Prototypical thermoelectric generator for waste heat conversion from combustion engines

The work presents experimental results of performance tests and theoretical calculations for the thermoelectric generator TEG fitted in the exhaust system of a 1.3 dm³ JTD engine. Benchmark studies were carried out to analyze the performance of the thermoelectric modules and total TEG efficiency. Additionally the investigation of combustion engine’s power drop casued by exhaust gases flow resistance is presented. The detailed studies were performed using a new prototype of the thermoelectric generator TEG equipped with 24 BiTe/SbTe modules with the total nominal power of 168 W. The prototypical device generates maximal power of 200 W for the exhaus gases mass flow rate of 170 kg·h^–1 and temperature of 280°C. Power drop caused by the flow resistance of gases ranges between 15 and 35 mbar for mass flow rate 100–180 kg·h^–1. We predict that the application of the new thermoelectric materials recently developed at AGH would increase the TEG power by up to 1 kW, would allow the increase of the powertrain system efficiency by about 5%, and a corresponding reduction of CO₂ emission.

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych i obliczeń teoretycznych dla generatora termoelektrycznego TEG zaimplementowanego w układzie wylotowym silnika 1,3 JTD. Badania przeprowadzono w celu analizy sprawności modułów termoelektrycznych oraz całkowitej sprawności generatora TEG. Dodatkowo w pracy zaprezentowano badania strat mocy silnika spowodowane oporem przepływu gazów wylotowych. Szczegółowe badania przeprowadzono przy użyciu nowego prototypu generatora termoelektrycznego TEG wyposażonego w 24 moduły BiTe/SbTe o łącznej mocy 168 W. Badany generator wytwarza moc maksymalną 200 W przy temperaturze 280°C i masowym natężeniu przepływu gazów wylotowych 170 kg·h^–1. Wymiennik ciepła generatora TEG wywołuje opory przepływu gazów w zakresie 15–35 mbar dla natężeń przepływu 100–180 kg·h^–1. Przewidywane jest również zastosowanie opracowanych na AGH nowych materiałów termoelektrycznych, które umożliwiłoby zwiększenie mocy generatora do 1 kW, podniesienie całkowitej sprawności układu napędowego o ok. 5% i odpowiednie zmniejszenie emisji CO₂.