자동차 열전 발전기

Automotive thermoelectric generator
열전효과
Thermoelectric Seebeck power module.jpg
원칙
적용들

자동차 열전발전기(ATEG)는 내연기관(IC)의 폐열 일부를 시벡 효과를 이용해 전기로 변환하는 장치다.일반적인 ATG는 네 가지 주요 요소로 구성된다.열측 열 교환기, 냉측 열 교환기, 열전 재료 및 압축 조립 시스템.ATG는 엔진의 냉각제나 배기가스에서 나오는 폐열을 전기로 변환할 수 있다.이와 달리 손실된 에너지를 회수함으로써, ATG는 엔진의 전기 발전기 부하에 의해 소비되는 연료를 감소시킨다.단, 유닛의 비용 및 무게로 인한 추가 연료 소비도 고려해야 한다.

작동 원리

ATG에서는 열전소재가 열전측 열교환기와 냉전측 열교환기 사이에 포장된다.열전소재는 p형, n형 반도체로 구성되며 열교환기는 열전도도가 높은 금속판이다.[1]

열전 모듈의 두 표면 사이의 온도 차이는 시벡 효과를 사용하여 전기를 발생시킨다.엔진에서 나오는 고온의 배기가스가 배기 ATG를 통과하면 발전기 내 반도체 충전 캐리어가 열측 열교환기에서 냉측교환기로 확산된다.충전 캐리어의 증축은 정전기 전위를 발생시키며, 열전달은 전류를 구동한다.[2]배기 온도가 700 °C(≈1300 °F) 이상일 때 고온면의 배기 가스와 냉온면의 냉각수의 온도 차이는 수백 도에 이른다.[3]이 온도차는 500~750W의 전기를 발생시킬 수 있다.[4]

압축 조립체 시스템은 열전 모듈과 열교환기 표면 사이의 열 접촉 저항을 감소시키는 것을 목표로 한다.냉각재 기반 ATG에서는 차가운 쪽 열 교환기가 엔진 냉각수를 냉각액으로 사용하고, 배기 기반 ATG에서는 차가운 쪽 열 교환기가 주변 공기를 냉각액으로 사용한다.

효율성

현재, ATG는 약 5%의 효율을 보이고 있다.그러나 박막과 양자웰 기술의 발전은 앞으로 효율을 최대 15%까지 높일 수 있을 것이다.[5]

ATG의 효율은 재료의 열전 변환 효율과 두 열교환기의 열전 효율에 의해 결정된다.ATG 효율성은 다음과 같이 표현할 수 있다.[6]

ζOV = ζCONV х ζHX х ρ

위치:

  • ζOV : ATG의 전반적인 효율성
  • ζCONV : 열전소재의 변환효율
  • ζHX : 열교환기의 효율
  • ρ : 열전소재를 통과하는 열과 열전소재를 통과하는 열과 열전소재의 냉전소재의 비율

혜택들

ATG의 1차 목표는 연료 소비를 줄이고 따라서 차량의 운영비를 줄이거나 차량이 연비 표준을 준수하도록 돕는 것이다.IC 엔진 에너지의 40%는 배기가스 열을 통해 손실된다.[7][8]디젤 엔진에 ATG를 구현하는 것은 배기온도가 낮고 질량유동률이 높아 가솔린 엔진에 비해 어려움이 있어 보인다.[9][10]대부분의 ATG 개발이 가솔린 엔진에 집중된 이유다.[6][11][12]그러나 경량[13] 디젤 엔진과 중형[14][15] 디젤 엔진에는 여러 개의 ATG 설계가 존재한다.

ATG는 손실된 열을 전기로 전환해 엔진의 발전기 부하를 줄여 연료 소비를 줄인다.ATG는 자동차가 기계 에너지를 사용하여 발전기를 가동하는 대신 엔진의 열 에너지로부터 전기를 발생시킬 수 있도록 한다.전기는 환경으로 방출될 폐열에서 발생하기 때문에, 엔진은 전조등과 같은 차량의 전기 부품에 동력을 공급하기 위해 연료를 덜 태운다.따라서, 자동차는 더 적은 양의 배출물을 배출물을 배출한다.[4]

연료 소비량 감소도 연비 증가로 이어진다.기존 발전기를 ATG로 교체하면 궁극적으로 연비를 최대 4%[16]까지 높일 수 있다.

ATG가 움직이는 부품 없이 전기를 생산하는 능력은 기계식 발전기 대안에 비해 유리하다.[1]또한, 저출력 엔진 조건의 경우, ATG는 전기 터빈 발전기보다 더 많은 순 에너지를 수확할 수 있다고 명시되어 있다.[9]

과제들

프로토타이핑에서 생산에 이르는 ATG의 규모 확장에 있어 가장 큰 어려움은 기본 열전소재의 비용이었다.2000년대 초반부터 많은 연구기관과 기관들이 열전소재의 효율을 높이기 위해 거액을 쏟아부었다.이전의 비스무트 텔루라이드나 납 텔루라이드처럼 반 heusler나 skutterudite와 같은 재료에서 효율성이 향상되었지만, 이러한 재료의 비용은 대규모 제조에 있어서 엄두도 못 낼 정도로 입증되었다.[17]최근 일부 연구자들과 회사들이 저가의 열전소재를 발전시킨 결과 ATG에 상당한 상업적 전망이 나왔으며,[18] 특히 미시간 주립대학이[19] 사면체(Thetrahedrite)를 저비용 생산하고 미국계 알파벳에너지와 제너럴 모터스사가 상용화한 것이 가장 두드러졌다.[20]

자동차의 다른 새로운 부품과 마찬가지로, ATG의 사용은 또한 고려해야 할 새로운 엔지니어링 문제를 제시한다.그러나, ATG가 자동차 사용에 미치는 영향이 상대적으로 낮다는 점을 감안할 때, ATG의 과제는 다른 새로운 자동차 기술만큼 크지 않다.예를 들어 배기가스가 ATG의 열교환기를 통해 흘러야 하기 때문에 가스의 운동 에너지가 손실되어 펌핑 손실이 증가한다.이를 백 압력이라 하며, 엔진의 성능을 떨어뜨린다.[7]이는 Faurecia와 다른 회사들이 보여 준 것처럼 머플러를 축소하여 엔진에 순 0 또는 음의 총 후방 압력을 발생시킴으로써 설명할 수 있다.[21]

ATG의 효율을 보다 일정하게 하기 위해 냉각수는 보통 외부 공기보다는 냉측 열교환기에 사용되므로 더운 날과 추운 날 모두 온도 차이가 같을 것이다.배관을 배기 매니폴드로 확장해야 하므로 라디에이터 크기가 커질 수 있으며 냉각수로 전달되는 열이 많아 라디에이터 부하가 증가할 수 있다.[16]적절한 열 설계에는 업사이즈 냉각 시스템이 필요하지 않다.

ATG의 중량이 추가되면 엔진의 작동이 더 어려워져 가스 주행거리가 낮아진다.그러나 ATG에 대한 대부분의 자동차 효율 개선 연구는 기기의 무게를 감안하더라도 순양성 효율 증가를 초래했다.[22]

역사

비록 1821년에 시벡 효과가 발견되었지만, 20세기 후반까지 열전 발전기의 사용은 주로 군사용과 우주용으로 제한되었다.이 제한은 당시 열전소재의 변환 효율이 낮았기 때문이다.

1963년에 최초의 ATG가 만들어졌고 Neild 등이 보고하였다.[23]1988년 버크홀츠 외는 포르쉐와 협력하여 그들의 작업 결과를 발표했다.이러한 결과는 탄소강 열측 열교환기와 알루미늄 냉측 열교환기 사이에 철 기반 열전소재를 통합한 배기 기반 ATG를 설명하였다.이 ATG는 포르쉐 944 배기 시스템에서 수십 와트를 생산할 수 있다.[24]

1990년대 초 하이즈 사는 디젤 트럭 배기 시스템에서 1kW를 생산할 수 있는 ATG를 설계했다.그 회사는 다음 해에 군용 차량뿐만 아니라 디젤 트럭에 대한 다른 디자인을 도입했다.

닛산자동차는 1990년대 후반 시게 열전소재를 활용한 ATG 테스트 결과를 발표했다.닛산 ATG는 시속 60.0km의 힐 클림브 모드에서 3.0L 가솔린 엔진의 주행 조건과 유사한 시험 조건에서 35.6W를 생산했다.

그 early-2000s 이후, 거의 모든 주요 자동차 회사와 배기 가스 공급자 혹은 공부한 열전 발전기, 그리고 제너럴 모터스, BMW다임러, 포드, 르노, 혼다, 도요타, 현대, Valeo, Boysen, Faurecia, 미국의 자동차 부품 회사 덴소, Gentherm Inc., 알파벳 에너지, 다른 무수한 안건들 및 프로토 타입을 실시한 지어 왔다 등 실험했다.[25][26][27]

2012년 1월, 자동차와 드라이버는 아메리공(현 겐테름 주식회사)이 이끄는 팀이 만든 ATG를 10대 '유망한' 기술 중 하나로 명명했다.[28]

외부 링크

참조

  1. ^ a b Yang, Jihui; Stabler, Francis R. (13 February 2009). "Automotive Applications of Thermoelectric Materials". Journal of Electronic Materials. 38 (7): 1245–1251. doi:10.1007/s11664-009-0680-z.
  2. ^ Snyder, G. Jeffrey; Toberer, Eric S. (February 2008). "Complex Thermoelectric Materials". Nature Materials. 7 (2): 105–14. doi:10.1038/nmat2090. PMID 18219332.
  3. ^ "TEGs – Using Car Exhaust To Lower Emissions". Science 2.0. 27 August 2014. Retrieved 23 September 2020.
  4. ^ a b Laird, Lorelei (16 August 2010). "Could TEG improve your car's efficiency?". Energy Blog. United States Department of Energy. Archived from the original on 19 July 2011. Retrieved 22 September 2020.
  5. ^ Smith, Kandler; Thornton, Matthew (January 2009), Feasibility of Thermoelectrics for Waste Heat Recovery in Conventional Vehicles, National Renewable Energy Laboratory, doi:10.2172/951806
  6. ^ a b Ikoma K.; Munekiyo M.; Kobayashi M.; et al. (28 March 1998). Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicles. Seventeenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings ICT98 (Cat. 98TH8365). Nagoya, Japan: Institute of Electrical and Electronics Engineers. pp. 464–467. doi:10.1109/ICT.1998.740419.
  7. ^ a b 유, C. "최대 전력점 추적을 이용한 열전 자동차 폐열 에너지 회수"에너지 변환 및 관리, 2008, VOL 50; 페이지 1506
  8. ^ Chuang Yu; Chau K.T. (July 2009). "Thermoelectric automotive waste heat energy recovery using maximum power point tracking". Energy Conversion and Management. 50 (6): 1506–1512. doi:10.1016/j.enconman.2009.02.015.
  9. ^ a b Fernández-Yáñez, P.; Armas, O.; Kiwan, R.; Stefanopoulou, A.G.; Boehman, A.L. (November 2018). "A thermoelectric generator in exhaust systems of spark-ignition and compression-ignition engines. A comparison with an electric turbo-generator". Applied Energy. 229: 80–87. doi:10.1016/j.apenergy.2018.07.107. ISSN 0306-2619.
  10. ^ Durand, Thibaut; Dimopoulos Eggenschwiler, Panayotis; Tang, Yinglu; Liao, Yujun; Landmann, Daniel (July 2018). "Potential of energy recuperation in the exhaust gas of state of the art light duty vehicles with thermoelectric elements". Fuel. 224: 271–279. doi:10.1016/j.fuel.2018.03.078. ISSN 0016-2361.
  11. ^ Haidar, J.G.; Ghojel, J.I. (2001). Waste heat recovery from the exhaust of low-power diesel engine using thermoelectric generators. Proceedings ICT2001. 20 International Conference on Thermoelectrics (Cat. No.01TH8589). Institute of Electrical and Electronics Engineers. pp. 413–418. doi:10.1109/ict.2001.979919. ISBN 978-0780372054.
  12. ^ Friedrich, Horst; Schier, Michael; Häfele, Christian; Weiler, Tobias (April 2010). "Electricity from exhausts — development of thermoelectric generators for use in vehicles". ATZ Worldwide. 112 (4): 48–54. doi:10.1007/bf03225237. ISSN 2192-9076.
  13. ^ Fernández-Yañez, Pablo; Armas, Octavio; Capetillo, Azael; Martínez-Martínez, Simón (September 2018). "Thermal analysis of a thermoelectric generator for light-duty diesel engines". Applied Energy. 226: 690–702. doi:10.1016/j.apenergy.2018.05.114. ISSN 0306-2619.
  14. ^ Wang, Yiping; Li, Shuai; Xie, Xu; Deng, Yadong; Liu, Xun; Su, Chuqi (May 2018). "Performance evaluation of an automotive thermoelectric generator with inserted fins or dimpled-surface hot heat exchanger". Applied Energy. 218: 391–401. doi:10.1016/j.apenergy.2018.02.176. ISSN 0306-2619.
  15. ^ Kim, Tae Young; Negash, Assmelash A.; Cho, Gyubaek (September 2016). "Waste heat recovery of a diesel engine using a thermoelectric generator equipped with customized thermoelectric modules". Energy Conversion and Management. 124: 280–286. doi:10.1016/j.enconman.2016.07.013. ISSN 0196-8904.
  16. ^ a b 스칼러, 프란시스"자동차 열전 발전기 설계 문제".DOE 열전 애플리케이션 워크샵.
  17. ^ "NSF/DOE Thermoelectrics Partnership: Thermoelectrics for Automotive Waste Heat Recovery Department of Energy". energy.gov. Retrieved 1 May 2017.
  18. ^ Media, BioAge. "Green Car Congress: Alphabet Energy introduces PowerModules for modular thermoelectric waste heat recovery; partnership with Borla for heavy-duty trucks". www.greencarcongress.com. Retrieved 1 May 2017.
  19. ^ Lu, Xu; Morelli, Donald T. (26 March 2013). "Natural mineral tetrahedrite as a direct source of thermoelectric materials". Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (16): 5762–6. Bibcode:2013PCCP...15.5762L. doi:10.1039/C3CP50920F. ISSN 1463-9084. PMID 23503421.
  20. ^ "Alphabet Energy goes from B to C round · Articles · Global University Venturing". www.globaluniversityventuring.com. Retrieved 1 May 2017.
  21. ^ "Emissions Control Technologies". Faurecia North America. Archived from the original on 5 August 2017. Retrieved 1 May 2017.
  22. ^ 스칼러, 프란시스"자동차용 열전기술의 이점"DOE 열전 애플리케이션 워크샵.
  23. ^ A. B. 네이드 주니어, SAE-645A(1963년).
  24. ^ 버크홀츠, U.S. 외"FeSi2 열원소를 이용한 자동차 내 폐배기 열변환"Proc. 제7차 열전 에너지 전환 국제 회의1988년, 미국 알링턴, 124-128페이지.
  25. ^ Orr, B.; Akbarzadeh, A.; Mochizuki, M.; Singh, R. (25 May 2016). "A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes". Applied Thermal Engineering. 101: 490–495. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.10.081.
  26. ^ "Green Car Congress: Thermoelectrics". www.greencarcongress.com. Retrieved 1 May 2017.
  27. ^ Thacher E. F. Helenbrook B.T, Karri M. A., Richter Clayton J. "경량 트럭에서 자동차 열전 배기 기반 열전 발전기 시험" 자동차 엔지니어링 I MECH E Part D 저널 221권 2007, 1페이지 95-107(13)
  28. ^ "2012년 10대 최고: 10대 유망 미래 기술: "온열 주스", Car & Driver, 2011년 12월.