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

Номер контракта: 14.577.21.0113

Руководитель: Леонтьев Александр Иванович

Должность: главный научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
двигатель внутреннего сгорания, термоэлектрический генератор, эффективность, транспортные системы, утилизация тепла

Цель проекта:
Полезная мощность современных автомобильных двигателей составляет около 35 % энергии сгоревшего топлива. Остальная часть энергии топлива переходит в тепло и отводится охлаждающей жидкостью и отработавшими газами. Это оставляет большой потенциал как по повышению эффективности рабочего процесса двигателя, так и по утилизации тепловых потерь. Одним из перспективных [1-5] методов повышения энергоэффективности транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является прямое преобразование теплоты отработавших выхлопных газов в электричество путем использования термоэлектрических батарей (ТЭБ), в основе работы которых лежит эффект Зеебека. Несмотря на относительно низкий на сегодняшний день КПД таких батарей (около 5-6 %), количества бросового тепла отработавших выхлопных газов, которое составляет от десятков (для легковых автомобилей) до сотен (для грузовых автомобилей) кВт, достаточно если не для полного, то для частичного закрытия потребностей в электроэнергии транспортного средства, что в свою очередь ведет к экономии топлива через снижение нагрузки на генератор. Например, для легкового автомобиля с двигателем мощностью 106 л.с. тепловой поток отработавших газов составит 80 кВт. Если 20 % этого теплового потока преобразовать в электричество с КПД 5 %, можно получить 800 Вт электрической мощности, что может оказаться достаточным для отказа от штатного электромеханического генератора. При КПД генератора 50 % это сэкономит 2 % топлива. В зависимости от типа транспортного средства экономия может достигать 5…10 % [4-8]. Общая эффективность силовой установки транспортного средства с термоэлектрическим генератором (ТЭГ) будет в значительной мере зависеть от применяемых в нем конструкторско-технологических решений и режимов работы двигателя. Установка ТЭГ вблизи выходного коллектора увеличивает располагаемый перепад температур на спаях ТЭБ и, как следствие, увеличивает КПД генератора. Вместе с тем увеличение потока тепла через батареи ТЭГ повысит нагрузку на его систему охлаждения. При этом может оказаться, что большая часть вырабатываемой генератором электрической мощности уйдёт на обеспечение его собственной работы, а эффективность его установки окажется крайне мала. При разработке конструкции ТЭГ необходимо решить проблему интенсификации теплоотдачи от выхлопных газов к спаям ТЭБ при ограниченном аэродинамическом сопротивлении. Выбор конструктивных решений, параметров и режимов работы ТЭГ при разработке его конструкции является весьма сложной задачей ввиду необходимости при проектировании учитывать множество физических процессов и показателей качества. Необходимо учесть влияние газодинамики в проточной части, теплопроводности в корпусе ТЭГ, термоэлектрических эффектов в ТЭБ, дополнительных потерь энергии на функционирование ТЭГ, режимы работы ДВС. Комплексный анализ ТЭГ и определение интегральных параметров качества требуют создания инструмента разработки и оптимизации конструкции термоэлектрических генераторов для двигателей различного назначения. Проведенные патентные исследования и анализ литературных источников Цели проекта: 1. Повышение эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. 2 Создание удобного инструмента разработки и оптимизации конструкции термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для двигателей различного назначения, включая разработку модели, учитывающей основные физические процессы, происходящие в генераторе, разработку экспериментальных стендов для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора и проведения комплексные измерений физико-механических параметров экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне, разработку и изготовление макетных образцов термоэлектрических генераторов для верификации расчетных моделей [1] Lon E. Bell. “Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems”, Science, V. 321, № 5895, pp. 1457-1461, 2008. [2] Yang J. “Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry”, Thermoelectrics, IEEE 24th International Conference on Thermoelectrics, Clemson, South Carolina, pp. 170-174, 2005. [3] M.A. Karri, E.F. Thacher and B.T. Helenbrook. “Exhaust energy conversion by thermoelectric generator: Two case studies”, Energy Conversion and Management, V. 52, I. 3, pp. 1596–1611, 2011. [4] D.M. Rowe, 2005. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. CRC Press. 1014 p. [5] T. Wanga, Y. Zhang, J. Zhang, Z. Peng, G. Shu. “Comparisons of system benefits and thermo-economics for exhaust energy recovery applied on a heavy-duty diesel engine and a light-duty vehicle gasoline engine”, Energy Conversion and Management, V. 84, pp. 97–107, 2014. [6] S. Kumar, S.D. Heister, X. Xu, J.R. Salvador and G.P. Meisner, “Thermoelectric Generators for Automotive Waste Heat Recovery Systems Part I: Numerical Modeling and Baseline Model Analysis”, Journal of Electronic Materials, V. 42, I. 4, pp. 665-674, 2013. [7] D. M. Rowe, J. Smith, G. Thomas and G. Min, “Weight Penalty Incurred in Thermoelectric Recovery of Automobile Exhaust Heat”, Journal of Electronic Materials, V. 40, I. 5, pp. 784-788, 2011. [8] Z. Penga, T. Wang, Y. Hec, X. Yang and L. Lu, “Analysis of environmental and economic benefits of integrated Exhaust Energy Recovery (EER) for vehicles”, Applied Energy, V. 105, pp. 238–243, 2013.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ будут получены следующие основные научно-технические результаты:
1 Разработано программное обеспечение для расчета конструкции термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями, позволяющего рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размеры секций термоэлектрического материала.
2 Разработана конструкция и технология изготовления экспериментальных образцов термоэлементов с составными ветвями и термоэлектрических генераторных батарей на их основе с применением аддитивной технологии формирования коммутационных переходов с низким тепловым сопротивлением, надежно работающих (10 и более лет) в широком диапазоне температур вплоть до 800°С с КПД до 10%
3 Разработан и изготовлен испытательный стенд, позволяющий проводить комплексные измерения физико-механические параметры термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур.
Стенд будет обеспечивать измерение следующих характеристик:
- ЭДС термоэлементов и батарей в диапазоне от 0 до 50 В в диапазоне температур на горячем спае от 25 до 800 °С;
- термоэлектрическую добротность в Z диапазоне от 0 до 4 1000/K;
- электропроводность термоэлектрического материала в диапазоне от 300 до 2000 1/(Ом*см);
- коэффициент Зеебека в диапазоне от 100 до 300 мВ/к;
- адгезию коммутационных слоев к ветвям термоэлементов от 0,1 до 2 кг/мм2.
4 Разработана математическая модель термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего
сгорания, учитывающая основные физические процессы преобразования энергии, происходящие в генераторе, и позволяющая проводить расчет и оптимизацию конструкции ТЭГ
Математическая модель термоэлектрического генератора будет обеспечивать:
- точность полученных результатов, обеспечивающую степень совпадения результатов математического моделирования и исследовательских испытаний погрешностью не более 8%;
- адекватность математического моделирования, позволяющую воспроизводить заданные свойства, состояние и поведение исследуемого объекта с достаточной для поставленных целей точностью и в условиях достаточно широкого диапазона изменения входных параметров;
- высокую степень универсальности, позволяющую использовать математическую модель для анализа однотипных процессов и систем на различных рабочих режимах;
- экономичность, обеспечивающую приемлемые затраты вычислительных ресурсов и позволяющую реализовать математическую модель на доступных средствах анализа и моделирования процессов и систем.
5 Разработан и изготовлен макет стенда для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического
генератора, включающий генератора отработавших газов, системe выпуска отработавших газов, расходомера воздуха, расходомера топлива, датчики температуры отработавших газов до и после термоэлектрического генератора, датчики температуры системы охлаждения, датчики давления до и после термоэлектрического генератора, системы управления. Стенд позволит проводить исследование особенностей работы ТЭГ для ДВС и производить доводку генератора при установке его на различные двигатели и непосредственно в автомобиль.
Стенд должен обеспечивать измерение параметров термоэлектрического генератора и двигателя внутреннего сгорания в следующих диапазонах:
- расход топлива ДВС: 0...100 кг/ч;
- расход воздуха ДВС: 0...500 кг/ч;
- температура отработавших газов до и после термоэлектрического генератора: 0...500˚С;
- электрическая мощность термоэлектрического генератора: 0...2 кВт;
- температура охлаждающей жидкости: 0...150 ˚С;
- аэродинамическое сопротивление макета термоэлектрического генератора: 0...50 мм ртутного столба.
6 Разработана программа и методики испытаний термоэлементов с составными многосекционными
ветвями и генераторных батарей на их основе
7 Разработан и изготовлен макет термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания, включающий корпуса, модуль термоэлектрического преобразования, системы охлаждения и управления.
Макет ТЭГ должен обеспечивать:
- надежную работу при его эксплуатации в составе систем выпуска отработавших газов современных бензиновых и дизельных двигателей;
- преобразование до 20% тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания, в электроэнергию (подтверждается расчетно-экспериментальными методами);
- работоспособность при максимальной температуре контактируемых отработавших газов не менее 300 ˚С.
Макет ТЭГ для ДВС должен преобразовывать тепловую энергию отработавших газов в электрическую энергию мощностью не менее 1 кВт.
Макет ТЭГ для ДВС должен создавать аэродинамическое сопротивление на номинальном режиме работы не более 30 мм ртутного столба.
8 Разработана программа и методики исследовательских испытаний макета термоэлектрического
генератора для двигателя внутреннего сгорания.
9 Изготовлены экспериментальные образцы высокоэффективных термоэлементов и генераторных батарей
на их основе, работающих в широком диапазоне температур
10 Результаты экспериментальных исследований 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.
11 Результаты комплексных измерений физико-механических параметры термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур, включая измерение термоэлектрической добротности, оценку КПД и надежности батарей.
12 Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка высокоэффективного термоэлектрического генератора для транспортных систем различного назначения»

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате проекта будет создан инструмент разработки и оптимизации конструкции термоэлектрических генераторов (ТЭГ) для поршневых двигателей различного назначения, который будет включать в себя модели, учитывающие основные физические процессы преобразования энергии, происходящие в генераторе, и позволяющие проводить расчет и оптимизацию конструкции ТЭГ, экспериментальные стенды для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора и проведения комплексных измерений физико-механических параметров экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне, макетные образцы термоэлектрических генераторов мощностью до 1 кВт для верификации расчетных моделей.
Создание данного инструмента c применением разработанных в рамках проекта конструкторский-технологических решений позволит проводить расчет и оптимизацию конструкции ТЭГ для различных типов ДВС, а также автомобилей на их основе с учетом ограничений по габаритам и месту установки генератора, проводить оценку целесообразности, экономического эффекта от установки ТЭГ, значительно сократит временные и денежные затраты на проектирование термоэлектрических систем, направленных на повышение эффективности энергетических установок на транспорте.
2. Будет создана конструкция и технология изготовления высокоэффективных термоэлектрических генераторных батарей, надежно работающих в течение длительного срока эксплуатации в низко, средне- и высокотемпературном диапазоне и позволяющих увеличить на 20-30% выходную электрическую мощность по сравнению с традиционными батареями при тех же габаритных характеристиках.

Элементами научной новизны обладают следующие результаты:
1. Математическая модель автомобильного термоэлектрического генератора, основанная на нелинейных уравнениях баланса тепловых потоков и мощностей. Модель, учитывающая процессы преобразования в автомобиле электрической механической и тепловой энергий, позволяет рассчитывать выдаваемую термоэлектрическим генератором электрическую мощность, экономию топлива при сохранении мощности на валу двигателя за счёт разгрузки электромеханического генератора, а также другие характеристики ТЭГ. Разработанная модель позволяет выбирать рациональные конструктор-технологические решения при разработке ТЭГ для ДВС для различных типов двигательных установок.
В настоящее время разработан обширный ряд моделей, позволяющих рассчитывать ТЭГ для ДВС. Они отличаются своими функциональными возможностями, применяемыми методами и уровнем сложности. Вместе с тем моделей, описывающих в комплексе работу ДВС с установленным ТЭГ с учетом преобразования электрической, механической и тепловой энергий, найдено не было.
2. Установлен, что эффективность работы ТЭГ (его КПД и выделяемая мощность) определяется в первую очередь коэффициентом теплоотдачи горячего теплообменника и коэффициентом оребрения. Установлена зависимость выходной мощности от этих коэффициентов.
Разработаны рекомендации к конструктивному исполнению проточной части ТЭГ для различных транспортных средств. Показано, что наиболее перспективными являются конструкции с совместным использованием лунок и вытеснителя-турбулизатора, а также конструкции с различными видами оребрения. Даны рекомендации по конструкции проточной части ТЭГ для различных типов ДВС, включая стационарные установки
3. Разработана инновационная методика измерения параметров ветвей термоэлементов, позволяющая измерять термоэлектрическую как монолитных, так и составных ветвей термоэлементов, в том числе с коммутационными слоями в широком диапазоне температур с использованием динамических методов измерения физических характеристик и бесконтактного метода измерения температурных полей.
В настоящее время определения термоэлектрической добротности (параметр, характеризующий эффективность материала) генераторных материалов в широком диапазоне температур представляет значительную сложность ввиду необходимости измерения 4-х параметров (температуропроводности, теплоемкости, электропроводности, коэффициента Зеебека), что требует использования как минимум 3-х приборов, подготовку под каждое измерение образцов со специфическими требованиями к геометрии и качеству поверхности.

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.
Разработанный инструмент разработки ТЭГ для ДВС c применением разработанных в рамках проекта конструкторский-технологических решений позволит проводить расчет и оптимизацию конструкции ТЭГ для различных типов ДВС, а также автомобилей на их основе с учетом ограничений по габаритам и месту установки генератора, проводить оценку целесообразности, экономического эффекта от установки ТЭГ, значительно сократит временные и денежные затраты на проектирование термоэлектрических систем, направленных на повышение эффективности энергетических установок на транспорте. Данный инструмент будет полезен как российским, так и зарубежным компаниям, занимающимся разработкой и производством термоэлектрических генераторов различного назначения, автопроизводителям и компаниям, занимающимся производством ДВС различного назначения.
Внедрение в 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.

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.
Отдельные конструкторско-технологические решения, позволяющие значительно повысить эффективность термоэлектрических батарей, могут быть легко внедрены в существующую технологическую цепочку производства термоэлектрических генераторных батарей.

К середине 2016 года планируется создать спортивный автомобиль с термоэлектрической энергоустановкой на борту и принять участие в российских и зарубежных этапах соревнования Формула студент (Formula SAE). Данный автомобиль станет первым автомобилем подобного класса с бортовом питанием, получаемым за счет утилизации выхлопных газов. Выступление команды Bauman Racing Team (чемпиона России 2015) с подобным автомобилем позволит эффективно продемонстрировать результаты ПНИ как на российском, так и международном уровне, положительно скажется на развитии исследований в рамках международного сотрудничества.

Текущие результаты проекта:
1 Краткое описание основных результатов, полученных к настоящему времени
Разработана концепция термоэлектрического генератора (ТЭГ) для двигателей внутренне-го сгорания (ДВС), в основу которой были положены следующие принципы:
- ТЭГ и ДВС рассматриваются не как отдельные системы, а как часть единой системы. Для достижения максимальной эффективности утилизации теплоты выхлопных газов путем её прямого преобразования в электричество оптимизируется не только конструкция ТЭГ, но и режимы и конструкция ДВС.
- установка ТЭГ как можно ближе к головке блока цилиндров с целью расширения температурного диапазона (разности температур на спаях ТЭГ);
- теплоизоляция ДВС с целью увеличения полезной мощности ДВС и температуры выхлопных газов, а следовательно, и располагаемого перепад температур и КПД ТЭГ;
- разработка методов интенсификации теплообмена между отработавшими газами и стенкой выпускной системы, а также методик рационального выбора таких методов;
- разработка методов коммутации ветвей термоэлементов с использованием аддитивных технологий, обеспечивающих надежное соединение ветвей с низким тепловым и электросопротивлением.
Разработана математическая модель ТЭГ для ДВС, учитывающая в комплексе совокупность гидравлических, тепловых, электрических и механических процессов в силовой установке. Модель позволяет проводить расчет ТЭГ как в упрощенной постановке, с достаточной точностью и минимальными затратами вычислительных ресурсов определяя параметры эффективности генератора, так и термодинамический численный расчет, решающий задачу определения потока тепла через термоэлектрические батареи ТЭГ путем численного решения системы дифференциальных уравнений на основе фундаментальных уравнений трехмерного нестационарного переноса с целью уточнения коэффициентов теплоотдачи.
На основе результатов численного моделирования работы ТЭГ разработаны рекомендации к конструктивному исполнению проточной части тех для различных транспортных средств. Показано, что наиболее перспективными являются конструкции с совместным использованием лунок и вытеснителя-турбулизатора, а также конструкции с различными видами оребрения. Даны рекомендации по конструкции проточной части ТЭГ для различных типов ДВС, включая стационарные установки. Установлено, что эффективность работы ТЭГ (его КПД и выделяемая мощность) определяется в первую очередь коэффициентом теплоотдачи горячего теплообменника и коэффициентом его оребрения.
Показано, что при использовании двигателя ВАЗ 21127 мощностью 106 кВт, утилизируя тепло выхлопных газов, можно получить экономия топлива до 0,4 л/час.
Разработана эскизная конструкторская документация и электронный макет ТЭГ мощностью 1 кВт для ДВС. Для предварительной отработки конструкции, а также верификации результатов моделирования разработан и собран предварительный макет термоэлектрического генератора с максимальной электрической мощностью до 500 Вт, который имеет возможность установки на автомобили Лада «Калина» и «Гранта» с двигателем ВАЗ 21127.
Разработан и изготовлен стенд для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора. Стенд позволяет исследовать особенности работы и производить доводку термоэлектрического генератора при установке его на различные двигатели. Входящий в состав стенда ступичный мощностной стенд 4WD DAQ32 компании DynaPack (США) позволяет проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля.
Разработана программа и методики исследовательских испытаний макета термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания.
Разработана принципиальная схема ТЭГ для ДВС, обеспечивающая стабильное значения выходного напряжения с выхода ТЭГ, подаваемого к потребителям и соответствующего значению напряжения бортовой сети автотранспорта (12, 24 В) различного функционального назначения. В схеме применены импульсные преобразователи напряжения, а также система функционального контроля ТЭГ
В рамках разработки высокоэффективных термоэлектрических батарей, работающих в широком диапазоне температур получены следующие результаты:
Разработана и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий проводить комплексные измерения физико-механических параметров экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур,
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 размер секций термоэлектрического материала.
Разработана эскизная конструкторская документация и опытная технология изготовления высокоэффективных многосекционных составных ветвей термоэлементов, способных работать в широком диапазоне температур. Проведены их исследовательские испытания.
Разработана опытная аддитивная технология формирования коммутационных переходов, соединяющих ветви термоэлементов, а последние в термоэлектрическую батарею. Проведены исследовательские испытания термоэлементов с составными многосекционными ветвями и генераторных батарей на их основе. Показано увеличение эффективности термоэлектрических генераторных батарей на 20...30% по сравнению с традиционными батареями соответствующих размеров.