Automobilový termoelektrický generátor - Automotive thermoelectric generator

Termoelektrický jev
Termoelektrický napájecí modul Seebeck.jpg
Aplikace

An automobilový termoelektrický generátor (ATEG) je zařízení, které převádí některé z odpadní teplo z spalovací motor (IC) na elektřinu pomocí Seebeckův efekt. Typický ATEG se skládá ze čtyř hlavních prvků: horká strana výměník tepla, výměník tepla na studené straně, termoelektrické materiály a kompresní montážní systém. ATEG mohou přeměňovat odpadní teplo z chladicí kapaliny nebo výfukových plynů motoru na elektřinu. Získáním této jinak ztracené energie snižují ATEG palivo spotřebované zátěží generátoru motoru. Je však třeba vzít v úvahu také náklady na jednotku a spotřebované palivo navíc kvůli její hmotnosti.

Principy činnosti

V ATEG jsou termoelektrické materiály baleny mezi horkou a studenou stranou Tepelné výměníky. Termoelektrické materiály jsou vyrobeny z polovodiče typu p a typu n, zatímco tepelné výměníky jsou kovové desky s vysokou tepelná vodivost.[1]

Teplotní rozdíl mezi dvěma povrchy termoelektrické moduly vyrábí elektřinu pomocí Seebeckova efektu. Když horký výfuk z motoru prochází výfukem ATEG, přepravci poplatků polovodičů uvnitř generátoru difunduje z výměníku tepla na horké straně do výměníku na studené straně. Nahromadění nosičů náboje má za následek čistý náboj, který produkuje elektrostatický potenciál zatímco přenos tepla pohání proud.[2] Při teplotách výfukových plynů 700 ° C (≈1300 ° F) nebo více je teplotní rozdíl mezi výfukový plyn na horké straně a chladicí kapalina na studené straně je několik stovek stupňů.[3] Tento teplotní rozdíl je schopen generovat 500-750 W elektřiny.[4]

Cílem kompresního montážního systému je snížit tepelný kontaktní odpor mezi termoelektrickým modulem a povrchy výměníku tepla. V ATEG na bázi chladicí kapaliny používá chladicí výměník tepla jako chladicí kapalina chladicí kapalinu motoru, zatímco v ATEG na bázi výfukových plynů používá chladicí výměník tepla jako chladicí kapalinu okolní vzduch.

Účinnost

V současné době jsou ATEG účinné asi 5%. Avšak pokrok v tenký film a kvantová studna technologie by v budoucnu mohly zvýšit účinnost až o 15%.[5]

Účinnost ATEG se řídí účinností termoelektrické přeměny materiálů a tepelnou účinností dvou tepelných výměníků. Účinnost ATEG lze vyjádřit jako:[6]

ζOV = ζCONV х ζHX х ρ

Kde:

  • ζOV : Celková účinnost ATEG
  • ζCONV : Účinnost přeměny termoelektrických materiálů
  • ζHX: Účinnost výměníků tepla
  • ρ: Poměr mezi teplem procházejícím termoelektrickými materiály a teplem procházejícím z horké strany na studenou

Výhody

Primárním cílem ATEG je snížit spotřebu paliva a tím snížit provozní náklady na vozidlo nebo pomoci vozidlu splnit standardy palivové účinnosti. Čtyřicet procent energie IC motoru se ztrácí teplem výfukových plynů.[7][8] Implementace ATEG do vznětových motorů se zdá být náročnější ve srovnání s benzínovými motory kvůli nižší teplotě výfukových plynů a vyšším hmotnostním průtokům.[9][10] To je důvod, proč se většina vývoje ATEG zaměřila na benzínové motory.[6][11][12] Existuje však několik návrhů ATEG pro lehký provoz[13] a těžký[14][15] vznětové motory.

Převáděním ztraceného tepla na elektřinu snižují ATEG spotřebu paliva snížením zatížení generátoru motoru. ATEG umožňují automobilu vyrábět elektřinu spíše z tepelné energie motoru, než aby pomocí mechanické energie poháněly elektrický generátor. Jelikož se elektřina vyrábí z odpadního tepla, které by se jinak uvolňovalo do životního prostředí, spaluje motor méně paliva k napájení elektrických komponent vozidla, jako jsou například světlomety. Proto automobil vypouští méně emisí.[4]

Snížená spotřeba paliva má také za následek zvýšení spotřeby paliva. Výměna konvenčního elektrického generátoru za ATEG by mohla v konečném důsledku zvýšit spotřebu paliva až o 4%.[16]

Schopnost ATEG generovat elektřinu bez pohyblivých částí je výhodou mechanické elektrické generátory alternativy.[1] Kromě toho bylo uvedeno, že za podmínek nízkého výkonu motoru mohou být ATEG schopné sklízet více čisté energie než elektrické turbogenerátory.[9]

Výzvy

Největší výzvou pro změnu měřítka ATEG od prototypování po výrobu byly náklady na podkladové termoelektrické materiály. Od počátku dvacátých let mnoho výzkumných agentur a institucí nalilo velké částky peněz do zvyšování účinnosti termoelektrických materiálů. Zatímco u materiálů jako např napůl heuslers a skutterudity, jako jejich předchůdci telurid bismutu a olovo telurid, náklady na tyto materiály se ukázaly jako neúnosné pro výrobu ve velkém měřítku.[17] Nedávný pokrok některých výzkumníků a společností v oblasti levných termoelektrických materiálů vyústil ve významné obchodní přísliby pro ATEG,[18] nejvíce pozoruhodně nízkonákladová výroba čtyřstěn podle Michiganská státní univerzita[19] a jeho komercializace v USA Abecední energie s General Motors.[20]

Jako každá nová součást v automobilu představuje použití ATEG také nové technické problémy, které je třeba vzít v úvahu. Vzhledem k relativně malému dopadu ATEG na používání automobilu však jeho výzvy nejsou tak značné jako u jiných nových automobilových technologií. Například, protože výfuk musí protékat výměníkem tepla ATEG, dochází ke ztrátě kinetické energie z plynu, což způsobuje zvýšené čerpací ztráty. Toto se označuje jako protitlak, což snižuje výkon motoru.[7] To lze vysvětlit snížením tlumiče výfuku, což má za následek nulový čistý nebo dokonce záporný celkový protitlak na motor, jak ukázala společnost Faurecia a další společnosti.[21]

Aby byla účinnost ATEG konzistentnější, chladicí kapalina se obvykle používá spíše na tepelném výměníku na studené straně než na okolním vzduchu, takže teplotní rozdíl bude stejný v horkých i chladných dnech. To může zvětšit velikost chladiče, protože potrubí musí být prodlouženo do sběrného výfukového potrubí, a to může zvyšovat zatížení chladiče, protože do chladicí kapaliny se přenáší více tepla.[16] Správné tepelné řešení nevyžaduje zdokonalený chladicí systém.

Přidaná hmotnost ATEG způsobuje, že motor pracuje tvrději, což má za následek nižší kilometrový výkon. Většina studií o zlepšení automobilové účinnosti ATEG však vedla k čistému pozitivnímu zvýšení účinnosti, i když vezmeme v úvahu váhu zařízení.[22]

Dějiny

Ačkoli byl Seebeckův efekt objeven v roce 1821, použití termoelektrických generátorů energie bylo až do druhé poloviny dvacátého století omezeno hlavně na vojenské a vesmírné aplikace. Toto omezení bylo způsobeno nízkou účinností přeměny termoelektrických materiálů v té době.

V roce 1963 byl postaven a popsán první ATEG Neild et al.[23] V roce 1988 Birkholz a kol. zveřejnili výsledky své práce ve spolupráci s Porsche. Tyto výsledky popisovaly výfukový ATEG, který byl integrován žehlička - termoelektrické materiály na bázi mezi a uhlíková ocel výměník tepla na horké straně a hliníkový výměník tepla na studené straně. Tento ATEG by mohl produkovat desítky wattů z a Porsche 944 výfukový systém.[24]

Na počátku 90. let společnost Hi-Z Inc navrhla ATEG, který by mohl produkovat 1 kW z výfukového systému dieselového nákladního vozidla. Společnost v následujících letech představila další konstrukce dieselových nákladních a vojenských vozidel

Na konci 90. let Nissan Motors zveřejnil výsledky testování svého ATEG, který využil SiGe termoelektrické materiály. Nissan ATEG vyrobil 35,6 W v podmínkách testování podobných provozním podmínkám modelu 3.0 L benzínový motor v režimu stoupání do kopce rychlostí 60,0 km / h.

Od počátku dvacátých let experimentoval nebo studoval termoelektrické generátory téměř každý hlavní výrobce automobilů a dodavatelů výfukových plynů a společnosti jako General Motors, BMW, Daimler, Ford, Renault, Honda, Toyota, Hyundai, Valeo, Boysen, Faurecia, Tenneco, Denso, Gentherm Inc. Alphabet Energy a mnoho dalších postavilo a otestovalo prototypy.[25][26][27]

V lednu 2012 časopis Car and Driver pojmenoval ATEG vytvořený týmem vedeným Amerigonem (nyní Gentherm Incorporated ) jedna z 10 „nejslibnějších“ technologií.[28]

externí odkazy

Reference

  1. ^ A b Yang, Jihui; Stabler, Francis R. (13. února 2009). "Automobilové aplikace termoelektrických materiálů". Journal of Electronic Materials. 38: 1245–1251. doi:10.1007 / s11664-009-0680-z.
  2. ^ Snyder, G. Jeffrey; Toberer, Eric S. (únor 2008). "Složité termoelektrické materiály". Přírodní materiály. 7 (2): 105–14. doi:10.1038 / nmat2090.
  3. ^ „TEG - Využívání výfuku automobilu ke snížení emisí“. Věda 2.0. 27. srpna 2014. Citováno 23. září 2020.
  4. ^ A b Laird, Lorelei (16. srpna 2010). „Mohl by TEG zlepšit účinnost vašeho vozu?“. Energetický blog. Ministerstvo energetiky Spojených států. Archivovány od originál dne 19. července 2011. Citováno 22. září 2020.
  5. ^ Smith, Kandler; Thornton, Matthew (leden 2009), Proveditelnost termoelektriky pro rekuperaci odpadního tepla v konvenčních vozidlech, Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie, doi:10.2172/951806
  6. ^ A b Ikoma K .; Munekiyo M .; Kobayashi M .; et al. (28. března 1998). Termoelektrický modul a generátor pro vozidla s benzínovým motorem. Sedmnáctá mezinárodní konference o termoelektrice. Sborník ICT98 (kat. 98TH8365). Nagoja, Japonsko: Institute of Electrical and Electronics Engineers. str. 464–467. doi:10.1109 / ICT.1998.740419.
  7. ^ A b Yu, C. „Termoelektrické zpětné získávání tepelné energie z automobilového odpadu pomocí sledování bodu maximálního výkonu“. Přeměna a správa energie, 2008, VOL 50; strana 1506
  8. ^ Chuang Yu; Chau K.T. (Červenec 2009). "Termoelektrické zpětné získávání tepelné energie z automobilového odpadu pomocí sledování bodu maximálního výkonu". Přeměna a správa energie. 50 (6): 1506–1512. doi:10.1016 / j.enconman.2009.02.015.
  9. ^ A b Fernández-Yáñez, P .; Armas, O .; Kiwan, R .; Stefanopoulou, A.G.; Boehman, A.L. (listopad 2018). „Termoelektrický generátor ve výfukových systémech zážehových a vznětových motorů. Srovnání s elektrickým turbogenerátorem.“ Aplikovaná energie. 229: 80–87. doi:10.1016 / j.apenergy.2018.07.107. ISSN  0306-2619.
  10. ^ Durand, Thibaut; Dimopoulos Eggenschwiler, Panayotis; Tang, Yinglu; Liao, Yujun; Landmann, Daniel (červenec 2018). "Potenciál rekuperace energie ve výfukových plynech nejmodernějších lehkých užitkových vozidel s termoelektrickými prvky". Palivo. 224: 271–279. doi:10.1016 / j.fuel.2018.03.078. ISSN  0016-2361.
  11. ^ Haidar, J.G .; Ghojel, J.I. (2001). Rekuperace odpadního tepla z výfuku vznětového motoru s nízkým výkonem pomocí termoelektrických generátorů. Sborník ICT2001. 20 Mezinárodní konference o termoelektrice (kat. Č. 01TH8589). Institute of Electrical and Electronics Engineers. 413–418. doi:10.1109 / ict.2001.979919. ISBN  978-0780372054.
  12. ^ Friedrich, Horst; Schier, Michael; Häfele, Christian; Weiler, Tobias (duben 2010). „Elektřina z výfuků - vývoj termoelektrických generátorů pro použití ve vozidlech“. ATZ po celém světě. 112 (4): 48–54. doi:10.1007 / bf03225237. ISSN  2192-9076.
  13. ^ Fernández-Yañez, Pablo; Armas, Octavio; Capetillo, Azael; Martínez-Martínez, Simón (září 2018). "Termická analýza termoelektrického generátoru pro lehké dieselové motory". Aplikovaná energie. 226: 690–702. doi:10.1016 / j.apenergy.2018.05.114. ISSN  0306-2619.
  14. ^ Wang, Yiping; Li, Shuai; Xie, Xu; Deng, Yadong; Liu, Xun; Su, Chuqi (květen 2018). "Hodnocení výkonu automobilového termoelektrického generátoru s vloženými žebry nebo horkým tepelným výměníkem se ztlumeným povrchem". Aplikovaná energie. 218: 391–401. doi:10.1016 / j.apenergy.2018.02.02.176. ISSN  0306-2619.
  15. ^ Kim, Tae Young; Negash, Assmelash A .; Cho, Gyubaek (září 2016). "Rekuperace odpadního tepla z dieselového motoru pomocí termoelektrického generátoru vybaveného přizpůsobenými termoelektrickými moduly". Přeměna a správa energie. 124: 280–286. doi:10.1016 / j.enconman.2016.07.013. ISSN  0196-8904.
  16. ^ A b Stabler, Francis. "Problémy s designem automobilového termoelektrického generátoru". Workshop termoelektrických aplikací DOE.
  17. ^ „Partnerství termoelektrik NSF / DOE: Termoelektrika pro rekuperaci tepla z automobilového odpadu | Oddělení energetiky“. energie.gov. Citováno 1. května 2017.
  18. ^ Média, BioAge. „Green Car Congress: Alphabet Energy představuje PowerModules pro modulární termoelektrické zpětné získávání odpadního tepla; partnerství se společností Borla pro těžké nákladní vozy“. www.greencarcongress.com. Citováno 1. května 2017.
  19. ^ Lu, Xu; Morelli, Donald T. (26. března 2013). "Přírodní minerální tetraedrit jako přímý zdroj termoelektrických materiálů". Fyzikální chemie Chemická fyzika. 15 (16): 5762–6. Bibcode:2013PCCP ... 15,5762L. doi:10.1039 / C3CP50920F. ISSN  1463-9084. PMID  23503421.
  20. ^ „Alphabet Energy goes from B to C round · Články · Global University Venturing“. www.globaluniversityventuring.com. Citováno 1. května 2017.
  21. ^ „Technologie regulace emisí“. Faurecia Severní Amerika. Archivovány od originál dne 5. srpna 2017. Citováno 1. května 2017.
  22. ^ Stabler, Francis. "Výhody termoelektrické technologie pro automobil". Workshop termoelektrických aplikací DOE.
  23. ^ A. B. Neild, Jr., SAE-645A (1963).
  24. ^ Birkholz, U., a kol. "Konverze odpadního tepla z výfuků v automobilech pomocí termoprvků FeSi2". Proc. 7. mezinárodní konference o přeměně termoelektrické energie. 1988, Arlington, USA, str. 124-128.
  25. ^ Orr, B .; Akbarzadeh, A .; Mochizuki, M .; Singh, R. (25. května 2016). „Přehled systémů rekuperace odpadního tepla z automobilů využívajících termoelektrické generátory a tepelné trubky“. Aplikovaná tepelná technika. 101: 490–495. doi:10.1016 / j.applthermaleng.2015.10.081.
  26. ^ „Green Car Congress: Thermoelectrics“. www.greencarcongress.com. Citováno 1. května 2017.
  27. ^ Thacher EF, Helenbrook BT, Karri MA a Richter Clayton J. „Testování automobilového termoelektrického výfukového termoelektrického generátoru v lehkém nákladním vozidle“ Sborník I MECH E část D Journal of Automobile Engineering, svazek 221, číslo 1, 2007, str . 95-107 (13)
  28. ^ „2012 10Best: 10 Nejslibnější technologie budoucnosti: Thermal Juice“, Řidič auta, Prosinec 2011.