Peltier generatorn. Eltrumman

Transkript

1 Peltier generatorn Eltrumman En idé om ett kompaktsystem att tillvarata spillvärme i form av varm luft som bygger på teknik från mitten av 1800-talet Ett förslag till Design-Open 2015 utarbetat av elever årskurs 2 på Parkskolan Teknikprogrammet med inriktning design och produktutveckling Örnsköldsviks gymnasium. Bakgrund Projektet startade med ett besök på designhögskolan i Sundsvall. Årets uppgift i Design Opentävlingen var att undersöka vilka möjligheter man har att ta tillvara på den energi som lämnar en serverhall i form av konstant flöde av varmluft. Där flödet av varmluft varierar mellan grader. Teknikdesignklassen som tog sig an det här projektet är 25 elever på Parkskolan, Örnsköldsviks Gymnasium. Klassen delade in sig i fem olika grupper med fem personer i respektive grupp. Grupperna diskuterade sinsemellan olika idéer och scenario. Enklare skisser diskuterades utifrån trovärdighet, funktionalitet och möjligheter. Vid två tillfällen presenterade klassen idéerna för varandra. Vi bjöd in vår handledare Per-Erik Carlsson och en koordinator för Vi fick tillfälle att diskutera omvandling av energi, befintlig teknik och vad regionen har för energi försörjning. Vissa idéer stack ut mer än andra och där efter valdes tre idéer att arbeta vidare med. Uppgiften från flera olika ståndpunkter. Frågeställningar utarbetades och kravspecifikationer diskuterades utifrån regionala perspektiv och befintliga samt kända tekniker. Google och Wikipedia användes för att komma igång och förstå begrepp. Hur tekniker används på olika områden kopplat till våra diskussioner och idéer. Sida 1 av 5

2 Idégenerering/förundersökning Några av utgångspunkterna från vår idégenerering: Årstider Serverhallen behöver ett högre flöde av kylluft på sommaren jämfört med vinterhalvåret. Vi konstaterade att flödet inte var energimässigt sett konstant. Tidpunkter när stort respektive lägre behov av energi sker diskuterades. Lösningar som inte är årstidsstyrda diskuterades. Man har använt älvvatten som kylning till anläggningar tidigare. Värmeväxlare Omvandlar varm luft till varmt vatten med eventuell ackumulations-bassäng. Omvandlar Luft/luft. Varm luft till varmvatten. Generering Kan man skapa el utan rörliga maskindelar. Går det att bygga en Peltier- generator Distribuera Alternativ att växla mellan olika energiformer. Olika scenario runt ägare och policyfrågor diskuterades. Användningsområden Det har diskuterats uppvärmning av närliggande bostäder även att en bostad är byggd ovanpå serverhallen. En diskussion att förlänga odlingstiden (kommersiellt?) genom att leverera energi till en vinterträdgård eller växthus. Spillvärmen från serverhallen kan vara riktad mot Policyfrågor kring energi runt studentboenden. Är det möjligt att sänka kostnader för grupper i samhället? T.ex. studenter, kopplat till företagets/distributörens policy. Slutlig idé In i Peltier-element tillförs energi i form av el för att bli kalla på insidan och släppa ut ett överskott av värme/energi på utsidan av elementet, kylskåp är en produkt som har den tekniken inbyggd. Uppfinningen är från 1834 av en man som hette Jean Peltier. Han kom på att det sker en temperaturskillnad på motsatt sida av ett element/platta, när man leder ström mellan olika metaller eller halvledande material. Forskning på att få ut ström i stället för att tillföra ström ur samma princip har blivit mycket intressant i nutid. En slutrapport från Uppsala universitet är vår viktigaste referens. Rapporten behandlar elektricitetslära och är författad av Elisabett Hansson (2012). Första illustrationen beskriver kylskåpets element (TEC) Termoelektronik cooling. Där ström tillförs i de horisontella gula plattorna. N respektive P stavarna får elektriska strömmen att byta riktning vilket gör att ena sidan kyls, den andra alstrar värme. Den andra bilden illustrerar hur värme och kyla skapar en spänning p.g.a. att det tillförs kyla respektive värme på motsatta sidor om elementet, ut Sida 2 av 5

3 kommer då elektricitet. En s.k. (TEG) termoelektrisk generator som är kärnan i vårt produktkoncept. Genom att utnyttja relä/step up-kretsar skulle en konstant spänning vara möjlig(e. Hansson 2012). Om vattenburen kylning erhålls under sommarhalvåret är det lättare att hålla temperaturskillnaderna konstanta. Riktigt kalla vinterdagar kan luft ge väl så god kyleffekt. Att bygga en effektiv anläggning betyder för oss att den är så kompakt som möjligt, med goda förutsättningar att utföra reparationer och servis. Den bör ha alla kopplingar, elinstallationer, shuntar, kranar och ledningar i ändarna. Bilden nedan illustrerar en modul där gavlarna är borta med endast flödet av varmluft. Om man demonterar ska man kunna dra ut (TEG)elementen och lufttrumman ur gaveln för överseende, servis eller reparation. Kylkammaren blir kvar i modulen tillsammans med isolering som också är viktig för att optimera energiuttaget. Enheten ska vara tillgänglig, inte låst i fast mark. En annan fördel med det är att systemet går att bygga ut eller reducera utifrån olika behov utan att standard i övrigt måste ändras. Produktförslaget innehåller inga rörliga maskindelar så den kan ha chans till en mycket lång livslängd. Frågeställningar som blev vägledande i projektet Kan man hitta goda belägg för att Peltier-element eller (TEG) och (TEC) element skulle kunna användas i tävlingsuppgiften? Hur ser lösningarna ut inom andra områden? Vilka är de viktigaste faktorerna att lyfta fram samt visualisera? Sida 3 av 5

4 Syfte Tidsmässigt skulle det behövas mera tid att fördjupa projektet men syftet har hela tiden varit att lyfta fram ett trovärdigt och miljösmart alternativ som inte är för beprövat inom det aktuella uppdraget. Vi har så långt det är möjligt också kommit en bit på väg mot en trovärdig framtida produkt. Krav 1. Medge omvandling av varmluft till elektrisk energi. 2. Ta vara på det totala flödet av spillenergin genom att låta den kylda luften efter (TEG)processen kunna användas i närliggande byggnadsverk. 3. Kunna växla mellan olika funktioner utifrån behov. T.ex. elnätverk, bostäder. 4. Medge återkoppling av elenergi till källan/serverhallen Önskvärt 1. Önskvärt: En kompakt lösning på anläggningen Avgränsningar Experiment, labbar eller avancerade tekniska beräkningar kommer inte att redovisas i tävlingsbidraget. Endast koncept, skriftliga förklaringar och illustrationer kommer att visas i förslaget. Analys/Diskussion Genom att använda en (TEG-process) möjliggörs ett kontinuerlig utväxlande av elenergi där man kan addera flera funktioner beroende på företagets policy t.ex. kan kostnaderna sänkas med ström försörjning i serverhallarna eller så distribueras överskottet av energi till andra alternativ av distributören som t.ex. ålderdomshem eller studentboenden. Överskottet i form av varmluft efter, det att (TEG-elementen) gjort sitt, kan värma en vinterträdgård alternativt ett växthus. Att värma upp ett boende byggt på eller intill serverhallen med överskottet av varmluft är också möjligt. Även om överskottet av varmluften är relativt låg, t.ex grader så kan en värmeväxlare kopplas till flödet för luft eller varmvatten. Det som skulle vara optimalt är om ett relativt högt utbyte av el skulle vara möjligt. Konceptet utan rörliga maskindelar gör livslängd och underhåll billigt. Forskning på området har tagit fart på universitet runt om i världen. Många exempel på olika branscher som visat intresse på senare år utifrån ett ökat behov av klimatsmart tänkande gör att (TEG)kommer att utvecklas ytterligare. Vi har sett både bra och mindre bra exempel på hur man har genererat elektricitet med skillnaden mellan kyla och värme. Det är en fråga om kostnader och uppnådd effekt men också hur stor yta som behövs av Peltier-generatorer/ element. Båda principerna går att använda,( E. Hansson 2012 ). Vi tror att en rektangulär trumma/schakt gör det lätt att skapa en bra kontaktyta mot elementen som placeras direkt mot trumman gjord av ett lättledande material t.ex. aluminiumplåt. Mellan elementen görs elinstallationer och isoleringsskikt. Den yttre sidan av elementen har kontakt med en yttre trumma som leder in kall luft eller kylvatten. Den yttre trumman har ett effektivt isoleringsskikt runt hela konstruktionen. Det har forskats på olika material som har gett olika resultat som halvledare/olika metaller. Vi tror att med rätt material i Eltrumman kan man få tillräcklig effektivitet på anläggningen. Då är de krav Vi ställde rimliga. Sida 4 av 5

5 Slutresultat Bilden ovan beskriver ett set av (TEG)element som ska ingå i en större kassett/ eltrumma. Genom att kombinera set stående på varandra så blir den totala elementytan stor i förhållande till hela anläggningens yta. Uppgiften är mycket komplex med många olika faktorer men konceptet gör att man kan ta vara på det mesta av spillenergin. Om vatten med självtryck kan användas från t.ex. en älvbotten så skulle Eltrumman tyst och lugn leverera el i lång tid, samtidigt som den luft som kommer ut mera avkyld, fortfarande är användbar i det direkta närområdet. Genom att öppna upp isoleringen på sidorna skulle vinterkyla kunna komma åt att kyla den yttre trumman. Källor Hansson Elisabet (2012). Peltier-element spillvärme till el. Examensarbete Uppsala universitet. Sida 5 av 5