Tegbiosol
INTEGRACION DE GENERADORES TERMOELECTRICOS (TEG) EN COLECTORES SOLARES PVT Y CALDERAS DE BIOMASA: EXPERIMENTACIÓN Y OPTIMIZACIÓN EN ESQUEMAS DE POLIGENERACIÓN (TEGBIOSOL)
PRESENTACIÓN:
El proyecto se centra en el desarrollo de sistemas de poligeneración a pequeña escala basados en energías renovables para satisfacer las demandas del sector residencial. En particular, se parte de dos tecnologías: calderas de biomasa y paneles solares fotovoltáicos-térmicos (PVT, que producen a la vez electricidad y agua caliente) y se plantea la mejora de dichas tecnologías mediante la incorporación de generadores termoeléctricos (TEG). Además, se aborda el estudio de esquemas de poligeneración que incluyen tanto las tecnologías señaladas anteriormente como otras. Los paneles PVT presentan la ventaja de que producen electricidad y calor al mismo tiempo, por lo que proporcionan mayor eficiencia global y un mejor aprovechamiento del espacio disponible. Debido a que en invierno la producción de dichos paneles es menor y la demanda térmica mayor, se plantea combinarlos con calderas de biomasa. La incorporación de TEG en ambos tipos de equipos constituye una aportación novedosa del proyecto: en el caso de las calderas de biomasa, permite generar electricidad que complemente a la solar en los meses con menor radiación, mientras que en los dispositivos PVT se busca aumentar su producción eléctrica.
El objetivo general del proyecto TEGBIOSOL es analizar las posibilidades de integración de módulos TEG en instalaciones de poligeneración del sector doméstico basadas en calderas de biomasa y paneles PVT.
Integrar de forma óptima módulos TEG en una caldera de biomasa doméstica.
- Integrar de forma óptima módulos TEG en un panel solar PVT.
- Desarrollar un modelo de poligeneración basado en PVT y caldera de biomasa que incluyan TEG.
- Optimizar desde los puntos de vista energético, económico y medioambiental esquemas de poligeneración basados en PVT y caldera de biomasa que incluyan TEG.
- Integrar, difundir y transferir los resultados del proyecto.
Cada uno de los objetivos anteriores se consigue mediante el desarrollo de una tarea.
ESTRUCTURA DEL PROYECTO:
TAREA 1. INTEGRACIÓN DE FORMA ÓPTIMA DE MÓDULOS TEG EN UNA CALDERA DE BIOMASA DOMÉSTICA
Es una de las dos actividades experimentales del proyecto, donde en una instalación experimental se analiza la influencia sobre el funcionamiento del TEG de su ubicación en el interior de la caldera y del exceso de aire empleado, que afectan a la temperatura del foco caliente del TEG. Se trata de alcanzar un compromiso entre obtener una elevada potencia y rendimiento de los TEG (alta temperatura del foco caliente) y un bajo nivel de ensuciamiento (baja temperatura del foco caliente).
Se utilizan como combustible un pélet de tipo A1 (según la norma UNE-EN ISO 17225-2) con relativamente baja tendencia al ensuciamiento y tres pélets mezcla (a partir de biomasa residual agrícola leñosa y agrícola) con alta tendencia al ensuciamiento.
Analizar la influencia de este ensuciamiento en el comportamiento de los TEG es uno de las actividades clave para poder determinar la adecuación de los TEG a este tipo de instalaciones. Para ello, se situa una sonda de deposición en la que se mantienen unas condiciones similares a las que tienen que soportar los TEG (temperatura de gases y temperatura de metal), de tal manera que se puede determinar para cada condición de funcionamiento la ratio de deposición de las cenizas y la composición de las mismas (con microscopio FESEM). Adicionalmente, para poder determinar la influencia del tiempo en la ratio de deposición, se llevan a cabo algunas pruebas de larga duración.
Descripción de la instalación y ejemplo de resultados obtenidos
TAREA 2. INTEGRACIÓN DE FORMA ÓPTIMA DE MÓDULOS TEG EN UN PANEL SOLAR PVT
Se trata de la otra actividad experimental del proyecto. Se realiza la implantación de módulos TEG en un panel PVT, con objeto de obtener datos de producción eléctrica en los TEG con las temperaturas de operación habituales en sistemas PVT. Se analiza la influencia de la irradiancia, temperatura ambiente y temperatura del fluido, que a su vez viene determinado por parámetros del sistema PVT tales como el tamaño del depósito de agua y la demanda existente.
Estas pruebas persiguen determinar la producción eléctrica que puede conseguirse del TEG en una instalación para las diferentes situaciones climáticas (días de verano, invierno, con demandas variables) que permitan la extrapolación de resultados a lo largo de todo un año, y por tanto un análisis del incremento porcentual de generación eléctrica que podría extraerse respecto de un panel PVT convencional. Se monitorizan diferentes zonas en el PVT para analizar el efecto que el gradiente de temperatura que se produce a lo largo del panel tiene en la producción del TEG. El fluido, que entra a baja temperatura por la parte inferior, asciende y se calienta hasta alcanzar la temperatura más alta en la parte superior del módulo[u1] .
TAREA 3. DESARROLLO DE UN MODELO DE POLIGENERACIÓN BASADO EN PVT Y CALDERA DE BIOMASA QUE INCLUYAN TEG
Para aumentar el potencial de integración de los TEG, los paneles híbridos PVT y las calderas de biomasa en los edificios, especialmente en el clima mediterráneo donde en verano la demanda de calor es menor al no haber necesidades de calefacción, se plantea como solución la integración de estos tres equipos con distintos tipos de máquinas de refrigeración y sistemas de desalación. De esta forma, el excedente de calor generado se utilizaría para cubrir la demanda de refrigeración y de agua, consiguiendo por tanto mayor contribución renovable en los edificios para todas sus demandas, si es más eficiente que usar tecnologías eléctricas para los mismos fines. Por tanto, el objetivo de esta actividad es el desarrollo de un modelo de simulación flexible que permita analizar la integración de TEG, paneles PVT y calderas de biomasa con las distintas demandas de calor, frío, electricidad y agua desalada (fría y ACS) que existen en una vivienda o edificio residencial.
Se consideran distintas demandas a cubrir, a partir del modelado de varios tipos de edificios residenciales en zonas climáticas diferentes y con diversos usos y tamaños. Este modelo de simulación permite el análisis comparativo posterior, bajo diferentes prismas, de cualquier configuración de poligeneración basada en estas tres tecnologías (o bien sin considerar los TEG) que se lleva a cabo en las actividades del objetivo 4. El software básico para realizar esta tarea es TRNSYS17, que permite obtener los resultados en periodos completos anuales en una única simulación.
TAREA 4. OPTIMIZACIÓN DESDE LOS PUNTOS DE VISTA ENERGÉTICO, ECONÓMICO Y MEDIOAMBIENTAL DE ESQUEMAS DE POLIGENERACIÓN BASADOS EN PVT Y CALDERA DE BIOMASA QUE INCLUYAN TEG
Con este objetivo, que parte del modelo de simulación desarrollado en el objetivo 3, se pretenden comparar las prestaciones de los equipos individuales (caldera de biomasa y colector solar PVT) sin y con TEG, así como las de un esquema completo de poligeneración de las que pueden formar parte. El análisis se lleva a cabo desde las perspectivas energética, económica y medioambiental.
No se pretende solo conocer cuál de las dos alternativas (sin y con TEG) es preferible en cada caso, sino determinar las condiciones (eficiencia y coste) que harían interesante la introducción de esta tecnología en una aplicación determinada.
TAREA 5. INTEGRACIÓN, DIFUSIÓN Y TRANSFERENCIA DE RESULTADOS
El análisis integral de los resultados de las todas las actividades llevadas a cabo en el proyecto permite la obtención de los resultados finales del mismo. En esta tarea se incluye la difusión de dichos resultados tanto a nivel nacional como internacional entre los diferentes agentes implicados: comunidad científica, fabricantes y distribuidores de calderas de biomasa, colectores solares, paneles solares y TEG, e incluso los usuarios finales.
PUBLICACIONES EN REVISTAS
Pintanel M.T.; Martínez-Gracia, A.; Galindo, M.P.; Bayod-Rújula A.A.; Uche, J.; Tejero, J.A.; del Amo, A. Analysis of the experimental integration of thermoelectric generators in photovoltaic–thermal hybrid panels. Applied Sciences Vol.11, n.7. (2021). https://doi.org/10.3390/app11072915
Zabalza, I.; Gesteira, L.G.; Uche, J. The impact of building energy codes evolution on the residential thermal demand. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 44, 588. (2022). https://doi.org/10.1007/s40430-022-03898-w
Uche, J.; Zabalza, I.; Gesteira, L.G.; Martínez-Gracia, A.; Usón, J. A sustainable polygeneration system for a residential building. Applied Sciences. Applied Sciences Vol.12, n.24. (2022) https://doi.org/10.3390/app122412992
PARTICIPACIONES EN CONGRESOS
Canalís, P.; Usón, S.; Royo, J. Integration of thermoelectric generators (TEG) in biomass boilers using agricultural crops residues. Poster. 28th European Biomass Conference and Exhibition – Virtual. (2020).
Canalís, P.; Usón, S.; Royo, J. Influence of operating conditions of performance of thermoelectric generators integrated in a biomass boiler. Poster. 30th European Biomass Conference and Exhibition- Virtual. (2022).
Usón, S.; Royo, J.; Canalís, P. Experimental tests of the integration of thermoelectric generators in a biomass boiler. 7th International Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering, CPOTE 2022, Varsovia (Polonia) y virtual. (2022).
Uche, J.; Zabalza, I.; Usón, S.; Martínez, A. Sustainable coverage of a residential building’s energy and water demands. 7th International Conference on Contemporary Problems of Thermal Engineering, CPOTE 2022, Varsovia (Polonia) y virtual. (2022).
Bayod, A. A.; Tejero, J. A.; Martínez, A. Ensayos con Generadores Termoeléctricos (TEG) aplicados a la generación solar sin concentración. TAEE 2022. XV Congreso Tecnología, Aprendizaje y Enseñanza de la Electrónica. (2022)
