Cấp Điện cho Xe bằng Nhiệt thải

Vật liệu nhiệt điện mới sẽ được thử nghiệm cho xe BMW, Ford, và Chevrolet vào cuối mùa hè.


Điện từ nhiệt: Một máy phát nhiệt điện có thể chuyển đổi nhiệt thải từ hệ thống ống xả của xe thành điện có thể cải thiện tiết kiệm nhiên liệu.
Ảnh: General Motors

Ít nhất hai phần ba năng lượng trong xăng dùng trong xe hơi và xe tải bị lãng phí thành nhiệt. Thermoelectrics, vật liệu bán dẫn chuyển đổi nhiệt thành điện năng, có thể thu nhiệt thải này, làm giảm nhu cầu nhiên liệu của xe và cải thiện tiết kiệm nhiên liệu ít nhất là 5 phần trăm. Tuy nhiên, hiệu quả thấp và chi phí cao của vật liệu nhiệt điện hiện có đã làm cho các thiết bị đó không thực tế cho xe.

Hiện tại các nhà nghiên cứu đang lắp ráp các mẫu thử nghiệm đầu tiên để thử nghiệm máy phát điện nhiệt điện trong các xe hơi và xe thể thao đa dụng (SUV) thương mại. Các thiết bị này là một đỉnh cao của một số tiến bộ thực hiện độc lập tại hãng sản xuất thiết bị nhiệt điện BSST tại Irwindale, California, và bộ phận Nghiên cứu và Phát triển của General Motors toàn cầu tại Warren, Michigan. Cả hai công ty có kế hoạch lắp đặt và thử nghiệm nguyên mẫu BSST của mình vào cuối mùa hè này – trong xe hơi BMW và Ford , và trong xe SUV Chevrolet của GM.

BSST đang sử dụng các vật liệu mới. Bismuth telluride, một chất nhiệt điện thông thường, chứa telua đắt tiền và làm việc ở nhiệt độ chỉ đến 250°C, trong khi máy phát nhiệt điện có thể đạt đến 500°C. Vì vậy, BSST đang dùng họ chất nhiệt điện khác – một hỗn hợp của hafnium và zirconi – làm việc tốt ở nhiệt độ cao. Hiệu quả phát điện tăng khoảng 40%.

Tại GM, các nhà nghiên cứu đang lắp ráp một mẫu thử nghiệm cuối cùng dựa trên một cấp độ chất nhiệt điện mới đầy hứa hẹn gọi là skutterudites, rẻ hơn so với tellurides và làm việc tốt hơn ở nhiệt độ cao. Mô hình trên máy tính của công ty cho thấy trong chiếc xe Chevrolet Suburban thử nghiệm của họ, thiết bị này có thể phát ra 350 watt, cải thiện tiết kiệm nhiên liệu lên 3 phần trăm.

Chế tạo Skutterudites, đó là các hợp chất asenua coban được pha tạp với các nguyên tố đất hiếm như ytterbium, là một quá trình phức tạp, tốn thời gian, và rất khó khăn để kết hợp chúng vào các thiết bị, nhà khoa học của GM Gregory Meisner cho biết. Thách thức quan trọng là làm cho các tiếp xúc điện và nhiệt tốt. Độ thay đổi nhiệt độ lớn trên thiết bị gây ra ứng lực cơ học đặt trên giao diện tiếp xúc nhiệt điện. Ngoài ra, việc kết nối các vật liệu khác nhau gây ra trở kháng làm nóng những chỗ tiếp xúc, làm xuống cấp thiết bị. "Bằng cách lựa chọn các vật liệu phù hợp, bạn có thể tác động lên trở kháng," ông nói. "Thách thức là đi đến được công thức đúng cho các vật liệu – cả hai chất nhiệt điện bán dẫn và chất tiếp xúc."


Một cái nhìn trộm bên trong: Một bản vẽ chiếc Suburban Chevrolet cho thấy bộ giảm âm giống như máy phát nhiệt điện chèn vào hệ thống thoát khí.
Ảnh: General Motors

Một thách thức chủ yếu khác nữa sẽ là tích hợp các thiết bị vào xe. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một máy phát điện bismuth telluride trong một chiếc SUV. "Hiện tại, thiết bị này chỉ đưa vào hệ thống ống xả," Meisner nói. "Một phần của đường ống được cắt ra và các thiết bị, trông giống như một bộ giảm âm, được chèn vào. Chúng ta cần phải thiết kế một cái gì đó tích hợp nhiều hơn vào hệ thống xe hơn là chỉ như một phần thêm vào."

Các nhà nghiên cứu cả hai hãng BSST và GM cũng cần tìm cách để chế tạo nhiều hơn các vật liệu mới với giá rẻ. Meisner cảnh báo rằng có thể cần ít nhất bốn năm nữa để đưa máy phát nhiệt điện vào các xe thành phẩm.