Оптимизация количества и схемы распределения термоэлектрических модулей в термоэлектрическом генераторе автомобильной выхлопной системы

Термоэлектрические генераторы представляют собой эффективные устройства для рекуперации энергии выхлопных газов автомобилей. В данной работе путем оптимизации количества термоэлектрических модулей (ТЭМ) и схемы их распределения в автомобильном термоэлектрическом генераторе (ATEG) повышаются коэффициент преобразования энергии ATEG и максимальная электрическая мощность, вырабатываемая ATEG, определяемая как выходная мощность ATEG за вычетом потерь энергии, обусловленных воздействием на двигатель. С использованием программного обеспечения Simulation-X разработана усовершенствованная численная модель ATEG, учитывающая теплообмен между соседними рядами ТЭМ. Для достижения оптимальных электрических характеристик ATEG применена трехэтапная процедура оптимизации. На первом этапе оцениваются 17 независимых факторов — количество ТЭМ в каждом ряду от 1 до 18, — а значимые параметры отбираются с использованием плана Плакетта—Бермана. На втором этапе проводится эксперимент, спланированный по центральному композиционному плану, для анализа чувствительности шести выбранных факторов, и методом поверхности отклика строится суррогатная модель. Затем противоречие между двумя целевыми функциями разрешается с помощью многокритериального генетического алгоритма. Согласно результатам оптимизации для заданного ATEG, максимальная электрическая мощность, вырабатываемая ATEG, составляет 139,47 Вт, а коэффициент преобразования энергии — 2,51% при установившемся режиме работы двигателя. Наконец, обсуждаются характеристики оптимизированной конструкции при различных режимах работы двигателя. Результаты показывают, что после оптимизации максимальная мощность, вырабатываемая ATEG, и его коэффициент полезного действия увеличиваются соответственно на 49,8% и 106,5% при температуре на входе выхлопного газа 805 К и массовом расходе 0,5 кг/с.