Development of Thermoelectric-based Devices for Energy Harvesting Purposes - ΚΟΣΣΥΒΑΚΗΣ, ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ (Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών, 2018)
Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια η κλιματική αλλαγή και οι πολυποίκιλες αρνητικές συνέπειές της έχουν οδηγήσει σε μια συστηματική αλλαγή κατεύθυνσης του τομέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προς ένα πιο καθαρό και φιλικό προς το περιβάλλον μοντέλο, με όσο το δυνατόν μικρότερη εξάρτηση από τα συμβατικά καύσιμα. Στα πλαίσια αυτά, η ενσωμάτωση μονάδων παραγωγής που αξιοποιούν τεχνολογίες εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί οπωσδήποτε μια βιώσιμη λύση. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητες και οι τεχνολογίες εκμετάλλευσής τους γίνονται συνεχώς πιο αποδοτικές, ελαχιστοποιώντας παράλληλα το περιβαλλοντικό τους αποτύπωμα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η στρατηγική αξιοποίησης ανανεώσιμων πηγών αποκτά σήμερα ευρύτερη κοινωνικοπολιτική σημασία, καθώς, δεδομένης της ευρείας διαθεσιμότητάς τους, μπορεί να προσφέρει ενεργειακή ανεξαρτησία και κατ’ επέκταση μεγαλύτερη οικονομική σταθερότητα σε χώρες οι οποίες λόγω της γεωγραφικής τους θέσης δεν διαθέτουν αξιόλογα αποθέματα συμβατικών καυσίμων. Παρά όμως τη σημαντικότατη ανάπτυξη που ο κλάδος των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει επιτύχει μέχρι σήμερα, ζητήματα τα οποία σχετίζονται με τη βέλτιστη απόδοση και την οικονομική βιωσιμότητα των διαθέσιμων τεχνολογιών αποτελούν τροχοπέδη στην προσπάθεια πλήρους απεξάρτησης της διαδικασίας ηλεκτροπαραγωγής από τα συμβατικά καύσιμα. Γίνεται επομένως κατανοητό ότι υπάρχουν μεγάλα περιθώρια βελτίωσης, τόσο στην κατεύθυνση βελτιστοποίησης της απόδοσης των υφιστάμενων τεχνολογιών όσο και σε ότι αφορά την ενίσχυση ερευνητικών δραστηριοτήτων που στοχεύουν στην προώθηση εναλλακτικών λύσεων. Στα πλαίσια αυτά, έχει εκδηλωθεί τα τελευταία χρόνια έντονο ενδιαφέρον για την αξιοποίηση θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρά όμως τα πλεονεκτήματα που η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει, η χαμηλή απόδοση των διαθέσιμων διατάξεων έχει περιορίσει προς το παρόν τη χρήση τους κυρίως σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Υπό αυτό το πρίσμα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιοποίηση των θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας, όπου η απαιτούμενη για τη λειτουργία τους θερμική ενέργεια είναι συνήθως διαθέσιμη χωρίς κάποιο κόστος. Μέσα σε αυτό το κλίμα γενικότερου ενδιαφέροντος για την αξιοποίηση θερμοηλεκτρικών γεννητριών σε εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη των σημαντικότερων παραμέτρων λειτουργίας μεμονωμένων θερμοηλεκτρικών διατάξεων αλλά και μεγαλύτερων θερμοηλεκτρικών συστημάτων, αξιοποιώντας τα αποτελέσματα υπολογιστικών μοντέλων αλλά και πειραματικών μετρήσεων. Στα πλαίσια αυτά, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία χαρακτηρισμού θερμοηλεκτρικών γεννητριών, συνδυάζοντας υπολογιστικά δεδομένα με πειραματική επιβεβαίωση. Στη συνέχεια, η διαδικασία υπολογιστικής μοντελοποίησης αξιοποιήθηκε προκειμένου για την διερεύνηση της απόδοσης ηλιακών θερμοηλεκτρικών συστημάτων διαφορετικού τύπου, πραγματοποιώντας παράλληλα παραμετρική ανάλυση με στόχο τη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς των συστημάτων αυτών. Τέλος, μελετήθηκε η απόδοση ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού-θερμοηλεκτρικού συστήματος, αξιοποιώντας αναλυτικές μεθόδους και διεξάγοντας πειραματική διαδικασία σε εργαστηριακό περιβάλλον. Πραγματοποιήθηκε επίσης περαιτέρω επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων προκειμένου να διερευνηθεί η απόδοση τέτοιων συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.