211service.com
Zasilanie samochodu ciepłem odpadowym
Co najmniej dwie trzecie energii zawartej w benzynie używanej w samochodach i ciężarówkach marnuje się w postaci ciepła. Termoelektryki, materiały półprzewodnikowe, które przekształcają ciepło w energię elektryczną, mogą wychwytywać to ciepło odpadowe, zmniejszając zapotrzebowanie pojazdu na paliwo i poprawiając zużycie paliwa o co najmniej 5 procent. Jednak niska wydajność i wysoki koszt istniejących materiałów termoelektrycznych sprawiły, że takie urządzenia nie stały się praktyczne w pojazdach.
Moc z ciepła: Generator termoelektryczny, który przekształca ciepło odpadowe z układu wydechowego samochodu w energię elektryczną, może poprawić oszczędność paliwa.
Teraz naukowcy montują pierwsze prototypowe generatory termoelektryczne do testów w samochodach użytkowych i SUV-ach. Urządzenia są zwieńczeniem kilku postępów dokonanych niezależnie przez producenta urządzeń termoelektrycznych BSST w Irwindale w Kalifornii oraz w General Motors Global R&D w Warren w stanie Michigan. Obie firmy planują zainstalować i przetestować swoje prototypy do końca lata — BSST w samochodach BMW i Ford oraz GM w SUV-ie Chevroleta.
BSST wykorzystuje nowe materiały. Tellurek bizmutu, powszechny termoelektryk, zawiera drogi tellur i działa w temperaturach dochodzących tylko do 250 °C, podczas gdy generatory termoelektryczne mogą osiągać temperaturę 500 °C. Tak więc BSST wykorzystuje inną rodzinę termoelektryków — mieszanki hafnu i cyrkonu — które działają dobrze w wysokich temperaturach. Zwiększyło to sprawność generatora o około 40 procent.
W GM naukowcy montują ostateczny prototyp w oparciu o obiecującą nową klasę termoelektryków zwanych skutterudytami, które są tańsze niż tellurydy i lepiej sprawdzają się w wysokich temperaturach. Modele komputerowe firmy pokazują, że w pojeździe testowym Chevrolet Suburban urządzenie to może generować 350 watów, zmniejszając zużycie paliwa o 3 procent.
Wytwarzanie skutterudytów, które są związkami arsenku kobaltu domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak iterb, jest czasochłonnym i skomplikowanym procesem, a włączenie ich do urządzeń jest trudne, mówi Gregory Meisner, naukowiec z GM. Kluczowym wyzwaniem jest wykonanie dobrych styków elektrycznych i termicznych. Duży gradient temperatury w całym urządzeniu powoduje naprężenia mechaniczne na styku termoelektrycznym. Ponadto łączenie różnych materiałów wprowadza opór, który nagrzewa styk, degradując urządzenie. Poprzez odpowiedni dobór materiałów można wpłynąć na odporność – mówi. Wyzwanie polega na znalezieniu właściwej formuły dla materiałów — zarówno termoelektrycznego półprzewodnika, jak i styku.
Zajrzyj do środka: Artystyczna wizualizacja Chevroleta Suburban przedstawia przypominający tłumik generator termoelektryczny umieszczony w układzie wydechowym.
Kolejnym kluczowym wyzwaniem będzie integracja urządzenia z pojazdami. Naukowcy przetestowali już generator tellurku bizmutu w SUV-ie. W tej chwili urządzenie jest po prostu wkładane do układu wydechowego, mówi Meisner. Wycina się odcinek rury i wkłada urządzenie, które wygląda jak tłumik. Musimy zaprojektować coś, co będzie bardziej zintegrowane z systemem pojazdu, a nie dodatkowe urządzenie.
Zarówno badacze BSST, jak i GM muszą również znaleźć sposoby na tanie wytwarzanie większych ilości nowych materiałów. Meisner ostrzega, że mogą upłynąć co najmniej kolejne cztery lata, zanim generatory termoelektryczne trafią do pojazdów produkcyjnych.