Автомобильный термоэлектрический генератор
| Термоэлектрический эффект |
|---|
 |
Автомобильный термоэлектрический генератор (ATEG) — это устройство, которое преобразует часть отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания (IC) в электричество с помощью эффекта Зеебека . Типичный ATEG состоит из четырех основных элементов: теплообменника горячей стороны , теплообменника холодной стороны, термоэлектрических материалов и системы компрессионного узла. ATEG могут преобразовывать отходящее тепло охлаждающей жидкости или выхлопных газов двигателя в электричество. Возвращая эту потерянную в противном случае энергию, ATEG уменьшают расход топлива, потребляемого нагрузкой электрогенератора на двигатель. Однако необходимо также учитывать стоимость агрегата и дополнительный расход топлива из-за его веса.
Принципы работы
[ редактировать ]горячей и холодной стороны В ATEG термоэлектрические материалы упакованы между теплообменниками . Термоэлектрические материалы состоят из полупроводников p- и n-типа , а теплообменники представляют собой металлические пластины с высокой теплопроводностью . [ 1 ]
Разница температур между двумя поверхностями термоэлектрического модуля (модулей) генерирует электричество с использованием эффекта Зеебека. Когда горячие выхлопы двигателя проходят через выхлопной ATEG, носители заряда полупроводников внутри генератора диффундируют из теплообменника горячей стороны в теплообменник холодной стороны. Накопление носителей заряда приводит к образованию суммарного заряда, создающего электростатический потенциал , в то время как передача тепла вызывает ток. [ 2 ] При температуре выхлопных газов 700 °C (≈1300 °F) и более разница температур между выхлопными газами на горячей стороне и охлаждающей жидкостью на холодной стороне составляет несколько сотен градусов. [ 3 ] Такая разница температур способна вырабатывать 500-750 Вт электроэнергии. [ 4 ]
Система компрессионной сборки направлена на снижение термического контактного сопротивления между термоэлектрическим модулем и поверхностями теплообменника. В ATEG с охлаждающей жидкостью теплообменник холодной стороны использует охлаждающую жидкость двигателя в качестве охлаждающей жидкости, тогда как в ATEG с выхлопными газами теплообменник холодной стороны использует окружающий воздух в качестве охлаждающей жидкости.
Эффективность
[ редактировать ]В настоящее время эффективность ATEG составляет около 5%. Однако достижения в области технологий тонких пленок и квантовых ям могут повысить эффективность до 15% в будущем. [ 5 ]
Эффективность ATEG определяется эффективностью термоэлектрического преобразования материалов и тепловым КПД двух теплообменников. Эффективность ATEG можно выразить как: [ 6 ]
- ζ OV = ζ CONV х ζ HX х ρ
Где:
- ζ OV : Общий КПД ATEG.
- ζ CONV : эффективность преобразования термоэлектрических материалов.
- ζ HX : КПД теплообменников
- ρ: отношение тепла, прошедшего через термоэлектрические материалы, к количеству тепла, переданного от горячей стороны к холодной стороне.
Преимущества
[ редактировать ]Основная цель ATEG — снизить расход топлива и, следовательно, снизить эксплуатационные расходы транспортного средства или помочь транспортному средству соответствовать стандартам топливной эффективности . Сорок процентов энергии двигателя внутреннего сгорания теряется из-за тепла выхлопных газов. [ 7 ] [ 8 ] Внедрение ATEG в дизельные двигатели кажется более сложной задачей по сравнению с бензиновыми двигателями из-за более низкой температуры выхлопных газов и более высокого массового расхода. [ 9 ] [ 10 ] Именно по этой причине большая часть разработок ATEG была сосредоточена на бензиновых двигателях. [ 6 ] [ 11 ] [ 12 ] Однако существует несколько конструкций ATEG для легких условий эксплуатации. [ 13 ] и сверхмощный [ 14 ] [ 15 ] дизельные двигатели.
Преобразуя потерянное тепло в электричество, ATEG снижают расход топлива за счет снижения нагрузки электрогенератора на двигатель. ATEG позволяют автомобилю генерировать электроэнергию из тепловой энергии двигателя, а не использовать механическую энергию для питания электрогенератора. Поскольку электричество вырабатывается из отходящего тепла, которое в противном случае было бы выброшено в окружающую среду, двигатель сжигает меньше топлива для питания электрических компонентов автомобиля, таких как фары. Таким образом, автомобиль выбрасывает меньше выбросов. [ 4 ]
Снижение расхода топлива также приводит к увеличению топливной экономичности. Замена обычного электрогенератора на ATEG может в конечном итоге увеличить экономию топлива до 4%. [ 16 ]
Способность ATEG генерировать электроэнергию без движущихся частей является преимуществом перед альтернативными механическими электрогенераторами . [ 1 ] Кроме того, было заявлено, что в условиях двигателя малой мощности ATEG могут собирать больше полезной энергии, чем электрические турбогенераторы. [ 9 ]
Проблемы
[ редактировать ]Самой большой проблемой при масштабировании ATEG от прототипирования до производства была стоимость основных термоэлектрических материалов. С начала 2000-х годов многие исследовательские агентства и институты вложили большие суммы денег в повышение эффективности термоэлектрических материалов. Хотя повышение эффективности было достигнуто в таких материалах, как полугейслеры и скуттерудиты , как и их предшественники теллурид висмута и теллурид свинца , стоимость этих материалов оказалась непомерно высокой для крупномасштабного производства. [ 17 ] Недавние достижения некоторых исследователей и компаний в области недорогих термоэлектрических материалов привели к значительным коммерческим перспективам для ATEG. [ 18 ] в первую очередь недорогое производство тетраэдрита Мичиганским государственным университетом. [ 19 ] и его коммерциализация американской компанией Alphabet Energy совместно с General Motors . [ 20 ]
Как и любой новый компонент автомобиля, использование ATEG также сопряжено с новыми инженерными проблемами, которые необходимо учитывать. Однако, учитывая относительно небольшое влияние ATEG на использование автомобиля, ее проблемы не так значительны, как другие новые автомобильные технологии. Например, поскольку выхлопные газы должны проходить через теплообменник ATEG, кинетическая энергия газа теряется, что приводит к увеличению потерь при перекачке. Это называется противодавлением , которое снижает производительность двигателя. [ 7 ] Это можно объяснить уменьшением размера глушителя, что приводит к нулевому или даже отрицательному общему противодавлению в двигателе, как показали Faurecia и другие компании. [ 21 ]
Чтобы сделать эффективность ATEG более стабильной, в теплообменнике с холодной стороны обычно используется охлаждающая жидкость, а не окружающий воздух, чтобы разница температур была одинаковой как в жаркие, так и в холодные дни. Это может увеличить размер радиатора, поскольку трубопроводы должны быть продлены до выпускного коллектора, и это может увеличить нагрузку на радиатор, поскольку охлаждающей жидкости передается больше тепла. [ 16 ] Правильный тепловой расчет не требует увеличенной системы охлаждения.
Дополнительный вес ATEG заставляет двигатель работать интенсивнее, что приводит к снижению расхода бензина. Однако большинство исследований по повышению эффективности автомобилей ATEG привели к чистому положительному увеличению эффективности, даже с учетом веса устройства. [ 22 ]
История
[ редактировать ]Хотя эффект Зеебека был открыт в 1821 году, до второй половины двадцатого века использование термоэлектрических генераторов ограничивалось в основном военными и космическими приложениями. Это ограничение было вызвано низкой в то время эффективностью преобразования термоэлектрических материалов.
В 1963 году был построен первый ATEG, о котором сообщили Neild et al. [ 23 ] В 1988 году Биркхольц и др. опубликовали результаты своей работы в сотрудничестве с Porsche . Эти результаты описывают ATEG на основе выхлопных газов, который объединяет железа термоэлектрические материалы на основе между теплообменником горячей стороны из углеродистой стали и теплообменником холодной стороны из алюминия. Этот ATEG мог производить десятки ватт из выхлопной системы Porsche 944 . [ 24 ]
В начале 1990-х годов компания Hi-Z Inc разработала ATEG, который мог производить 1 кВт из выхлопной системы дизельного грузовика. В последующие годы компания представила другие конструкции для дизельных грузовиков, а также военной техники.
В конце 1990-х годов компания Nissan Motors опубликовала результаты испытаний своего ATEG, в котором использовались SiGe термоэлектрические материалы . Nissan ATEG выдал 35,6 Вт в условиях испытаний, аналогичных условиям работы бензинового двигателя объемом 3,0 л в режиме подъема на гору со скоростью 60,0 км/ч.
С начала 2000-х годов почти каждый крупный автопроизводитель и поставщик выхлопных систем экспериментировал или изучал термоэлектрические генераторы, а такие компании, как General Motors, BMW, Daimler, Ford, Renault, Honda, Toyota, Hyundai, Valeo, Boysen, Faurecia, Tenneco, Denso, Gentherm Inc. , Alphabet Energy и многие другие создали и протестировали прототипы. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
В январе 2012 года издание Car and Driver назвало ATEG, созданную командой под руководством Amerigon (ныне Gentherm Incorporated ), одной из 10 «наиболее многообещающих» технологий. [ 28 ]
Внешние ссылки
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Ян, Цзихуэй; Стейблер, Фрэнсис Р. (13 февраля 2009 г.). «Применение термоэлектрических материалов в автомобилестроении». Журнал электронных материалов . 38 (7): 1245–1251. Бибкод : 2009JEMat..38.1245Y . дои : 10.1007/s11664-009-0680-z . S2CID 136893601 .
- ^ Снайдер, Дж. Джеффри; Тоберер, Эрик С. (февраль 2008 г.). «Сложные термоэлектрические материалы» . Природные материалы . 7 (2): 105–14. Бибкод : 2008NatMa...7..105S . дои : 10.1038/nmat2090 . ПМИД 18219332 .
- ^ «ТЭГ – использование выхлопных газов автомобилей для снижения выбросов» . Наука 2.0 . 27 августа 2014 года . Проверено 23 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Лэрд, Лорелей (16 августа 2010 г.). «Может ли TEG повысить эффективность вашего автомобиля?» . Энергетический блог . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Проверено 22 сентября 2020 г.
- ^ Смит, Кандлер; Торнтон, Мэтью (январь 2009 г.), Осуществимость термоэлектрики для рекуперации отходящего тепла в обычных транспортных средствах , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии , номер документа : 10.2172/951806
- ^ Jump up to: а б Икома К.; Мунекиё М.; Кобаяши М.; и др. (28 марта 1998 г.). Термоэлектрический модуль и генератор для автомобилей с бензиновыми двигателями . Семнадцатая международная конференция по термоэлектрике. Труды ICT98 (кат. 98TH8365). Нагоя, Япония: Институт инженеров по электротехнике и электронике . стр. 464–467. дои : 10.1109/ICT.1998.740419 .
- ^ Jump up to: а б Ю, К. «Термоэлектрическая рекуперация тепловой энергии автомобильных отходов с использованием отслеживания точки максимальной мощности». Преобразование энергии и управление ею, 2008, ТОМ 50; страница 1506
- ^ Чуан Юй; Чау КТ (июль 2009 г.). «Термоэлектрическая рекуперация тепловой энергии автомобильных отходов с использованием отслеживания точки максимальной мощности». Преобразование энергии и управление . 50 (6): 1506–1512. дои : 10.1016/j.enconman.2009.02.015 .
- ^ Jump up to: а б Фернандес-Яньес, П.; Армас, О.; Киван, Р.; Стефанопулу, АГ ; Боеман, Ал. (ноябрь 2018 г.). «Термоэлектрический генератор в выхлопных системах двигателей с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия. Сравнение с электрическим турбогенератором». Прикладная энергетика . 229 : 80–87. дои : 10.1016/j.apenergy.2018.07.107 . ISSN 0306-2619 . S2CID 116417579 .
- ^ Дюран, Тибо; Димопулос Эггеншвилер, Панайотис; Тан, Инлу; Ляо, Юцзюнь; Ландманн, Дэниел (июль 2018 г.). «Возможность рекуперации энергии в выхлопных газах современных легковых автомобилей с термоэлектрическими элементами». Топливо . 224 : 271–279. doi : 10.1016/j.fuel.2018.03.078 . ISSN 0016-2361 . S2CID 102527579 .
- ^ Хайдар, Дж.Г.; Годжель, Джи (2001). «Утилизация отработанного тепла выхлопных газов маломощных дизелей с помощью термоэлектрических генераторов». Труды ИКТ2001. 20 Международная конференция по термоэлектрике (Кат. № 01TH8589) . Институт инженеров электротехники и электроники . стр. 413–418. дои : 10.1109/ict.2001.979919 . ISBN 978-0780372054 . S2CID 110866420 .
- ^ Фридрих, Хорст; Шир, Майкл; Хефеле, Кристиан; Вейлер, Тобиас (апрель 2010 г.). «Электричество из выхлопов — разработка термоэлектрических генераторов для использования в транспортных средствах». АТЗ по всему миру . 112 (4): 48–54. дои : 10.1007/bf03225237 . ISSN 2192-9076 .
- ^ Фернандес-Яньес, Пабло; Армас, Октавио; Капетильо, Азаэль; Мартинес-Мартинес, Симон (сентябрь 2018 г.). «Термический анализ термоэлектрического генератора малотоннажных дизелей». Прикладная энергетика . 226 : 690–702. дои : 10.1016/j.apenergy.2018.05.114 . ISSN 0306-2619 . S2CID 115282082 .
- ^ Ван, Ипин; Ли, Шуай; Се, Сюй; Дэн, Ядун; Лю, Сюнь; Су, Чуци (май 2018 г.). «Оценка характеристик автомобильного термоэлектрического генератора со вставленными ребрами или горячим теплообменником с ямочками». Прикладная энергетика . 218 : 391–401. дои : 10.1016/j.apenergy.2018.02.176 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Ким, Тэ Ён; Негаш, Ассмелаш А.; Чо, Гюбек (сентябрь 2016 г.). «Утилизация отработанного тепла дизельного двигателя с помощью термоэлектрического генератора, оснащенного индивидуальными термоэлектрическими модулями». Преобразование энергии и управление . 124 : 280–286. дои : 10.1016/j.enconman.2016.07.013 . ISSN 0196-8904 .
- ^ Jump up to: а б Стейблер, Фрэнсис. «Проблемы проектирования автомобильных термоэлектрических генераторов». Семинар Министерства энергетики США по термоэлектрическим применениям.
- ^ «Партнерство NSF/DOE в области термоэлектрики: термоэлектрика для утилизации отработанного тепла в автомобиле | Министерство энергетики» . Energy.gov.ru . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ СМИ, БиоЭйдж. «Конгресс экологических автомобилей: Alphabet Energy представляет PowerModules для модульной термоэлектрической утилизации тепла; партнерство с Borla для тяжелых грузовиков» . www.greencarcongress.com . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ Лу, Сюй; Морелли, Дональд Т. (26 марта 2013 г.). «Природный минерал тетраэдрит как прямой источник термоэлектрических материалов». Физическая химия Химическая физика . 15 (16): 5762–6. Бибкод : 2013PCCP...15.5762L . дои : 10.1039/C3CP50920F . ISSN 1463-9084 . ПМИД 23503421 .
- ^ «Энергия алфавита переходит от раунда B к раунду C · Статьи · Глобальное университетское предприятие» . www.globaluniversityventuring.com . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ «Технологии контроля выбросов» . Форесия Северная Америка . Архивировано из оригинала 5 августа 2017 года . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ Стейблер, Фрэнсис. «Преимущества термоэлектрических технологий для автомобиля». Семинар Министерства энергетики США по термоэлектрическим применениям.
- ^ AB Neild, младший, SAE-645A (1963).
- ^ Биркхольц, У. и др. «Преобразование тепла отработанных выхлопных газов в автомобиле с помощью термоэлементов FeSi2». Учеб. 7-я Международная конференция по термоэлектрическому преобразованию энергии. 1988, Арлингтон, США, стр. 124–128.
- ^ Орр, Б.; Акбарзаде, А.; Мотидзуки, М.; Сингх, Р. (25 мая 2016 г.). «Обзор систем утилизации тепла автомобилей с использованием термоэлектрических генераторов и тепловых трубок» . Прикладная теплотехника . 101 : 490–495. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.081 .
- ^ «Конгресс зеленых автомобилей: термоэлектрика» . www.greencarcongress.com . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ Тэчер Э.Ф., Хеленбрук Б.Т., Карри М.А. и Рихтер Клейтон Дж. «Испытание термоэлектрического генератора на основе автомобильных термоэлектрических выхлопов в легком грузовике» Труды журнала автомобильной техники I MECH E Part D, том 221, номер 1, 2007 г., стр. 95-107(13)
- ^ «10 лучших в 2012 году: 10 самых многообещающих технологий будущего: термальный сок» , Car & Driver , декабрь 2011 г.