Otomotiv termoelektrik üreteci

Otomotiv termoelektrik üreteci (OTÜ), içten yanmalı motordaki atık ısıyı Seebeck etkisini kullanarak elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Normal bir OTÜ, dört ana bileşenden oluşur: Sıcak taraflı ısı eşanjörü, soğuk taraflı ısı eşanjörü, termoelektrik malzeme, sıkıştırma sistemi. OTÜ'ler sıcak taraftaki ısı eşanjörüne bağlı olarak iki kategoriye ayrılabilir: Egzoz tabanlı ve soğutucu tabanlı. Egzoz tabanlı OTÜ'ler, atık ısıyı içten yanmalı motorun egzozlarından elektrik enerjisine dönüştürür. Alternatif olarak soğutucu tabanlı OTÜ'ler antifrizin atık ısısını elektrik üretmek için kullanır.

Çalışma prensibi

Otomotiv termoelektrik üreteçlerindeki (OTÜ) termoelektrik malzemeler, sıcak ile soğuk taraflı ısı eşanjörleri arasında bulunur. Termoelektrik malzemelerde yarı iletken p-n bağlantıları kullanılırken, ısı eşanjörlerinde yüksek ısıl iletkenliğine sahip metal plakalar kullanılır.

Termoelektrik malzemenin iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı (ısı) sonucunda, Seebeck etkisine göre elektrik üretilir. Motordaki sıcaklık egzozdan geçtiğinde, yarı iletkenlerin yükleri sıcak taraflı ısı eşanjöründen soğuk taraflı ısı eşanjörüne doğru taşınır. Yük taşıma işlemi tamamlandığında bir elektrostatik potansiyel oluşurken ısı aktarımı sonucunda bir akım oluşur. Egzozdaki çıkış sıcaklıkları 700 °C (~1300 °F) veya daha fazladır. Sıcak taraftaki çıkış gazı ile soğuk taraftaki soğutucu arasındaki sıcaklık farkı birkaç yüz derecedir. Bu sıcaklık farkı ile 500-750 Watt elektrik gücü elde edilir.

Sıkıştırma sistemi, termoelektrik malzeme ile ısı eşanjörü yüzeyleri arasındaki termal bağlantı direncini azaltmaya yardımcı olur. Soğutucu tabanlı OTÜ'lerde soğuk taraftaki ısı eşanjöründe, soğutma akışkanı olarak antifriz kullanılırken; egzoz tabanlı OTÜ'lerde soğuk taraftaki ısı eşanjöründe, soğutma akışkanı olarak ortamdaki hava kullanılır.

Verim

Mevcut OTÜ'lerin verimi yaklaşık %5'tir. Yine de ince film transistörü ve kuantum çukuru teknolojilerindeki verimi ileride %15'lere çıkartılabilir.

OTü'lerin verimi, malzemenin termoelektrik dönüşüm verimliliği ve iki ısı eşanjörünün termal verimi tarafından belirlenir. OTÜ verişi şöyle ifade edilebilir:

ζ_OV = ζ_CONV х ζ_HX х ρ

Burada:

ζ_OV : OTÜ'nin tam verimi

ζ_CONV : Termoelektrik malzemenin dönüşüm verimi

ζ_HX: Isı eşanjörü verimi

ρ : Termoelektrik malzemenin sıcak tarafı ile soğuk tarafı arasındaki ısı oranı

Faydaları

OTÜ'nin asıl amacı, yakıt verimliliğini arttırmaktır. Bir içten yanmalı motorun enerjisinin %40'ı egzozdan gaz ısısı olarak kaybolur. Gaz ısısı elektrik enerjisine dönüştürüldüğünde, motordaki eletrik üretim yükü azaltılarak OTÜ'nün yakıt verimliliği azalır. Otomobildeki OTÜ'ler, elektrik üretecinin gücünden daha çok motorun termal enerjisinden elektrik üretir. Ortama salınan atık ısı elektriğe dönüştürüldüğünde motor, örneğin far gibi aracın elektriksel cihazlarına güç sağlamak için daha az yakıt yakar. Böylece otomobilin emisyon yoğunluğu azalır.