Development and Test of Thermoelectric Roof Tiles

Abstract

Thermoelectric devices can be applied with solar energy systems for different applications including cooling, heating and power generation. In this research thermoelectric roof tiles (33 cm ´ 42 cm2) were developed by affixing them with thermoelectric generators, and were then tested for their electricity generation. Heat source from the sun (hot side) cooling with thin aluminum sheets and air (cold side) produced temperature differences for this purpose. The study was divided into four stages: 1) Analyzing the crystal structure of thermoelectric materials; 2) Mathematical modelling to predict electricity amount generated by thermoelectric roof tiles; 3) Capacity testing of thermoelectric roof tiles; and 4) Efficiency testing of thermoelectric roof tiles. In Stage 1, p-type Sb0.405Te0.595 and n-type Bi0.58Te1.42 were analyzed with an x-ray diffraction technique. Single phase was found without any mixed phases, which is in compliance with the referenced data. In Stage 2, the mathematical modelling to predict the electricity amount generated by the thermoelectric roof tiles using finite element in ANSYS 18.0 software showed that thermoelectric module model C produced the maximum electric potential difference of 1172.87 mV at the temperature difference of 100°C. In Stage 3, the thermoelectric module models A, B and C were invented and tested for their capacity. All the models produced an electric potential, electric current, and electric power corresponding with simulations. For example, thermoelectric module model C produced the electric potential difference of 1172.87 mV, the electric current of 186.97 mAh, and the electric power of 35.16 mW. The roof tiles affixed with these thermoelectric module models by mixing the series within as well as parallel between the rows generated the maximum electric potential difference of 33.70 mV, electric current of 4.89 µA, and electric power of 26.38 pW. In the last stage, an efficiency test of thermoelectric roof tiles was conducted. The comparisons between the invented thermoelectric modules and the commercial ones revealed that on 10 June 2019 at 11.30 am at the average temperature difference of 6.7 °C, the roof tiles affixed with thermoelectric module model B generated the maximum voltage of 6.7 mV while the roof tiles affixed with the commercial thermoelectric modules produced the maximum voltage of 39.4 mV at the air velocity of 0.7 m s-1 and the sunray intensity of 1068.7 W m-2. Thermoelectric roof tiles are thus a source of alternative energy for the future.

อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ได้หลากหลายรูปแบบ ทั้งการทำความเย็น การทำความร้อน และการผลิตพลังงานไฟฟ้า งานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาและทดสอบกระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริก ขนาดกว้าง 33 x 42 cm2 เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกที่ประกอบเข้ากับแผ่นกระเบื้องหลังคา ใช้ผลต่างอุณหภูมิจากแหล่งความร้อนจากดวงอาทิตย์ (ด้านร้อน) ระบายความร้อนด้วยแผ่นอลูมิเนียมบางและอากาศ(ด้านเย็น) โดยแบ่งการวิจัยออกเป็น 4 ส่วนคือ 1) การวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก 2) การจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำนายปริมาณไฟฟ้าที่ได้รับของกระเบื้องมุงหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริก 3) การทดสอบสมรรถนะของกระเบื้องมุงหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริก และ 4) การทดลองประสิทธิภาพของกระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริก มีรายละเอียดดังนี้ ได้วิเคราะห์โครงสร้างผลึกของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกชนิดพี Sb0.405Te0.595 และชนิดเอ็น Bi0.58Te1.42 ด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ พบว่าเป็นเฟสเดี่ยวไม่พบเฟสเจือปนสอดคล้องกับข้อมูลอ้างอิง ได้จำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำนายการผลิตพลังงานไฟฟ้าของกระเบื้องมุงหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริกด้วยวิธีไฟไนต์ เอลิเมนต์ในโปรแกรมสำเร็จรูป ANSYS 18.0 พบว่า ที่ผลต่างของอุณหภูมิ 100 ºC การจำลองทางคณิตศาสตร์ของเทอร์โมอิเล็กทริกโมดูล model C จะได้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 1172.87 มิลลิโวลต์ ได้ประดิษฐ์และทดสอบสมรรถนะของเทอร์โมอิเล็กทริกมอดูลรูปแบบ A, B และ C เพื่อประกอบเข้ากับกระเบื้องหลังคา พบว่า ที่ผลต่างอุณหภูมิเดียวกันประมาณ 100 องศาเซลเซียส เทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลรูปแบบ A, B และ C ที่ประดิษฐ์ขึ้นมีความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้าสอดคล้องกับการจำลอง เช่น เทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลรูปแบบ C ได้ความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 1172.87 มิลลิโวลต์ กระแสไฟฟ้า 186.97 มิลลิแอมป์ และกำลังไฟฟ้า 35.16 มิลลิวัตต์ เมื่อต่อเทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลแบบผสมอนุกรมภายในแถวและขนานระหว่างแถวเข้ากับกระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริก สามารถผลิตความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงสุดได้ 33.70 มิลลิโวลต์ กระแสไฟฟ้า 4.89 ไมโครแอมป์ และกำลังไฟฟ้า 26.38 พิโกวัตต์ และได้ทดลองหาประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าของกระเบื้องหลังคา เทอร์โมอิเล็กทริก ที่ประดิษฐ์ขึ้นกับเทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลที่ซื้อมาพบว่า วันที่ 10 มิถุนายน 2562 เวลา 11.30 น. ที่ค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ เฉลี่ย 6.7 องศาเซลเซียส กระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริกที่ประกอบเทอร์โมอิเล็กทริกโมดูล Model B (fabricate) สามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าได้สูงสุด 6.7 มิลลิโวลต์ และกระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริกที่ประกอบเทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลซื้อมา สามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าได้สูงสุด 39.4 มิลลิโวลต์ ที่ความเร็วของอากาศแวดล้อม 0.7 เมตรต่อวินาที และมีค่าความเข้มรังสีอาทิตย์สูงสุดเท่ากับ 1068.7 วัตต์ต่อตารางเมตร ซึ่งกระเบื้องหลังคาเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าทางเลือกในอนาคต