Verlustwärmeströme in Energie umwandeln

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Grundlagen zum thermoelektrischen Generator

Die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge der Thermoelektrizität wurden Anfang bis Mitte des 19. Jahrhunderts gefunden. Erste Anwendungen erfolgten dann Mitte des 20. Jahrhunderts. Es sind drei thermoelektrische Effekte bekannt: der Seebeck-Effekt, der Peltier-Effekt und der Thomson-Effekt. Diese treten, wenn ein Strom fließt, jeweils simultan auf.

Der primäre Effekt für den thermoelektrischen Generator ist der Seebeck-Effekt, bei dem eine elektrische Spannung entlang eines elektrischen Leiters bedingt durch einen Temperaturgradienten entsteht. In der Praxis nutzt man den Seebeck-Effekt in Thermoelementen oder Thermopaaren, deren schematischen Aufbau Bild 1 zeigt. Ein Thermoelement wird von zwei Schenkeln gebildet, die z.B. aus standardisierten Metalllegierungen (in konfektionierten Thermoelementen zur Temperaturmessung) oder aus p- bzw. n-dotiertem Halbleitern (in Peltier- und Thermogenerator-Devices zur Energiewandlung) bestehen. Die Schenkel sind zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet. Auf der Heißseite sind die Schenkel elektrisch leitend verbunden und zur Wärmequelle sowie -senke hin elektrisch isoliert. Auf der Wärmesenkenseite, die sich in den meisten Anwendungen nahe Raumtemperatur befindet, sind die Schenkel mit einem äußeren Stromkreis verbunden. Aufgrund des aufgeprägten Temperaturgradienten zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke entsteht an den Schenkeln jeweils eine Spannung.

Der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Elements kann als Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung bezogen auf die zugeführte Wärme definiert werden Der Wirkungsgrad ist von den Materialeigenschaften abhängig. Diese Tatsache wird über die sogenannte thermoelektrische Effektivität Z beschrieben. Sie bedeutet, dass ein Material über vorteilhafte thermoelektrische Wandlereigenschaften verfügt, wenn das Produkt aus Seebeck-Koeffizient und elektrischer Leitfähigkeit hoch ist und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit niedrig.

Einfluss der ZT-Werte auf den Wirkungsgrad

Wesentlich für die Größe des Wirkungsgrades ist der sogenannte ZT-Wert, der die Werkstoffeigenschaften mit den Temperaturrandbedingungen berücksichtigt. Der Wirkungsgrad nimmt mit steigendem ZT-Wert zu und strebt einem durch den Carnot-Wirkungsgrad definiertem Grenzwert bei unendlich großem ZT zu. Der ZT-Wert verharrte lange Zeit auf einem Niveau von etwa 1. Etwa ab dem Jahr 1995 war – verbunden mit der Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialklassen – ein drastischer Anstieg der ZT-Werte bis etwa 3,5 zu verzeichnen. Diese Angaben sind allerdings mit Vorsicht zu genießen, da die zugrunde gelegten Messmethoden mitunter zweifelhaft sind. Realistisch sind derzeit Werte von 1,5.

(ID:326816)