Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур

Докладчик: Леонтьев Александр Иванович

Должность: советник ректората МГТУ им. Н.Э. Баумана

Цель проекта:
Повышение эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, снижение расхода потребляемого топлива, а также повышение в целом эффективности термогенераторных источников питания, путем создания конструкции и технологии получения высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения ПНИ планируется решить следующие задачи:
1 Разработать концепцию, принципиальную схему и математическую модель термоэлектрического генератора для ДВС, которая позволит определять исходные технические параметры, параметры термобатарей, проведено имитационное моделирование его работы
2 Разработать программное обеспечение для расчета конструкции термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями, позволяющее рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размеры секций термоэлектрического материала.
3 Разработать опытную технологию изготовления высокоэффективных многосекционных составных ветвей термоэлементов, способных работать в широком диапазоне температур с КПД до 10%;
4 Разработать опытную аддитивная технологию формирования коммутационных переходов, соединяющих ветви термоэлементов, а последние в термобатарею, с низким тепловым сопротивлением и надежно работающие при температурах до 800°С;
5 Разработать конструкцию и изготовить высокоэффективные термогенераторные батареи, работающие в широком диапазоне температур
6 Разработать и изготовить макет термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания мощностью до 1 кВт
7 Разработать и изготовить стенд для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания
8 Провести экспериментальные исследования макета термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с разработанной программой и методиками, включая определение эффективной электрической мощности термоэлектрического генератора и аэродинамическое сопротивление его макета, по результатам которых проведена оптимизация конструкторских решений узлов термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания
9 Разработать технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики

Пути решения поставленных задач:
При разработке математической модели термогенератора для ДВС будут использоваться как численные методы, так и аналитические расчеты, так как расчет распределения температур и потоков тепла в общей модели ТЭГ являются сложными и обычно находятся численными методами, что затрудняет анализ и выявление наиболее общих закономерностей работы генератора.
Так как температура выхлопных газов на выходе из цилиндров составляет 800-900 °С и снижается по мере движения газа по выпускному коллектору, для повышения эффективности генераторной системы целесообразно рассматривать распределенный термоэлектрический генератор, состоящий из ряда последовательно соединенных вдоль потока выхлопных газов (вдоль выпускного коллектора) единичных термогенераторных батарей, оптимизированных на определенную температуру выхлопных газов.
Можно показать, что КПД термоэлектрического генератора с распределенными параметрами будет в 1,5 раза выше КПД генератора с сосредоточенными параметрами. Вместе с тем, для повышения эффективности распределенного термоэлектрического генератора требуются батареи, работающие в широком диапазоне температур, состоящие из каскадных термоэлементов или термоэлементов с составными ветвями.

Задачу разработки конструкции высокоэффективного термоэлемента с многосекционными градиентными ветвями, способного работать в диапазоне температур от 20 до 800°С планируется решать путем использования прогрессивных компоновочных схем ветвей термоэлементов, которые могут значительно повысить КПД ТЭГ.
Покажем это на примере ТЭГ советской ядерной энергетической установке (ЯЭУ) «Бук», которая длительное время (1970–1988 гг.) эксплуатировалась в составе радиолокационных космических аппаратов. КПД ТЭГ данной установки составлял 4,9%. При этом в данном ТЭГ использовалась двухкаскадная батарея, собранная из каскадных термоэлементов. При эксплуатации ЯЭУ “Бук” средняя температура горячего спая ТЭГ составляла по горячей стороне 993 К, по холодной – 603 К. Горячий каскад термобатареи ТЭГ был выполнен из кремний-германиевого сплава, который работал при перепаде температур ΔТ = 130 К с температурой горячего спая 993 К, холодного – 863 К. Холодный каскад был выполнен из теллуридов свинца и германия и работал при перепаде температур ΔТг = 170 К с температурами горячего спая 773 К и холодного – 603 К. Суммарный срабатываемый перепад по термоэлектрическим материалам в каскадах составлял ΔТх = 300 К. Общий перепад между горячим спаем кремний-германиевого каскада и холодным спаем холодного каскада из теллуридов свинца и германия составлял ΔТоб = 390 К. Таким образом, потери температурного напора между каскадами составили ΔТпар = 90 К.
Можно показать, что если бы в ТЭГ были применены сегментированные составные ветви термоэлементов, это дало бы возможность использовать паразитный, а КПД ТЭГ составил бы не менее 7%. Учитывая, что оценочная тепловая мощность, подводимая к горячим спаям, составляет 57,14 кВт, то при использовании сегментированной термобатареи электрическая мощность могла бы возрасти от 2,8 до 4,0 кВт, т.е. в 1,42 раза без изменения массогабаритных характеристик ЯЭУ.

С целью разработки коммутационных переходов, устраняющих недостатки существующих в настоящее время способов коммутации необходимо следующие задачи:
- провести теоретическое и экспериментальное обоснование и выбор методов нанесения антидиффузионных и электропроводных слоев, обеспечивающих соединение ветвей P и N – типов в термоэлемент;
- провести поиск, теоретическое обоснование и выбор материала антидиффузионного слоя, наносимого на полупроводниковые ветви P и N – типов, обеспечивающего длительный ресурс работы термоэлементов при температуре спаев до 900 градусов Цельсия;
- провести поиск, теоретическое обоснование и выбор материала электропроводного слоя, обеспечивающего соединение ветвей P и N – типов в термоэлемент, при длительном ресурсе и температуре спаев до 900 градусов Цельсия
В последнее время появилось достаточно способов коммутации с использованием плазменно-дугового или детонационного нанесения порошков электропроводных металлов на подложку из полупроводникового материала, что позволяет создать термобатареи из различных термоэлектрических материалов, способных работать в широком температурном диапазоне до 2000 К и подобрать оптимальный послойный состав. Это даст возможность увеличить термодинамический КПД цикла термоэлектрических установок с одновременным увеличением КПД термоэлектрического преобразования.

Кроме того, задачу повышения эффективности термоэлектрических генераторов планируется решать решать с применением методов и средств нанотехнологий, которые позволят увеличить термоэлектрическую добротность полупроводникового материала.
Согласно имеющимся теоретическим представлениям, существенного увеличения добротности можно достигнуть в наноструктурированных объемных термоэлектриках, получаемых из наноразмерных порошков. При этом должна возрастать и механическая прочность материала, что позволит увеличить ресурс работы преобразователей энергии на их основе. Это особенно важно для термогенераторов, работающих в условиях значительных термических напряжений.
Сказанное выше определяет несомненную актуальность задачи создания нового класса наноструктурных объемных термоэлектриков.
Обнадеживающие результаты получены белорусскими и немецкими специалистами при исследовании силицидов, получаемых методом механосинтеза и других нанотехнологических приемов. Следует отметить, что сейчас есть многочисленные подтверждения, показывающие, например, что применение технологических приемов, используемых в нанотехнологии для получения порошков, дает возможность значительно повысить добротность термоэлектрических материалов. Так, закалка при скорости 10^6 К/с жидкого состояния (ЗЖС) тройных термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута позволяет достичь добротности более чем 3,7*10^(–3) К^(–1), превосходящую по своему значению добротность любых тройных сплавов на основе твердых растворов теллуридов сурьмы и селена, получаемых вытягиванием кристаллов или направленной кристаллизацией. Механо-активационный синтез кремний-германиевого сплава с внедрением инертных диспергаторов типа ВN, В4С или фуллеритов диаметром ~0,7 нм позволяет снизить теплопроводность сплава на 30%, повысить его добротность почти в два раза при диспергировании окиси тория.

Кроме того, в работе планируется рассмотреть возможность установки термоэлектрического генератора на теплоизолированный двигатель, температура отработавших газов которого поднимается до 1000-1100°С. С повышением температуры увеличивается КПД термогенераторной батареи, что позволит решить многие проблемы, препятствующие серийному выпуску данных устройств. Литературный обзор показывает, что направление использования теплоизолированного двигателя в совокупности с термоэлектрическим генератором в литературных источниках не встречается и является новым не только в России, но и в мире.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИ могут быть использованы при разработке и производстве термоэлектрических генераторов для дизельных и бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различного применения: стационарные (электрогенераторы), автомобильные, судовые, двигатели тепловозов, различные поршневые двигатели военного назначения. Внедрение у конструкцию ДВС термогенераторов, эффективно утилизирующих часть тепла выхлопных газов двигателя, позволит повысить его энергоэффективность, снизить расход потребляемого топлива до 7%, а в некоторых случаях отказаться от штатного генератора.
Разработанная математическая модель термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания позволит проводить имитационное математическое моделирование термоэлектрического генератора для определения исходных технических параметров, его оптимизацию для конкретного двигателя и условий эксплуатации
Разработанный макет стенда позволит проводить исследования особенностей работы термогенератора в различных условиях и режимах работы ДВС, проводить доводку термоэлектрического генератора при решении конкретных конструкторских задач, а также его испытание в соответствии с разработанными в ходе выполнения ПНИ программой и методиками исследовательских испытаний.
Разработанные в ходе выполнения ПНИ опытная технология изготовления высокоэффективных многосекционных составных ветвей термоэлементов, способных работать в широком диапазоне температур и опытная технология их коммутации с низкими тепловыми сопротивлениями помимо высокоэффективных термогенераторов для ДВС могут быть использованы как для повышения эффективности существующих термогенераторных автономных источников питания, которым в настоящее время практически нет альтернативы (станции катодной защиты газопроводов и газорегуляторных пунктов (ГРП), находящиеся вдали от линий электропередач, космические системы освоения дальнего космоса, спутники специального назначения с радиоизотопной энергетической установкой на борту ), так и для расширения областей применения таких источников питания.
Стоит отметить, что рынок ГРП на 2014 г. составляет 3212 (количество ГРП, планируемых к реконструкции, модернизации, перевооружению). Данное количество ГРП требует 20077 термогенераторов. В денежном эквиваленте рынок ТЭГ для ГРП на 2014 год оценивается в 6 млд. руб. К 2019 году планируется рост данного рынка до 36 млд. руб.
Полученные результаты должны быть непосредственно использованы при разработке опытно-промышленной технологии получения нового класса термоэлектриков, на основе которых будут производиться эффективные термоэлектрические преобразователи различного назначения, обладающие более высокими эксплуатационными характеристиками и увеличенным ресурсом работы по сравнению с существующими аналогами

Текущие результаты проекта:
По результатам проведенных на первом этапе работ получены следующие научно-технические результаты:
- показана актуальность проводимых ПНИ;
- проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- проведена предварительная сравнительная оценка эффективности возможных направле-ний
исследований;
- проработаны варианты возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального
варианта решения задачи
- разработана концепция термоэлектрического генератора для ДВС;
- разработано программное обеспечение для расчета конструкции термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями, позволяющее рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размеры секций термоэлектрического материала;
- разработана конструкторская документация на экспериментальный стенд, позволяющий проводить комплексные измерения физико-механические параметры экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур;
- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы термоэлементов с составными ветвями.
Проведенный аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области термоэлектрических систем утилизации тепловых потерь двигателей внутреннего сгорания показал большое число работ в данной области как в отечественной, так и зарубежной литературе. Патентные исследования показали значительное количество конструкторских решений подобных систем. При этом работы в направлении создания термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для ДВС, начавшиеся начались в середине прошлого века, в настоящее врем активно продолжаются, а интерес к этой теме не только не ослабевает, но и постоянно растет. Вместе с тем, ведущие мировые автопроизводители заявляют о создании серийного выпуска подобных систем лишь к 2017-2020 году, что обусловлено рядом нерешенных проблем в данной области, как-то:
- недостаточная эффективность термогенераторных батарей при значительной стоимости ватта
вырабатываемой ими электроэнергии;
- низкая эффективность передачи тепла от выхлопных газов к спаям термобатареи;
- развитие конфликта тепловых машин при встраивании ТЭГ в ДВС, нарушающего его работу.
Данные проблемы предстоит решить при выполнения ПНИ.
В процессе разработки вариантов возможных решений задачи, выбора и обоснования оптимального варианта решения задачи, а также разработки концепции ТЭГ для ДВС были проанализированы возможные варианты установки ТЭГ в различных частях выпускного кол-
лектора. Проведены оценочные ресчеты различных конструкций термогенераторов. При этом наиболее рациональным представляется его размещение в начале выпускного коллектора на минимальном удалении от двигателя, где отработавшие газы там имеют
наибольшую температуру. В случае использования на автомобиле турбокомпрессора ТЭГ рационально расположить непосредственно за турбокомпрессором. Несмотря на то, что после турбокомпрессора отработавшие газы имеют меньшую температуру, установка термоэлектро генератора перед ним привела бы к нарушению его работы и увеличению задержки срабатывания турбокомпрессора.
В качестве перспективного направления современного двигателестроения рассматривается возможность уменьшения теплоотдачи в систему охлаждения путем тепловой изоляции днища поршня, поверхности головки цилиндра, клапанов и гильз цилиндров. Изолируя камеру сгорания от тепловых нагрузок со стороны рабочего тела, удается большую часть теплоты, которая обычно отводится системой водяного охлаждения двигателя, отдать отработавшим газам. При этом отработавшие газы на выходе из теплоизолированного двигателя будут обладать большими запасами энтальпии при большей температуре, что дает возможность эффективного использования систем утилизации энергии. Таким образом, при использовании теплоизоляции увеличивается доля теплоты, расходуемая на полезную работу, увеличивается теплота, отводимая отработавшими газами, и уменьшаются потери теплоты в охлаждающую жидкость. Температура отработавших газов теплоизолированного двигателя поднимается до 1000-1100°С. При этом возникает проблема использования стандартных турбокомпрессоров, материалы которых рассчитаны на температуру до 700-800°С. Поэтому перспективным направлением использования термоэлектрического генератора может быть установка его перед турбиной, с целью снижения температуры отработавших газов с 1000-1100°С до 800°С, преобразуя избыточное тепло в
электроэнергию.
С повышением температуры увеличивается КПД термогенераторной батареи, что позволит решить многие проблемы, препятствующие серийному выпуску данных устройств. Вместе с тем, увеличение температуры спаев предъявляет повышенные требования конструкции термобатареи, полупроводниковым термоэлектрическим материалам, коммутационным слоям. Возникает необходимость использования многосекционных ветвей термоэлементов.