Estudio y desarrollo de sistemas termoeléctricos para el aprovechamiento del calor residual en la generación de energía eléctrica

Dada la actual situación energética y los problemas medioambientales derivados de ella, cada vez se hace más necesaria la optimización de los sistemas de generación de energía eléctrica y la búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas, más limpias y sostenibles. En este sentido, los investiga...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Martínez Echeverri, Álvaro
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2012
País:España
Institución:Universidad Pública de Navarra
Repositorio:Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra
OAI Identifier:oai:academica-e.unavarra.es:2454/55849
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2454/55849
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Simulación
Dispositivos termoeléctricos
Fuentes no convencionales de energía
Procesos de refrigeración
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Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales
Mekanika, Energetika eta Materialen Ingeniaritza
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description Dada la actual situación energética y los problemas medioambientales derivados de ella, cada vez se hace más necesaria la optimización de los sistemas de generación de energía eléctrica y la búsqueda de nuevas fuentes de energía alternativas, más limpias y sostenibles. En este sentido, los investigadores han puesto sus perspectivas en el aprovechamiento de la llamada energía residual, energía en forma de calor, obtenida como subproducto no aprovechado de distintos procesos, que en los países industrializados supone cerca de un 40 % de la energía primaria. La presente tesis doctoral estudia el aprovechamiento de este calor residual en la producción de energía eléctrica mediante generadores termoeléctricos, basados en el efecto Seebeck. Dos son las líneas seguidas: la generación de energía eléctrica a partir del calor de los gases de escape de calderas de combustión, tanto en el ámbito doméstico como en el industrial, y la novedosa aplicación denominada auto-refrigeración termoeléctrica. Para llevar a cabo estos estudios, se ha desarrollado un modelo computacional de simulación de generadores termoeléctricos, que representa una verdadera herramienta de diseño y optimización. Este modelo computacional predice el comportamiento de un generador completo, incluyendo los intercambiadores de calor, la fuente de calor y el sumidero, sin despreciar ningún efecto termoeléctrico, y considerando la influencia de la temperatura y de los efectos de contacto, tanto térmico como eléctrico. Es capaz de simular el estado estacionario y el transitorio, de manera precisa, rápida y fiable, con errores relativos siempre menores del 10 % entre valores reales y simulados de las variables de salida. Además, se adapta perfectamente a la representación de nuevos tipos de módulos termoeléctricos. En cuanto a la primera línea de trabajo, se han diseñado y optimizado dos generadores termoeléctricos para aprovechar el calor de los gases de escape de sendos procesos de combustión reales, uno en el ámbito doméstico y el otro, en el industrial. En ambos se ha puesto de manifiesto la enorme influencia que tienen las resistencias térmicas de los intercambiadores de calor en la potencia eléctrica producida por el generador. De manera general, la reducción de estas resistencias térmicas siempre conlleva el aumento de la potencia eléctrica generada. La producción de energía eléctrica del generador diseñado para la aplicación industrial alcanza 1 MWh/m2año, mientras que el desarrollado para el ámbito doméstico se queda en 60 kWh/m2año. En este último caso no se plantea su venta en el mercado eléctrico sino el autoconsumo. Respecto a la segunda línea de trabajo, la auto-refrigeración termoeléctrica es un sistema que combina las dos posibilidades de funcionamiento de la termoelectricidad, generación y refrigeración, con el objetivo de enfriar un equipo sin consumir energía eléctrica. Dadas las nulas referencias bibliográficas sobre este concepto, ya que se trata de una aplicación completamente novedosa dentro de la termoelectricidad, se ha construido un prototipo con el que se ha realizado un estudio experimental, para demostrar el potencial de esta tecnología. Se concluye que el sistema de auto-refrigeración termoeléctrica reduce la resistencia térmica entre la fuente de calor y el ambiente un 30 %, sin consumo de energía eléctrica, lo que se traduce en una disminución muy significativa de la diferencia de temperatura entre ambos elementos. Además, este efecto se hace más importante conforme crece el calor generado por la fuente, lo que demuestra la capacidad de estos sistemas de trabajar como controladores de la temperatura.
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La presente tesis doctoral estudia el aprovechamiento de este calor residual en la producción de energía eléctrica mediante generadores termoeléctricos, basados en el efecto Seebeck. Dos son las líneas seguidas: la generación de energía eléctrica a partir del calor de los gases de escape de calderas de combustión, tanto en el ámbito doméstico como en el industrial, y la novedosa aplicación denominada auto-refrigeración termoeléctrica. Para llevar a cabo estos estudios, se ha desarrollado un modelo computacional de simulación de generadores termoeléctricos, que representa una verdadera herramienta de diseño y optimización. Este modelo computacional predice el comportamiento de un generador completo, incluyendo los intercambiadores de calor, la fuente de calor y el sumidero, sin despreciar ningún efecto termoeléctrico, y considerando la influencia de la temperatura y de los efectos de contacto, tanto térmico como eléctrico. Es capaz de simular el estado estacionario y el transitorio, de manera precisa, rápida y fiable, con errores relativos siempre menores del 10 % entre valores reales y simulados de las variables de salida. Además, se adapta perfectamente a la representación de nuevos tipos de módulos termoeléctricos. En cuanto a la primera línea de trabajo, se han diseñado y optimizado dos generadores termoeléctricos para aprovechar el calor de los gases de escape de sendos procesos de combustión reales, uno en el ámbito doméstico y el otro, en el industrial. En ambos se ha puesto de manifiesto la enorme influencia que tienen las resistencias térmicas de los intercambiadores de calor en la potencia eléctrica producida por el generador. De manera general, la reducción de estas resistencias térmicas siempre conlleva el aumento de la potencia eléctrica generada. La producción de energía eléctrica del generador diseñado para la aplicación industrial alcanza 1 MWh/m2año, mientras que el desarrollado para el ámbito doméstico se queda en 60 kWh/m2año. En este último caso no se plantea su venta en el mercado eléctrico sino el autoconsumo. Respecto a la segunda línea de trabajo, la auto-refrigeración termoeléctrica es un sistema que combina las dos posibilidades de funcionamiento de la termoelectricidad, generación y refrigeración, con el objetivo de enfriar un equipo sin consumir energía eléctrica. Dadas las nulas referencias bibliográficas sobre este concepto, ya que se trata de una aplicación completamente novedosa dentro de la termoelectricidad, se ha construido un prototipo con el que se ha realizado un estudio experimental, para demostrar el potencial de esta tecnología. Se concluye que el sistema de auto-refrigeración termoeléctrica reduce la resistencia térmica entre la fuente de calor y el ambiente un 30 %, sin consumo de energía eléctrica, lo que se traduce en una disminución muy significativa de la diferencia de temperatura entre ambos elementos. Además, este efecto se hace más importante conforme crece el calor generado por la fuente, lo que demuestra la capacidad de estos sistemas de trabajar como controladores de la temperatura.Given the current energy framework and all the relating environmental problems, it has become necessary the optimization of electric generation systems, along with the search for cleaner and sustainable forms of energy. In this regard, researchers are focussing on recovering the so-called waste heat, which comprises all the unused energy in the form of heat, obtained in a wide range of processes. In these days, the waste heat accounts for the 40 % of the primary energy consumed in industrialized countries. This doctoral thesis assesses the use of thermoelectric generators, based on Seebeck effect, to harness waste heat for electric power generation. Two are the principal lines of work: Firstly, we study the use of the heat from the exhaust gas of domestic and industrial boilers for thermoelectric power generation. Secondly, we present the novel application in the field of thermoelectrics, called thermoelectric self-cooling.Ministerio de Ciencia e Innovación (actual Ministerio de Economía y Competitividad), mediante el proyecto de investigación DPI2011-24287, titulado Generación Termoeléctrica con Energía Calorífica Residual (GETER), perteneciente al Plan Nacional de I+D+i 2008-2011.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería y Arquitectura (RD 1393/2007)Ingeniaritzako eta Arkitekturako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007)Astrain Ulibarrena, DavidIngeniería Mecánica, Energética y de MaterialesMekanika, Energetika eta Materialen Ingeniaritza2012info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2454/55849reponame:Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarrainstname:Universidad Pública de NavarraEspañolinfo:eu-repo/semantics/openAccessoai:academica-e.unavarra.es:2454/558492026-06-17T12:41:47Z
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