Electricity Generation with Thermoelectric Generators From Waste Heat of Photovoltaic Modules

Abstract

Energy and energy resources are the basis of today's technologies. Developed countries are competing to have energy resources and develop energy technologies. In addition, ensuring efficient use of energy provides an environmental and economic advantage to these countries. During the production and consumption of energy, some of the resources are left to the receiving environment as waste heat. There are many waste heat sources in the industry. Research and development activities continue to increase in order to convert the energy of waste heat sources to work. One of the waste heat sources is the heat energy accumulated on the surfaces of photovoltaic modules. Heat energy accumulating in photovoltaic modules reduces the efficiency of modules. In addition, high temperature reduces the efficient operating time of photovoltaic modules. In this study, heat energy accumulated on the surface of photovoltaic modules was absorbed using phase-changing material. The heat energy extracted from photovoltaic modules is used in the operation of the thermoelectric generator. The surface temperature of the photovoltaic modules reaches a maximum of 90°C during the experiments. The heat pipe applied to the photovoltaic modules and the phase-changing material can be cooled up to 30ºC. As a result, the temperature of the photovoltaic module is kept constant and therefore the module efficiency increases. Depending on the surface temperatures of the thermoelectric module, electricity production is made in thermoelectric generators. As the temperature difference increases between the surfaces, the measured voltage values increase. The thermoelectric module is produced from 7.80V electrical energy when the surface temperature reaches 80°C. The power generated from the thermoelectric generator is determined as 5W depending on the temperature difference. One of the faces of the thermoelectric generator is heated by waste heat while the other surface is cooled by natural and forced air. The temperature difference between the surfaces of the naturally cooled thermoelectric generator consists of 51ᵒC, while the temperature difference between the surfaces of the naturally cooled thermoelectric generator consists of 26ᵒC. Electrical energy is produced by using thermoelectric generator from waste heat. Since the system operates as a hybrid, the total efficiency increases.

Keywords

• Thermoelectric Generator
• Photovoltaic Panel
• Phase Change Material
• Waste Heat Recovery System

Fotovoltaik Modüllerin Atık Isılarından Termoelektrik Jeneratör İle Elektrik Üretimi

Abstract

Günümüz teknolojilerinin temelini enerji ve enerji kaynakları oluşturmaktadır. Gelişmiş dünya ülkeleri, enerji kaynaklarına sahip olmak ve enerji teknolojilerini geliştirmek için yarış halindedir. Ayrıca enerjinin verimli kullanılmasını sağlamak bu ülkelere çevresel ve ekonomik olarak avantaj sağlamaktadır. Enerjinin üretimi ve tüketimi esnasında, kaynakların bir kısmı atık ısı olarak alıcı ortama bırakılmaktadır. Endüstride birçok atık ısı kaynağı bulunmaktadır. Atık ısı kaynaklarının sahip olduğu enerjiyi işe dönüştürmek için araştırma geliştirme faliyetleri artarak devam etmektedir. Atık ısı kaynaklarından biri fotovoltaik modüllerin yüzeylerinde biriken ısı enerjisidir. Fotovoltaik modüllerde biriken ısı enerjisi modüllerin verimlerini düşürmektedir. Ayrıca yüksek sıcaklık fotovoltaik modüllerin verimli çalışma sürelerini azaltmaktadır. Bu çalışmada fotovoltaik modüllerin yüzeyinde biriken ısı enerjisi faz değiştiren madde kullanılarak çekilmiştir. Fotovoltaik modüllerden çekilen ısı enerjisi termoelektrik jenaratörün çalıştırılmasında kullanılmıştır. Termoelektrik jenaratörün yüzeylerinden biri atık ısı ile ısıtılırken, diğer yüzeyi tabii ve cebri olarak havayla soğutulmaktadır. Sonuç olarak fotovoltaik modülün sıcaklığı sabit tutulmakta ve bu nedenle modül verimleri artmaktadır. Atık ısı kaynaklı termoelektrik jeneratör kullanılarak, elektrik enerjisi üretilmektedir. Sistem hibrit olarak çalıştığı için toplam verim artmaktadır.   

Keywords

• Termoelektrik Jeneratör
• Fotovoltaik Panel
• Faz Değiştiren Madde

References

1. Mert, M.S., Sert, M., Mert, H.H., 2018. Isıl Enerji Depolama Sistemleri İçin Organik Faz Değiştiren Maddelerin Mevcut Durumu Üzerine Bir İnceleme, Journal of Engineering Sciences and Design, 6(1), 161-174.Gedik E., 2016. “Experimental Investigation of Module Temperature Effect on Photovoltaic Panels Efficiency”, Journal of Polytechnic, 19, 569-576. Özkaymak M, Baş Ş, Acar B, Yavuz C, 2014. “Atık Baca Gazı Kullanımı ile Termoelektirik Jeneratörlerde Elektrik Üretiminin Faydalı kullanımının Deneysel İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Part:C, Tasarım Ve Teknoloji, Part C, 2(4), 289-298.
2. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. “Dünya ve Türkiye Enerji ve Tabii Kaynaklar Görünümü Raporu”. https://www.enerji.gov.tr/Resources/Sites/1/Pages/Sayi_15/mobile/index.html#p=2 (05.04.2018).
3. Külcü, R., Cihanalp, C., Süslü, A., Yılmaz, D. 2016. Adana’da Global Aylık Ortalama Günlük Güneş Işınımının Modellenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta.
4. Koç, A., Yağlı H., Koç Y., Uğurlu İ., 2018. Dünyada ve Türkiye’de Enerji Görünümünün Genel Değerlendirilmesi, Mühendis ve Makine, Derleme, 59(692), 86-114.
5. Çiçek, O, Karatay, S. (2018). Küçük & Orta Ölçekli Fotovoltaik (PV) Modül Üretimi için Dijital PID Sıcaklık Denetimli Laminatör Deney Kiti Tasarımı ve Üretimi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 6 (4), 814-823.
6. Bahaidarah H, Subhan A, Gandhidasan P, Rehman S., 2013. “Performance Evaluation of a PV (Photovoltaic) Module By Back Surface Water Cooling For Hot Climatic Conditions”, Energy, 59, 445-453.
7. Bjork R, Nielsan KK. 2015. “The Performance of a Combined Solar Photovoltaic (PV) and Thermoelectric Generator (TEG) System Nielsen”, Solar Energy, 120, 187–194.
8. Gedik E., 2016. “Experimental Investigation of Module Temperature Effect on Photovoltaic Panels Efficiency”, Journal of Polytechnic, 19, 569-576.

9. Konuklu Y., 2008. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddelerde Termal Enerji Depolama İle Binalarda Enerji Tasarrufu, Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana Türkiye.
10. Verma, P., V., Singal, S. 2008. Review of mathematical modeling on latent heat thermal energy storage systems using phase-change material. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(4), 999-1031.
11. Mohamed, S. A., Al-Sulaiman, F. A., Ibrahim, N. I., Zahir, M. H., Al-Ahmed, A., Saidur, R., Yılbaş, B.S., Sahin, A., 2017. A review on current status and challenges of inorganic phase change materials for thermal energy storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 1072-1089.
12. Kylili, A., Fokaides, P. A., 2016. Life Cycle Assessment (LCA) of Phase Change Materials (PCMs) for building applications: A review. Journal of Building Engineering, 6, 133-143.
13. Zhao, C., Zhang, G., 2011. Review on microencapsulated phase change materials (MEPCMs): Fabrication, characterization and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(8), 3813-3832.
14. Su, W., Darkwa, J., Kokogiannakis, G., 2015. Review of solid–liquid phase change materials and their encapsulation technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 48, 373-391.
15. Eslamnezhad, H. and Rahimi, A.B., 2017. “Enhance heat transfer for phase-change materials in triplex tube heat exchanger with selected arrangements of fins”, Applied Thermal Engineering, 113: 813-821.
16. Doğdu MF., Şişman A. 2013. Termoelektrik Soğutucuların Performansına Doğrudan Temaslı Isı Değiştiricilerin Etkilerinin Deneysel İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye.
17. Kwan TH, Wu X. 2016. “Power and Mass Optimization Of The Hybrid Solar Panel And Thermoelectric Generators”, Applied Energy, 165, 297–307.
18. Özkaymak M, Baş Ş, Acar B, Yavuz C, 2014. “Atık Baca Gazı Kullanımı ile Termoelektirik Jeneratörlerde Elektrik Üretiminin Faydalı kullanımının Deneysel İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Part:C, Tasarım Ve Teknoloji, Part C, 2(4), 289-298.
19. Kunt MA., 2014. “İçten Yanmalı Motor Atık Isılarının Geri Kazanımında Termoelektrik Jeneratörlerin Kullanımı”, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 3,2, 192-203.
20. Brovne MC, Norton B, Cormack SJ. 2016. “Heat Retention Of A Photovoltaic/Thermal Collector With PCM”, Solar Energy 33, 533–548.
21. Ahıska R., 2000.“Termoelektrik Modülün Dinamik Çıkış Parametrelerinin Araştırması İçin Yeni Bir Yöntem”, Gazi Üniversitesi. Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22-4, 709-716