Звідси виникає необхідність збору й наступного використання (рекуперації) теплових втрат (РТП) і економії палива автомобілем.

Пристрій, завдяки якому можливі такі дива, відомий під назвою «термоелектричний генератор». Родом він, як і всі електричне, з далекого ХІХ століття.

Термоелектрогенератори допоможуть автолюбителям заощадити паливо. Адже, напівпровідникових матеріалів, що володіють термоелектричними властивостями, нараховують чи мало, проте далеко не всі вони можуть використовуватися на практиці. Досягти хоча б 5-відсоткової економії палива, будучи при цьому недорогим, високотехнологічним і малотоксичним.

Американська компанія BSST привернула до своїх здобутків автоконцерну BMW і Форд. «Порадившись», компанії замінили традиційно використовуваний в термоелектрогенератор теллурид вісмуту (містить дорогий телур; може нагріватися до 250 ˚С) матеріалами на основі гафнію і цирконію. В результаті ефективність термоелектричного перетворення виросла на 40%.

Дослідницький підрозділ General Motors пропонує використовувати скуттерудіти - арсеніди кобальту і нікелю. Вони дешевші теллурідів і більш стійкі до високих температур. Прототип системи, протестований на Chevrolet Suburban, показав, що здатний генерувати 350 Вт енергії, економлячи 3% палива.

Втім, виробництво термоелектрогенераторів на основі скуттерудітів є вельми трудомістким і витратним за часом. До того ж установки виходять поки досить громіздкими. Інженер GM Грегорі Майснер вважає, що комерційне виробництво термоелектричних генераторів може початися лише років через чотири.[9]

Всі визнають великий потенціал повторного використання тепла, але це завжди було занадто складним завданням, щоб думати про це серйозно.

Генератор, представлений компанією General Motors може витримувати нагрівання до температури 600 C на його гарячій стороні (верхня поверхня) при підтримці температури від 100 ° C на його холодній стороні (нижня поверхня). При такій різниці температур модуль розміром в 4 квадратних сантиметра може виробляти 7,2 Вт енергії. Якщо розмістити подібний генератор біля вихлопної труби автомобіля, то навантаження на штатний генератор машини істотно знизиться. Зменшиться також споживання палива та обсяг шкідливих викидів.

Рис.1.18. Розміщення термоелектричного генератора у вихлопній трубі автомобіля

В даний час тверді розчини Bi2Te3 - Bi2Se3 n типу поряд з твердими розчинами Bi2Te3 - Sb2Te3 р типу є основними матеріалами для термоелементів, що працюють в інтервалі температур 200 ... 600 °C.

Враховуючи, що в транспортних засобах з двигунами внутрішнього згоряння існують система відпрацьованих газів з температурою Т = 800 °C і система рідинного охолодження з температурою нижче 100 °C, можна підтвердити, що температурний градієнт близько 200 °C між вищевказаними системами, створює реальні умови для експлуатації термогенераторів, що працюють в зазначеному діапазоні температур.

В даній роботі показана можливість застосування напівпровідникових термогенераторів в якості джерела струму для зарядки кислотних акумуляторів в транспортних засобах.

Наведемо деякі кількісні оцінки, характерні для двигунів внутрішнього згоряння. Відомо, що ККД двигунів зазначеного типу порядку 30%, отже, інші 70% губляться у вигляді теплової енергії відпрацьованих газів[10]. http://tech.asj-oa.am/1482/1/23.pdf

Частина цієї енергії можна використовувати для підігріву відповідних пластин термоелементів з одночасним охолодженням пластин за допомогою циркулюючої рідини системи охолодження двигуна. Температура системи охолодження регулюється термостатом в межах 80 ... 90 ° C. За цих умов можна забезпечити необхідний температурний градієнт близько 200 ° C між пластинами термопари. ККД термогенератора становить 15%, отже, для отримання електричної потужності 300Вт, необхідної для зарядки акумуляторів, обсяг теплової енергії, отриманої за рахунок відпрацьованих газів, повинен бути в межах 2000 Вт, що еквівалентно потужності ≈ 3 к.с. Якщо врахувати, що реальні втрати у вигляді теплової енергії автомобільних двигунів еквівалентні потужності в сотні к.с., то з енергетичної точки зору, працездатність вищеописаної системи не викликає сумнівів, що стосується конструктивних рішень, то оптимальні результати можуть бути отримані шляхом тривалих випробувань на конкретних транспортних засобах.

Фізичні розміри сучасних термогенераторів, що забезпечують потужність порядку 300 Вт, можна визначити на основі існуючих реальних оцінок, при яких потужність 15 Вт виходить від термопластини площею 150 см2. Вартість, термоматеріалів на одиницю потужності 1 Вт приблизно дорівнює 1 дол. США.

Однак наведені технічні та економічні оцінки основних параметрів термогенераторів постійно поліпшуються. Робота пропонованої конструкції здійснюється наступним чином.

Труба глушника після виходу колектора, обмотується теплопровідною гнучкою стрічкою, з допомогою якої теплова енергія від системи випуску відпрацьованих газів, передається гарячій пластині термогенератора, до якої з двох сторін притиснуті поверхні термопластини.

Протилежні поверхні пластин охолоджуються радіатором як повітряного, так і рідинного охолодження. При компонуванні термогенератора поруч із двигуном, коли охолоджуючі радіатори закріплюються впритул з поверхнею шасі, питання рідинного охолодження автоматично відпадає. Вдале рішення цієї задачі в основному залежить від ККД термогенераторів, підвищення якого може призвести до зменшенню габаритів термопластини.

Вирішення низки завдань зі створення термогенераторів нового покоління з підвищеним ККД і низькою ціною дозволить замінити електрогенератори термогенераторами, що обумовлено нижченаведеними перевагами:

а) в обсязі споживаної потужності електрогенератора зменшується навантаження на валу двигуна, що призводить до зменшення витрати палива протягом усього терміну експлуатації транспортних засобів;

б) напруга на виході термогенератора постійна і не вимагає додаткових перетворень;

Література

2. Saqr K.M., Mansour M.K., Musa N.N., Thermal Design of Automobile Exhaust-based Thermoelectric Generator Objectivities and Challenges // International Journal of Automotive Technology. 2008. V.9. № 2..P.155- 160.

9. Anatychuk L.I., Luste O.J., and Kuz R.V. Theoretical and Experimental Study of Thermoelectric

Generators for Vehicles // J. Electronic Materials. - 2011.- V.40. - № 5. - P.1326-1331.

10. Fairbanks J. W., Development of automotive thermoelectric generators and air conditioner/heaters

// Proceedings of XIV International Forum on Thermoelectricity, Moscow 17- 20.05.2011,

Report 1.1 [On line: http://forum.inst.cv.ua/ ].

11. Термоэлектричний генератор для бензинового двигателя. / Л.И. Анатычук, Р.В. Кузь,

Ю.Ю. Розвер // Термоэлектричество. – 2012. – №2. –С.81 –-94.

13. Коржуев М.А. Некотрые узкие места автомобильных термоэлектрических генераторов и

поиск новых материалов для их устранения / М.А. Коржуев, Ю.В. Гранаткина //

Термоэлектричество. – 2012. – №1. – С.81 – 94.

14. Коржуев М.А. О конфликте двигателей внутреннего сгорания и термоэлектрических

генераторов при рекуперации тепловых потерь в автомобилях / М.А. Коржуев // Письма в

ЖТФ.- 2011. – Т.37. – №4. – С.8 – 15.