SE534848C2 - Termoelektriskt generatorsystem för utvinning av elektricitet ur ett spillvärmemedium samt fordon innefattande ett sådant system - Google Patents

Abstract

Uppfinningen hänför sig till ett tennoelektriskt generatorsystem (T EG-system) (1) för utvinning av elektricitet ur ett spillvännemedíum (2) i en spillvärmeledning (3) iett fordon, varvid systemet (1) innefattar en TEG-enhet (4) innefattande: ett ellerflera terrnoelektriska generatorskikt (TEG-skikt) (6) anpassade att omvandlavärmeenergi till elektricitet och som är anordnade direkt mot spillvärmeledningen(3), samt en energilagringsmodul (5) som är anpassad att lagra värrneenergi ochsom är anordnad uppströms om TEG-skiktet direkt mot spillvänneledningen (3),varvid värmeenergi från spillvärmemediet (2) lagras i energilagringsmodulen (5).TEG-systemet (1) innefattar vidare en by-pass-enhet (8) innefattande en by-passledning (9) som är förbunden med spillvänneledningen (3) via en reglerbarventilanordning (10) så att allt eller delar av spillvärrnemediet (2) kan ledas förbiTEG-enheten (4) i by-passledningen (9); och en ventilstyrenhet som är anpassadatt reglera ventilanordningen (10) då förutbestämda villkor är uppfyllda, därventilstyrenheten är anpassad att reglera ventilanordningen (10) dåfordonssignaler som exempelvis bromssignal eller gasreglagesignal indikerar att fordonet bromsas eller ges gas. (Figur 1)

Description

534 848 l ansökningen WO 2007/002891 beskrivs en lösning på detta problem för fordon, som går ut på att använda en värmeväxlare som överför värmen från spillvärmemediet genom en värmeväxlare till en mellanliggande loop där en termoelektrisk generatormodul sitter. Systemets användning av en mellanliggande loop medför dock att det tar stort utrymme. l ansökningen WO 2008/025701 beskrivs en termoelektrisk anordning som är anpassad att användas i motorfordon och innefattar ett termoelektriskt generatorelement och medel för att begränsa temperaturen på elementet. För att begränsa temperaturen på TEG-elementet används ett arbetsmedium mellan TEG-elementet och värmekällan. Arbetsmediet kan smälta och när temperaturen pà värmekällan stiger mer än smälttemperaturen på arbetsmedlet, så smälter detta delvis och temperaturen på elementet blir möjligt att hålla relativt konstant.

Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla ett förbättrat termoelektriskt system som ökar fordonets totala verkningsgrad, och även skyddar TEG-elementen mot för höga temperaturer.

Sammanfattning av uppfinningen Det ovan beskrivna syftet uppnås genom ett termoelektriskt generatorsystem (TEG-system) för utvinning av elektricitet ur ett spillvärrnemedium som flödar i en flödesriktning i en spillvärrneledning i ett fordon. Systemet innefattar - en TEG-enhet innefattande: - ett eller flera terrnoelektriska generatorskikt (TEG-skikt) anpassat att omvandla värmeenergi till elektricitet och som är anordnat direkt mot spillvärrneledningen; - en energilagringsmodul som är anpassad att lagra värmeenergi och som är anordnad uppströms om TEG-skiktet direkt mot spillvärmeledningen, varvid värmeenergi från spillvärmemediet lagras i energilagringsmodulen; - en by-passenhet innefattande: 534 848 3 - en by-passledning som är förbunden med spillvärmeledningen via en reglerbar ventilanordning så att allt eller delar av spillvärmemediet kan ledas förbi TEG-enheten i by-passledningen; - en ventilstyrenhet som är anpassad att reglera ventilanordningen då förutbestämda villkor är uppfyllda, varvid ventllstyrenheten är anpassad att reglera ventilanordningen då fordonssignaler som exempelvis bromssignal indikerar att fordonet bromsas, vilket genererar värme, varvid spillvärmemediet leds genom TEG-enheten, och vid fortsatt bromsning efter en viss tid, öppna ventilen så att spillvärmemediet leds genom by-passledningen så att TEG-skikten inte skadas.

Genom att använda en energilagringsmodul kan värme som alstras från spillvännemediet tas upp av energilagringsmodulen innan det når TEG-skiktet.

Spillvärmen i spillvärmemediet genereras i de flesta fall inte kontinuerligt, och genom att ha en energilagringsmodul kan elektricitet alstras även när spillvärmemediet inte tillför någon värme, eftersom värme från energilagringsmodulen då avges till spillvärmemediet som sedan för värmen vidare till TEG-skiktet. På så sätt blir genereringen av elektricitet jämnare under varierande körförhållanden. Temperaturen på värmen som når TEG-skiktet kan också hållas nere, vilket gör att TEG-skiktet inte behöver dimensioneras för att klara av spillvärmemediets maximala temperatur. Detta medför att TEG-enheten tar mindre plats och kan användas vid fler tillämpningar i exempelvis trånga utrymmen, och också att kostnaden för att producera enheten blir mindre eftersom färre TEG-moduler behöver användas. Genereringen av elektricitet blir då också effektivare, eftersom TEG-skiktet kan dimensioneras efter ett mindre innefattande temperaturområde.

Fordonets totala verkningsgrad kan således öka genom att energi från spillvärme tas tillvara och áteranvänds i applikationer i fordonet, exempelvis till att förbrukas direkt av fordonets elektriskt drivna aggregat eller ladda ett batteri. Genom uppfinningen kan den tillgängliga spillvärmen utnyttjas mer effektivt. 534 848 4 Genom att ha en by-passenhet kan spillvàrmemediet ledas förbi TEG-enheten när temperaturen på spillvärmemediet blir för hög för att kunna hanteras av TEG- enheten. Även i de situationer dà spillvårmemediet kan komma att kyla energilagringsmodulen kan spillvärmemediet istället ledas helt eller delvis förbi TEG-enheten. En annan fördel är att avgasmottrycket kan minskas i vissa körsituationer.

Föredragna utföringsformer beskrivs i de beroende kraven och iden detaljerade beskrivningen.

Kort beskrivning av de bifogade figurerna Nedan kommer uppfinningen att beskrivas med hänvisning till de bifogade figurerna, av vilka: Figur 1 illustrerar en längsgående tvärsnittsvy av ett terrnoelektriskt generatorsystem enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar ett blockschema av ventilstyrenheten enligt en uföringsform av uppfinningen.

Figur 3 illustrerar en längsgående tvärsnittsvy av en del av en TEG-enhet enligt en utföringsform.

Figur 4A illustrerar TEG-enheten i figur 3 sett i tvärsnitt vid linjen A-A enligt en utföringsform.

Figur 4B illustrerar TEG-enheten i figur 3 sett i tvärsnitt vid linjen A-A enligt en annan utföringsform.

Figur 4C illustrerar TEG-enheten ifigur 3 sett i tvärsnitt vid linjen A-A enligt en ytterligare utföringsform.

Figur 5A illustrerar en längsgående tvärsnittsvy av en del av en TEG-enhet enligt en annan utföringsform, Figur 5B illustrerar figur 5 sett i tvärsnitt enligt en utföringsform.

Figur 6 visar ett diagram över hur temperaturen iTEG-skiktet förändras över tiden, då en energilagringsmodul med ett fasomvandllngsmaterial används.

Detaljerad beskrivniggv föredragna utförirrgsformer av uggfinninge_n 534 848 lfigur 1 illustreras ett termoelektriskt generatorsystem (TEG-system) 1 för användning till utvinning av elektricitet ur ett spillvärmemedium 2 som flödar i en flödesriktning i en spillvärmeledning 3. TEG-systemet används företrädesvis i ett fordon, men även andra användningsområden är naturligtvis möjliga inom ramen för uppfinningen, t.ex. fartyg, flygplan, tåg etc. TEG-systemet 1 är uppbyggt av två enheter. Den första enheten är en TEG-enhet 4 som innefattar ett eller flera termoelektriska generatorskikt (TEG-skikt) 6 anpassade att omvandla värmeenergi till elektricitet och som är anordnade direkt mot spillvärmeledningen 3, samt en energilagringsmodul 5 som är anpassad att lagra värmeenergl och som är anordnad uppströms om TEG-skiktet 6 direkt mot spillvärmeledningen 3.

När ett spillvärmemedium 2 sedan flödar i spillvärmeledningen 3, så lagras värmeenergi från spillvärrnemediet 2 i energilagringsmodulen 5. Flödesriktningen indikeras med en pil i figurerna. TEG-skiktet 6 tar alltså upp värme från energilagringsmodul 5, och omvandlar detta till elektricitet.

Figur 1 visar en utföringsform, i vilken energilagringsmodulen 5 är anordnad i direkt anslutning till TEG-skiktet 6, vilket ger en kompakt TEG-enhet 4. En annan möjlig utföringsform visas i figur 3, där energilagnngsmodulen 5 är anordnad på avstånd från TEG-skiktet 6 (och kylanordningen 7). Detta kan vara en fördel om det är ont om utrymme där TEG-enheten 6 ska användas. I figur 1 så visas by- passledningens 9 inkoppling för att leda spillvärmmedia 2 förbi hela TEG-enheten 4. En annan möjlig utföringsform är att koppla in inloppet till by-passledningen 9 mellan energilagringsmodulen 5 och TEG-skiktet 6 i figur 3, och koppla in utloppet till spillvärmeldeningen 3 efter TEG-skiktet 6.

TEG-skiktet 6 är enligt en utföringsform uppbyggt av ett flertal TEG-moduler som i sin tur innefattar ett flertal TEG-element var. Ett TEG-element fungerar genom den s.k. Seebeck-effekten som gör det möjligt att ombilda temperaturdifferenser direkt till elektricitet.

Den andra enheten i systemet 1 är en by-passenhet 8 som innefattar en by- passledning 9 som är förbunden med spillvärmeledningen 3 via en reglerbar 534 848 6 ventilanordning 10 så att allt eller delar av spillvärmemediet 2 kan ledas förbi TEG-enheten 4 i by-passledningen 9. By-passledningen 9 är ansluten till spillvärmeledningen 3 på lämpligt sätt, exempelvis genom svetsning eller formgjutning. By-passenheten innefattar även en ventilstyrenhet som är anpassad att reglera ventilanordningen 10 då förutbestämda villkor är uppfyllda.

Ventilanordningen 10 innefattar företrädesvis en ventil som är gradvis reglerbar för att kunna släppa in ett bestämt flöde av spillvärmemedia 2 i by-passledningen 9. Således kan systemet reglera flödet av spillvärmemedia 2 in i by-passledningen för att skydda TEG-elementen iTEG-skiktet 5. l spillvärmeledningen 3 finns det företrädesvis flånsar (visas inte) eller liknande som överför värme från spillvärrnemediet 2 till energilagringsmodulen 5 och TEG- skiktet 6.

För att få en temperaturskillnad i TEG-skiktet 6 innefattar systemet 1 företrädesvis en kylanordning 7 placerad i anslutning till TEG-skiktet 6 för kylning av detta.

Kylanordningen 7 kan utformas på ett flertal sätt, exempelvis kan den omfatta kylflänsar för luftkylning eller en mantel i vilken en kylvätska passerar.

Företrädesvis så kyls dock hela TEG-skiktets sida som är vänd mot kylanordningen 7 av kylanordningen 7.

En uppsättning förutbestämda villkor anger alltså hur flödet av spillvärmemedia 2 ska regleras i systemet 1. Enligt en utföringsform så innefattar de förutbestämda villkoren temperaturvillkor för temperaturen pá något eller flera av spillvärmemediet 2, energilagringsmodulen 5, TEG-skiktet 6 och kylanordningen 7, varvid ventllstyrenheten är anpassad att sända ut en styrsignal y till ventilanordningen 10 att reglera ventilen och styra en del eller hela flödet genom by-passledningen 9 då ett eller flera temperaturvillkor är uppfyllda. Genom att observera någon eller några av de ovan nämnda temperaturerna och styra Ventilanordningen 10 därefter, så kan TEG-elementen i TEG-skiktet 6 skyddas mot för höga temperaturer som kan skada TEG-elementen.

Energilagringsmodulen 5 kan även skyddas mot spillvärmemedium 2 med för låga 534 B48 7 temperaturer, som istället för att värma upp energilagringsmodulen 5, kyler ner det. Enligt en utföringsform så innefattar således ett temperaturvillkor att om temperaturen på spillvärmemediet 2 understiger temperaturen på energilagringsmodulen 5, så är ventilstyrenheten anpassad att sända ut en styrsignal y till ventilanordningen 10 att öppna ventilen då energilagringsmodulen är tömd på värmeenergi, och styra en del eller hela flödet genom by- passledningen 9. På så sätt kan det kallare spillvärrnemediet 2 ledas förbi TEG- enheten 4, så att spillvärmemediet 2 inte sänker temperaturen på energilagringsmodulen 5 och TEG-skiktet 6. Genom att exempelvis observera energilagringsmodulens 5 temperatur, och jämföra den med temperaturen på spillvärmemediet 2, så kan energilagringsmodulens 5 status bestämmas, alltså t.ex. om den är tömd på under omständigheterna tillgänglig värrneenergi.

Enligt en utföringsform så är ventilanordningen 10 anpassad att styra ett litet flöde av spillvärmemedium 2 genom TEG-enheten 4 fast temperaturen på spillvärrnemediet 2 inledningsvis egentligen är för låg för att generera någon värme till energilagringsmodulen 5 eller TEG-skiktet 6. Spillvärmemediet 2 kan då ta upp värme från spillvärmekällan på ett effektivt sätt, och snabbt överföra värmeenergin till TEG-enheten 4. Detta är särskilt fördelaktigt vid korta perioder av värmeenergi-generering, exempelvis vid korta inbromsningar.

Enligt en utföringsforrn så anger temperaturvillkoren att om temperaturen på spillvärmemediet 2 eller energilagringsmodulen 5 eller TEG-skiktet 6 överskrider eller tangerar respektive förutbestämda maxtemperaturer, så är ventilstyrenheten anpassad att sända ut en styrsignal y till ventilanordningen 10 att öppna ventilen och styra en del eller hela flödet genom by-passledningen 9. Maxtemperaturerna i spillvärmemediet 2, modulen 5 eller skiktet 6 kan vara olika eftersom temperaturen på den värme som når TEG-skiktet 6 för det mesta är lägre än den som observeras i spillvärmemediet 2 eller energilagringsmodulen 5. Den förutbestämda maxtemperaturen för energilagringsmodulen 5 kan exempelvis vara fasomvandlingstemperaturen för materialet som används i energilagringsmodulen 5, om energilagringsmodulen 5 är ett latent energilager. 534 848 8 TEG-elementen i TEG-skiktet 6 kan alltså skyddas mot för höga temperaturer om exempelvis temperaturen på spillvärmemediet 2 blir så pass hög att temperaturen på energilagringsmodulen 5 återigen börjar stiga då materialet i energilagringsmodulen 5 har fasomvandlats klart. Ett latent energilager är ett energilager vars material kan fasomvandlas och på så sätt lagra värme. Ett energilager kan istället vara ett sensibelt energilager, och då lagras värme i materialet utan att fasomvandlas. Ett energilager kan vara både sensibelt och latent, fast i olika perioder. Den förutbestämda maxtemperaturen för energilagringsmodulen 5 kan istället vara en temperatur som ligger över fasomvandlingstemperaturen, förutsatt att TEG-elementen i TEG-sklktet 6 tål denna temperatur.

Energilagringsmodulens 5, spillvännemediets 2 och TEG-skiktets 6 temperaturer kan tas fram på olika sätt. Enligt en utföringsform så mäts temperaturerna genom att använda en eller flera temperatursensorer anordnade i TEG-systemet 1 för att mäta temperaturen i t.ex. spillvärmemediet 2 uppströms och nedströms TEG- enheten 4 och i by-passledningen 9. Vidare kan andra sensorer vara anordnade i TEG-systemet 1, exempelvis flödessensorer. Dessa sensorsignaler kan sedan skickas till ventilstyrenheten. På så sätt uppnås ett direkt sätt att mäta temperaturerna.

Enligt en annan utföringsform så modelleras energilagringsmodulens 5 och/eller spillvärmemediets 2 och/eller TEG-skiktets 6 temperaturer genom att använda aktuella teoretiska modeller av fordonets delsystem. Med denna utföringsform används företrädesvis inga temperatursensorer i TEG-systemet, vilket kan vara en fördel eftersom TEG-systemet då blir mindre komplicerat och minskar antalet komponenter i TEG-systemet. De aktuella teoretiska modellema kan finnas i ventilstyrenheten, vilket illustreras i figur 2, men kan istället vara placerad på en annan plats och då behöver lämpligtvis endast de modellerade temperaturerna sändas till ventilstyrenheten i form av temperatursignaler. För att modellera energilagringsmodulens 5 temperatur kan en teoretisk modell av hur energilagringsmodulen 5 beter sig i fordonet användas, och hur spillvärmeenergin 534 848 9 i spillvärmemediet 2 överförs i energilagringsmodulen 5. Spillvärmemediets 2 temperatur kan modelleras genom att använda exempelvis motordata, avgastemperatur och/eller avgasflöde, motorlast, samt information om bränsleanvändning, varvtal, tryck och/eller gasflöde. TEG-skiktets 6 temperatur kan på liknande sätt modelleras genom att beskriva hur det beter sig i fordonet.

TEG-skiktets 6 temperatur kan enligt en utföringsform fås fram genom att mäta elektriciteten som genereras från TEG-skiktet 6. En viss uppmätt ström motsvarar då en viss temperaturskillnad i TEG-skiktet 6. Företrädesvis används då även temperaturen på den kalla sidan alternativt den varma sidan om TEG-skiktet 6 för att få fram TEG-skiktets 6 temperatur. Den kalla sidans temperatur kan fås fram genom att observera temperaturen i kylanordningen 7, och den vanna sidans temperatur kan fås fram genom att observera spillvärmemediets 2 temperatur Enligt en ytterligare utföringsforrn så tar systemet 1 emot information från ett förutsägande system (visas inte) i fordonet, som förutser hur fordonets framtida färdväg ser ut. Denna information kan t.ex. fås genom kartdata och fordonets position, exempelvis genom en kartdatabas och GPS. Genom att veta exempelvis när och hur länge den framtida vägen lutar, böjer sig (vid kurvor), korsningar med stopplikt inträffar m.m., vilket kommer att bestämma användningen av exempelvis gas och broms, så kan ventilstyrenheten ta hänsyn till detta när styrsignaler till ventilanordningen 10 ska bestämmas. På så sätt uppnås en intelligent styrning av ventilanordningen 10, då inga direkta temperaturmätningar behöver göras.

Figur 2 visar ett blockschema av ventilstyrenheten enligt en utföringsform av uppfinningen. ventilstyrenheten tar här ln signaler som exempelvis fordonssignaler som kan vara bromssignaler eller gasreglagesignaler indikerande att fordonet bromsas eller ges gas, fordonets hastighet, motorns hastighet m.fl, och ventilstyrenheten är då anpassad att reglera ventilanordningen 10 då dessa fordonssignaler indikerar att fordonet exempelvis bromsas eller gasas. Är systemet placerat kring ett spillvärmemedium 2 som genererar värme då fordonet bromsas, så kan ventilanordningen 10 exempelvis först stänga ventilen, så att 534 848 spillvärmemediet leds genom TEG-enheten, för att efter att en viss tid har gått och fordonet fortfarande bromsas, öppna ventilen så att spillvärmemediet 2 som då förväntas ha närmat sig en för TEG-skiktet kritisk temperatur, kan ledas genom by-passledningen så att TEG-elementen inte ska skadas. På liknande sätt, då systemet är placerat kring ett spillvärmemedium 2 som genererar värme då fordonet gasas, så kan ventilanordningen 10 exempelvis först stänga ventilen, så att spillvärmemediet leds genom TEG-enheten 4, för att efter att en viss tid har gått och fordonet fortfarande ges gas, öppna ventilen så att spillvärmemediet kan ledas genom by-passledningen så att TEG-elementen inte ska skadas. På detta sätt kan en enkel och rättfram styrning av flödet av ett spillvärmemedium 2 i spillvärmeledningen 3 uppnås, utan att direkta temperaturmätningar behöver göras. Exemplen ovan är endast illustrativa, och det är underförstått att ventilstyrenheten kan styra ventilanordningen 10 på andra sätt baserat på ett flertal andra olika fordonssignaler.

Ventilstyrenheten innefattar lämpligtvis även en processorenhet och ett minne för att behandla signaler som kommer in till enheten och utföra nödvändiga steg och beräkningar för att bestämma en styrsignal y till ventilanordningen 10.

Figur 3 illustrerar ett exempel på en TEG-enhet 4 i en längsgående tvärsnittsvy, som innefattar en energilagringsmodul 5, ett TEG-skikt 6 samt en kylanordning 7, här visad som ett skikt som täcker TEG-skiktet 6. Spillvärmemediet 2 flödar här genom en spillvärmeledning 3. Alla skikten 6, 7 och energilagringsmodulen 5, alltså TEG-enheten 4, är enligt denna utföringsform anordnade koaxialt runt omkring åtminstone en del av spillvärmeledningens 3 utbredning.

I figurerna 4A, 4B och 4C visas olika exempel på hur delar av TEG-enheten kan vara utformad, visad genom ett tvärsnitt längs linjen A-A. I Figur 4A är skikten 6, 7 koaxialt placerade längs spillvärrneledningen 3 och har väsentligen cirkelformade tvärsnitt med respektive olika radier. I figur 4B är skikten 6, 7 placerade runt spillvärmeledningen 3 och har ett väsentligen oktagonalt tvärsnitt, och i figur 4C runt spillvärmeledningen 3 och har ett väsentligen kvadratiskt tvärsnitt. Även 534 848 ll andra former som exempelvis rektanglar, sex-hörningar, tio-hörningar etc. är tänkbara för skikten 6, 7. Det kan vara fördelaktigt att TEG-skiktet 6 är anpassat till den yttre ytan på spillvärmeledningen 3 eftersom värmeupptagningsförrnågan då ökar, och då är utföringsforrnerna visade i figur 4B och 4C samt andra former som ger en platt yta från spillvärmeledningen 3 föredragna. Även energilagringsmodulen 5 kan vara utformad enligt de ovan beskrivna formerna.

Enligt en utföringsform som visas i figur 5A och 5B så är spillvärrnelednlngen 3 uppdelad i ett flertal kanaler 11 för att få stor värmekontaktyta, varvid systemet innefattar en TEG-enhet 4 med TEG-skikt placerade mellan och utanför kanalerna. I figur 5A visas delar av TEG-enheten 4 i ett längsgående tvärsnitt, och i figur 58 visas ett tvärsnitt av TEG-enheten. På så sätt kan alltså spillvârmen exponeras mot en stor yta för att få ut så mycket värme som möjligt ut spillvärmemediet. En annan fördel är att två TEG-sklkt 6 kan dela på en kylanordning 7, som illustreras i de mittersta lagren ifigurerna. TEG-enheten 4 som visas i figurerna kan naturligtvis omfatta ett ytterligare antal kanaler med ytterligare TEG-skikt 6.

Systemet 1 kan användas tillsammans med olika applikationer. Exempelvis kan systemet 1 anordnas på avgasröret i ett fordon för att ta tillvara på spillvärme i avgaserna. Systemet 1 kan enligt en annan utföringsform anordnas i värmeväxlaren pà en retarder i ett fordon. På så sätt kan mer energi tas tillvara eftersom värmen som genereras av retardem inte behöver överföras till ett kylmedel, och att det är lättare att uppnå en större temperaturdifferens mellan varma och kalla sidan pà TEG-enheten 4. TEG-enheten 4 kan enligt en annan utföringsform vara placerad omkring ledningen för hydrauloljan ifordonets retarder.

Enligt en utföringsfonn förs vänne från olika spillvärrnemedium i fordonet till spillvärrneledningen 5, på vilken systemet 1 är anordnat. På så sätt behövs endast ett system ifordonet. Värmen från olika spillvärmemedium kan exempelvis 534 848 12 utvinnas genom värmeväxlare och föras vidare till spillvärmemediet 2 i spillvärmeledningen 3.

Ett TEG-element består av olika material för att alstra en elektrisk ström, och innefattar enligt en utföringsform metalliska material. Företrädesvis innefattar TEG-elementet något av materialen B4C/B9C(F), Si/SiGe(N), SlGe/Si, BiTe/SbTe eller PbTe SL. Genom att använda något av dessa material kan en hög verkningsgrad uppnås i TEG-elementet.

Energilagringsmodulen 5 innefattar enligt en utföringsform ett material som fasomvandlas vid en viss temperatur. En termisk energilagring sker alltså genom en fasförändringsprocess. Fasomvandlingsmaterial finns vanligtvis i området - 80°C till 1000°C. Vanliga fasomvandlingsmaterial är vatten, salthydrater och paraffiner. Genom att använda ett fasomvandlingsmaterial kan värme från spillvärmemediet 2 lagras som beskrivits tidigare, och användas senare när temperaturen på spillvärmemediet sjunker. Under fasomvandlingen omvandlas energi enligt följande formel: Q = m ' Ah/àsdmlrlng I där Q är termisk energi i Joule, Ahfasändfing är fasåndringsentalpin i Joule /kg för materialet på energilagringsmodulen, och m är energilagringsmodulens 5 massa i kg.

När inte fasomvandling sker, lagras energi som kallas sensibel termisk energi enligt formeln nedan: i".

Q= jmf-dr, (2) 11 där c är materialets specifika värmekapacitet i Joule/kg-K. Den termiska energin Q från båda dessa processer illustrerade genom formel (1) och (2) lagras respektive avges när temperaturen passerar en fasövergång. Företrädesvis används ett material i energilagringsmodulen 5 som innefattar fluorider, karbonater, klorid, hydroxider eller nitrater, eftersom fasomvandling för dessa material sker 534 848 13 någonstans i området 200°C till 800°C vilket är det temperaturintervall inom vilket TEG-skiktet 6 företrädesvis dimensioneras för att användas i ett fordon. Enligt en annan utföringsform används sensibla material med god värmeledningsförmåga såsom stål eller koppar i energilagringsmodulen 5.

I figur 6 illustreras i ett diagram hur temperaturen förändras l TEG-skiktet när ett fasomvandlingsmaterial används i energilagringsmodulen 5. På ena axeln visas temperaturen i TEG-skiktet, TTEG. På den andra axeln visas tiden, t. I diagrammet illustreras hur värmen från spillvärmemediet 2 värmer upp energilagringsmodulen , som i sin tur vänner upp TEG-skiktet under perioden som är refererad till med siffran 73. När energilagringsmodulen 5 har värmts upp till fasomvandlingstemperaturen för energilagringsmodulens 5 material som markeras med siffran 72 ifigur 7, omvandlas materialet till en annan fas under en tidsperiod som är markerad med siffran 74. Under denna tidsperiod så ändras inte temperaturen på energilagringsmodulen 5. Efter fasomvandlingsperioden fortsätter temperaturen att stiga i energilagringsmodulen 5, och alltså också i TEG-skiktet 6 om temperaturen på spillvärmemediet är såpass hög. Den kritiska temperaturen för TEG-skiktet 6 är markerad med en streckad linje refererad till som 71, och om temperaturen på TEG-skiktet överstiger denna så kan TEG- elementen däri skadas. Företrädesvis så kopplas by-passledningen 9 då in innan den kritiska temperaturen nås, alltså under eller innan perioden som är markerad schematiskt som 75 i figur 7, för att leda spillvärmemediet runt TEG-elementet 4.

Uppfinningen hänför sig också till ett fordon som innefattar ett eller flera av de ovan beskrivna systemen.

Den föreliggande uppfinningen är inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna. Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas.

Därför begränsar inte de ovan nämnda utföringsforrnerna uppfinningens omfattning, som definieras av de bifogade kraven.

Claims (16)

10 15 20 25 30 534 848 14 Patentkrav

1. Termoelektriskt generatorsystem (TEG-system) (1) för utvinning av elektricitet ur ett spillvärmemedium (2) som flödar i en flödesriktning i en spillvärmeledning (3) i ett fordon, varvid systemet (1) innefattar: - en TEG-enhet (4) innefattande: - ett eller flera terrnoelektriska generatorskikt (TEG-skikt) (6) anpassat att omvandla värmeenergi till elektricitet och som är anordnat direkt mot spillvärmeledningen (3); - en energilagringsmodul (5) som är anpassad att lagra värmeenergi och som är anordnad uppströms om TEG-skiktet direkt mot spillvärmeledningen (3), varvid värmeenergi från spillvärmemediet (2) lagras i energilagringsmodulen (5): k ä n n e t e c k n a t a v att systemet innefattar: - en by-pass-enhet (8) innefattande: - en by-passledning (9) som är förbunden med spillvärmeledningen (3) via en reglerbar ventilanordning (10) anordnad uppströms TEG-enheten (4) så att allt eller delar av spillvännemediet (2) kan ledas förbi TEG-enheten (4) i by- passledningen (9): - en ventilstyrenhet som är anpassad att reglera ventilanordningen (10) då förutbestämda villkor är uppfyllda, varvid ventilstyrenheten är anpassad att reglera ventilanordningen (10) då fordonssignaler som exempelvis bromssignal indikerar att fordonet bromsas, vilket genererar värme, varvid spillvärmemediet (2) leds genom TEG-enheten (4), och vid fortsatt bromsning efter en viss tid, öppna ventilen så att spillvärmemediet (2) leds genom by-passledningen (9) så att TEG- skikten (6) inte skadas.

2. Tennoelektriskt generatorsystem enligt krav 1, varvid TEG-skiktet (6) innefattar ett flertal TEG-element.

3. Termoelektriskt generatorsystem enligt krav 1 eller 2, innefattande en kylanordning (7) placerad i anslutning till TEG-skiktet (6) för kylning av detta. 10 15 20 25 30 534 848 15

4. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av de föregående kraven, varvid nämnda förutbestämda villkor innefattar temperaturvillkor för temperaturen på något eller flera av spillvärmemediet (2), energilagringsmodulen (5), TEG-skiktet (6) och kylanordningen (7), varvid ventilstyrenheten är anpassad att sända ut en styrsignal y till ventilanordningen (10) att reglera ventilen och styra en del eller hela flödet genom by-passledningen (9) då ett eller flera temperaturvillkor är uppfyllda.

5. Termoelektriskt generatorsystem enligt krav 4, varvid nämnda temperaturvillkor innefattar att om temperaturen på spillvärrnemediet (2) understiger temperaturen på energilagringsmodulen (5), så är ventilstyrenheten anpassad att sända ut en styrsignal y till ventilanordningen (10) att öppna ventilen då energilagringsmodulen (5) år tömd på vârmeenergi, och styra en del eller hela flödet genom by-passledningen (9).

6. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av krav 4 eller 5, varvid nämnda temperaturer mäts genom att använda temperatursensorer.

7. Terrnoelektriskt generatorsystem enligt något av krav 4 eller 5, varvid energilagringsmodulens 5 och/eller spillvärmemediets 2 och/eller TEG-skiktets 6 temperaturer modelleras genom att använda aktuella teoretiska modeller av fordonets delsystem.

8. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående krav, varvid energilagringsmodulen (5) är placerad i direkt anslutning till TEG-skiktet (s).

9. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående krav, varvid TEG-enheten (4) är anordnad koaxialt runt omkring åtminstone en del av spillvärmeledningens (3) utbredning. 10 15 20 25 534 848 16

10. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av kraven 1 till 7, i vilket spillvärmeledningen (3) är uppdelad i ett flertal kanaler (11) för att få stor värmekontaktyta, varvid systemet innefattar TEG-skikt (6) placerade mellan och utanför kanalerna.

11. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående krav, varvid systemet är placerat i värmeväxlaren på en retarder i ett fordon.

12. Termoelektriskt generatorsystem enligt krav 11, varvid TEG-enheten (4) är placerad omkring ledningen för hydrauloljan i ett fordons retarder.

13. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående, varvid värme från olika spillvärmemedium i fordonet förs till spillvärrneledningen (5).

14. Termoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående krav, varvid TEG-elementen innefattar något av materialen B4C/B9C(F), Si/SiGe(N), SlGe/Si, BiTe/SbTe, PbTe SL mfl.

15. Terrnoelektriskt generatorsystem enligt något av föregående krav, i vilket energilagringsmodulen (5) innefattar ett material som fasomvandlas vid en viss temperatur, exempelvis innehållande fluorider, karbonater, klorid, hydroxider eller nitrater.

16. Fordon som innefattar ett eller flera system (1) enligt något av krav 1 till 15.