Advances in the modelling of thermoelectric energy harvesters in waste heat recovery applications

Abstract

In this work, we investigate harvesting thermoelectric energy from wasted heat in fluid networks and propose a generic tool for the simulation and sizing of thermoelectric energy harvesters, that can be used in industrial applications to convert expended heat energy into electricity. Current models found in the literature are often based on very specific applications or are too general in nature to truly explore the optimization of a wide range of potential thermoelectric applications. The model developed in this work is highly customizable permitting the optimization of a large number of varying systems. We develop a theoretical model to accurately estimate the recovered energy considering the nonlinearities of the thermoelectricity and heat transfer equations. Taking into account that a real thermoelectric energy harvester always comprises multiple thermoelectric modules placed with respect to the flow direction, both thermal and electrical series-parallel configurations have also been considered. The new model has been analysed and validated under steady and transient states with experimental data. The proposed energy harvesting system is easily scalable, to cater to a variety of applications with different requirements, while improving the energy recovery and operational lifetime of energy sources. On the other hand, this new model is coded in the TRNSYS environment, hence it can be used in design, performance optimization and further application of thermoelectric energy harvesters. The programmed module will serve as the key component of the software package that will predict the performance of the thermoelectric heat recovery unit used in common thermal systems

En aquest treball s’investiga la recuperació termoelèctrica en xarxes de fluids i es proposa una eina genèrica per a la simulació i dimensionament de recuperadors termoelèctrics, els quals, poden ser utilitzats en aplicacions industrials per convertir l'energia tèrmica residual en electricitat. Els models actuals que es troben en la literatura es basen sovint en aplicacions molt específiques o són massa generals per analitzar realment el comportament de recuperadors en aplicacions reals. El model desenvolupat en aquest treball és altament adaptable pel que permet estudiar un gran nombre de sistemes diferents. S’ha desenvolupat un model teòric per estimar amb precisió l'energia recuperada tenint en compte les no linealitats de les equacions termoelèctriques i de transferència de calor. Tenint en compte que un recuperador termoelèctric comprèn sempre múltiples mòduls termoelèctrics col·locats en respecte a la direcció de flux, ambdues configuracions sèrie-paral·lel tant la tèrmica com l’elèctrica s'han considerat. El nou model ha estat analitzat i validat sota diversos estats estacionaris i transitoris a partir de dades experimentals. El model de recuperador proposat s’ha codificat per tal de treballar en l’entorn TRNSYS, de manera que pot ser utilitzat en el disseny i optimització de recuperadors termoelèctrics, és fàcilment escalable, permet atendre a una gran varietat d'aplicacions i requisits i, per tant, ajudar a la seva implantació en aplicacions reals. Aquest mòdul servirà per predir el comportament de recuperadors de calor termoelèctrics aplicats en sistemes tèrmics convencionals