Thermoelektrik

Thermoelektrische Energieumwandlung



Voyager 1
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Hi-Z, San Diego
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Hi-Z, San Diego
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D.T.S., Halle (Saale)
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PV-TE Hybridsystem zur netzfernen Versorgung
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Thermoelektrische Energieumwandlung, d. h. die Direktumwandlung thermischer in elektrische Energie durch einen Halbleiter-Effekt, wurde zunächst zur elektrischen Versorgung sonnenferner Raumfahrtmissionen entwickelt. Sie erlangt zunehmende anwendungsbezogene Bedeutung für den terrestrischen Einsatz zur Energieeinsparung und Vermeidung von CO2- und Schadstoff-Emissionen in volkswirtschaftlich relevanten Dimensionen.

Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich auf

  • mobile Zusatzstromversorgungen z. B. für den Einsatz zur Versorgung netzferner Telekommunikations-Stationen in Hybridsystemen gemeinsam mit photovoltaischen Generatoren und zur Erzeugung von zusätzlicher elektrischer Leistung im Kfz.
  • die Rückgewinnung ungenutzter industrieller Abwärme in der Schwerindustrie und im Kraftwerksbereich durch Wandler-Blöcke bis in den MW-Bereich
  • integrierte miniaturisierte Generatoren mit Ausgangsleistungen im Mikrowatt-Bereich zur Eigenversorgung von Mikrosensoren („self-powered sensors“) sowie mikroelektronischer Anzeige- und Verarbeitungselemente („self-powered micro-devices“)

Das Institut bereitet ein internationales Verbundprojekt (DE, RU, CZ, ISR) vor, in dem Prototypen funktionsgradierter Energiewandlermodule für Heißgas-Abwärme zur mobilen thermoelektrischen Zusatzstromversorgung entwickelt werden sollen.

Umfangreiche Arbeiten widmen sich Eisendisilizid als einem preiswerten, technologisch einfachen und langzeitbeständigen Hochtemperaturmaterial, geeignet für den Einsatz von Raumtemperatur bis 800 °C. Neben den Möglichkeiten zur Steuerung temperaturabhängiger Sensoreigenschaften bietet dieses Funktionsmaterial Spielraum zur Erhöhung der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades thermoelektrischer Energiewandler durch das Prinzip der Funktionsgradierung, durch Steuerung der Gefügestruktur mittels Schnellerstarrungsverfahren und thermischem Spritzen und thermische Nachbehandlungen. In umfassenden Entwicklungen wird der Einfluss vielfältiger Dotierungen und nichtleitender Zusätze zur Maximierung der thermoelektrischen Güte des Materials untersucht sowie eine Variation der Materialeigenschaften (Seebeck-Koeffizient, elektrische und thermische Leitfähigkeit) zur Anpassung an spezielle thermische Einsatzsituationen vorgenommen.

Zur Simulation von funktionsgradierten Energiewandlern und zur Bestimmung der optimalen Konzentrationsfunktion des Materials längs des thermoelektrischen Schenkels wurde ein eindimensionaler Finite-Elemente-Algorithmus nach der Galerkin-Methode implementiert. Zur Erarbeitung praktisch tauglicher analytischer Näherungen für die Abschätzung der Leistungsparameter thermoelektrischer Bauelemente (Wirkungsgrad und elektrische Ausgangsleistung von Thermogeneratoren, Temperaturdifferenz und Pumpleistung von Peltier-Modulen) werden Methoden der analytisch-numerischen Modellierung einbezogen. Eine exakte eindimensionale kontinuumstheoretische Beschreibung eines homogenen Peltier-Schenkels unter korrekter Berücksichtigung der realen Temperaturabhängigkeit der thermoelektrischen Eigenschaften wurde entwickelt. Sie wird für den Fall inhomogener Schenkel erweitert und ist formal auf den Thermogenerator übertragbar.

Für thermoelektrische Generatoren auf Basis von Eisendisilizid, Bismuttellurid sowie von Cobaltat-Keramiken werden Technologien für die Heißseitenkontaktierung entwickelt. Neben einer guten mechanischen Stabilität, geringem elektrischem und thermischem Kontaktwiderstand muss der Kontakt an der Heißseite des Generators bei den herrschenden Temperaturen chemisch stabil sein und darf weder durch das silizidische bzw. oxidische Thermoelektrikum noch durch die Umgebungsatmosphäre oxidiert werden. Die Charakterisierung der Kontakte schließt Zugversuche, Ermittlung des Kontaktwiderstands mittels Mikro-Potentialsonde und Langzeituntersuchungen zur Stabilität ein.


Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Wolf Eckhard Müller
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Thermoelektrische Materialien und Systeme
Tel: +49 2203 601-3556

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Eckhard.Mueller@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1696/3089_read-4912/