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HINTERGRUND
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(a) TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf thermoelektrische Generatoren (TEGs). Genauer gesagt wird hierin ein klemmmenangebrachter TEG zum Anbringen an einem Maschinenabgassystem offenbart.
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(b) STAND DER TECHNIK
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Thermoelektrische Generatoren (TEGs) sind Einrichtungen, die dazu in der Lage sind, Wärme in elektrische Energie zu wandeln. TEGs können verwendet werden, um die Betriebseffizienz unzähliger Anwendungen zu erhöhen. Eine solche Anwendung sind Automobile, bei denen TEGs verwendet werden können, um verwendbare Energie von Automobilabwärme zurückzugewinnen. Genauer gesagt kann ein TEG Abwärme, z. B. Abgaswärme, in einer Verbrennungsmaschine (IC) in Elektrizität wandeln. Diese Elektrizität kann dann von anderen Komponenten innerhalb des Automobils verwendet werden, was die gesamte Brennstoffökonomie vergrößern und die Fahrzeugemissionen verbessern kann, indem beispielsweise eine Batterie geladen wird, elektrische Komponenten betrieben werden etc.
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Derzeitige Automobil-TEGs leiden jedoch unter Nachteilen, welche das Potential der Einrichtungen beschränken können. Beispielsweise weisen derzeitige Automobil-TEGs typischerweise eine komplexe Zusammenbaubaubarkeit auf und sind schwierig zu entfernen. Im Ergebnis kann es erforderlich sein, dass das Maschinendesign modifiziert werden muss, um den TEG aufzunehmen, wobei das Reparieren und/oder Ersetzen des TEGs teuer und zeitaufwendig sein kann. Darüber hinaus verhindern derartige Modifikationen typischerweise, dass ältere Fahrzeuge mit einem TEG nachgerüstet werden. Demnach besteht derzeit ein Bedürfnis nach einem TEG, der eine hohe Effizienz bei einer minimalen Größe und einem minimalen Gewicht aufweist, der einfach entfernbar ist, und der eine Zusammenbaubarkeit mit minimaler Komplexität aufweist.
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Die oberen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung und können demnach Informationen enthalten, welche nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Anbringen von einem oder mehreren TEGs an einem Maschinenabgassystem bereit. Genauer gesagt wird ein modularer klemmenangebrachter TEG offenbart, welcher es ermöglicht, dass einer oder mehrere TEGs an bestehenden Maschinenabgassystemen angebracht werden.
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In einer Ausführungsform wird ein System offenbart, welches eine Klemme aufweist, die eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung ausgestaltet. Eine oder mehrere thermoelektrische Generatorschichten (TEG-Schichten) sind mit der Klemme gekoppelt und empfangen Wärme von der Klemme. Die TEG-Schichten können unter Verwendung von thermoelektrischen Nanostrukturen ausgebildet sein. Eine oder mehrere Wärmesenken sind ebenfalls mit der einen oder mehreren TEG-Schichten gekoppelt, welche die TEG-Schichten kühlen.
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In einem Aspekt kann das System eine oder mehrere Thermoisolierschichten aufweisen, welche zwischen der Klemme und der einen oder mehreren Wärmesenken angeordnet ist. In einem weiteren Aspekt sind die eine oder mehreren Wärmesenken Kühlrippen, die unter Verwendung von Aluminium ausgestaltet sein können. In einem weiteren Aspekt kann die Klemme einen sichelförmig ausgebildeten Oberabschnitt und einen sichelförmig ausgebildeten Unterabschnitt aufweisen, wobei die oberen und unteren Abschnitte der Klemme durch gegenüberliegende Gelenke gekoppelt sind. In einem weiteren Aspekt kann das System eine Abgasleitung einer Maschine, welche innerhalb der Öffnung der Klemme angeordnet ist, aufweisen. In einigen Aspekten wird die Wärme, welche durch die eine oder mehrere TEG-Schichten empfangen wird, durch erwärmtes Abgas innerhalb der Abgasleitung bereitgestellt. In einem weiteren Aspekt kann das System ferner eine Vielzahl von elektrisch verbundenen TEG-Klemmen aufweisen, wobei jede TEG-Klemme eine Klemme, eine oder mehrere TEG-Schichten und eine oder mehrere Wärmesenken aufweist. Die TEG-Klemmen können mit einer Abgasleitung einer Maschine gekoppelt sein, wobei diese in einem Aspekt mit der Abgasleitung zwischen einem Katalysator und einem Schalldämpfer gekoppelt sein können.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren offenbart, bei dem eine oder mehrere thermoelektrische Generatorschichten (TEG-Schichten) mit einer Abgasleitung einer Maschine gekoppelt sind. Die TEG-Schichten können unter Verwendung von thermoelektrischen Nanostrukturen ausgebildet werden. Wärme wird zu der einen oder mehreren TEG-Schichten übertragen, wobei Kühlung an der einen oder mehreren TEG-Schichten bereitgestellt wird. Elektrizität wird durch die eine oder mehreren TEG-Schichten durch Wandeln der transferierten Wärme in elektrische Energie erzeugt.
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In einem Aspekt können gegenüberliegende Seiten einer bestimmten TEG-Schicht thermisch isoliert sein. In einem weiteren Aspekt können Kühlrippen verwendet werden, um die Kühlung der einen oder mehreren TEG-Schichten bereitzustellen. In einem Aspekt können die eine oder mehreren TEG-Schichten mit der Abgasleitung an einer Position zwischen einem Katalysator und einem Schalldämpfer gekoppelt sein. In einem Aspekt können die TEG-Schichten, welche mit der Abgasleitung gekoppelt sind, unter Verwendung verschiedener Klemmen elektrisch verbunden sein. In einem weiteren Aspekt kann die Wärme zu einer Seite einer bestimmten TEG-Schicht übertragen werden, welche einer zweiten Seite der bestimmten TEG-Schicht gegenüberliegt, welche gekühlt wird. In einem weiteren Aspekt können die eine oder mehreren TEG-Schichten unter Verwendung einer siliziumbasierten Nanostruktur ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung offenbart. Die Vorrichtung umfasst Mittel zum Wandeln von Wärme einer Abgasleitung in elektrische Energie. Die Vorrichtung umfasst ebenfalls Mittel zum Koppeln des Wärmewandlungsmittels mit der Abgasleitung.
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In einem Aspekt kann die Vorrichtung ebenfalls Mittel zum Kühlen des Wärmewandlungsmittels aufweisen. In einem weiteren Aspekt kann die Vorrichtung Mittel zum Entfernen des Wärmewandlungsmittels von der Abgasleitung aufweisen.
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Vorteilhafterweise stellen die Techniken, welche hierin beschrieben werden, Systeme und Verfahren bereit, bei denen Wärme von Abgas einer Maschine in elektrische Energie gewandelt werden können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oberen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte exemplarische Ausführungsformen davon, welche in den begleitenden Zeichnungen lediglich zu illustrativen Zwecken dargestellt sind, beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist.
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1 zeigt ein beispielhaftes Abgassystem für ein Fahrzeug mit angebrachten thermoelektrischen Generatoren (TEGs).
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2 zeigt ein exemplarisches TEG-System für eine Abgasleitung.
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3 zeigt eine exemplarische Explosionsansicht des TEG-Systems von 2.
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4 zeigt ein exemplarisches Diagramm elektrischer Energieerzeugung durch einen TEG.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die anhängenden Zeichnungen nicht zum Skalieren erforderlich sind und eine vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen, die für die Basisprinzipien der vorliegenden Erfindung illustrativ sind, darstellen. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart ist, beispielsweise spezifische Abmessungen, Orientierungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die bestimmten beabsichtigten Anwendungen und Anwendungsumgebungen bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben, so dass es dem Fachmann leicht möglich ist, diese in die Praxis umzusetzen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „fahrzeug-„ oder „fahrzeugartig“ oder ähnliche Begriffe, wenn diese hierin verwendet werden, sich auf Motorfahrzeuge im Allgemeinen beziehen, wie Personenautomobile umfassend Sport-Utility-Vehicles (SUVs), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge umfassend eine Vielzahle von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen, wobei Hybridfahrzeuge, elektrische Plug-in Hybridfahrzeuge und andere Alternativkraftstofffahrzeuge (beispielsweise Brennstoffe, welche von anderen Quellen als Öl hergestellt werden) hiervon umfasst sind. Ein Hybridfahrzeug im Rahmend der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, beispielsweise sowohl eine benzin-angetriebene als auch eine elektrisch-angetriebene Quelle.
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Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass einige der Verfahren durch mindestens eine Steuerung ausgeführt werden können. Der Begriff Steuerung bezieht sich auf eine Hardwareeinrichtung, welche einen Speicher und einen Prozessor aufweist, die eingerichtet sind, einen oder mehrere Schritte, welche als deren algorithmische Struktur zu interpretieren sind, auszuführen. Der Speicher ist eingerichtet, algorithmische Schritte zu speichern, wobei der Prozessor spezifisch eingerichtet ist, diese algorithmischen Schritte auszuführen, um eine oder mehrere Prozesse, welche im Folgenden beschrieben werden, umzusetzen.
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Darüber hinaus kann die Steuerungslogik der vorliegenden Erfindung als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium verkörpert werden, welches ausführbare Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung und dergleichen ausgeführt werden. Beispiele des computerlesbaren Mediums umfassen einen ROM, eine RAM, eine CD-ROM, magnetische Bänder, Disketten, Flash-Laufwerke, Smart-Karten und optische Datenspeichereinrichtungen, wobei diese hierauf nicht beschränkt sind. Das computerlesbare Aufnahmemedium kann ebenfalls in Netzwerk-gekoppelten Computersystemen verteilt werden, so dass die computerlesbaren Medien in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt werden, wie beispielsweise durch einen telematischen Server oder ein Controller-Area-Netzwerk (CAN).
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich zum Beschreiben bestimmter Ausführungsformen und soll die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Die hierin verwendeten Singularformen „ein“, „eine“, „eines“, „der“, „die“ und „das“ sollen ebenfalls die Pluralformen umfassen, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anders ergibt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen“ und/oder „umfassend“, wenn diese in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Anzahlen, Schritte, Betriebe, Elemente und/oder Komponenten aufzeigen, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Anzahlen, Schritten, Betrieben, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Der hierin verwendete Begriff „und/oder“ umfasst jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der verknüpft aufgelisteten Einheiten.
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Die vorliegende Erfindung stellt im Allgemeinen ein modulares thermoelektrisches Generatorsystem (TEG-System) bereit, welches mit einer Abgasleitung einer Maschine gekoppelt werden kann. Wärme von Abgas innerhalb der Leitung wird an das eine oder die mehreren TEG-Elementen übertragen und in elektrische Energie gewandelt.
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In 1 wird ein exemplarisches Abgassystem für ein Fahrzeug gemäß verschiedenen Ausführungsformen gezeigt. Ein Abgassystem 100 wird allgemein derart betrieben, dass dieses Abgas von einer gekoppelten Maschine nach der Verbrennung entfernt. Wie gezeigt, kann das Abgassystem 100 beispielsweise einen Abgaskrümmer 102 aufweisen, welcher mit der Maschine gekoppelt ist und einen Pfad für Abgas innerhalb der Maschine bereitstellt, um dieses von den Maschinenbrennkammern abzuführen.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Abgassystem 100 ebenfalls einen Katalysator 106, welcher mit dem Abgaskrümmer 102 über eine vordere Abgasleitung 104 verbunden ist. Im Allgemeinen funktioniert ein Katalysator 106 durch Entfernen von Schadstoffen von dem Abgas, bevor das Abgassystem 100 das Gas in die Atmosphäre freigibt. Beispielsweise kann ein Katalysator 106 chemisch Kohlenstoffmonooxid (CO) oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die in dem Abgas vorhanden sind, reagieren, um Kohlenstoffdioxid (CO2) und/oder Wasser (H2O) zu erzeugen.
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Das Abgassystem 100 kann ebenfalls einen Schalldämpfer 112 aufweisen, der zum Verringern des Lärms vorgesehen ist, welcher durch die Maschine und das Abgassystem 100 erzeugt wird. Wie gezeigt, kann der Schalldämpfer 112 mit dem Katalysator 106 über eine Rückleitung 110, einen Resonator 108 und/oder eine Mittelleitung gekoppelt werden, welche den Katalysator 106 mit einem nicht gezeigten Resonator 108 verbindet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Abgassystem 100 lediglich ein Beispiel eines Abgassystems ist und andere Abgassysteme verwendet werden können, welche andere Ausgestaltungen (beispielsweise durch erneutes Anordnen, Entfernen oder Hinzufügen von Komponenten) verwenden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können thermoelektrische Generatorsysteme (TEG-Systeme) 114 mit einer Abgasleitung (z.B. einer Rückleitung, einer Mittelleitung, die zwischen Resonator 108 und Katalysator 106 angeordnet ist, etc.) in Abgassystem 100 gekoppelt sein. Im Allgemeinen funktionieren TEG-Systeme 114, indem Wärme, welche in dem Abgas vorhanden ist, in elektrische Energie gewandelt wird. In einigen Fällen können bis zu 40% von Verbrennungsenergie, welche durch eine Maschine erzeugt wird, als Wärme innerhalb des Maschinenabgases verloren gehen. TEG-Systeme 114 können verwendet werden, um einen Teil dieser Energie mittels Wandeln der Wärme in dem Abgas in elektrische Energie erneut einzufangen. Beispielsweise können TEG-Systeme 114 elektrisch mit der Batterie des Fahrzeugs verbunden werden, was ermöglicht, dass die wiedergewonnene Energie gespeichert wird, bis diese gebraucht wird. In einigen Fällen kann die Lichtmaschine des Fahrzeugs ebenfalls als Ergebnis der wiedergewonnenen elektrischen Energie kleiner gemacht werden. Wie gezeigt, ermöglicht die modulare Ausgestaltung von TEG-Systemen 114 eine beliebige Anzahl von TEG-Systemen 114, die mit einer Abgasleitung gekoppelt werden können. In einigen Fällen sind TEG-Systeme 114 jeweils separat mit einem Speichersystem (z.B. der Fahrzeugbatterie) gekoppelt. In anderen Fällen sind TEG-Systeme 114 elektrisch miteinander verbunden.
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Während TEG-Systeme 114 hierin primär in Verbindung mit Fahrzeugabgassystemen gezeigt sind, wird darauf hingewiesen, dass TEG-Systeme 114 in Verbindung mit jeder weiteren beliebigen Form von Nicht-Fahrzeugabgassystemen verwendet werden können.
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In 2 ist ein beispielhaftes TEG-System 114 gemäß verschiedener Ausführungsformen gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen weist das TEG-System 114 eine Klemme auf, welche das TEG-System 114 mit einer Abgasleitung koppelt. In einer Ausführungsform weist das TEG-System 114 einen sichelförmigen oberen Abschnitt 116 und einen sichelförmigen unteren Abschnitt 118 auf, die, wenn gekoppelt, eine im Wesentlichen zylindrisch ausgeformte Öffnung 121 ausgestalten. Der Durchmesser der Öffnung 121 kann ausgestaltet werden, um eine Abgasleitung darin aufzunehmen. Während der Klemmenmechanismus, welcher in 2 gezeigt wird, zwei Abschnitte (z. B. Abschnitt 116, 118) umfasst, kann eine beliebige Anzahl von Segmenten in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
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Radial von der Klemme, welche durch die Abschnitte 116, 118 ausgebildet wird, erstrecken sich eine Vielzahl von TEG-Gehäusen 122 nach außen, welche mit der Klemme gekoppelt sind. Eine beliebige Anzahl von TEG-Gehäusen 122 und entsprechenden TEGs kann in TEG-System 114 verwendet werden. Wie gezeigt, kann beispielsweise jeder der oberen und unteren Abschnitte 116, 118 mit drei TEG-Gehäusen 122 gekoppelt werden. Beispielsweise kann das Äußere der Klemme, welche durch obere und untere Abschnitte 116, 118 ausgestaltet ist, im Allgemeinen eine sechseckige Form mit einem TEG-Gehäuse 122, welches mit jeder Seite des Sechsecks gekoppelt ist, aufweisen. In anderen Ausführungsformen können obere und untere Abschnitte 116, 118 ein n-seitiges Vieleck (z. B. eine quadratische Form, eine fünfeckige Form etc.) ausbilden, bei welcher eine entsprechende Anzahl von TEG-Gehäusen 122 mit jeder Seite gekoppelt ist. In einer weiteren Ausführungsform bilden obere und untere Abschnitte 166, 118 ein zylindrisches Äußeres aus, wobei ein oder mehrere TEG-Gehäuse 122 an die Klemme angepasst und mit dieser gekoppelt werden können (beispielsweise kann jedes der TEG-Gehäuse 122 eine gekrümmte Basis aufweisen).
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In einigen Ausführungsformen kann das TEG-System 100 ebenfalls eine oder mehrere Wärmesenken 120, welche mit den TEG-Gehäusen 122 verbunden sind, welche die TEGs, die darin aufgenommen sind, kühlen, aufweisen. In einer Ausführungsform sind Wärmesenken 120 unter Verwendung eines thermisch leitfähigen Materials ausgebildet, wie beispielsweise Aluminium. Wie gezeigt, können Wärmesenken 120 eine Vielzahl von Rippenstrukturen aufweisen, um die Oberfläche der Wärmesenken 120 zu vergrößern, wodurch die Kühlmenge, welche an den TEG-Gehäusen 122 bereitgestellt wird, vergrößert wird. In verschiedenen Ausführungsformen können die TEG-Gehäuse 122 unter Verwendung eines thermischen Isolationsmaterials (beispielsweise Keramiken, Polymeren etc.) ausgebildet sein, so dass die Wärmesenken 120 thermisch von der erwärmten Abgasleitung isoliert werden.
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3 zeigt eine beispielhafte Explosionsansicht des TEG-Systems 114 gemäß verschiedener Ausführungsformen. Wie zuvor beschrieben, kann das TEG-System 114 obere und untere Abschnitte 116, 118 aufweisen, die miteinander verbindbar sind und eine Abgasleitung klemmen können. In einer Ausführungsform sind Abschnitte 116, 118 mit Befestigungsmitteln 124a und 124b gekoppelt, welche durch Öffnungen an gegenüberliegenden Enden der Abschnitte 116, 118 hindurchgeführt sind. Wie gezeigt, kann beispielsweise Befestigungsmittel 124a durch Öffnungen an gegenüberliegenden Enden der Abschnitte 116, 118, welche ein Gelenk ausbilden, eingeführt werden. An den gegenüberliegenden Seiten der Abschnitte 116, 118 können Befestigungsmittel 124b durch Öffnungen, welche an Abschnitten 116, 118 angeordnet sind, eingeführt werden, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Gelenk, durch welches Befestigungsmittel 124a eingeführt ist, erstrecken. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kopplungsmittel, die gezeigt sind, lediglich illustrativen Zwecken dienen und obere und untere Abschnitte 116, 118 unter Verwendung von anderen Mitteln, wie Schweißen, Befestigungsmitteln, die sich senkrecht zur Abgasleitung erstrecken, etc., gemäß anderen Ausführungsformen gekoppelt werden können. Wenn gekoppelt, stellen die oberen und unteren Abschnitte 116, 118 eine Kompressionskraft an der Abgasleitung bereit, um eine Bewegung des TEG-Systems 114 zu unterbinden.
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Innerhalb der TEG-Gehäuse 122 sind TEG-Schichten 128 angeordnet, welche Wärme in elektrische Energie wandeln. Jede der TEG-Schichten 128 kann unter Verwendung einer siliziumbasierten Nanostruktur ausgebildet werden, oder alternativ aus anderen geeigneten Verbindungen ausgebildet werden, die beispielsweise Bismut, Blei, Magnesium, Selen, Tellur, Germanium, Antimon, Nickelchrom und dergleichen aufweisen. Die siliziumbasierte Nanostruktur ist ein hocheffizientes TEG-anpassbares Material, welches es ermöglicht, dass die Größe der TEG-Schichten 128 signifikant verringert wird. Ein einzelnes TEG-Paar besteht aus einer n-Typ-(beispielsweise Material mit einem Elektronenüberschuss) und einer p-Typ-Nanostruktur (beispielsweise einem Material mit einem Lochüberschuss) oder alternativ einer n-Typ-Nanostruktur oder einer p-Typ-Nanostruktur. Nanostrukturen und Nanophasenmaterial, welches für die Verwendung in TEG-Schichten 128 geeignet sind, können nicht-poröses Material, Nanodraht, und nanodimensionales Abscheidungen und Lammellenausbildungen in Bulkware aufweisen. In einer Ausführungsform ist eine oder mehrere Abmessung der Struktur und/oder Phasen größer als der mittlere freie Weg der Elektronen oder Löcher. In einer weiteren Ausführungsform ist eine oder mehrere Abmessung der Struktur und/oder Phasen kleiner als die Phononwellenlänge des Materials.
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Um ein Temperaturdifferential über die TEG-Schichten 128 bereitzustellen und Wärme von dem Abgas zu dissipieren, sind Wärmesenken 120 mit den TEG-Schichten 128 gekoppelt und erstrecken sich radial von der Abgasleitung weg. Während des Betriebes wird Wärme des Abgases, welches durch die Abgasleitung hindurchgeht, durch obere und untere Abschnitte 116, 118 und in eine Seite einer bestimmten TEG-Schicht 128 übertagen. An der gegenüberliegenden Seite dissipiert die gekoppelte Wärmesenke 120 Wärme von der TEG-Schicht 128, welche ein Temperaturdifferential innerhalb der Schicht bereitstellt. Dieses Temperaturdifferential erzeugt einen Strom innerhalb der TEG-Schicht 128, wobei die erzeugte elektrische Energie zu einer Speichereinrichtung (beispielsweise einer Batterie, einen Superkondensator etc.) zur späteren Verwendung durch das Fahrzeug übertragen werden kann. In anderen Ausführungsformen können andere Kühlmechanismen zusätzlich zu oder anstelle von Wärmesenken 120 verwendet werden. Beispielsweise können TEG-Schichten 128 in anderen Ausführungsformen mit Wassermänteln gekoppelt und flüssigkeitsgekühlt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Schicht“, der hierin in Bezug auf verschiedene Komponenten des TEG-Systems 114 verwendet werden kann, die physische Anordnungen der Komponenten innerhalb des Systems 114 und nicht deren eigentliche Ausgestaltung beschreiben soll. Beispielsweise kann die TEG-Schicht 128 eine beliebige Anzahl von TEG-Arrays, die „geschichtet“ oder nicht sein können, aufweisen, wie Paare von gegensätzlich dotierten Materialien. In anderen Worten soll der Begriff „Schicht“ nicht auf bestimmte Typen oder Ausbildungen von Materialien beschränkt werden.
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In einigen Ausführungsformen können die TEG-Gehäuse 122 die Wärmesenken 120 thermisch von der Klemme, welche durch obere und untere Abschnitte 116, 118 ausgebildet wird, isolieren. Beispielsweise können TEG-Gehäuse 122 unter Verwendung von Materialien ausgebildet werden, welche eine geringere thermische Leitfähigkeit (beispielsweise Polymere, Keramiken etc.) aufweisen, wodurch das Temperaturdifferential zwischen gegenüberliegenden Seiten der TEG-Schichten 128 vergrößert wird.
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In einer Ausführungsform können Wärmesenken 120, TEG-Gehäuse 122 und TEG-Schichten 128 mit oberen und unteren Abschnitten 116, 118 unter Verwendung von Befestigungsmitteln 126 gekoppelt werden. Befestigungsmittel 126 können beispielsweise durch Wärmesenken 120 in Abschnitte 116, 118 eingeführt werden, wodurch Wärmesenken 120, TEG-Schichten 128 und TEG-Gehäuse 122 zusammengeschichtet werden. In anderen Ausführungsformen können andere Befestigungsmechanismen verwendet werden.
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In 4 ist ein exemplarisches Diagramm 400 einer elektrischen Energieerzeugung durch ein TEG gemäß verschiedener Ausführungen gezeigt. Wie gezeigt, ist die elektrische Energiemenge, die durch ein Paar von TEG-Elementen erzeugt wird, als Funktion des Temperaturdifferentials 402 und der Zeit 404 aufgetragen.
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Basierend auf einem Stadtfahrzyklus reicht die Temperatur von Abgas typischerweise von 350–450°C. Temperaturen von Luftströmungen um eine Abgasleitung variieren im Bereich von 25–45°C in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Umgebungstemperatur. Demnach weist ein TEG-System gemäß der hierin offenbarten Lehre das Potenzial zur Erzeugung eines Temperaturdifferentials von etwa 400°C auf. Aus dem Diagramm 400 kann ferner entnommen werden, dass eine 400°-Temperaturdifferenz in einem Paar von TEG-Elementen etwa 1 Watt (W) von Energie erzeugt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Temperaturen, welche in 4 gezeigt sind, lediglich illustrativ sind und in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Fahrzeugs selbst (beispielsweise kann die vorhandene Luftstrommenge zum Kühlen von der Form des Fahrzeugs abhängen), der Ausgestaltung des Fahrzeugabgassystems und/oder der relativen Position eines TEG-Systems innerhalb des Abgassystems (beispielsweise können Temperaturen stromaufwärts in dem Abgassystem größer als stromabwärts sein) variieren können.
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Wie zuvor erwähnt, sind bis zu 40% des Energieverlustes einer Verbrennungsmaschine der Wärme innerhalb des Abgassystems zuzuweisen. Für eine typische 100-Pferdestärkenmaschine, welche bei maximaler Leistung operiert und 75 kW Energie erzeugt, können bis zu 30 kW dieser Energie über erwärmtes Abgas verloren werden. Ein typisches TEG-Modul, welches hierin beschrieben wurde, kann, wie gezeigt, 4–10% der Energie zurückgewinnen, was bedeutet, dass zwischen 1,2 kW und 3 kW von Energie potentiell als elektrische Energie unter Verwendung der Systeme, welche hierin beschrieben wurden, zurückgewonnen werden können.
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Vorteilhafterweise ermöglichen die hierin beschriebenen Technologien für ein modulares TEG-System, dass dieses an einer Abgasleitung einer Maschine, wie jenen, die in Fahrzeugen verwendet werden, angebracht werden kann. Die modulare Ausgestaltung ermöglicht es, eine beliebige Anzahl von TEG-Systemen mit der Abgasleitung zu koppeln, was es stromabwärtiger Verlustwärme ermöglicht, als elektrische Energie zurückgewonnen zu werden. Die hierin bereitgestellten Ausgestaltungen ermöglichen es TEG-Systemen ebenfalls, an bestehenden Abgassystemen ohne signifikante Modifikation angebracht zu werden.
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Während die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern soll verschiedene Modifikationen und verbesserte Formen, die durch den Fachmann unter Verwendung des Basiskonzepts der vorliegenden Offenbarung, welches in den begleitenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden, ebenfalls umfassen.
