TPV, Thermo Photo Voltaics Erik Dahlquist, professor Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling Mälardalens högskola
Många utbildningsprogram inom energi vid Mälardalens Högskola/HST Civilingenjörsprogrammet i Energisystem Civilingenjör i industriell ekonomi med inriktning mot energimarknader Energiingenjörsprogrammet Masterprogrammet: Sustainable energy system optimization. Inom utbildningsområdet Energiteknik finns ca 250 studenter.
MERO, Miljö-,Energi- och ResursOptimering Miljö, energi och byggteknik med tillämpad matematik 56 doktorander och 29 forskare av vilka 13 professorer ( 7 full + 6 adj prof) Forskningsgrupper (antal forskare + doktorander): Processeffektivisering(7+18) Processutveckling (5 + 11) Effektiv distribution och användning av energi (5+7) Safety science lab miljöteknik och brand (6+10) Tillämpad matematik (6+10) Söker just nu 7 nya doktorander
MERO International co-operation Only research Only education Both R&E
PV/TPV Normala PV celler utnyttjar synligt ljus ca 400-800 nm Thermo photo voltaics (TPV) utnyttjar fotoner upp till ca 1900 nm I övrigt gäller samma principer Samarbete MDH och Högskolan i Dalarna
Fjärrvärme eller kyla Absorptionsvärmepump Filter > 1.9 um Emmitter av stål Fotoner Kantfilter= Energiglassplatta Flamma (Bränsle: biomassa,biogas) TPV-celler Blank speglande insida 1.9 um
Karaktäristik för TPV- celler från JX Crystals
Experiment
Själva pilotenheten
Effekten ökar med emittertemperaturen Medel fill factor ca 0.6, vilket är bra. Pc [W/cm2] 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 400 600 800 1000 Te [C]
Med en aluminiumkon I [A] 0.600 0.500 0.400 Te 1200 C Te 1100 C Te 1000 C 0.300 0.200 0.100 0.000 0.00 1.00 2.00 3.00 U [V]
Högre kylvattenflöde ger bättre elutbyte Pmp W/cm2 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 Pmp högre kylflöde 0.002 Pmp lägre kylflöde 0.000 900 1000 1100 1200 1300 Ugnstemperatur [C]
Effekten av koner med spegelyta och energiglasfilter Effekt versus temperatur 10 9 8 P [W] 7 6 5 4 3 2 1 0 900 1000 1100 1200 1300 1400 T [grader C] Bara ugn Ugn+koner Ugn+koner+filter Ugn+filter
CFD model
Temperaturfördelning beräknad med CFD (Computational fluid dynamics) 1400 1200 Temperature 1000 800 600 400 200 0-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 Position Serie1 PV-cell Emitter
CFD temperaturfördelning Emitter
Celleffektivitet Vi nådde 0.5 W/cm2, vilket är lägre än JX Crystals datablad (0.82 W/cm2 at 1200 C). Det borde vara möjligt att nå 2 W/cm2 med denna celltyp. Problem med kontakt mellan celler Med andra bandgap (andra material) kan utbytet ökas. Problem att det inte finns några andra tillverkare av denna typ av celler!
Verkningsgrad Ingen självklarhet hur man beräknar verkningsgraden. Om vi antar 5 dm2 (2.5 dm diameter) TPVcellyta och 10 kw brännare ger 0.5 W/cm2 0.5 *500 cm2= 0.25 kw el eller 2.5 % elverkningsgrad Har vi tre TPV-enheter kopplade till brännaren skulle vi kunna få en verkningsgrad på ca 7.5 % istället
Tillverkningskostnader En enhet som ger 0.3 kw med 3 % verkningsgrad har följande dimensioner: Emitter och PV-celldiameter : 0.75 dm Emitter och PV-cellarea: 0.44 dm2 Kantfilterdiameter: 1.5 dm Kantfilterarea: 1.77 dm2 Avstånd från emitter till PV-cell: 2.55 dm Produktionskostnad 10 000-30 000 SEK beroende på volym. (TPVceller 19 000 kr/m2) Kostnad blir då ca 30 000 90 000 kronor /kw el Detta är ungefär som nya kärnkraftverket i Finland
TPVanläggning för 57 kw el ifall 12 % elverkningsgrad Emitter Filter Photo cells 1.5 m 3m Flame 4.5 m
För grupp med 100 hus Varje hus max 8 kw värme. Med elvärme 20 A. Med biomassapanna skulle vi behöva 800 kw maxeffekt värme Samtidigt kan vi få ut ca 48 kw el som basproduktion (6 % verkningsgrad) eller 96 kw (12 % verkningsgrad, högre temperatur)
Normalhushållet behöver ca 0.4 kw basel, vilket motsvarar 40 kw för 100 hus. Max-lasten kan bli betydligt högre, men i gengäld kan man styra bort användning så att inte alla använder mycket samtidigt (smart grid). Genom att höja temperaturen kan verkningsgraden höjas under kortare tid utan att materialen åldras alltför snabbt. Maxlast vanligen runt 17-21 på kvällen.
Värmebehovet en vinterdag kan vara ca 3.5 kw*24 h * 100 hus = 8 400 kwh en vinterdag och 1.5 kw*24*100 = 3600 kwh vår och höst. Sommartid är det mest varmvatten, ca 1800 kwh/d. Vinter ca 120 d * 8400 * 1.5 kr/kwh= 1.5 milj kr Totalt över året 1.5 + 0.65 + 0.35= 2.5 milj kr/år Om vi höjer temperaturen i ett hetvattenlager med 60 o C skulle vi behöva ett 7 m3 lager. Vi kör mot detta då vi behöver mest el på kvällen, men använder värmen under hela dagen. Vi skulle kunna minska behovet av köpt el radikalt, vilket minskar kostnaden och betalar systemet.
En köpt kwh el kostar en kund ca 1.5 kr/kwh. En besparad kwh har därför värdet 1.5 kr. Med ett lägre effektbehov spar vi även in installation av en stor transformator, tjocka kablar etc. Ligger byn en bit från huvudgatan kan detta vara värt mycket pengar. Återbetalningstiden bör kunna ligga på storleksordningen 3-5 år, beroende på kostnaderna för det alternativa pannsystemet och att dra fjärrvärme till husen.