Was sind Thermoelektrische Stromerzeuger?

Was sind thermoelektrische Stromerzeuger?

Definition des Thermoelektrischen Generators

Ein thermoelektrischer Generator (TEG) ist ein Gerät, das Wärmeenergie mithilfe des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umwandelt. Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, das auftritt, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Leitern oder einem Leiterkreis besteht, was eine elektrische Spannungsdifferenz erzeugt. TEGs sind feste Bauelemente ohne bewegliche Teile und können lange Zeit lautlos und zuverlässig arbeiten. TEGs können zur Ernte von Abwärme aus verschiedenen Quellen wie industriellen Prozessen, Fahrzeugen, Kraftwerken und sogar Körpertemperatur genutzt werden und diese in nützliche Elektrizität umwandeln. TEGs können auch zur Versorgung von entfernten Geräten wie Sensoren, drahtlosen Sendern und Raumfahrzeugen mit Energie dienen, indem sie Radioisotope oder Sonnenwärme als Wärmequelle nutzen.

Funktionsprinzip

Ein thermoelektrischer Generator besteht aus zwei Hauptkomponenten: thermoelektrischen Materialien und thermoelektrischen Modulen.

Thermoelektrische Materialien sind Materialien, die den Seebeck-Effekt zeigen und eine elektrische Spannung erzeugen, wenn es eine Temperaturdifferenz gibt. Sie werden in zwei Typen unterteilt: n-Typ und p-Typ. N-Typ-Materialien haben zusätzliche Elektronen, während p-Typ-Materialien an Elektronen fehlen. Wenn diese Materialien in Reihe mit Metallelektroden verbunden werden, bilden sie einen Thermokoppler, die grundlegende Einheit eines thermoelektrischen Generators.

Ein thermoelektrisches Modul ist ein Gerät, das viele in Reihe geschaltete Thermokoppelpaare enthält, die wärmetechnisch parallel geschaltet sind. Ein thermoelektrisches Modul hat zwei Seiten: eine heiße Seite und eine kalte Seite. Wenn die heiße Seite einer Wärmequelle ausgesetzt wird und die kalte Seite einem Wärmeabsorber, entsteht eine Temperaturdifferenz über dem Modul, was einen Strom durch den Kreislauf fließen lässt. Dieser Strom kann verwendet werden, um eine externe Last zu versorgen oder eine Batterie aufzuladen. Die Spannungs- und Leistungsausgabe eines thermoelektrischen Moduls hängt von der Anzahl der Thermokoppelpaare, der Temperaturdifferenz, dem Seebeck-Koeffizienten und den elektrischen und thermischen Widerständen der Materialien ab.

Die Effizienz eines thermoelektrischen Generators wird definiert als das Verhältnis der elektrischen Leistungsausgabe zur Wärmezufuhr. Diese Effizienz ist durch die Carnot-Effizienz begrenzt, die maximale mögliche Effizienz für jede Wärmemaschine zwischen zwei Temperaturen. Die Carnot-Effizienz wird gegeben durch:

wo Tc die Temperatur der kalten Seite und Th die Temperatur der heißen Seite ist.

Die tatsächliche Effizienz eines thermoelektrischen Generators ist viel geringer als die Carnot-Effizienz, aufgrund verschiedener Verluste wie Joule-Wärme, thermische Leitung und thermische Strahlung. Die tatsächliche Effizienz eines thermoelektrischen Generators hängt vom Leistungsmaß (ZT) der thermoelektrischen Materialien ab, welches ein dimensionsloses Parameter ist, der die Leistungsfähigkeit eines Materials für thermoelektrische Anwendungen misst. Das Leistungsmaß wird gegeben durch:

wo α der Seebeck-Koeffizient, σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die thermische Leitfähigkeit und T die absolute Temperatur ist.

Je höher das Leistungsmaß, desto höher ist die Effizienz des thermoelektrischen Generators. Das Leistungsmaß hängt sowohl von intrinsischen Eigenschaften (wie Elektronen- und Phononentransport) als auch von extrinsischen Eigenschaften (wie Dotierungsebene und Geometrie) der Materialien ab. Das Ziel der thermoelektrischen Materialforschung ist es, Materialien zu finden oder zu entwickeln, die einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, was oft widersprüchliche Anforderungen sind.

Gängige Materialien

• Bismuttellurid (Bi2Te3) und seine Legierungen

• Blei-Tellurid (PbTe) und seine Legierungen

• Skutterudite

• Half-Heusler-Verbindungen

Anwendungen

• Kühlgeräte

• Stromerzeugung aus Abwärme

• Stromerzeugung aus Radioisotopen

 Herausforderungen

• Niedrige Effizienz

• Hoher Preis

• Wärmebewirtschaftung

• Systemintegration

Zukünftige Richtungen

• Neue thermoelektrische Materialien

• Fortgeschrittene thermoelektrische Module

• Innovative thermoelektrische Systeme

Fazit

Thermoelektrische Generatoren sind Geräte, die Wärmeenergie mithilfe des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umwandeln. Thermoelektrische Generatoren bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Stromerzeugungsverfahren, wie Kompaktheit, Zuverlässigkeit, Lautlosigkeit und direkte Umwandlung. Thermoelektrische Generatoren haben verschiedene Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie Kühlgeräte, Stromerzeugung aus Abwärme und Stromerzeugung aus Radioisotopen. Allerdings stellen thermoelektrische Generatoren auch einige Herausforderungen und Einschränkungen dar, die für praktische Anwendungen überwunden werden müssen, wie niedrige Effizienz, hohe Kosten, Wärmebewirtschaftung und Systemintegration. Zukünftige Richtungen in der Forschung und Entwicklung von thermoelektrischen Generatoren umfassen neue thermoelektrische Materialien, fortgeschrittene thermoelektrische Module und innovative thermoelektrische Systeme. Thermoelektrische Generatoren haben großes Potenzial für Energieumwandlungs- und -ernteanwendungen in verschiedenen Sektoren und Szenarien.