xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Οι αποδόσεις υπολογίστηκαν για θερµοκρασίες της ψυχρής πλευράς Τ2 από 0 έως 120 0 C, ώστε να καλυφθούν διαφορετικές
υλοποιήσεις του συστήµατος ψύξης (µε αέρα ή νερό ψύξης του κινητήρα).
Ο υπολογισµός της δυνητικά διαθέσιµης θερµικής ισχύος των καυσαερίων καθ’ όλο το µήκος της εξάτµισης δείχνει, ότι σε
κάθε συνδυασµό φορτίου και θερµοκρασία ψυχρής δεξαµενής, ξεπερνά την πιθανή µέγιστη απαιτούµενη ισχύ από τον
εναλλακτήρα του αυτοκινήτου, η οποία µπορεί να κυµαίνεται γύρω στα 1000 W σε σύγχρονα αυτοκίνητα µε πολλά
ηλεκτρικά εξαρτήµατα [6].
∆ιαιρώντας την δυνητικά διαθέσιµη θερµική ισχύ Q σε κάθε σηµείο της εξάτµισης δια της απαγόµενης από το TEG
θερµικής ισχύος Q H στη θέση αυτή, µπορεί να υπολογιστεί ο µέγιστος αριθµός TEG, που θα µπορούσε να τοποθετηθεί για
απορρόφηση όλης της θερµικής ισχύος των καυσαερίων. Στην περίπτωση αυτή, η µέγιστη αποδιδόµενη ισχύς από την
συστοιχία του µέγιστου αριθµού TEG σε κάθε θέση της διαδροµής των καυσαερίων και η αντίστοιχη απαιτούµενη ελάχιστη
επιφάνεια εναλλαγής (που είναι το άθροισµα των επιφανειών όλων των TEG) παρουσιάζονται στο σχήµα 3.
maxPTEGtot (W)
700
600
500
400
300
←
← κινητήρας
Μερικό φορτίο
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω→
T2 = 0 C
T2 = 60 C
T2 = 120 C
←
0,07
200
←
100
0,06
κεντρικός
πίσω
σιγαστήρας
σιγαστήρας
0
0,05
1,5 2 2,5 3 3,5 4
Σχήµα 3: Μέγιστη απόδοση συστοιχίας TEG από Bi 2 Te 3
κατά µήκος του σωλήνα της εξάτµισης µετά τον καταλύτη,
για διαφορετικές θερµοκρασίες ψυχρής πλευράς.
→
→
→
0,11
0,1
0,09
0,08
STEG (m 2 )
Κέρδος κατανάλωσης καυσίµου
6%
5%
4%
3%
2%
1%
Μερικό φορτίο
0%
0 100 200 300 400 500 600
Ptot TEG (W)
0 kg
50 kg
100 kg
Σχήµα 4: Επίδραση της ισχύος µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης
στο συνολικό ποσοστό κέρδους της κατανάλωσης καυσίµου, για
διαφορετικά βάρη της διάταξης
Συνδυάζοντας τα στοιχεία της µείωσης της κατανάλωσης καυσίµου από τη χρήση της θερµοηλεκτρικής διάταξης και της
επίδρασης του βάρους της, µπορεί να υπολογιστεί η επίπτωση στην οικονοµία καυσίµου θερµοηλεκτρικών διατάξεων
διαφορετικού συνολικού βάρους και αποδιδόµενης ισχύος (σχήµα 4).
Για µέση κατανάλωση 7,9 lt/100 km (combined ECE) και 10.000 km/έτος, µπορεί να υπολογιστεί το συνολικό ποσό που
θα µπορούσε να εξοικονοµηθεί µε τη χρήση θερµοηλεκτρικής διάταξης για 5% µείωση της κατανάλωσης καυσίµου
(σηµερινό επίπεδο τεχνολογίας) και 20% (µελλοντικά) µε τη χρήση νέων θερµοηλεκτρικών υλικών. Με εκτιµώµενο κόστος
της θερµοηλεκτρικής διάταξης 500 € και σηµερινές τιµές βενζίνης (1€/lt), για τις µελλοντικές αποδοτικές διατάξεις, η
απόσβεση θα µπορούσε να γίνει σε 3 ή 2 έτη.
Συµπεράσµατα. Η χρήση των θερµοηλεκτρικών υλικών για βελτίωση του βαθµού απόδοσης των κινητήρων εσωτερικής
καύσης των αυτοκινήτων, µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά στην παγκόσµια ανάγκη εξοικονόµησης ενέργειας και µείωσης
των ρύπων. Η διατιθέµενη ισχύς και οι θερµοκρασίες που επικρατούν στον σωλήνα της εξάτµισης ενός µεσαίου µεγέθους
αυτοκινήτου, είναι ικανοποιητικές για την αρκετά αποδοτική εφαρµογή µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης. Η πλέον
ενδεδειγµένη θέση φαίνεται να είναι ακριβώς µετά τον καταλύτη, όπου επικρατούν µεγάλες θερµοκρασίες. Ο βαθµός
απόδοσης και η αποδιδόµενη ισχύς της διάταξης, εξαρτώνται από την κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα και από την
αποτελεσµατική σχεδίαση του εναλλάκτη θερµότητας. Από τα αποτελέσµατα, φαίνεται ότι είναι υλοποιήσιµη µια
θερµοηλεκτρική διάταξη ακόµη και µε συµβατικά θερµοηλεκτρικά στοιχεία, που θα αποδίδει ισχύ περί τα 500 W, µε
αντίστοιχη εξοικονόµηση καυσίµου γύρω στο 5%. Η περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης των θερµοηλεκτρικών υλικών,
ειδικά στις υψηλές θερµοκρασίες, αναµένεται να δώσει επαναστατική ώθηση στην εφαρµογή τους στο χώρο του
αυτοκινήτου.
Ευχαριστίες. Η εργασία αυτή αναπτύχθηκε µε µερική χρηµατοδότηση από την ΓΓΕΤ, στα πλαίσια του έργου διακρατικής
συνεργασίας (Non-european countries, Ελλάδα-USA) µε τίτλο "Application of Advanced Materials Thermoelectric
Technology in the Recovery of Wasted Heat from automobile exhaust systems"
Αναφορές
[1] Francis Stabler, “Automotive applications for high efficiency thermoelectrics,” High efficiency thermoelectric workshop,
San Diego, California, March 24-27, 2002.
[2] Jorge Vázquez et al., State of the Art of Thermoelectric Generators Based on Heat Recovered from the Exhaust Gases of
Automobiles, Proceedings of the 7th European Workshop on Thermoelectrics, Pamplona, Spain (2002) 17.
[3] J. LaGrandeur et al, Vehicle Fuel Economy Improvement through Thermoelectric Waste Heat Recovery, 2005 Diesel
Engine Emissions Reduction (DEER) Conference Presentations, Chicago, Illinois, August 21-25, 2005
[4] BMW specifications, “3series sedan datasheet”,www.bmw.com
[5] K. Zorbas, E. Hatzikraniotis and K.M. Paraskevopoulos, Study of Power efficiency in Thermoelectric Power Generators,
ΧΧII Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης & Επιστήµης Υλικών, Πάτρα, 24-27 Σεπτεµβρίου 2006
[6] Francis R. Stabler, Commercialization of Thermoelectric Technology, MRS Symp. Proc. Vol. 886, F01-04.1, 2006
241
2