Generatore termoelettrico automobilistico - Automotive thermoelectric generator
| Effetto termoelettrico |
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Un generatore termoelettrico per autoveicoli (ATEG) è un dispositivo che converte parte del calore di scarto di un motore a combustione interna (IC) in elettricità utilizzando l' effetto Seebeck . Un tipico ATEG è costituito da quattro elementi principali: uno scambiatore di calore lato caldo , uno scambiatore di calore lato freddo, materiali termoelettrici e un sistema di assemblaggio a compressione. Gli ATEG possono convertire il calore di scarto dal liquido di raffreddamento o dallo scarico di un motore in elettricità. Recuperando questa energia altrimenti persa, gli ATEG riducono il carburante consumato dal carico del generatore elettrico sul motore. Tuttavia, devono essere considerati anche il costo dell'unità e il carburante extra consumato a causa del suo peso.
Principi di funzionamento
Negli ATEG, i materiali termoelettrici sono imballati tra gli scambiatori di calore lato caldo e lato freddo . I materiali termoelettrici sono costituiti da semiconduttori di tipo p e di tipo n , mentre gli scambiatori di calore sono a piastre metalliche ad alta conducibilità termica .
La differenza di temperatura tra le due superfici dei moduli termoelettrici genera elettricità utilizzando l'effetto Seebeck. Quando lo scarico caldo del motore passa attraverso un ATEG di scarico, i portatori di carica dei semiconduttori all'interno del generatore si diffondono dallo scambiatore di calore lato caldo allo scambiatore lato freddo. L'accumulo di portatori di carica si traduce in una carica netta, producendo un potenziale elettrostatico mentre il trasferimento di calore guida una corrente. Con temperature di scarico di 700 °C (≈1300 °F) o superiori, la differenza di temperatura tra i gas di scarico sul lato caldo e il liquido di raffreddamento sul lato freddo è di diverse centinaia di gradi. Questa differenza di temperatura è in grado di generare 500-750 W di elettricità.
Il sistema di assemblaggio a compressione mira a diminuire la resistenza di contatto termico tra il modulo termoelettrico e le superfici dello scambiatore di calore. Negli ATEG basati sul liquido di raffreddamento, lo scambiatore di calore lato freddo utilizza il liquido di raffreddamento del motore come fluido di raffreddamento, mentre negli ATEG basati sullo scarico, lo scambiatore di calore lato freddo utilizza l'aria ambiente come fluido di raffreddamento.
Efficienza
Attualmente, gli ATEG hanno un'efficienza di circa il 5%. Tuttavia, i progressi nelle tecnologie dei film sottili e dei pozzi quantistici potrebbero aumentare l'efficienza fino al 15% in futuro.
L'efficienza di un ATEG è governata dall'efficienza di conversione termoelettrica dei materiali e dall'efficienza termica dei due scambiatori di calore. L'efficienza dell'ATEG può essere espressa come:
- ζ OV = ζ CONV Ñ ζ HX х ρ
In cui si:
- ζ OV : L'efficienza complessiva dell'ATEG
- ζ CONV : Efficienza di conversione dei materiali termoelettrici
- ζ HX : Efficienza degli scambiatori di calore
- ρ : Il rapporto tra il calore passato attraverso i materiali termoelettrici e quello passato dal lato caldo al lato freddo
Benefici
L'obiettivo principale degli ATEG è ridurre il consumo di carburante e quindi ridurre i costi operativi di un veicolo o aiutare il veicolo a conformarsi agli standard di efficienza del carburante. Il 40% dell'energia di un motore IC viene persa attraverso il calore dei gas di scarico. L'implementazione di ATEG nei motori diesel sembra essere più impegnativa rispetto ai motori a benzina a causa della temperatura di scarico più bassa e delle portate di massa più elevate. Questo è il motivo per cui la maggior parte dello sviluppo di ATEG si è concentrato sui motori a benzina. Tuttavia, esistono diversi modelli ATEG per motori diesel leggeri e pesanti.
Convertendo il calore perso in elettricità, gli ATEG riducono il consumo di carburante riducendo il carico del generatore elettrico sul motore. Gli ATEG consentono all'automobile di generare elettricità dall'energia termica del motore anziché utilizzare l'energia meccanica per alimentare un generatore elettrico. Poiché l'elettricità è generata dal calore di scarto che altrimenti verrebbe rilasciato nell'ambiente, il motore brucia meno carburante per alimentare i componenti elettrici del veicolo, come i fari. Pertanto, l'automobile rilascia meno emissioni.
La riduzione del consumo di carburante si traduce anche in un maggiore risparmio di carburante. La sostituzione del generatore elettrico convenzionale con gli ATEG potrebbe in definitiva aumentare il risparmio di carburante fino al 4%.
La capacità dell'ATEG di generare elettricità senza parti in movimento è un vantaggio rispetto alle alternative dei generatori elettrici meccanici . Inoltre, è stato affermato che per condizioni di motore a bassa potenza, gli ATEG potrebbero essere in grado di raccogliere più energia netta rispetto ai turbogeneratori elettrici.
Sfide
La sfida più grande per il ridimensionamento degli ATEG dalla prototipazione alla produzione è stato il costo dei materiali termoelettrici sottostanti. Dall'inizio degli anni 2000, molte agenzie e istituzioni di ricerca hanno versato ingenti somme di denaro nel miglioramento dell'efficienza dei materiali termoelettrici. Sebbene siano stati apportati miglioramenti all'efficienza in materiali come i mezzi heusler e gli skutterudites , come i loro predecessori tellururo di bismuto e tellururo di piombo , il costo di questi materiali si è dimostrato proibitivo per la produzione su larga scala. I recenti progressi di alcuni ricercatori e aziende nei materiali termoelettrici a basso costo hanno portato a significative promesse commerciali per gli ATEG, in particolare la produzione a basso costo di tetraedrite da parte della Michigan State University e la sua commercializzazione da parte della statunitense Alphabet Energy con General Motors .
Come ogni nuovo componente di un'automobile, anche l'uso di un ATEG presenta nuovi problemi ingegneristici da considerare. Tuttavia, dato l'impatto relativamente basso di un ATEG sull'uso di un'automobile, le sue sfide non sono così considerevoli come altre nuove tecnologie automobilistiche. Ad esempio, poiché lo scarico deve fluire attraverso lo scambiatore di calore dell'ATEG, l'energia cinetica del gas viene persa, causando un aumento delle perdite di pompaggio. Questo è indicato come contropressione , che riduce le prestazioni del motore. Ciò può essere spiegato ridimensionando la marmitta, con conseguente contropressione totale netta o addirittura negativa sul motore, come hanno dimostrato Faurecia e altre società.
Per rendere più costante l'efficienza dell'ATEG, il refrigerante viene solitamente utilizzato sullo scambiatore di calore lato freddo anziché sull'aria ambiente, in modo che la differenza di temperatura sia la stessa sia nei giorni caldi che in quelli freddi. Ciò può aumentare le dimensioni del radiatore poiché le tubazioni devono essere estese al collettore di scarico e può aumentare il carico del radiatore poiché viene trasferito più calore al liquido di raffreddamento. Una corretta progettazione termica non richiede un sistema di raffreddamento sovradimensionato.
Il peso aggiunto degli ATEG fa sì che il motore lavori di più, con conseguente riduzione del chilometraggio del gas. La maggior parte degli studi sul miglioramento dell'efficienza automobilistica degli ATEG, tuttavia, ha portato a un guadagno netto positivo in termini di efficienza anche se si considera il peso del dispositivo.
Storia
Sebbene l'effetto Seebeck sia stato scoperto nel 1821, l'uso dei generatori di energia termoelettrica è stato limitato principalmente alle applicazioni militari e spaziali fino alla seconda metà del XX secolo. Questa restrizione era causata dalla bassa efficienza di conversione dei materiali termoelettrici in quel momento.
Nel 1963 fu costruito il primo ATEG e riportato da Neild et al. Nel 1988 Birkholz et al. hanno pubblicato i risultati del loro lavoro in collaborazione con Porsche . Questi risultati hanno descritto un ATEG basato sullo scarico che integrava materiali termoelettrici a base di ferro tra uno scambiatore di calore lato caldo in acciaio al carbonio e uno scambiatore di calore lato freddo in alluminio. Questo ATEG potrebbe produrre decine di watt da un sistema di scarico Porsche 944 .
All'inizio degli anni '90, Hi-Z Inc ha progettato un ATEG in grado di produrre 1 kW da un sistema di scarico di un camion diesel. L'azienda negli anni successivi ha introdotto altri design per camion diesel e veicoli militari
Alla fine degli anni '90, Nissan Motors ha pubblicato i risultati dei test sul suo ATEG che utilizzava materiali termoelettrici SiGe . Nissan ATEG ha prodotto 35,6 W in condizioni di test simili alle condizioni di funzionamento di un motore a benzina da 3,0 litri in modalità salita a 60,0 km/h.
Dall'inizio degli anni 2000, quasi tutte le principali case automobilistiche e fornitori di scarichi hanno sperimentato o studiato generatori termoelettrici e aziende tra cui General Motors, BMW, Daimler, Ford, Renault, Honda, Toyota, Hyundai, Valeo, Boysen, Faurecia, Tenneco, Denso, Gentherm Inc. , Alphabet Energy e numerosi altri hanno costruito e testato prototipi.
Nel gennaio 2012, Car and Driver ha nominato un ATEG creato da un team guidato da Amerigon (ora Gentherm Incorporated ) una delle 10 tecnologie "più promettenti".