Sprawność generatora termoelektrycznego

Komercyjne moduły TEM na bazie Bi2Te3 charakteryzują się sprawnością konwersji energii nie przekraczającą 3%. Wynika to głównie z generowanej mocy oraz z wąskiego zakresu temperatury pracy, w którym występuje największy współczynnik efektywności termoelektrycznej ZT. W niskotemperaturowych modułach TEM moc wygenerowana przez pojedynczy moduł nie jest większa niż 10 W. Z tego względu w prototypowych generatorach ATEG umieszczana jest duża liczba modułów TEM, tak

aby moc generatora była możliwie największa. W opracowanych rozwiązaniach, które wykorzystano w rozprawie doktorskiej przewidziano zastosowanie 24 modułów. Do celów badawczych użyto komercyjne moduły TMG-241-1.4-1.2 firmy Ferrotec NORD o mocy 9,4 W każdy, co daje łącznie 225,6 W. Aby określić potencjał odzysku strumienia energii gazów wylotowych przez generator ATEG2 zdefiniowano sprawność odzysku strumienia energii odpadowej (sprawność generatora termoelektrycznego), którą wyrażono stosunkiem mocy wygenerowanej przez moduły TEM do strumienia energii gazów wylotowych występującego w wymienniku ciepła generatora:

gw ATEG

ATEG Q

η  N (9.1)

gdzie ηATEG – sprawność generatora ATEG [-], NATEG – moc wygenerowana przez moduły TEM [kW], Qgw – strumień energii gazów wylotowych [kW].

Moc modułów TEM wyznaczana jest na podstawie zarejestrowanego napięcia i natężenia prądu zmierzonego za pomocą opracowanego układu pomiarowego.

Strumień energii gazów wylotowych wyznaczany jest przy wykorzystaniu zależności (7.5). Temperatura gazów wylotowych Tgw traktowana jest jako średnia temperatury

Oprócz wyznaczenia sprawności generatora ATEG2 bardzo istotnie jest również określenie potencjału odzysku strumienia energii gazów wylotowych (strumienia energii odpadowej), który zostanie przekazany do ścianek wymiennika ciepła. W tym przypadku kluczową rolę odgrywa spadek temperatury ΔtATEG.Cześć z wyznaczonego strumienia energii odpadowej jest tracona na ściankach dyfuzora i konfuzora wymiennika ciepła oraz wskutek występowania wewnętrznych oporów przepływu. Do analizy przyjęto, że ilość tej energii stanowiła połowę całkowitego strumienia energii gazów wylotowych obliczonej dla generatora ATEG2. Wartość tę określono na podstawie danych zamieszczonych w literaturze przedmiotu [118].

W odzwierciedlonym cyklu jezdnym strumień energii odpadowej w generatorze ATEG był większy niż w teście homologacyjny NEDC (rys. 9.20a). Średnia wartość strumienia energii gazów wylotowych w wymienniku ciepła wyniosła odpowiednio Q_gw = 1,0 i 0,67 kW. Natomiast generator ATEG zainstalowany w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI charakteryzował się większym maksymalnym strumieniem energii gazów wylotowych niż zainstalowany w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE.

Wynikało to przede wszystkim z wyższej temperatury gazów wylotowych. Na wszystkich charakterystykach obciążeniowych silnika zaobserwowano niemalże liniowy wzrost strumienia energii gazów wylotowych względem momentu obrotowego silnika (rys. 9.20b).

Otrzymane przebiegi interpolowano liniowo, uzyskując bardzo duże wartości współczynnika determinacji R² – dla pierwszej charakterystyki obciążeniowej R² = 0,96, a dla pozostałych dwóch był on zbliżony do 0,97. W zakresie małego i średniego obciążenia silnika (0–60 Nm) strumień energii odpadowej w wymienniku

ciepła generatora ATEG mieścił się w przedziale 0,1–4,0 kW, natomiast przy maksymalnym obciążeniu wyniósł maksymalnie Qgw = 5,9 kW.

Rys. 9.20. Strumień energii odpadowej w generatorze ATEG2 z uwzględnieniem strat na ściankach dyfuzora i konfuzora wymiennika ciepła oraz wskutek występowania wewnętrznych oporów

przepływu w silniku: a) 1,3 SDE, b) 1,2 TSI

Sprawność generatora ATEG2 wyznaczono dla pomiarów wykonanych zarówno na dynamicznym, jak i na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym w zależności od temperatury cieczy chłodzącej moduły TEM. Przyjęto trzy warianty: 10, 50 i 90^oC.

Jak przedstawiono wcześniej, sprawność konwersji energii pojedynczego modułu jest związana z temperaturą jego strony gorącej TG i zimnej Tz, co przedstawia zależność 4.25. Zgodnie z nią im większa jest różnica temperatury między stronami modułu TEM tym wzrasta ilość energii oraz sprawność odzysku strumienia energii jaką jest on w stanie uzyskać. Wybór temperatury cieczy chłodzącej która wyniosła tchł = 10^oC, związany był z zastosowaniem do chłodzenia generatora ATEG2 wody z instalacji sanitarnej laboratorium. W pozostałych dwóch zakresach wodę tę podgrzewano, aby osiągnąć maksymalną temperaturę tchł = 90^oC, taką, jaka występuje w układzie chłodzenia silnika spalinowego. W wykonanych badaniach na obu stanowiskach uzyskano zbliżone parametry pracy silników spalinowych oraz parametry termodynamiczne w doniesieniu do zmiany temperatury cieczy chłodzącej generator ATEG2. Do obliczeń przyjęto średnie wartości z zarejestrowanych parametrów dla trzech zakresów temperatury cieczy chłodzącej. Taki tok postępowania zastosowano zarówno w analizie rozkładu temperatury w układach wylotowych silników 1,3 SDE oraz 1,2 TSI, jak i na ściankach generatora ATEG2. W taki sam sposób obliczono strumień energii w generatorze ATEG2, sprawność odzysku strumienia energii odpadowej i – w kolejnym podrozdziale – wpływ generatora ATEG2 na efektywność silnikowego układu napędowego.

W testach wykonanych dla silnika 1,3 SDE na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym uzyskano relatywnie małe wartości mocy wygenerowanej przez generator ATEG2. Z tego względu w pracy doktorskiej przedstawiono wyłącznie sprawność odzysku strumienia energii odpadowej przy temperaturze cieczy chłodzącej wynoszącej tchł = 10^oC. W obu cyklach pomiarowych największa jej wartość wystąpiła przy przyspieszeniu ujemnym (odwzorowanie hamowania pojazdu) i zerowym (postój pojazdu). Wynikało to głównie z przewagi stałego masowego natężenia przepływu gazów wylotowych, co wpływało na równomierny rozkład temperatury na ściankach wymiennika ciepła generatora ATEG2. Ograniczało to również pulsacje ciśnienia w układzie wylotowym silnika. Wraz ze wzrostem prędkości (przyspieszenia pojazdu) następował cykliczny spadek sprawności odzysku strumienia energii odpadowej ze względu na dynamiczne zmiany parametrów termodynamicznych gazów wylotowych.

Kluczowa w tym wypadku była temperatura gazów wylotowych, która była relatywnie

niska – jej wartość na ściankach wymiennika ciepła nie przekroczyła w obu testach 100^oC. W teście homologacyjnym NEDC (rys. 9.21) największa sprawność generatora ATEG2 wyniosła 1,4%, a w odzwierciedlonym cyklu jezdnym (rys. 9.22) 1,6%. Średnie jej wartości wyniosły odpowiednio 0,54 i 0,69%.

Rys. 9.21. Sprawność generatora ATEG2 zamontowanego w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE w odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC

Rys. 9.22. Sprawność generatora ATEG2 zamontowanego w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE w odzwierciedlonym cyklu jezdnym

Analiza uzyskanych wyników badań pozwoliła stwierdzić, że największa sprawność generatora ATEG2 w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI na pierwszej charakterystyce obciążeniowej przyn = 1800 obr/min wystąpiła przy momencie obrotowym silnika M_o = 80 i 100 N∙m (rys. 9.23). Wyniosła ona odpowiednio 0,90 i 0,96%. Najmniejsze wartości zarejestrowano na biegu luzem silnika i M_o = 20 N∙m.

Podobnie kształtowała się sprawność na drugiej charakterystyce obciążeniowej przy n = 2200 obr/min (rys. 9.24). Różnica polega jedynie na tym, że jej najmniejsza wartość wystąpiła przy M_o = 20 N∙m, a nie na biegu luzem. Sprawność generatora ATEG2 w rozważanej charakterystyce obciążeniowej była większa niż na prędkości obrotowej silnika n = 1800 obr/min. Jednak największe jej wartości zarejestrowano w ostatniej charakterystyce dla maksymalnego obciążenia (rys. 9.25), wyniosła ona 1,54%.

W pozostałych punktach pracy silnika, sprawność generatora ATEG2 zmieniała się w przedziale 0,4–1,2%, przy uwzględnieniu wszystkich zakresów temperatury cieczy chłodzącej.

Rys. 9.23. Sprawność generatora ATEG2 zamontowanego w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 1800 obr/min w zależności od temperatury cieczy chłodzącej moduły TEM

We wszystkich wykonanych pomiarach dla silnika 1,2 TSI wykazano wpływ temperatury cieczy chłodzącej na sprawność odzysku energii odpadowej generatora ATEG2. Najmniejsze jej wartości zaobserwowano dla temperatury cieczy chłodzącej tchł = 90^oC we wszystkich punktach pomiarowych. Były one mniejsze o ponad 40% niż dla temperatury cieczy chłodzącej tchł = 10^oC. W przypadku montażu generatora ATEG2 w pojeździe samochodowym konieczna jest jego integracja z układem chłodzenia silnika. Jak wiadomo, temperatura cieczy chłodzącej podczas normalnych warunków eksploatacji utrzymuje się na poziomie 80–90^oC. Z tego względu konieczny będzie montaż dodatkowej chłodnicy przed układem chłodzenia generatora ATEG2 w celu maksymalnego obniżenia temperatury cieczy chłodzącej. Możliwe jest tutaj zastosowanie takiej samej chłodnicy, jaka jest wykorzystywana do chłodzenia paliwa.

Konieczność zapewnienia dużej różnicy temperatury między stroną gorącą TG i zimną Tz modułów TEM, przy relatywnie niskim oddziaływaniu na energochłonność układu

napędowego, jest obecnie jednym z głównych czynników ograniczających zastosowanie generatorów ATEG2 w układzie wylotowym trakcyjnych silników spalinowych.

Rys. 9.24. Sprawność generatora ATEG2 zamontowanego w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 2200 obr/min w zależności od temperatury cieczy chłodzącej moduły TEM

Rys. 9.25. Sprawność generatora ATEG2 zamontowanego w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 2600 obr/min w zależności od temperatury cieczy chłodzącej moduły TEM

Kolejne ograniczenie to konieczność opracowania nowych typów modułów TEM charakteryzujących się większą sprawnością konwersji energii i mocą maksymalną niż wykorzystane w rozprawie doktorskiej. Jak przedstawiono w rozdziale 4. pojawiły się już wysokotemperaturowe moduły TEM generujące dwukrotnie większą moc niż

powszechnie wykorzystywane, a ich zastosowanie w opracowanej konstrukcji generatora umożliwi większy odzysk strumienia energii odpadowej.

Zakładając optymistyczny wariant wdrażania do produkcji nowych materiałów termoelektrycznych wykorzystywanych do budowy modułów TEM, można się spodziewać, że w przeciągu najbliższej dekady sprawność odzysku energii odpadowej przez pojedynczy moduł będzie wynosiła 5–10%. W takim przypadku będzie możliwe zwiększenie mocy generatora ATEG do 1 kW.