thermoelectric power generation systems and · 2009-10-28 · thermoelectric power generation...
Post on 29-Mar-2020
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Thermoelectric Power Generation Systems Design, Testing, Modeling, and Optimization
Madhav A. Karri Brian T. Helenbrook
Eric F. Thacher
Department of Mechanical and Aeronautical Engineering Wallace H. Coulter School of Engineering
Clarkson University Potsdam NY 13699
AETEG: System Design ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
� TEG design with Hi-Z
� GMC Sierra Truck donated by GM
� 16 Hi-Z HZ20 Modules
� Testing at Delphi-Harrison Automotive Wind Tunnels
40 50 60 70 80 90 100 110 1200
25
50
75
100
125
150
Vehicle speed (kph)
Pow
er g
ener
ated
by
AE
TE
G (
wat
ts)
B
D C
AETEG: Experimental Testing ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Results: TEG Power
40 50 60 70 80 90 100 110 120−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
Vehicle speed (kph)
Fue
l sav
ings
(%
)
D
C
AETEG: Experimental Testing ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Results: Fuel Savings
40 50 60 70 80 90 100 110 120−50
0
50
100
150
200
250
300
Vehicle speed (kph)
Pow
er (
wat
ts)
Parasitc Power: Blow down work Parasitc Power: Additional coolant pumping
Parasitc Power: AETEG weight AETEG Power
D
C
B
AETEG: Experimental Testing ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Results: Parasitic Losses
AETEG: Experimental Testing ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Results: Exhaust Side Temperatures
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Txc
Txi T
xo T
xm1T
xm4 T
xc T
xi T
xo T
xm1T
xm4 T
xc T
xi T
xo T
xm1T
xm4
Tem
pera
ture
( o C
)
Configuration BConfiguration C
48.28 kph
80.47 kph
112.65 kph
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
TEG model
Coolant system model
ADVISOR
thermostat condition
engine coolant temperature
mf
electrical power
1
additional coolant pumping power
power to overcome back pressure from exhaust heat exchanger &
transport TEG weight
engine rpm
Tf
me Te
parasitic losses
2
parasitic losses
1
2
�
�
�
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
TEG System Modeling
Solve for temperature distribution
Steady state energy balance equations
Newton-Raphson method
thermoelectric module
adiabatic symmetry plane
adiabatic
insulation
coolant heat exchangerTf , j
exhaust heat exchanger
wafer
Tf , j+1 , mf
Te , jTe , j-1 , me
Tc , j
Th , jsection
boundary
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Heat Exchangers
s
δ bFlow direction
L
h
s
s
L
hs
δγ
δδ
α
=
=′
=
δ
Flow direction
�
�
�
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Coolant System Modeling Based on coolant system in the vehicle used in experimental testing Objectives
To predict coolant flow through TEG
To predict pumping power needed to cool the TEG
To predict the change in flow rates through the other components of the coolant system
shaft
driven
pump
radiatorPCHX
by-pass
valve
kB kH
engine
kR heater
kT
Q
QHQB QR QT
Tp
pkE
TEG
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
TEG Power
40 50 60 70 80 90 100 110 1200
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Vehicle speed (km/h)
TE
G p
ower
(w
atts
)
HZ20M, γ = 107.6 m−1
HZQW, γ = 5158 m−1
AETEG: System Modeling ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Fuel Savings
40 50 60 70 80 90 100 110 120−0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Vehicle speed (km/h)
Fue
l sav
ings
(%
)
HZ20M, γ = 107.6 m−1
HZQW, γ = 5158 m−1
�
�
�
�
�
�
�
�
�
System Optimization ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Objective function
Net Power = Total TEG Power − Parasitic Losses.
Parasitic losses:
Coolant pumping power
Blow down work
TEG weight (mobile application)
Design Variables:
Lx : length parallel to exhaust flow direction
Ly : length perpendicular to exhaust flow direction
mc : coolant mass flow rate
ρtec : thermoelectric couple density
γte : thermoelectric leg aspect ratio ( L )A
Constraints:
Th < 275C
Optimum Coolant Flow Rate ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
10−7
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Pow
er (
wat
ts)
10−7
10−6
10−5
10−4
10−3
10−20
10
20
30
40
50
60
70
80
TEG coolant flow (m3/s)
Cha
nge
in fl
ow r
ate
(%)
{1} Percent change total flow {2} Percent change by−pass flow {3} Percent change radiator flow {4} Percent change heater flow
TEG power
Net power
Additional coolant pumping power
{2}
{1}
{3}
{4}
Optimum Aspect Ratio ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
100
102
104
106
108
1010
100
102
104
106
108
1010
! (1/m)
"c (
1/m
2)
Plot A: net power (Watts)
Lx = 0.05 (m), L
y = 0.05 (m), and m
c = 0.025 (kg/s)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
10!10
10!5
100
105
1010
0
2
4
6
8
10
12
14
16
"c/! (1/m)
ne
t p
ow
er
(Wa
tts
)Plot B
100
102
104
106
108
1010
100
102
104
106
108
1010
! (1/m)
"c (
1/m
2)
Plot C: TEG power (Watts)
1e!007
1e!005
1e!003
1e!001
10!10
10!5
100
105
1010
10!7
10!5
10!3
10!1
101
"c/! (1/m)
TE
G p
ow
er
(Wa
tts
)
10!10
10!5
100
105
1010
0.3
0.31
0.32
0.33
0.34
0.35
0.36
tota
l p
ara
sit
ic l
os
se
s (
Wa
tts
)
Plot D
TEG powerparasitic losses
Preliminary Optimized Results ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
0.2 0.4 0.6 0.8 10.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Lx (m)
L y (m)
teg power (Watts), −−− Ateg (m2)
0.1
0.2
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
300
350
400
450
500
550
600
650
700
0.2 0.4 0.6 0.8 10.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Lx (m)
L y (m)
net power (Watts), −−− Ateg (m2)
0.1
0.2
0.2
0.3
0.4
0.50.6
0.70.8
−600
−500
−400
−300
−200
−100
0
100
200
�
�
�
�
�
�
Conclusions ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
ClarksonU N I V E R S I T Y
Designed, tested, simulated, and optimized a TEG
Heat transfer coefficients limit power density
In vehicles, weight is dominant loss, then pumping power
Optimization shows potential for improved designs
Need to increase number of variables in optimizer (heat exchangers)
Optimization code will be available
top related