Коротко и по существу — факторы, ограничения и возможные применения.
Ограничения эффективности
- Теоретический термодинамический предел — цикл Карно:
${\eta }_C=\frac{T_h-T_c}{T_h}$.
ТЭГ не может превысить ${\eta }_C$.
- Параметр материала (фигура достоинства):
эффективность ТЭГ сильно зависит от безразмерного показателя $ZT$ (обычно пишут $ZT\equiv Z\bar{T}$):
${\eta }_{\max }=\frac{T_h-T_c}{T_h}\cdot \frac{\sqrt{1+ZT}-1}{\sqrt{1+ZT}+T_c/T_h},$ где $\bar{T}=(T_h+T_c)/2$. Низкие реальные $ZT$ ($\sim 0.5-1$ для лучших практических материалов) ограничивают $\eta$ десятками процентов от ${\eta }_C$.
- Тепловые потери и контактные сопротивления:
теплопроводность конструкций, плохие тепловые контакты, утечки тепла минусуют полезный ΔT; для реальной установки существенны радиация, конвекция, контактные электрические/термические сопротивления.
- Электрические и тепловые свойства материала:
Seebeck $S$, электрическая проводимость $\sigma$ и теплопроводность $\kappa$ связаны: $ZT=\frac{S^2\sigma }{\kappa }\bar{T}$. Оптимизация одного параметра часто ухудшает другие.
- Рабочая температура и стабильность:
выхлопные газы бывают горячее ($T_h$ до $600-900^{\circ }$C), но многие хорошиe материалы деградируют/окисляются при высоких T. Необходимы материалы для конкретного диапазона (низкие, средние, высокие T).
- Механические и эксплуатационные факторы:
тепловые циклы, вибрации, ударные нагрузки, коррозия, токсичность (Pb, Te) и стоимость (элементы типа Te редки) ограничивают практическую реализацию.
- Сопряжение с двигателем:
добавление теплообменника в выхлоп повышает сопротивление потоку (back‑pressure) и может снизить КПД двигателя; нужно балансировать.
Примеры практических оценок
- Для реалистичных $ZT\sim 0.5-1$ и $T_h\approx 500-800$K, $T_c\approx 300$K теоретическая ${\eta }_{\max }$ даёт порядка нескольких–десят процентов от ${\eta }_C$, что обычно превращается в реальную электрическую эффективность ТЭГ порядка $\sim 3\%÷10\%$ от теплового потока выхлопа. На системном уровне (доля топлива, превращаемая в электричество) это обычно означает прирост экономичности автомобиля в пределах нескольких процентов.
Где целесообразно применять
- Грузовые и коммерческие автомобили (длительная работа, большие потоки тепла) — лучшее место для ТЭГ: постоянные режимы, сильный потенциальный выигрыш.
- Автобусы, морские и железнодорожные дизели — большие и стабильные тепловые потоки.
- Системы «stop‑start» и вспомогательное питание (APU) — снижение нагрузки на генератор при холостых оборотах, питание бортовой электроники.
- Стационарные установки и промышленные дымовые газы — где можно установить большие теплообменники и удерживать оптимальные режимы.
- Нишевые применения — автономные датчики, туристические/автономные генераторы, где надёжность и отсутствие движущихся частей важнее КПД.
Как улучшить практическую отдачу
- Использовать сегментированные модули (разные материалы по градиенту температур).
- Улучшать теплообменник и минимизировать контактные сопротивления при минимальном back‑pressure.
- Материалы с высоким $ZT$ в нужном температурном диапазоне (PbTe, skutterudites, half‑Heusler, высокотемпературные оксиды) и защита от окисления.
- Системный подход: интеграция с энергосистемой автомобиля (регенерация, буферная батарея) для сглаживания мощности.
Краткий вывод
- Физические ограничения (Карно), низкие реальные $ZT$, теплопотери, контактные сопротивления, эксплуатационная надёжность и стоимость делают ТЭГ на выхлопе практическим решением для специализированных и тяжёлых применений, но не для массового значительного повышения КПД легкового авто; ожидаемая реальная доля восстановления энергии — обычно несколько процентов от теплового потока выхлопа.