Lämpösähköisten materiaalien hyödyntäminen hybridisähköauton mikrokaasuturbiinigeneraattorin hukkalämmön talteenotossa
Rouvinen, Juho (2020)
Kandidaatintyö
Rouvinen, Juho
2020
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020041415993
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020041415993
Tiivistelmä
Työssä selvitetään lämpösähköisten materiaalien (thermoelectric materials) käytön mahdollisuuksia hybridisähköauton mikrokaasuturbiinigeneraattorin hukkalämmön talteenotossa ja siten hybridisähköauton kokonaishyötysuhteen parantamisen keinona. Työn tarkoituksena on selvittää, kuinka lämpösähkögeneraattori (thermoelectric generator) fyysisesti toteutettaisiin, kuinka lataussähkö siirretään hybridisähköauton LTO-akkuun ja mikä on lämpösähkögeneraattorin kustannus.
Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena siten, että siinä perehdytään lämpösähköisten materiaalien ominaisuuksiin, ilmiöihin ja kaupallisiin tuotteisiin. Perehdytään myös aikaisempiin tutkimuksiin liittyen autojen lämpösähkögeneraatoreihin ja selvitetään aikaisempien tutkimusten perusteella potentiaalisia toteutusvaihtoehtoja lämpösähkögeneraattorille hybridisähköauton tapauksessa.
Työssä esitetään lämpösähkögeneraattorin suunnittelun kannalta olennaisimpia yhtälöitä ja materiaalien ominaisuuksia sekä termosähköisten moduulien (thermoelectric modules) valmistajia ja kaupallisten termosähköisten moduulien tyypillisiä ominaisuuksia. Työssä esitetään yksinkertainen esimerkki pakoputkeen asennettavan lämpösähkögeneraattorin mitoituksesta ja rakenteesta. Yhtenä vaihtoehtona lämpösähkögeneraattorilla tuotetun sähkön siirtämiseksi akkuun on esitetty tasavirtahakkurin käyttämistä lämpösähkögeneraattorin ja akun välillä. Lämpösähkögeneraattorin kustannus on helposti useita satoja euroja pelkästään termosähköisten moduulien takia. Sarjatuotannolla kustannuksia voitaisiin todennäköisesti vähentää merkittävästi.
Lämpösähkögeneraattorin toteutus vaatii merkittävää jatkokehitystä ja perehtymistä teknologiaan. Tätä varten hybridijärjestelmän toimintatapa tulee tietää tarkemmin, jotta lämpösähkögeneraattori voidaan optimoida materiaalien, tehon ja hyötysuhteen kannalta. In the study, thermoelectric materials are examined in waste heat recovery to improve the conversion efficiency within a hybrid electric vehicle’s micro gas turbine generator system. The main goal is to investigate how a thermoelectric generator can be physically applied, how the thermoelectric generator electricity can be transferred to the hybrid electric vehicle’s LTO-battery and what is the total cost of the thermoelectric generator system.
The study is realized as literature review such, that the study examines the properties of thermoelectric materials, -effects and commercial products. The study examines earlier studies related with thermoelectric generators used in vehicles and reviews potential structures to be used with hybrid electric vehicle.
From the thermoelectric generator development point of view, the study discusses essential equations, material properties and thermoelectric module manufacturers and typical commercial thermoelectric module properties. A simple example of dimensioning a thermoelectric generator attached to a vehicle’s exhaust pipe is given and a simple example of possible thermoelectric generator’s structure is shown. As a one solution, a DC/DC-converter between thermoelectric generator and battery is proposed to transfer the generated electricity to LTO-battery. A thermoelectric generator’s total cost is easily hundreds of euros alone with thermoelectric modules. With mass production the cost could be most likely reduced significantly.
The hybrid electric vehicle’s thermoelectric generator requires further development and familiarizing with the technology. Before this, the hybrid system’s working principle must be known more precisely to be able to optimize the thermoelectric generator’s materials, power and efficiency.
Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena siten, että siinä perehdytään lämpösähköisten materiaalien ominaisuuksiin, ilmiöihin ja kaupallisiin tuotteisiin. Perehdytään myös aikaisempiin tutkimuksiin liittyen autojen lämpösähkögeneraatoreihin ja selvitetään aikaisempien tutkimusten perusteella potentiaalisia toteutusvaihtoehtoja lämpösähkögeneraattorille hybridisähköauton tapauksessa.
Työssä esitetään lämpösähkögeneraattorin suunnittelun kannalta olennaisimpia yhtälöitä ja materiaalien ominaisuuksia sekä termosähköisten moduulien (thermoelectric modules) valmistajia ja kaupallisten termosähköisten moduulien tyypillisiä ominaisuuksia. Työssä esitetään yksinkertainen esimerkki pakoputkeen asennettavan lämpösähkögeneraattorin mitoituksesta ja rakenteesta. Yhtenä vaihtoehtona lämpösähkögeneraattorilla tuotetun sähkön siirtämiseksi akkuun on esitetty tasavirtahakkurin käyttämistä lämpösähkögeneraattorin ja akun välillä. Lämpösähkögeneraattorin kustannus on helposti useita satoja euroja pelkästään termosähköisten moduulien takia. Sarjatuotannolla kustannuksia voitaisiin todennäköisesti vähentää merkittävästi.
Lämpösähkögeneraattorin toteutus vaatii merkittävää jatkokehitystä ja perehtymistä teknologiaan. Tätä varten hybridijärjestelmän toimintatapa tulee tietää tarkemmin, jotta lämpösähkögeneraattori voidaan optimoida materiaalien, tehon ja hyötysuhteen kannalta.
The study is realized as literature review such, that the study examines the properties of thermoelectric materials, -effects and commercial products. The study examines earlier studies related with thermoelectric generators used in vehicles and reviews potential structures to be used with hybrid electric vehicle.
From the thermoelectric generator development point of view, the study discusses essential equations, material properties and thermoelectric module manufacturers and typical commercial thermoelectric module properties. A simple example of dimensioning a thermoelectric generator attached to a vehicle’s exhaust pipe is given and a simple example of possible thermoelectric generator’s structure is shown. As a one solution, a DC/DC-converter between thermoelectric generator and battery is proposed to transfer the generated electricity to LTO-battery. A thermoelectric generator’s total cost is easily hundreds of euros alone with thermoelectric modules. With mass production the cost could be most likely reduced significantly.
The hybrid electric vehicle’s thermoelectric generator requires further development and familiarizing with the technology. Before this, the hybrid system’s working principle must be known more precisely to be able to optimize the thermoelectric generator’s materials, power and efficiency.