Tecnologia termoelettrica per la raccolta di energia dai motori a combustione interna

Background:
In un'automobile, solo ¹ / ₃ dell'energia potenziale nel combustibile viene convertita in energia meccanica e significativa porzione dell'energia viene persa come calore.

Ci sono stati precedenti tentativi di recuperare questa energia persa. All'inizio degli anni '90, Porsche sviluppò generatori termoelettrici per autoveicoli (ATEG) che non superarono la fase di prototipazione. Attualmente, Porsche Motorsports sta testando un sistema di raccolta di energia termica nella sua auto da corsa della serie LeMans.

Oltre alla ricerca Porsche, GM è in collaborazione con Future Tech, LLC. esplorare l'idea di utilizzare la tecnologia elettrica per raccogliere energia dai motori a combustione interna. Anche altri produttori automobilistici, come BMW, stanno esplorando questa tecnologia.

Attualmente il consumo di energia in a

• L'auto piccola è di circa 150 W.
• Il camion full size è di circa 500 W.

Se questa tecnologia può essere implementata con successo, i componenti come il radiatore, la pompa dell'acqua e l'alternatore potrebbero effettivamente ridurre il carico di lavoro o essere rimosso dal sistema, riducendo così il carico al motore a combustione interna.

Domanda:
Con il crescente interesse per la tecnologia verde, ci sono barriere tecnologiche oltre all'efficienza che impediscono l'implementazione della raccolta di energia dai motori a combustione interna utilizzando la tecnologia termoelettrica?

Riferimenti:

• Quale deve essere usato abbinato alla tensione di uscita o alla tensione di circuito aperto?
• Vantaggi della tecnologia termoelettrica per l'automobile
• La promessa e i problemi dei generatori termoelettrici
• Modellazione di un generatore termoelettrico automobilistico (ATEG)
• Termoelettrici per sostituire gli alternatori di automobili e migliorare MPG
• Generatore termoelettrico in motore diesel turbo
• I ricercatori della Kettering University stanno lavorando con General Dynamics per convertire l'energia termica inutilizzata dei loro sistemi di propulsione in energia utile e pulita
• Porsche 919 Hybrid LeMans Racer insegue i due terzi dell'energia della benzina sprecata come calore
• I tedeschi cercano di sostituire l'alternatore con generatori termoelettrici o TEG
• Prototipo Porsche 919 Hybrid LMP1 Le Mans ...

Nota

Il duplicato suggerito è correlato, ma ancora nettamente diverso. L'ordine di grandezza dell'energia disponibile per il recupero da un motore a combustione interna è significativamente maggiore rispetto alla GPU di una scheda video. Pertanto, le economie di scala sono diverse e sono quindi possibili soluzioni diverse.

Come con qualsiasi nuova tecnologia, il costo è il grande driver qui. Inoltre, questi dispositivi producono elettricità che è una forma di energia che una tipica automobile a combustione interna può utilizzare solo per apparecchiature ausiliarie. Ciò migliorerebbe efficacemente l'efficienza del carburante, ma il guadagno sarebbe relativamente minore.

Gli ingegneri sono generalmente riluttanti a utilizzare costose nuove tecnologie che non sono state testate quando i metodi esistenti sono sufficienti per raggiungere l'obiettivo. In questo caso, la maggior parte delle case automobilistiche si sforzano di produrre un prodotto competitivo. Le persone più interessate all'efficienza del carburante tenderanno a considerare un veicolo ibrido (o completamente elettrico) anziché uno alimentato da un motore a combustione interna standard. La maggior parte degli altri consumatori preferirebbe acquistare un veicolo meno costoso rispetto a uno che potrebbe aumentare leggermente il consumo di carburante.

Ci sono buone ragioni per cui, sebbene la maggior parte dei tuoi collegamenti provenga da diversi anni fa, ne è venuta ben poco. L'economia e l'ingegneria non sono favorevoli. Parte dell'arte di un motore è scaricare il calore il più rapidamente possibile; inoltre, il calore è una forma di energia di bassa qualità, quindi una volta che l'energia è calore, hai già perso tutte le migliori opportunità per fare più lavoro con esso. Diamo un'occhiata a queste due cose in dettaglio.

sbarazzarsi del caldo rapidamente è il nome del gioco

Lo scarico è progettato per allontanare il calore e i prodotti della combustione dal motore. Il radiatore fa un lavoro simile per rimuovere e dissipare il calore.

Scaricare rapidamente il calore è cruciale in un motore termico, poiché l'efficienza dipende dalla temperatura del serbatoio freddo e dal delta alla temperatura più elevata.

Quindi, qualsiasi cosa tu metta in mezzo, come il tuo dispositivo di raccolta di energia proposto, rallenterà la velocità con cui il calore lascia il motore. Ciò non solo riduce l'efficienza (sembra strano che tu abbia escluso l'efficienza come considerazione: perché altrimenti dovresti guardare la raccolta di energia in ogni caso?) Aumenterà anche la temperatura di equilibrio delle parti di lavoro della macchina, accorciandone la vita.

Se il carburante è così prezioso che la raccolta di energia sembra attraente, allora vale la pena rendere l'auto più efficiente in primo luogo, in modo che ci fosse meno calore residuo: in primo luogo, ridurre il consumo di energia di alto valore, prima di provare a riciclare a basso valore energia. E questo mi porta a ...

energia contro exergia

Il calore è, in gran parte, un prodotto di scarto. È quasi sempre la forma di energia meno utile. Questo è davvero ciò che ti dice il limite di efficienza di Carnot: che per ottenere qualsiasi lavoro dal calore di bassa qualità, puoi farlo solo con un'efficienza molto bassa; cioè, quasi tutto il calore rimarrà come calore.

Quando si fa ingegneria con il calore e altre forme di energia, è molto utile sviluppare un'intuizione per distinguere tra energia (la cosa misurata in joule) ed exergia (la cosa che fa lavorare). La forma in cui si trova l'energia determina la quantità di lavoro che può fare. L'energia chimica, come quella contenuta nel combustibile, può svolgere enormi quantità di lavoro in modo efficiente - ha un'ergonomia molto elevata. Ma la stessa quantità di energia del calore può fare molto meno lavoro - ha una bassissima esergia. I motori a combustione interna sono così inefficienti perché assumono una forma di energia di alta qualità (chimica) e si convertono immediatamente in una di bassa qualità (calore).

L'umile alternatore è molto bravo nel suo lavoro. I generatori termoelettrici a stato solido semplicemente non si avvicinano, né nei costi, né nelle prestazioni. L'uso della rotazione relativa di un conduttore e di un magnete è un mezzo molto efficace per trasformare il calore in elettricità: è per questo che viene utilizzato nelle centrali elettriche, nelle automobili, nelle dinamo delle biciclette e in molti altri usi.

Quindi, sebbene la raccolta di energia appaia intelligente, è una cattiva ingegneria: sta cercando di correggere un sintomo, piuttosto che affrontare la causa sottostante.

Se vuoi più lavoro su quei joule, allora fai quel lavoro prima che quei joule diventino calore.

L'uso di qualsiasi idea / tecnologia dipende dalla sua efficacia in termini di costi. L'efficienza è solo una parte dell'analisi. Se i moduli fossero gratuiti e non fossero mai andati male, sarebbero sicuramente in uso. Tuttavia, i moduli ad alta temperatura sono costosi per la loro potenza prodotta; rendendoli attualmente non convenienti.

EnergyNumbers fa un buon lavoro nel spiegare la termodinamica coinvolta. A causa di Carnot non puoi raccogliere una quantità significativa di energia in questo modo. Questo è anche il motivo per cui i soldi per i moduli Peltier vengono spesi meglio per una maggiore efficienza / prestazioni del motore. Tuttavia, il calore disperso ad alta temperatura sarà presente a prescindere e quando la termoelettrica diventerà conveniente, la vedrai in uso.

Nonostante ciò che le persone possono pubblicizzare, nessuna idea / tecnologia è "verde" fino a quando non può esercitare il proprio peso in un'analisi costi-benefici. Devi guardare l'intera immagine; quanti dollari e materie prime ha consumato per fornire questa energia "verde".

Se desideri scoprirlo da solo, ecco alcuni moduli ad alta temperatura che puoi valutare e valutare. Ricorda che i watt elencati sono l'energia consumata e non l'energia generata. tetech.com