Термоэлектрический генератор – преобразование тепла выхлопных газов в электроэнергию

В центре нанотехнологий Бирка докторант Факультета машиностроения Университета Пердью Ягуо Ван работает с высокоскоростными лазерами. Главный объект его исследований – термоэлектрический генератор, устройство, предназначенное для преобразования тепла от выхлопных газов двигателя в электроэнергию. При условии успешного завершения разработки использование таких приборов позволит существенно сократить расход топлива автомобиля

.

В активе проекта – трехлетняя дотация от Национального научного фонда и Министерства энергетики США на сумму 1,4 млн. долларов. По словам Ксианфана Сюй, профессора Факультета машиностроения, электротехники и вычислительной техники Университета Пердью, команда разработчиков Университета Пердью также активно сотрудничает с General Motors. Как раз сейчас эта компания занимается разработкой модели, в которой будут использоваться термоэлектрические генераторы, или ТЭГ.

• Задачей ТЭГ является производство электрического тока для зарядки батареи и питания электрических систем автомобиля – это не много, но вполне достаточно для уменьшения нагрузки двигателя и сокращения расхода топлива. Прототип такого устройства, будучи установлен в системе выпуска двигателя сразу за каталитическим нейтрализатором отработавших газов, сможет «собирать» тепло выхлопных газов, доходящее до 700 градусов Цельсия, или 1300 градусов по Фаренгейту.

.

Пока что термоэлектрические технологии не способны выдержать жар внутри каталитических нейтрализаторов, где температура газов достигает 1000 градусов Цельсия. Исследователи прекрасно понимают, что это позволило бы экономить еще больше топлива, и продолжают работать над усовершенствованием технологии и разработкой новых жаростойких термоэлектриков.

• Начало серьезных работ запланировано на первое января 2011 года. Первый прототип должен сократить расход топлива на 5 процентов, последующие устройства, способные работать при более высоких температурах, позволят увеличить этот показатель до 10 процентов.

.

Местом проведения исследований был выбран Центр Нанотехнологий Бирка в Парке Открытий (Discovery Park) Университета Пердью. В состав исследовательской группы (во главе с Ксианфаном Сюй) вошли следующие члены профессорско-преподавательского состава Университета Пердью: Тимоти Фишер, профессор Факультета машиностроения; Стивен Хеистер, профессор Факультета аэронавтики и астронавтики; Тимоти Сэндс, профессор Факультета технических наук имени Бэзила С. Тернера, профессор Факультета материаловедения, электротехники и вычислительной техники, исполнительный вице-президент и проректор по учебной работе; а также Юэ Ву, доцент Факультета химических технологий. Пока же предварительными работами занимаются студенты Университета под руководством все того же профессора Сюй.

• Термоэлектрический материал содержится в чипах размером в несколько квадратных дюймов (1 дюйм = 2,54 см), каждый из которых спроектирован с учетом его местонахождения в системе.

«Чипы рассчитаны на работу при различных температурах, так как при прохождении через систему газ охлаждается», – отметил профессор.

Исследователи продолжают решать вопросы повышения эффективности и надежности системы, пытаются найти оптимальное сочетание материалов с учетом разности их расширения при нагревании, а также ищут другие способы извлечения из выхлопных газов как можно большего количества тепла.

.

• Термоэлектрические материалы производят электроэнергию при наличии разницы температур.

«Со стороны контакта с выхлопными газами материал должен быть горячим, а с другой стороны – холодным, и эта разница должна быть такой, чтобы электрический ток производился постоянно», – пояснил Сюй. И он знает, о чем говорит, ведь срок сотрудничества профессора с General Motors насчитывает уже десять лет, а исследованиями в области термоэлектричества ученый занимается и того дольше.

Таким образом, важнейшая цель текущих изысканий заключается в разработке материалов, которые плохо проводили бы тепло.

«Нам не нужно, чтобы тепло быстро передавалось от горячей к холодной стороне чипа», – заметил ученый. – «Наоборот, для непрерывного производства электрического тока нам необходимо постоянно поддерживать эту разность температур».

.

Пока что в разработке General Motors используется термоэлектрический материал под названием скуттерудит – минерал, состоящий из кобальта, арсенида, никеля или железа.

«Самая важная задача для нас состоит в проектировании на системном уровне. Ведь нужно сделать так, чтобы выхлопные газы двигателя отдавали материалу как можно больше тепла», – поделился Ксианфана Сюй. Для уменьшения теплопроводности скуттерудита исследователи расширяют его состав за счет редкоземельных элементов, к примеру, лантана, цезия, неодима и эрбия. Поскольку использование чистых редкоземельных элементов обходится недешево, ученые работают над тем, чтобы заменить их сплавами мишметалла (mischmetals).

Все эти исследования проводятся на основе уже существующих разработок Университета Пердью с участием Национального научного фонда, Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ, Управления научных исследований ВВС и Центра передовых технологий Университета Роллс-Ройс.

• По словам разработчиков, в перспективе термоэлектрические технологии можно будет использовать и для других целей, например, преобразования отходящего тепла в электроэнергию в жилых домах и на электростанциях или для производства солнечных батарей и полупроводниковых холодильных установок нового типа.

http://www.facepla.net/…ricity-boost