Termoelektrik jeneratörler için alçaltan-yükselten çeviricili maksimum güç noktası takibi benzetimi

Enerji çevrim verimliliği %10’lara kadar çıkabilen endüstriyel Termoelektrik Jeneratörler (TEJ) atık ısılardan elektrik enerjisi elde ediniminde kullanılarak enerji verimliliğine katkıda bulunurlar. TEJ iç direnci ile yük direncinin eşit olmaması verim değerini oldukça düşürür. İç direnç ile yük direnci arasındaki dengesizliğin ortadan kaldırılması veya en aza indirilmesi için Maksimum Güç Noktası İzleyici (MGNİ) algoritmaları kullanılır. Bu çalışmada, iç direnç ile yük direnci arasındaki eşitliği sağlamak için Karıştır ve Gözlemle (K&G) metodu temelinde MGNİ algoritması, alçaltan-yükselten çevirici kullanılarak MATLAB/Simulink ile modellenmiştir. İlk olarak, Seebeck sabitine ve sıcaklık farkına bağlı olarak bir TEJ modellemesi yapılmıştır. Bu modellemede, seri ve paralel bağlanacak TEJ’ler belirlendikten sonra, TEJ modelinin çıkışına doğrudan değişken yük direnci bağlanmıştır. Yük direnci ve sıcaklık farkı değişim değerleri için çıkış gücü hesaplanmıştır. Bu durumda, MGNİ’siz TEJ’in yük değişimlerinden oldukça etkilendiği tespit edilmiştir. Verim değeri de buna bağlı olarak sürekli salınımlar yapmıştır. Daha sonra, bu sıcaklık farkı değişimi ve değişken yük K&G MGNİ’li alçaltan-yükselten çevirici sistemine uygulanmıştır. Geliştirilen K&G MGNİ algoritmalı TEJ’in yük ve sıcaklık değişimlerine rağmen Maksimum Güç Noktasını (MGN) %98.72 bir doğrulukla izlediği görülmüş ve TEJ en yüksek verimlilikle her koşulda çalıştırılmıştır. Geliştirilen bu K&G MGNİ algoritması ile kontrol edilen, alçaltan-yükselten çeviricili bir TEJ sisteminin modeli sayesinde tasarımcılar için yalnızca Seebeck sabitinin ve seri-paralel bağlı TEJ sayılarının girilmesinin yeterli olacağı bir benzetim çalışması sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler:

TEJ, K&G, MGNİ, Atık ısı, Yenilenebilir enerji

PDF

___

[1] Elcik H, Çakmakcı M. “Microalgae production and biofuel from microalgae”. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32(3), 795-820, 2017.
[2] Liu C, Chen P, Li K. “A 500 W low-temperature thermoelectric generator: Design and experimental study”. International Journal of Hydrogen Energy, 39(28), 15497-15505, 2014.
[3] Wu SJ, Wang S, Yang CJ, Xie KR. “Energy management for thermoelectric generators based on maximum power point and load power tracking”. Energy Conversion and Management, 177, 55-63, 2018.
[4] Sornek K, Filipowicz M, Żołądek M, Kot R, Mikrut M. “Comparative analysis of selected thermoelectric generators operating with wood-fired stove”. Energy, 166, 1303-1313, 2019.
[5] Hsu CT, Huang GY, Chu HS, Yu B, Yao DJ. “Experiments and simulations on low-temperature waste heat harvesting system by thermoelectric power generators”. Applied Energy, 88(4), 1291-1297, 2011.
[6] Champier D. “Thermoelectric generators: A review of applications”. Energy Conversion and Management, 140, 167-181, 2017.
[7] Ahıska R, Mamur H, Metin U. “Termoelektrik modülün jeneratör olarak modellenmesi ve deneysel çalışması”. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 26(4), 889-896, 2011.
[8] Dişlitaş S, Ahıska R. “Determination of the parameters Imax, Vmax and Emax of thermoelectric module using parabola algorithm based on three discrete measurements”. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31(4), 1063-1072, 2016.
[9] Ahıska R, Mamur H. “A review: Thermoelectric generators in renewable energy”. International Journal of Renewable Energy Research (IJRER), 4(1), 128-136, 2014.
[10] Mamur H, Ahıska R. “Application of a DC–DC boost converter with maximum power point tracking for low power thermoelectric generators”. Energy Conversion and Management, 97, 265-272, 2015.
[11] Sasaki K, Horikawa D, Goto K. “Consideration of thermoelectric power generation by using hot spring thermal energy or industrial waste heat”. Journal of Electronic Materials, 44(1), 391-398, 2015.
[12] Montecucco A, Knox A. “Maximum power point tracking converter based on the open-circuit voltage method for thermoelectric generators”. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(2), 828-839, 2015.
[13] Liu Y, Li M, Ji X, Luo X, Wang M, Zhang Y. “A comparative study of the maximum power point tracking methods for PV systems”. Energy Conversion and Management, 85, 809-816, 2014.
[14] Twaha S, Zhu J, Yan Y, Li B, Huang K. “Performance analysis of thermoelectric generator using dc-dc converter with incremental conductance based maximum power point tracking”. Energy for Sustainable Development, 37, 86-98, 2017.
[15] Montecucco A, Siviter J, Knox AR. “The effect of temperature mismatch on thermoelectric generators electrically connected in series and parallel”. Applied Energy, 123, 47-54, 2014.
[16] Yahya K, Bilgin MZ, Erfidan T. “Practical implementation of maximum power tracking based short-current pulse method for thermoelectric generators systems”. Journal of Power Electronics, 18(4), 1201-1210, 2018.
[17] Laird I, Lu DDC. “High step-up DC/DC topology and MPPT algorithm for use with a thermoelectric generator”. IEEE Transactions on Power Electronics, 28(7), 3147-3157, 2013.
[18] Kinsella CE, O’Shaughnessy SM, Deasy MJ, Duffy M, Robinson AJ. “Battery charging considerations in small scale electricity generation from a thermoelectric module”. Applied Energy, 114, 80-90, 2014.
[19] Dalala Z, Saadeh O, Bdour M, Zahid Z. “A new maximum power point tracking (mppt) algorithm for thermoelectric generators with reduced voltage sensors count control”. Energies, 11(7), 1-16, 2018.
[20] Bijukumar B, Raam AGK, Ganesan SI, Nagamani C. “A linear extrapolation based MPPT algorithm for thermoelectric generators under dynamically varying temperature conditions”. IEEE Transactions on Energy Conversion, 33, 1641-1649, 2018.
[21] Park JD, Lee H, Bond M. “Uninterrupted thermoelectric energy harvesting using temperature-sensor-based maximum power point tracking system”. Energy Conversion and Management, 86, 233-240, 2014.
[22] Phillip N, Maganga O, Burnham K J, Ellis M A, Robinson S, Dunn J, Rouaud C. “Investigation of maximum power point tracking for thermoelectric generators”. Journal of Electronic Materials, 42(7), 1900-1906, 2013.
[23] Yamada H, Kimura K, Hanamoto T, Ishiyama T, Sakaguchi T, Takahashi T. “A novel MPPT control method of thermoelectric power generation with single sensor”. Applied Sciences, 3(2), 545-558, 2013.
[24] Zhang X, Chau KT. “An automotive thermoelectric–photovoltaic hybrid energy system using maximum power point tracking”. Energy Conversion and Management, 52(1), 641-647, 2011.
[25] Yu C, Chau KT. “Thermoelectric automotive waste heat energy recovery using maximum power point tracking”. Energy Conversion and Management, 50(6), 1506-1512, 2009.
[26] Tsai HL, Lin JM. “Model building and simulation of thermoelectric module using Matlab/Simulink”. Journal of Electronic Materials, 39(9), 2105-2111, 2010.
[27] Zhang J, Xuan Y. “An integrated design of the photovoltaic-thermoelectric hybrid system”. Solar Energy, 177, 293-298, 2019.
[28] Dişlitaş, S, Yanmaz, H, Ömer, G, Ahıska, R. “The design of multi-functional probe for determining the P-N electrical conductivity type of thermoelectric semiconductors”. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 25(2), 151-156, 2019.
[29] Snyder GJ. “Small thermoelectric generators”. The Electrochemical Society Interface, 17(3), 54-56, 2008.
[30] Bijukumar B, Raam AGK., Ganesan SI, Nagamani C, Reddy MJB. “MPPT algorithm for thermoelectric generators based on parabolic extrapolation”. IET Generation, Transmission & Distribution, 13(6), 821-828, 2018.
[31] Bond M, Park JD. “Current-sensorless power estimation and MPPT implementation for thermoelectric generators”. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(9), 5539-5548, 2015.
[32] Çoban Y. Termoelektrik Jeneratörler için Karıştır ve Gözlemle Maksimum Güç Noktası İzleme Metodu. Yüksek Lisans Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa, Türkiye, 2019.
[33] Abdelsalam AK, Massoud AM, Ahmed S, Enjeti PN. “High-performance adaptive perturb and observe MPPT technique for photovoltaic-based microgrids”. IEEE Transactions on Power Electronics, 26(4), 1010-1021, 2011.