Thermodynamic model and simulation of a solar thermoelectric generator for rural electrification in developing countries

It is estimated that around 1.1 billion people worldwide do not have access to electricity in their homes, 84% of which living in rural areas of developing countries. Off-grid standalone solution seems to be the only feasible way to bring about electrifications to the most remote dwellings. Several studies have confirmed the potential of thermoelectric generator, which are often coupled with cooking stoves in order to produce small amount of electric energy to rural households, however, solar thermoelectric generators (STEGs) have recently been gaining research attention due to improvements in thermoelectric materials properties as well as in STEG system design. In this thesis, a deeper analyses on the feasibility and cost effectiveness of adopting such a technology as off-grid standalone solution for rural electrification is carried out. Firstly a review of the state of the art solar thermoelectric generator is presented, with the conclusion that flat plate STEG are the most suitable configuration for rural electrification purpose. Consequently a 1-D STEG model is developed to be used in simulations to assess the performances in real environment over the entire lifespan of the device. Real meteorological data recorded in the Mombasa station (Kenya) in the year 2000 have been used, and several STEG configurations, employing commercial components already available in the market, have been considered. The performances in terms of levelized cost of energy have been compared to that of a Pico-PV panel generally used in this context, highlighting that even the best STEG configuration has a LCOE 2.67 time grater compared to that of the PV system. In order to consider future improvement expected in the thermoelectric field, simulations employing enhanced thermoelectric generator have been carried out. Results shows that passing from a ZT of 0.84 to a ZT approaching 3, the LCOE almost halved, however it is still 49% higher compared to that of the PV panel.

É stato stimato che circa 1.1 milioni di persone al mondo non hanno accesso all’energia elettrica nelle loro case. Di queste, l’84% vive in zone rurali dei paesi in via di sviluppo. Le uniche soluzioni percorribili per garantire l’elettrificazione delle più remote abitazioni sembrano essere soluzioni Off-grid standalone. Diversi studi hanno confermato il potenziale dei generatori termoelettrici, questi sono spesso accoppiati con stufe di cottura per fornire una piccola quantità di energia elettrica, tuttavia generatori termoelettrici solari (STEGs) stanno guadagnando l’attenzione dei ricercatori grazie ai recenti miglioramenti ottenuti nel campo dei materiali termoelettrici e nel design dei generatori termoelettrici solari. In questa tesi si effettua una approfondita analisi sulla fattibilità e sull’efficacia di utilizzare generatori STEG come sistemi Off-grid standalone in contesti di elettrificazioni rurali. Inizialmente viene eseguita una revisioni di tutti i più moderni prototipi e studi di STEG, giungendo alla conclusioni che la miglior configurazione per l’obbiettivo prefissato è quella di utilizzare generatori termoelettrici ad assorbitore piano. In seguito, si sviluppa un modello monodimensionale di generatore termoelettrico solare che verrà successivamente usato in simulazioni che verificheranno le performances del sistema in condizioni reali di utilizzo durante tutto il ciclo vita del sistema. Dati meteorologici reali, misurati nella stazione di Mombasa (Kenya) durante l’arco dell’anno 2000 sono, sono utilizzati nelle simulazioni, e diverse configurazioni di STEG, utilizzando componenti commerciali già disponibili nel mercato, sono analizzate. Le performances, in termini di levelized cost of energy (LCOE) sono paragonate a quelle di un pannello fotovoltaico pico-PV, generalmente utilizzato in contesti di elettrificazione rurale. I risultati ottenuti mostrano che la migliore configurazione trovata ha un LCOE 2.67 volte più grande rispetto a quello del sistema fotovoltaico. Successivamente sono stati considerati i miglioramenti che ci si aspetta di ottenere nei prossimi anni nel campo termoelettrico, e diverse simulazioni sono state fatte con moduli con migliorate proprietà termoelettriche. I risultati mostrano che passando da uno ZT di 0.84 a uno di circa 3, il LCOE è praticamente dimezzato, tuttavia rimane ancora 0.49% maggiore rispetto a quello del sistema PV.