Electricity Generation from Exhaust Waste Heat with Thermoelectric Module

Abstract

In this study, the conversion of fuel from chemical energy to heat energy and the conversion of heat energy to mechanical energy in internal combustion engines have been studied as a waste heat recycling system to make available the heat energy supplied to the atmosphere as a loss. A Thermoelectric generator design has been made that converts hot exhaust gases obtained from an internal combustion engine into electrical energy with a thermoelectric module (TEM). In order to increase the temperature difference between the surfaces of the TEM, instead of considering the cold surface of the module as open to the atmosphere, a cold water exchanger was designed and water flow was provided. The temperatures on the surfaces of the TEM have been determined by the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The detected surface temperatures formed the boundary conditions of the TEM and its analysis was carried out according to these temperatures. As a result of the analysis, 39.35 W of power was obtained.

Keywords

• Exhaust Gas
• Computational Fluid Dynamics
• Thermoelectric Heat Exhanger
• Thermoelectric Module

EGZOZ ATIK ISISINDAN TERMOELEKTRİK MODÜL İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ

Abstract

Bu çalışmada, yakıtın kimyasal enerjisinden ısı enerjisine dönüşümü ve ısı enerjisinden mekanik enerjiye dönüşüm sağlanan içten yanmalı motorlarda kayıp olarak atmosfere verilen ısı enerjisinin kullanılabilir hale getirmek için bir atık ısı geri dönüşüm sistemi incelenmiştir. İçten yanmalı motordan elde edilen sıcak egzoz gazlarından termoelektrik modül (TEM) ile elektrik enerjisine dönüştürülen bir termoelektrik jeneratör (TEJ) tasarımı yapılmıştır. TEM’in yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkını artırmak için modülün soğuk yüzeyini atmosfere açık olarak düşünmek yerine soğuk su eşanjörü tasarımı yapılmış ve su akımı sağlanmıştır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile TEM’in yüzeylerindeki sıcaklıklar tespit edilmiştir. Tespit edilen yüzey sıcaklıkları TEM’in sınır koşullarını oluşturmuş ve bu sıcaklıklara göre analizi gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analiz sonucunda 39,35 W güç elde edilmiştir.

Keywords

• Egzoz Gazı
• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
• Termoelektrik Eşanjör
• Termoelektrik Modül

References

1. 1. ANSYS 19.2 (2018) Fluent Database Materials Properties.
2. 2. Antonova, E.E ve Looman, C.D. (2005) Finite elements for thermoelectric device analysis in ansys, 24th International conference on thermoelectrics, Clemson, SC, USA. doi:10.1109/ICT.2005.1519922
3. 3. Aybek, Ş.A. (2019). Motorlu taşıtlar için egzoz sistemine uygun termoelektrik jeneratör geliştirilmesi ve deneysel incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, S.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
4. 4. Bolatlı, G. (2019). Termoelektrik modül ile atık ısıdan elektrik üreten bir sistem uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, S.U.B.Ü. Teknoloji Fakültesi, Sakarya.
5. 5. Brown, K. E., Henze, D. K., Milford, J. B. (2017) How accounting for climate and health impacts of emissions could change the US energy system, Energy Policy, 102, 396-405. doi:10.1016/j.enpol.2016.12.052
6. 6. Demir, M.E and Dincer, İ. (2017) Development and heat transfer analysis of a new heat recovery system with thermoelectric generator, International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 2002-2010. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.102
7. 7. Doğdu, M.F. (2013). Termoelektrik soğutucuların performansına doğrudan temaslı ısı değiştiricilerin etkilerinin deneysel incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Enerji Enstitüsü, İstanbul.
8. 8. Erdogan, B., Duran, K., Zengin,İ. (2021) Experimental and numerical analysis of using thermoelectric generator modules on hexagonal exhaust heat exchanger, Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 11(1),54-60. doi:10.7212/karaelmasfen.803741.

9. 9. Gequn Shu, Xiaonan Ma, Hua Tian, Haoqi Yang, Tianyu Chen, Xiaoya Li. (2018) Configuration optimization of the segmented modules in an exhaust-based thermoelectric generator for engine waste heat recovery, Energy, 160, 612-624 doi:10.1016/j.energy.2018.06.175
10. 10. Gürcan, A. (2019). Farklı boyutlarda termoelektrik jeneratörler kullanılarak egzoz ısı enerjisinin geri kazanımı. Yüksek Lisans Tezi, P.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Pamukkale.
11. 11. Gürbüz, H. and Akçay, H. (2015). Experimental investigation of an improved exhaust recovery system for liquid petroleum gas fueled spark ignition engine, Thermal Science, 19(6), 2049-2064. doi:10.2298/TSI150417181G.
12. 12. Ivankovic, R., Cros, J., Kakhki, M. T., Martins, C. A., & Viarouge, P. (2012). Power electronic solutions to improve the performance of Lundell automotive alternators, New Advances in Vehicular Technology and Automotive Engineering, 6, 169-190. doi:10.5772/48459
13. 13. Niu, Z., Diao, H., Yu, S., Jiao, K., Du, Q., Shu, G. (2014) Investigation and design optimization of exhaust-based thermoelectric generator system for internal combustion engine, Energy Conversion and Management, 85,85-101. doi:10.1016/j.enconman.2014.05.061
14. 14. Ökmen, A. B. (2020). İçten yanmalı motorun egzoz atık ısı geri kazanımı için termoelektrik jeneratörün had analizi, Yüksek Lisans Tezi, S.D.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta.
15. 15. Ramírez, R. Gutierrez, A. S. Eras, J.J.C. Valencia,K. (2019) Evaluation of the energy recovery potential of thermoelectric generators in diesel engines, Journal of Cleaner Production, 241, 118412. doi:10.1016/j.jclepro.2019.118412
16. 16. Şahin, U.R., Coşkun, G., Soyhan, H.S. (2018) Traktör egzozundan atılan ısı enerjisinin elektrik enerjisi olarak kazanımı sağlayan termoelektrik jeneratör, Uluslararası Yakıtlar, Yanma ve Yangın Dergisi, 6, 10-19
17. 17. Temizer, İ. ve İlkılıç, C. (2017) Electrical energy production by using waste exhaust energy of internal combustion diesel engines, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 23(4), 330-336. doi:10.5505/pajes.2016.64935
18. 18. Temizer, İ., İlkılıç, C., Öner, C. (2016) Dizel motor egzoz sistemi için termoelektrik jeneratör uygulaması ve akış analizi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16(2), 431-445. doi:10.5578/fmbd.25301
19. 19. Temizer, İ., Yüksel, T., Can, İ. (2017) Benzinli bir motorda egzoz gazı ısı enerjisinden termoelektrik jeneratörü ile elektrik enerjisi üretimi, Akademia Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 1(3), 116-125.
20. 20. Yavuz, C., Özkaymak, M., Kaya, M. (2010) Termoelektrik modüllü su soğutucusunda farklı hava debilerinin sistem performansına etkileri, Technological Applied Sciences, 5(2), 131-143. doi:10.12739/10.12739
21. 21. Ziółkowski, A., Fuc, P., Dobrzyński, M. (2019) Analysis of the construction of TEG thermoelectric generator using CFD tools, AIP Conference Proceedings, 2078, 020052. doi:10.1063/1.5092055