektów badawczych

Współpraca z zagranicznymi ośrodkami badawczymi (UE, w tym m.in.

Finlandia, Niemcy, Francja, Dania, a także Meksyk, Australia, N. Zelandia) 31 doktorów, 9 dr hab., 4 profesorów

Ok. 250 publikacji rocznie

• Radom

• Radom Warszawa

https://www.itee.lukasiewicz.gov.pl/

(4)

4 4 / 32

ZARZĄDZANIE WIEDZĄ

PRACE NAUKOWE I BADAWCZO-

ROZWOJOWE

KSZTAŁCENIE I DOSKONALENIE

SYSTEMY

TRANSFORMACJI I TRANSFERU

TECHNOLOGII

MODELOWE ROZWIĄZANIA

PRODUKTOWE I PROCESOWE

UKIERUNKOWANE APLIKACYJNIE

PROGRAMY I STANDARDY

KWALIFIKACJI DLA

INNOWACYJNEJ GOSPODARKI

MISJA:

(5)

5 5 / 32

(6)

6 ZAAWANSOWANE SYSTEMY STEROWANIA INNOWACYJNYMI URZĄDZENIAMI BADAWCZYMI I TECHNOLOGICZNYMI

Reaktor chemiczny do

mikrofalowej hydrotermalnej syntezy nanoproszków

Urządzenie do spiekania proszków metodą impulsową PPS (Pulse

Plasma Sinterting)

Urządzenie do azotowania plazmowego z aktywnym

ekranem

Specjalizowane zasilacze źródeł plamy

Układ odchylania wiązki

elektronowej działa dużej mocy

(7)

7 TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

Budowa jednostopniowego modułu Peltiera Przykład ogniwa termoelektrycznego

62 mm

4 mm

•Napięcie zasilania: od 0 do 15,5 V (nominalne 12 V)

•Moc max. 288 W

•Prąd max. 30 A

•Zakres temperatur: od -55°C do 83°C

https://www.tme.eu/pl/details/pm-62x62-350/moduly-peltiera/stonecold/tec1-

12730/?brutto=1&currency=PLN&gclid=Cj0KCQiAjc2QBhDgARIsAMc3SqQFm-mn8CQ4njroEYs4pqhUCk- _IzHBwAGwRuhhOA3yX8ywPhvYl_0aAi6PEALw_wcB

(8)

8 8 / 32

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

Schemat połączeń i położenia 10 ogniw w wymienniku ciepła

Widok wymiennika ciepła z termoelektrycznymi ogniwami

Model wymiennika ciepła

gdzie:

T _h – temperatura strony gorącej T _c – temperatura strony zimnej k - przewodność cieplna TEG

h - współczynnik konwekcji d - grubość TEG

hd k

T T

T hd ^h ^c +

= −

 ( )

(9)

9 9 / 32

Połączenie szeregowe dwóch grup termoogniw

U _TEG = U _TEG1 + U _TEG2 I _TEG = I _TEG1 = I _TEG2

grupa G1

grupa G2

grupa G1

grupa G2

Połączenie równoległe dwóch grup termoogniw

U _TEG = U _TEG1 = U _TEG2 I _TEG = I _TEG1 + I _TEG2

grupa G1

grupa G2

grupa G1

grupa G2 grupa G1

grupa G2

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

(10)

10 10 / 32

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

(11)

11 11 / 32

Oscylogramy przebiegów prądów i napięć:

(1)napięcia U _TEG [V]

(2)prądu I _TEG [A]

(3) napięcia U _AC [V]

(4)prądu I _AC [mA]

Przekształtnik DC-AC - widok ogólny

Przekształtnik DC-AC - układ sterowania i mocy

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

(12)

12 12 / 32

Schemat działania metody zaburzania

i obserwacji P&O (Perturbation and Observe Method)

P

_k

– moc w danym czasie,

P

_k-1

– moc w czasie poprzednim

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

Wykres zależności mocy P _TEG

generowanej przez termoelektryczne

ogniwo od przepływającego prądu I _TEG

(13)

13 13 / 32

Założenia:

➢ 1kW mocy energii elektrycznej dostarczanej do odbiornika lub oddawanej do sieci elektrycznej

➢ sprawność przekształtnika DC-AC wynosi 90%

➢ energia jest produkowana 24h na dobę z maksymalną wydajnością przy różnicy temperatur ΔT=70°C (3,5 W dla 1 ogniwa)

➢ cena energii elektrycznej w Polsce wynosi około 0,65 zł/kWh Wyliczenia:

❖ do wytworzenia 1kW mocy przy sprawności przetwarzania 90%

potrzeba 1,12kW mocy generowanej bezpośrednio przez termoogniwa w ilości 320 sztuk

❖ koszt ogniw termoelektrycznych: ok. 67 520 zł (ok. 211 zł/szt.)

❖ koszt przekształtnika DC-AC: 3 000 zł

❖ cena wytworzonej energii w ciągu roku:

36524h0,65 zł/kWh*1kW = 5 694 zł

❖ Dodatkowo koszty projektu Bilans:

✓ zwrot kosztów po około 3,5 roku

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

(14)

14 UKŁADY ODZYSKU CIEPŁA ODPADOWEGO WYKORZYSTUJĄCE GENERATORY TERMOELEKTRYCZNE

ZALETY

➢ Brak części ruchomych

➢ Praca w dowolnej pozycji

➢ Długa żywotność

➢ Praca bezobsługowa (bez części zamiennych i konserwacji)

➢ Czynnikiem chłodniczym jest woda

Eksperymentalny układ odzysku ciepła odpadowego opracowany

i wykonany w Ł-ITEE

(15)

15 Literatura:

http://jmcm.itee.radom.pl/images/jmcm_2019/jmcm_4_2019/JM

CM_4_2019_s_083_089.pdf https://www.mdpi.com/1996-1073/14/16/5169

(16)

Konwersja energii cieplnej

ze źródeł ciepła odpadowego

z wykorzystaniem generatorów termoelektrycznych

Dr. inż. Marta Żurek-Mortka

S i e ć B a d a w c z a Ł u k a s i e w i c z

I n s t y t u t T e c h n o l o g i i E k s p l o a t a c j i w R a d o m i u G r u p a B a d a w c z a S y s t e m ó w S t e r o w a n i a ,

C e n t r u m P r o t o t y p o w a n i a

E m a i l : m a r t a . z u r e k - m o r t k a @ i t e e . l u k a s i e w i c z . g o v . p l

(17)

17

Agenda: 1. Sieć Badawcza Łukasiewicz Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu

Agenda:

1. Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu

2. Zaawansowane systemy sterowania

innowacyjnymi urządzeniami badawczymi i technologicznymi

3. Termoelektryczny generator do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła odpadowego

4. Układy odzysku ciepła odpadowego

wykorzystujące generatory termoelektryczne

3

3 / 32 Utworzony w 1986 r.

Zatrudnia ok. 200 osób

Realizacja ok. 300 krajowych projektów badawczych

Opracowanie ok. 50 prototypów rocznie

Wdrożenie ok. 300 innowacji produktowych i procesowych do gospodarki

Realizacja ponad 45 międzynarodowych projektów badawczych

Współpraca z zagranicznymi ośrodkami badawczymi (UE, w tym m.in.

Finlandia, Niemcy, Francja, Dania, a także Meksyk, Australia, N. Zelandia) 31 doktorów, 9 dr hab., 4 profesorów

Ok. 250 publikacji rocznie

https://www.itee.lukasiewicz.gov.pl/

4

4 / 32

ZARZĄDZANIE WIEDZĄ

PRACE NAUKOWE I BADAWCZO-

ROZWOJOWE

KSZTAŁCENIE I DOSKONALENIE

SYSTEMY

TRANSFORMACJI I TRANSFERU

TECHNOLOGII

MODELOWE ROZWIĄZANIA

PRODUKTOWE I PROCESOWE

UKIERUNKOWANE APLIKACYJNIE

PROGRAMY I STANDARDY

KWALIFIKACJI DLA

INNOWACYJNEJ GOSPODARKI

MISJA:

5

5 / 32

6

ZAAWANSOWANE SYSTEMY STEROWANIA INNOWACYJNYMI URZĄDZENIAMI BADAWCZYMI I TECHNOLOGICZNYMI

Reaktor chemiczny do

mikrofalowej hydrotermalnej syntezy nanoproszków

Urządzenie do spiekania proszków metodą impulsową PPS (Pulse

Plasma Sinterting)

Urządzenie do azotowania plazmowego z aktywnym

ekranem

Specjalizowane zasilacze źródeł plamy

Układ odchylania wiązki

elektronowej działa dużej mocy

7

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

Budowa jednostopniowego modułu Peltiera Przykład ogniwa termoelektrycznego

•Napięcie zasilania: od 0 do 15,5 V (nominalne 12 V)

•Moc max. 288 W

•Prąd max. 30 A

•Zakres temperatur: od -55°C do 83°C

8

8 / 32

TERMOELEKTRYCZNY GENERATOR DO WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA ODPADOWEGO

Schemat połączeń i położenia 10 ogniw w wymienniku ciepła

Widok wymiennika ciepła z termoelektrycznymi ogniwami

Model wymiennika ciepła

gdzie:

T h – temperatura strony gorącej T c – temperatura strony zimnej k - przewodność cieplna TEG

h - współczynnik konwekcji d - grubość TEG

hd k

T T

T hd h c +

= −

 ( )

9

9 / 32

Połączenie szeregowe dwóch grup termoogniw

U TEG = U TEG1 + U TEG2 I TEG = I TEG1 = I TEG2

grupa G1

grupa G2

grupa G1

grupa G2

Połączenie równoległe dwóch grup termoogniw

U TEG = U TEG1 = U TEG2 I TEG = I TEG1 + I TEG2

grupa G1

T _h – temperatura strony gorącej T _c – temperatura strony zimnej k - przewodność cieplna TEG

T hd ^h ^c +

U _TEG = U _TEG1 + U _TEG2 I _TEG = I _TEG1 = I _TEG2

U _TEG = U _TEG1 = U _TEG2 I _TEG = I _TEG1 + I _TEG2

(1)napięcia U _TEG [V]

(2)prądu I _TEG [A]

(3) napięcia U _AC [V]

(4)prądu I _AC [mA]

Wykres zależności mocy P _TEG

ogniwo od przepływającego prądu I _TEG

36524h0,65 zł/kWh*1kW = 5 694 zł