stringtranslate.com

Автомобильный термоэлектрический генератор

Автомобильный термоэлектрический генератор (ATEG) — это устройство, которое преобразует часть отработанного тепла двигателя внутреннего сгорания (IC) в электричество с использованием эффекта Зеебека . Типичный ATEG состоит из четырех основных элементов: теплообменника с горячей стороны , теплообменника с холодной стороны, термоэлектрических материалов и системы компрессионной сборки. ATEG могут преобразовывать отработанное тепло от охлаждающей жидкости двигателя или выхлопных газов в электричество. Возвращая эту в противном случае потерянную энергию, ATEG уменьшают потребление топлива электрогенераторной нагрузкой на двигатель. Однако необходимо также учитывать стоимость устройства и дополнительное потребление топлива из-за его веса.

Принципы работы

В ATEG термоэлектрические материалы упакованы между теплообменниками горячей и холодной стороны . Термоэлектрические материалы состоят из полупроводников p-типа и n-типа , а теплообменники представляют собой металлические пластины с высокой теплопроводностью . [1]

Разница температур между двумя поверхностями термоэлектрического модуля(ей) генерирует электроэнергию с использованием эффекта Зеебека. Когда горячий выхлоп двигателя проходит через выхлопной ATEG, носители заряда полупроводников внутри генератора диффундируют из теплообменника с горячей стороны в теплообменник с холодной стороны. Накопление носителей заряда приводит к чистому заряду, создавая электростатический потенциал , в то время как передача тепла приводит в движение ток. [2] При температуре выхлопа 700 °C (≈1300 °F) или более разница температур между выхлопным газом на горячей стороне и охлаждающей жидкостью на холодной стороне составляет несколько сотен градусов. [3] Эта разница температур способна генерировать 500-750 Вт электроэнергии. [4]

Система компрессионной сборки направлена ​​на снижение теплового контактного сопротивления между термоэлектрическим модулем и поверхностями теплообменника. В ATEG на основе охлаждающей жидкости теплообменник холодной стороны использует охлаждающую жидкость двигателя в качестве охлаждающей жидкости, тогда как в ATEG на основе выхлопных газов теплообменник холодной стороны использует окружающий воздух в качестве охлаждающей жидкости.

Эффективность

В настоящее время КПД ATEG составляет около 5%. Однако, достижения в области тонкопленочных и квантовых технологий могут повысить КПД до 15% в будущем. [5]

Эффективность ATEG определяется эффективностью термоэлектрического преобразования материалов и тепловой эффективностью двух теплообменников. Эффективность ATEG можно выразить как: [6]

ζ OV = ζ CONV х ζ HX х ρ

Где:

Преимущества

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 через тепло выхлопных газов. [7] [8] Внедрение ATEG в дизельные двигатели представляется более сложной задачей по сравнению с бензиновыми двигателями из-за более низкой температуры выхлопных газов и более высокого массового расхода. [9] [10] Именно поэтому большинство разработок ATEG было сосредоточено на бензиновых двигателях. [6] [11] [12] Однако существует несколько конструкций ATEG для легких [13] и тяжелых [14] [15] дизельных двигателей.

Преобразуя потерянное тепло в электричество, ATEG снижают расход топлива за счет снижения нагрузки электрогенератора на двигатель. ATEG позволяют автомобилю вырабатывать электроэнергию из тепловой энергии двигателя, а не использовать механическую энергию для питания электрогенератора. Поскольку электричество вырабатывается из отработанного тепла, которое в противном случае было бы выброшено в окружающую среду, двигатель сжигает меньше топлива для питания электрических компонентов автомобиля, таких как фары. Следовательно, автомобиль выбрасывает меньше выбросов. [4]

Снижение расхода топлива также приводит к повышению экономии топлива. Замена обычного электрогенератора на ATEG может в конечном итоге повысить экономию топлива до 4%. [16]

Способность ATEG вырабатывать электроэнергию без движущихся частей является преимуществом по сравнению с альтернативными механическими электрогенераторами . [1] Кроме того, было заявлено, что в условиях маломощных двигателей ATEG могут собирать больше чистой энергии, чем электрические турбогенераторы. [9]

Вызовы

Самой большой проблемой для масштабирования ATEG от прототипирования до производства была стоимость базовых термоэлектрических материалов. С начала 2000-х годов многие исследовательские агентства и институты вкладывали большие суммы денег в повышение эффективности термоэлектрических материалов. Хотя были достигнуты улучшения эффективности 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 частности, к недорогому производству тетраэдрита Мичиганским государственным университетом [19] и его коммерциализации американской Alphabet Energy совместно с General Motors . [20]

Как и любой новый компонент автомобиля, использование ATEG также представляет новые инженерные проблемы, которые необходимо учитывать. Однако, учитывая относительно небольшое влияние ATEG на использование автомобиля, его проблемы не столь значительны, как другие новые автомобильные технологии. Например, поскольку выхлопные газы должны проходить через теплообменник ATEG, кинетическая энергия газа теряется, что приводит к увеличению потерь на насосную передачу. Это называется противодавлением , которое снижает производительность двигателя. [7] Это можно объяснить уменьшением размера глушителя, что приводит к нулевому чистому или даже отрицательному общему противодавлению на двигателе, как показали Faurecia и другие компании. [21]

Чтобы сделать эффективность ATEG более постоянной, охлаждающая жидкость обычно используется на теплообменнике холодной стороны, а не окружающий воздух, чтобы разница температур была одинаковой как в жаркие, так и в холодные дни. Это может увеличить размер радиатора, поскольку трубопровод должен быть продлен до выпускного коллектора, и это может увеличить нагрузку на радиатор, поскольку больше тепла передается охлаждающей жидкости. [16] Правильный тепловой дизайн не требует увеличенной системы охлаждения.

Дополнительный вес ATEG заставляет двигатель работать тяжелее, что приводит к снижению расхода топлива. Однако большинство исследований по повышению эффективности автомобилей с использованием ATEG показали чистый положительный прирост эффективности, даже при учете веса устройства. [22]

История

Хотя эффект Зеебека был открыт в 1821 году, использование термоэлектрических генераторов энергии ограничивалось в основном военными и космическими приложениями до второй половины двадцатого века. Это ограничение было вызвано низкой эффективностью преобразования термоэлектрических материалов в то время.

В 1963 году был построен первый ATEG, о котором сообщили Нилд и др. [23] В 1988 году Биркхольц и др. опубликовали результаты своей работы в сотрудничестве с Porsche . Эти результаты описали ATEG на основе выхлопных газов, который интегрировал термоэлектрические материалы на основе железа между теплообменником из углеродистой стали с горячей стороны и алюминиевым теплообменником с холодной стороны. Этот ATEG мог вырабатывать десятки ватт из выхлопной системы Porsche 944. [24]

В начале 1990-х годов Hi-Z Inc спроектировала ATEG, который мог производить 1 кВт из выхлопной системы дизельного грузовика. В последующие годы компания представила другие проекты для дизельных грузовиков, а также военных транспортных средств

В конце 1990-х годов Nissan Motors опубликовала результаты испытаний своего ATEG, в котором использовались термоэлектрические материалы SiGe . Nissan ATEG выдал 35,6 Вт в условиях испытаний, аналогичных условиям работы 3,0 -литрового бензинового двигателя в режиме подъема на холм на скорости 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, построили и испытали прототипы. [25] [26] [27]

В январе 2012 года журнал Car and Driver назвал ATEG, созданный командой под руководством Amerigon (теперь Gentherm Incorporated ), одной из 10 «самых многообещающих» технологий. [28]

Внешние ссылки

Ссылки

  1. ^ ab Yang, Jihui; Stabler, Francis R. (13 февраля 2009 г.). «Применение термоэлектрических материалов в автомобилях». Journal of Electronic Materials . 38 (7): 1245–1251. Bibcode : 2009JEMat..38.1245Y. doi : 10.1007/s11664-009-0680-z. S2CID  136893601.
  2. ^ Снайдер, Г. Джеффри; Тоберер, Эрик С. (февраль 2008 г.). «Комплексные термоэлектрические материалы». Nature Materials . 7 (2): 105–14. Bibcode :2008NatMa...7..105S. doi :10.1038/nmat2090. PMID  18219332.
  3. ^ "TEGs – Использование выхлопных газов автомобилей для снижения выбросов". Science 2.0 . 27 августа 2014 г. Получено 23 сентября 2020 г.
  4. ^ ab Laird, Lorelei (16 августа 2010 г.). «Может ли TEG повысить эффективность вашего автомобиля?». Energy Blog . United States Department of Energy . Архивировано из оригинала 19 июля 2011 г. Получено 22 сентября 2020 г.
  5. ^ Смит, Кандлер; Торнтон, Мэтью (январь 2009 г.), Возможность использования термоэлектрических устройств для рекуперации отработанного тепла в обычных транспортных средствах, Национальная лаборатория возобновляемой энергии , doi : 10.2172/951806
  6. ^ ab Ikoma K.; Munekiyo M.; Kobayashi M.; et al. (28 марта 1998 г.). Термоэлектрический модуль и генератор для автомобилей с бензиновым двигателем . Семнадцатая международная конференция по термоэлектрике. Труды ICT98 (кат. 98TH8365). Нагоя, Япония: Институт инженеров по электротехнике и электронике . стр. 464–467. doi :10.1109/ICT.1998.740419.
  7. ^ ab Yu, C. «Термоэлектрическая автомобильная рекуперация тепловой энергии с использованием отслеживания точки максимальной мощности». Energy Conversion and Management, 2008, VOL 50; page 1506
  8. ^ Чуан Юй; Чау К. Т. (июль 2009 г.). «Термоэлектрическая автомобильная рекуперация отработанного тепла с использованием отслеживания точки максимальной мощности». Преобразование энергии и управление . 50 (6): 1506–1512. doi :10.1016/j.enconman.2009.02.015.
  9. ^ ab Fernández-Yáñez, P.; Armas, O.; Kiwan, R.; Stefanopoulou, AG ; Boehman, AL (ноябрь 2018 г.). «Термоэлектрический генератор в выхлопных системах двигателей с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия. Сравнение с электрическим турбогенератором». Applied Energy . 229 : 80–87. doi : 10.1016/j.apenergy.2018.07.107. ISSN  0306-2619. S2CID  116417579.
  10. ^ Дюран, Тибо; Димопулос Эггеншвилер, Панайотис; Тан, Инлу; Ляо, Юйцзюнь; Ландманн, Даниэль (июль 2018 г.). «Потенциал рекуперации энергии в выхлопных газах современных легковых автомобилей с термоэлектрическими элементами». Fuel . 224 : 271–279. doi :10.1016/j.fuel.2018.03.078. ISSN  0016-2361. S2CID  102527579.
  11. ^ Хайдар, Дж. Г.; Гходжел, Дж. И. (2001). «Утилизация отработанного тепла от выхлопных газов маломощных дизельных двигателей с использованием термоэлектрических генераторов». Труды ICT2001. 20 Международная конференция по термоэлектрике (Кат. № 01TH8589) . Институт инженеров по электротехнике и электронике . С. 413–418. doi :10.1109/ict.2001.979919. ISBN 978-0780372054. S2CID  110866420.
  12. ^ Фридрих, Хорст; Шир, Михаэль; Хефеле, Кристиан; Вайлер, Тобиас (апрель 2010 г.). «Электричество из выхлопных газов — разработка термоэлектрических генераторов для использования в транспортных средствах». ATZ Worldwide . 112 (4): 48–54. doi :10.1007/bf03225237. ISSN  2192-9076.
  13. ^ Фернандес-Яньес, Пабло; Армас, Октавио; Капетильо, Азаэль; Мартинес-Мартинес, Симон (сентябрь 2018 г.). «Термический анализ термоэлектрического генератора малотоннажных дизелей». Прикладная энергетика . 226 : 690–702. doi :10.1016/j.apenergy.2018.05.114. ISSN  0306-2619. S2CID  115282082.
  14. ^ Ван, Ипин; Ли, Шуай; Се, Сюй; Дэн, Ядун; Лю, Сюнь; Су, Чуци (май 2018 г.). «Оценка производительности автомобильного термоэлектрического генератора со вставленными ребрами или горячим теплообменником с ямочной поверхностью». Applied Energy . 218 : 391–401. doi :10.1016/j.apenergy.2018.02.176. ISSN  0306-2619.
  15. ^ Ким, Тэ Янг; Негаш, Ассмелаш А.; Чо, Гюбэк (сентябрь 2016 г.). «Утилизация отработанного тепла дизельного двигателя с использованием термоэлектрического генератора, оснащенного индивидуальными термоэлектрическими модулями». Energy Conversion and Management . 124 : 280–286. doi :10.1016/j.enconman.2016.07.013. ISSN  0196-8904.
  16. ^ ab Stabler, Francis. «Проблемы проектирования автомобильных термоэлектрических генераторов». Семинар по термоэлектрическим применениям DOE.
  17. ^ "Партнерство NSF/DOE по термоэлектричеству: термоэлектричество для утилизации отходящего тепла в автомобилях | Министерство энергетики". energy.gov . Получено 1 мая 2017 г.
  18. ^ Медиа, BioAge. «Конгресс зеленых автомобилей: Alphabet Energy представляет PowerModules для модульной термоэлектрической рекуперации отработанного тепла; партнерство с Borla для большегрузных автомобилей». www.greencarcongress.com . Получено 1 мая 2017 г.
  19. ^ 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. Bibcode :2013PCCP...15.5762L. doi :10.1039/C3CP50920F. ISSN  1463-9084. PMID  23503421.
  20. ^ "Alphabet Energy переходит из раунда B в раунд C · Статьи · Глобальное университетское венчурное финансирование". www.globaluniversityventuring.com . Получено 1 мая 2017 г.
  21. ^ "Технологии контроля выбросов". Faurecia North America . Архивировано из оригинала 5 августа 2017 года . Получено 1 мая 2017 года .
  22. ^ Стаблер, Фрэнсис. «Преимущества термоэлектрической технологии для автомобилей». Семинар по термоэлектрическим применениям Министерства энергетики США.
  23. ^ AB Нейлд-младший, SAE-645A (1963).
  24. ^ Биркхольц, У. и др. «Преобразование тепла отработавших газов в автомобиле с использованием термоэлементов FeSi2». Труды 7-й Международной конференции по термоэлектрическому преобразованию энергии. 1988, Арлингтон, США, стр. 124-128.
  25. ^ Орр, Б.; Акбарзаде, А.; Мочизуки, М.; Сингх, Р. (25 мая 2016 г.). «Обзор систем рекуперации отработанного тепла автомобилей с использованием термоэлектрических генераторов и тепловых труб». Прикладная теплотехника . 101 : 490–495. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.081 .
  26. ^ "Конгресс зеленых автомобилей: термоэлектричество". www.greencarcongress.com . Получено 1 мая 2017 г. .
  27. ^ Thacher EF, Helenbrook BT, Karri MA и Richter Clayton J. «Испытание автомобильного термоэлектрического выхлопного термоэлектрического генератора на легком грузовике» Труды журнала I MECH E Часть D по автомобильной инженерии, том 221, номер 1, 2007, стр. 95-107(13)
  28. ^ «2012 10Best: 10 самых многообещающих технологий будущего: термальный сок», Car & Driver , декабрь 2011 г.