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.

Распределение энергии в бензиновом двигателе внутреннего сгорания (только 25% используется, 40% энергии уходит вместе с выхлопными газами)

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.

Прототип термоэлектрического генератора пока что может работать только при температуре отработанных газов до 700 градусов Цельсия. Ученые надеются увеличить этот показатель до 1000 С

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 приблизительно 5 квадратных сантиметровТермоэлектрический 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 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".

Каждый чип спроектирован с учетом его местонахождения в системе

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 отходящей теплоты в электроэнергию в жилых домах и на электростанциях или для производства солнечных батарей и полупроводниковых холодильных установок нового типа.