Feasibility study and CFD modeling of thermoelectric modules coupled with an improved cook stove for developing countries

In the last years, the access to energy topic has been one of the most discussed issues, and, in particular, there is an increasing interest on the theme of access to clean cooking facilities. Indeed, annually more than 1.5 million deaths from pneumonia, chronic lung disease, and lung cancer could be associated with exposure to indoor air pollution, caused by improper cooking appliances. Specifically, a great percentage of those deaths occurs in developing countries. In order to tackle this problem, one of the most effective solutions is to foster the diffusion of Improved Cook Stoves (ICS), which are particular devices in which traditional fuels can be burnt in a more efficient way, reducing pollutant emissions, and also fuel consumption. Even if ICSs are becoming more and more diffused, there are still some obstacles that prevent them from being well-accepted by the local population. One of the main disadvantages is that they do not provide light in the household, as they have a closed combustion chamber. In order to improve this aspect, they can be provided with thermoelectric generator (TEG) modules, which, exploiting the Seebeck effect, can produce some electricity, that, in turn, can feed some small LED lights. As the efficiencies of the modules are limited, it is important to verify if that coupling is feasible. Since the electrical production of the TEG modules depends on the temperature difference on their sides, it is necessary to know these temperatures. These data can be obtained thanks to Computational Fluid Dynamics modeling of wood combustion into the stove; therefore, a CFD model has to be built. Specifically, in this thesis, a CFD model of wood combustion is developed accordingly to a commercial stove, which is diffused in Mozambique. Finally, thanks to the CFD simulations, it is possible to evaluate the temperature difference on the modules, and, hence, the electrical power generated. The amount produced is limited (about 3 W), but it is sufficient to feed a small LED light or, even a USB devices charger.

Negli ultimi anni, il tema dell’accesso all'energia, e in particolare dell’accesso a fonti di energia pulite, per scopi domestici, è stato uno dei più discussi. Infatti, ogni anno, 1.5 milioni di morti per malattie delle via aeree vengono attribuite all'esposizione all'inquinamento dell’aria in ambienti chiusi; molte di queste morti avvengono nei Paesi in via di sviluppo. L’inquinamento domestico è causato principalmente dall'utilizzo di strumenti inappropriati, che sfruttano combustibili tradizionali. Al fine di risolvere, almeno parzialmente, questo problema, una delle soluzioni di più immediata applicabilità è la promozione delle cosiddette stufe migliorate o Improved Cook Stoves (ICS), dispositivi nei quali si utilizzano in maniera efficiente i combustibili tradizionali, riducendo le emissioni. Anche se le stufe migliorate stanno via via diffondendosi nei Paesi in via di sviluppo, ci sono ancora alcuni ostacoli che impediscono la loro completa accettazione da parte delle popolazioni locali. Infatti, le ICS, avendo una camera di combustione chiusa, non possono fornire luce alle abitazioni. Al fine di migliorare questo aspetto, è possibile equipaggiarle con dei generatori termoelettrici (moduli TEG), che, sfruttando l’effetto Seebeck, generano elettricità. La quantità di energia elettrica che producono è limitata dalle loro efficienze ridotte, ma potrebbe comunque essere utilizzata per alimentare delle lampadine a LED. E’ quindi necessario valutare l’efficacia dell’accoppiamento tra generatori termoelettrici e stufe migliorate. Ricordando che la produzione di elettricità dei moduli TEG dipende dalle temperature che essi raggiungono, è necessario conoscere le temperature in gioco. Queste possono essere ottenute tramite un modello di Fluidodinamica Computazionale (CFD), che simuli la combustione di legna all’interno della stufa. Grazie alle simulazioni numeriche, è possibile valutare qual è la differenza di temperatura che si ottiene sui moduli termoelettrici, e di conseguenza, conoscere l’entità della potenza elettrica prodotta. Questa quantità è pari a circa 3W, un valore sufficiente per alimentare una lampadina LED, o anche un piccolo caricatore USB.