Verlustwärmeströme in Energie umwandeln

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

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

Für einen ZT-Wert von 2 würde sich bei einer Heißseiten-Temperatur von 300 °C und einer Kaltseiten-Temperatur von 80 °C ein Wirkungsgrad von etwa 10% ergeben; bei einer Materialgüte von ZT=1 würde der Wirkungsgrad bei identischen Temperaturrandbedingungen etwa 6,6% betragen. Um ausreichend hohe Spannungen zu erzielen, werden eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen in Reihe zu einem thermoelektrischen Modul verschaltet. Bild 2 zeigt ein derartiges Modul des Herstellers Hi-Z auf Basis des Funktionswerkstoffes Wismuttellurid (Bi2Te3). Man erkennt deutlich die Metallbrücken, über die die Elemente seriell verbunden sind. Derartige thermoelektrische Module, die heute noch fast ausschließlich auf Basis von konventionellen thermoelektrischen Materialien der Wismuttellurid-Familie angeboten werden, sind Kernelement von thermoelektrischen Generatorkomponenten.

Konstruktiver Aufbau eines thermoelektrischen Generators

Die Komponente thermoelektrischer Generator lässt sich vom Aufbau mit einem Wärmeübertrager vergleichen, der zusätzlich mit einem plattenförmigen Funktionselement in der Wärmeübertragerwand ausgestattet ist. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist ein Auslegungsziel, eine dem verwendeten thermoelektrischen Material möglichst angepasste Temperaturdifferenz am Modul einzustellen.

Wie in der schematischen Darstellung in Bild 1 wird auf der Heißgasseite ein Temperaturniveau benötigt, das im Fahrzeug am Abgasstrang bereitsteht. Die meisten Ansätze gehen daher von einer Integration eines thermoelektrischen Generators in den Abgasstrang aus, wobei aufgrund der Light-off-Temperatur des Katalysators in der Regel eine Einbaustelle hinter dem Katalysator in Frage kommt. Das Einbinden kann dabei über einen Sekundärkreislauf oder direkt in den Abgasstrang erfolgen.

Für den thermoelektrischen Generator ergeben sich eine Reihe von konstruktiven Aufgaben: auf der Heißgasseite ist eine geeignete Wärmeübertragerstruktur zu finden, die einen Kompromiss zwischen Wärmeübertragungsvermögen und resultierendem Abgasgegendruck darstellt. Die Kontaktwiderstände zwischen den verschiedenen Schichten des thermoelektrischen Generators sind möglichst gering zu halten, um die zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz möglichst weitgehend zu nutzen. Die thermische Ausdehnung bei der thermischen Zyklierung des thermoelektrischen Generators muss beherrscht werden, um eine dauerhafte Funktionsstabilität zu gewährleisten.

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