Generator termoelectric auto - Automotive thermoelectric generator
| Efect termoelectric |
|---|
 |
Un generator termoelectric pentru autovehicule (ATEG) este un dispozitiv care transformă o parte din căldura reziduală a unui motor cu ardere internă (IC) în electricitate utilizând efectul Seebeck . Un ATEG tipic constă din patru elemente principale: un schimbător de căldură pe partea caldă , un schimbător de căldură pe partea rece, materiale termoelectrice și un sistem de asamblare prin compresie. ATEG-urile pot transforma căldura reziduală din lichidul de răcire sau evacuarea motorului în electricitate. Recuperând această energie pierdută altfel, ATEG-urile scad combustibilul consumat de sarcina generatorului electric de pe motor. Cu toate acestea, trebuie luate în considerare și costul unității și combustibilul suplimentar consumat din cauza greutății sale.
Principii de funcționare
În ATEG-uri, materialele termoelectrice sunt ambalate între schimbătoarele de căldură din partea fierbinte și cea din partea rece . Materialele termoelectrice sunt formate din semiconductori de tip p și n , în timp ce schimbătoarele de căldură sunt plăci metalice cu conductivitate termică ridicată .
Diferența de temperatură dintre cele două suprafețe ale modulelor termoelectrice generează energie electrică folosind efectul Seebeck. Când eșapamentul fierbinte de la motor trece printr-un ATEG de eșapament, purtătorii de sarcină ai semiconductoarelor din generator difuzează de la schimbătorul de căldură pe partea fierbinte la schimbătorul pe partea rece. Acumularea purtătorilor de sarcină are ca rezultat o încărcare netă, producând un potențial electrostatic în timp ce transferul de căldură conduce un curent. Cu temperaturi de evacuare de 700 ° C (≈1300 ° F) sau mai mult, diferența de temperatură dintre gazele de eșapament pe partea fierbinte și lichidul de răcire pe partea rece este de câteva sute de grade. Această diferență de temperatură este capabilă să genereze 500-750 W de energie electrică.
Sistemul de asamblare prin compresie își propune să scadă rezistența la contactul termic dintre modulul termoelectric și suprafețele schimbătorului de căldură. În ATEG-uri pe bază de lichid de răcire, schimbătorul de căldură pe partea rece utilizează lichidul de răcire al motorului ca fluid de răcire, în timp ce în ATEG-uri pe bază de evacuare, schimbătorul de căldură pe partea rece utilizează aerul ambiant ca fluid de răcire.
Eficienţă
În prezent, ATEG-urile sunt de aproximativ 5% eficiente. Cu toate acestea, progresele în tehnologiile cu strat subțire și cu puțuri cuantice ar putea crește eficiența cu până la 15% în viitor.
Eficiența unui ATEG este guvernată de eficiența de conversie termoelectrică a materialelor și de eficiența termică a celor două schimbătoare de căldură. Eficiența ATEG poate fi exprimată ca:
- ζ OV = ζ CONV х ζ HX х ρ
Unde:
- ζ OV : Eficiența generală a ATEG
- ζ CONV : Eficiența conversiei materialelor termoelectrice
- ζ HX : Eficiența schimbătorilor de căldură
- ρ: Raportul dintre căldura trecută prin materiale termoelectrice la cea trecută de la partea fierbinte la partea rece
Beneficii
Scopul principal al ATEG-urilor este de a reduce consumul de combustibil și, prin urmare, de a reduce costurile de funcționare ale unui vehicul sau de a ajuta vehiculul să respecte standardele de eficiență a consumului de combustibil. Patruzeci la sută din energia unui motor IC se pierde prin căldura gazelor de eșapament. Implementarea ATEG-urilor în motoarele diesel pare a fi mai dificilă în comparație cu motoarele pe benzină, datorită temperaturii de evacuare mai scăzute și a debitelor de masă mai mari. Acesta este motivul pentru care cea mai mare dezvoltare ATEG sa concentrat pe motoarele pe benzină. Cu toate acestea, există mai multe modele ATEG pentru motoare diesel ușoare și grele.
Prin transformarea căldurii pierdute în energie electrică, ATEG-urile scad consumul de combustibil prin reducerea sarcinii generatorului electric de pe motor. ATEG-urile permit automobilului să genereze electricitate din energia termică a motorului, mai degrabă decât să folosească energie mecanică pentru a alimenta un generator electric. Deoarece energia electrică este generată de căldura uzată care altfel ar fi eliberată în mediu, motorul arde mai puțin combustibil pentru a alimenta componentele electrice ale vehiculului, cum ar fi farurile. Prin urmare, automobilul eliberează mai puține emisii.
Consumul redus de combustibil are ca rezultat, de asemenea, o economie mai mare de combustibil. Înlocuirea generatorului electric convențional cu ATEG-uri ar putea crește în cele din urmă economia de combustibil cu până la 4%.
Capacitatea ATEG de a genera electricitate fără piese în mișcare este un avantaj față de alternativele generatoarelor electrice mecanice . În plus, s-a afirmat că, pentru condiții de motor cu putere redusă, ATEG-urile ar putea să recolteze mai multă energie netă decât turbogeneratoarele electrice.
Provocări
Cea mai mare provocare pentru scalarea ATEG-urilor de la prototipare la producție a fost costul materialelor termoelectrice subiacente. De la începutul anilor 2000, multe agenții și instituții de cercetare au investit sume mari de bani în avansarea eficienței materialelor termoelectrice. În timp ce îmbunătățirile de eficiență au fost făcute în materiale cum ar fi jumătatea heusler și skutterudites , cum ar fi predecesorii lor teluridă de bismut și telurură de plumb , costul acestor materiale s-a dovedit prohibitiv pentru producția pe scară largă. Progresele recente realizate de unii cercetători și companii în materie de materiale termoelectrice la prețuri reduse au dus la o promisiune comercială semnificativă pentru ATEG-uri, în special la producția de tetrahedrit cu costuri reduse de la Universitatea de Stat din Michigan și comercializarea acesteia de către Alphabet Energy din SUA cu General Motors .
La fel ca orice componentă nouă a unui automobil, utilizarea unui ATEG prezintă și noi probleme de inginerie de luat în considerare. Cu toate acestea, având în vedere impactul relativ scăzut al unui ATEG asupra utilizării unui automobil, provocările sale nu sunt la fel de considerabile ca alte tehnologii auto noi. De exemplu, deoarece evacuarea trebuie să curgă prin schimbătorul de căldură al ATEG, energia cinetică din gaz se pierde, provocând pierderi crescute de pompare. Aceasta este denumită contrapresiune , ceea ce reduce performanța motorului. Acest lucru poate fi explicat prin reducerea reducerii tobei de eșapament, rezultând o presiune totală nulă sau chiar negativă asupra motorului, așa cum au arătat Faurecia și alte companii.
Pentru a face eficiența ATEG mai consistentă, lichidul de răcire este de obicei utilizat pe schimbătorul de căldură din partea rece, mai degrabă decât aerul ambiant, astfel încât diferența de temperatură va fi aceeași atât în zilele calde, cât și în zilele reci. Acest lucru poate crește dimensiunea radiatorului, deoarece conductele trebuie extinse la galeria de evacuare și se pot adăuga la sarcina radiatorului, deoarece este transferată mai multă căldură la lichidul de răcire. Proiectarea termică adecvată nu necesită un sistem de răcire supradimensionat.
Greutatea adăugată a ATEG-urilor face ca motorul să funcționeze mai greu, rezultând un kilometraj mai mic al gazului. Cu toate acestea, majoritatea studiilor de îmbunătățire a eficienței auto ale ATEG-urilor au dus la o creștere netă a eficienței pozitive chiar și atunci când se ia în considerare greutatea dispozitivului.
Istorie
Deși efectul Seebeck a fost descoperit în 1821, utilizarea generatoarelor de energie termoelectrică a fost limitată în principal la aplicații militare și spațiale până în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Această restricție a fost cauzată de eficiența redusă de conversie a materialelor termoelectrice în acel moment.
În 1963, primul ATEG a fost construit și raportat de Neild și colab. În 1988, Birkholz și colab. au publicat rezultatele muncii lor în colaborare cu Porsche . Aceste rezultate au descris un ATEG pe bază de evacuare care a integrat materiale termoelectrice pe bază de fier între un schimbător de căldură din oțel carbon din partea fierbinte și un schimbător de căldură din aluminiu din partea rece. Acest ATEG ar putea produce zeci de wați dintr-un sistem de evacuare Porsche 944 .
La începutul anilor 1990, Hi-Z Inc a proiectat un ATEG care putea produce 1 kW dintr-un sistem de evacuare a camionului diesel. În anii următori, compania a introdus alte modele pentru camioane diesel, precum și vehicule militare
La sfârșitul anilor 1990, Nissan Motors a publicat rezultatele testării ATEG-ului său, care utilizează materiale termoelectrice SiGe . Nissan ATEG a produs 35,6 W în condiții de testare similare condițiilor de funcționare ale unui motor pe benzină de 3,0 L în regim de urcare pe deal la 60,0 km / h.
De la începutul anilor 2000, aproape fiecare producător auto important și furnizor de evacuare a experimentat sau a studiat generatoare termoelectrice și companii, inclusiv General Motors, BMW, Daimler, Ford, Renault, Honda, Toyota, Hyundai, Valeo, Boysen, Faurecia, Tenneco, Denso, Gentherm Inc. , Alphabet Energy și numeroși alții au construit și testat prototipuri.
În ianuarie 2012, Car and Driver a numit un ATEG creat de o echipă condusă de Amerigon (acum Gentherm Incorporated ) una dintre cele 10 tehnologii „cele mai promițătoare”.