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