211service.com
Driv din bil med spillvärme
Minst två tredjedelar av energin i bensin som används i bilar och lastbilar går till spillo som värme. Termoelektrik, halvledarmaterial som omvandlar värme till elektricitet, skulle kunna fånga upp denna spillvärme, vilket minskar fordonets bränslebehov och förbättrar bränsleekonomin med minst 5 procent. Men den låga effektiviteten och höga kostnaderna för befintliga termoelektriska material har hindrat sådana anordningar från att bli praktiska i fordon.
Kraft från värme: En termoelektrisk generator som omvandlar spillvärme från en bils avgassystem till elektricitet kan förbättra bränsleekonomin.
Nu håller forskare på att montera den första prototypen av termoelektriska generatorer för tester i kommersiella bilar och stadsjeepar. Enheterna är en kulmination på flera framsteg som gjorts oberoende av termoelektrisk enhetstillverkare BSST i Irwindale, Kalifornien, och på General Motors Global R&D i Warren, Michigan. Båda företagen planerar att installera och testa sina prototyper i slutet av sommaren – BSST i BMW och Ford-bilar och GM i en Chevrolet SUV.
BSST använder nya material. Vismuttellurid, en vanlig termoelektrisk, innehåller dyr tellur och fungerar vid temperaturer på endast upp till 250 °C, medan termoelektriska generatorer kan nå 500 °C. Så BSST använder en annan familj av termoelektriska ämnen - blandningar av hafnium och zirkonium - som fungerar bra vid höga temperaturer. Detta har ökat generatorverkningsgraden med cirka 40 procent.
På GM håller forskare på att montera en slutlig prototyp baserad på en lovande ny klass av termoelektrik som kallas skutteruditer, som är billigare än tellurider och presterar bättre vid höga temperaturer. Företagets datormodeller visar att i dess Chevrolet Suburban-testfordon kunde denna enhet generera 350 watt, vilket förbättrar bränsleekonomin med 3 procent.
Att tillverka skutteruditer, som är koboltarsenidföreningar som är dopade med sällsynta jordartsmetaller som ytterbium, är en tidskrävande, komplicerad process, och det är svårt att införliva dem i enheter, säger GM-forskaren Gregory Meisner. Den avgörande utmaningen är att skapa bra elektriska och termiska kontakter. Den stora temperaturgradienten över enheten sätter mekanisk belastning på kontakt-termoelektriska gränssnittet. Dessutom, sammanfogning av de olika materialen introducerar motstånd som värmer upp kontakten och försämrar enheten. Genom ett lämpligt materialval kan man påverka motståndet, säger han. Utmaningen ligger i att komma fram till rätt formel för material – både termoelektriska halvledarelement och kontakt.
En titt inuti: En konstnärs återgivning av en Chevrolet Suburban visar den ljuddämparliknande termoelektriska generatorn insatt i avgassystemet.
En annan viktig utmaning kommer att vara att integrera enheten i fordon. Forskarna har redan testat en vismuttelluridgenerator i en SUV. Just nu är enheten bara införd i avgassystemet, säger Meisner. En sektion av röret skärs ut och enheten, som ser ut som en ljuddämpare, sätts in. Vi måste designa något som är mer integrerat i fordonssystemet snarare än en tilläggsenhet.
Både BSST- och GM-forskare måste också hitta sätt att göra större volymer av de nya materialen billigt. Meisner varnar för att det kan dröja åtminstone ytterligare fyra år innan termoelektriska generatorer gör det till produktionsfordon.