طراحی و تحلیل عملکرد یک مولد ترموالکتریک در سیستم دود خروجی یک کامیون در ‌سیکل جاده‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد تبدیل انرژی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 عضو هیئت علمی تبدیل انرژی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

ماشین‌های سنگین به‌تنهایی سهم بزرگی از مصرف سوخت‌های فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در جهان را بر عهده دارند. درحالی‌که بیش از دوسوم انرژی شیمیایی سوخت را هدر می­دهند. از طرفی عمر بالا و سادگی ترموالکتریک‌ها که قادر به تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی هستند باعث شده است کاربردهای آن روزبه‌روز افزایش یابد. در این پژوهش یک مولد ترموالکتریک برای ذخیره انرژی گازهای خروجی اگزوز کامیون رنو میدلام 195 طراحی شده است. دما و دبی گازهای خروجی در شرایط واقعی جاده‌ای اندازه‌گیری و در داخل کابین ذخیره و پایش شد. برای به‌دست‌آوردن شرایط جاده‌ای، پارامترهای ارتفاع و موقعیت جغرافیایی از طریق مکان‌یاب ماهواره‌ای اندازه‌گیری شده است. طراحی مولد ترموالکتریک بر پایه دو ماژول دما بالای اسکوتریودیت و دما پایین بیسموت تلوراید صورت گرفته است. مدل‌سازی مولد در نرم‌افزار سالیدورک و شبیه‌سازی عددی آن توسط نرم‌افزار فلوئنت صورت گرفته است. معادلات ترموالکتریک مورد بررسی قرار گرفته و توان و بازده مولد بر اساس نتایج شبیه‌سازی به‌دست‌آمده از نرم‌افزار فلوئنت محاسبه شده است. توان‌های خالص به‌دست‌آمده در حالت‌های سربالایی، سرازیری و بزرگراهی به ترتیب 1511، 375 و 466 وات محاسبه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and analysis of a thermoelectric generator for a heavy-duty vehicle in ‎real road test

نویسندگان [English]

  • Bagher Rezaeian 1
  • Farhad Talebi 2
1 MSc Student, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Assistant professor, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

Heavy duty vehicles have a great share on fossil fuel consumption and greenhouse gases in the world, while they waste two third of chemical energy of fuel. On the other hand, simplicity and long life of thermoelectric generators (TEGs) are considered more and more to convert thermal energy to electrical one. In this paper a TEG designed in the exhaust system of Renault Midlum 195 Dxi Engine. The temperature and mass flowrate of exhaust gas was measured in a real road test. The height and location of vehicle was recorded by GPS system. The TEG based on two high temperature scoteruidit and low temperature bismuth modules was designed. After designing in SOLIDWORKS, simulation was done using FLUENT. Based on the simulation outputs the power and efficiency of TEG was calculated through thermoelectric fundamental equations. The output power is 1511W, 375W and 466W, in uphill, flat and downhill road respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bismuth telluride module
  • Heavy duty vehicle
  • Real road test
  • Scoteruidit
  • Thermoelectric Generator
[1] J. Thomas, "Drive Cycle Powertrain Efficiencies and Trends Derived from EPA Vehicle Dynamometer Results," SAE Int. J. Passeng. Cars -Mech. Syst., vol. 7, pp. 1374-1384, 2014
[2] F. Liming, G. Wenzhi, Q. Hao and X. Bixian, "Heat Recovery from Internal Combustion Engine with Rankine Cycle," in Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2010 Asia-Pacific, Chengdu, 2010
[3] M. Wei, J. Fang, C. Ma and S. N. Danish, "Waste heat recovery from heavy-duty diesel engine exhaust gases by medium temperature ORC system," Science China Technological Sciences, vol. 54, no. 10, pp. 2746-2753, 2011
[4] S. Amicabile, J. I. Lee and D. Kum, "A compreh-ensive design methodology of organic Rankine cycles for the waste heat recovery of automotive heavy-duty diesel engines," Applied Thermal Engineering, vol. 87, pp. 574-585, 2015
[5] M. Srinivasan and S. Praslad, Advanced Thermo-electric Energy Recovery System in Light Duty and Heavy Duty Vehicles: Analysis on Technical and Marketing Challenges, in Power Electronics and Drives Systems, PEDS. International Conference on, Kuala Lumpur, 2005
[6] J.C. Bass, A.S. Kushch and N.B. Elsner, Thermo-electric generator development for heavy duty truck applications. In Proceedings of the Annual Auto-motive Technology Development Contractors’ Coordination Meeting, Dearborn, MI, USA, 28–31 October 1991; pp. 743–748
[7] ] C. Liu, X. Pan, X. Zheng, Y. Yan and W. Li, An experimental study of a novel prototype for two-stage thermoelectric generator from vehicle exhaust. J. Energy Inst. 2016, 89, 271–281.
[8] A. Edvin Risseh, H.P Nee, Olof Erlandsson Klas Brincfeldt,  Design of a Thermoelectric Generator for Waste Heat Recovery Application on a Drivable Heavy Duty Vehicle, SAE International Journal of Commercial Vehicles, April 2017.
[9] R. Quan, et.al., Performance Investigation of an Exhaust Thermoelectric Generator for Military SUV Application Wuhan university of Thechnology, Woohan 430070 China Received:4 Desember 2017 .
[10] L. Heber, J. Schwab, H.E. Friedrich, Design of a Thermoelectric Generator for Heavy Duty Vehicle: Approach Based on WHVC and Real Driving Vehicle Boundary conditions, Germany, Aerospace Center (DLR) Conference Paper, November 2018.
[11] G.P. Meisner, Advanced Thermoelectric Materials and Generator Technology for Automotive Waste Heat at GM, in Thermoelectric Applications Work shop, San Diego, CA, 2011.
[12] L. Heber, J. Schwab Modelling of a thermo-electric generator for heavy-duty natural gas vehicles: Techno-economic approach and experimental investigation, Appl. Thermal Eng., volume 174 , 25 June 2020.
[13] A. Mutabe , E. Celik, Design optimization of oil pan thermoelectric generator to recover waste heat from internal combustion engines, Energy, Vol. 200 2020.
[14] H. Fagehi, Optimal Design of Automotive Exhaust Thermoelectric Generator (AETEG), Master's Theses, Western Michigan University, 2016.
[15] M. He, E. Wang, Y. Zhang,, W. Zhang, F. Zhang, Ch. Zhao, Performance analysis of a multilayer thermoelectric generator for exhaust heat recovery of a heavy-duty diesel engine, Applied Energy, Vol.274, 2020.
[16] S. Kumar, et al., Thermoelectric Generators for Automotive Waste Heat Recovery Systems Part I: Numerical Modeling and Baseline Model Analysis, Journal of Electronic Material.,Vol. 42, 2013.
[17] P. Fernández-Yáñez, O. Armas, A. Gómez, A. Gil, Developing Computational Fluid Dynamics (CFD) models to evaluate available energy in exhaust systems of diesel light-duty vehicles. Appl Sci 2017.
[18] J.D. Pesansky, et.al. The Effect of Three-way Catalyst Selection on Component Pressure Drop and System Performance, 2009-01-1072, SAE Int., 2009.
[19]  S. Ezzitouni, P. et.al., Global energy balance in a diesel engine with a thermoelectric generator,  Applied Energy, 274, 2020.