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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt Teil 2: Thermoelektrische Generatoren – elektrische Energie aus Temperaturdifferenz

Nachdem im 1. Teil der direkte Piezoeffekt als Grundlage zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie besprochen wurde, befasst sich dieser Beitrag mit der Überführung thermischer in elektrische Energie. Dazu wird das auf dem Seebeck-Effekt beruhende Wirkprinzip erläutert und der Aufbau thermoelektrischer Generatoren besprochen. Thermoelektrische Generatoren (TEG) sind Festkörperbausteine ohne bewegliche Teile. Ihr Wirkprinzip beruht auf dem Seebeck-Effekt. Dieser wurde vom deutsch-baltischen Physiker Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), im Jahre 1821 entdeckt.

Thermoelektrischer Generator – Temperaturverhältnisse zwischen Quelle und Senke (Bild: K. Jungk/ep)

Seebeck-Effekt


An den Kontaktstellen zweier verschiedener elektrischer Leiter, die unterschiedliche Temperaturen haben, tritt eine Thermospannung auf. Wenn an den Verbindungsstellen der Leitermetalle A und B (meist verschweißt) die Warmtemperatur Tw und die Kalttemperatur Tk herrschen, ist mit dem Voltmeter eine Spannung U zu messen. Diese hängt von den Metallen A und B sowie der Temperaturdifferenz Tw – Tk ab.

(1)

Formel

Das Ungefähr-Zeichen gilt für kleine Temperaturdifferenzen, innerhalb derer die Seebeck-Koeffizienten SA und SB näherungsweise als konstant angenommen werden.

Das Integral rührt daher, dass der Seebeck-Koeffizient S(T) gemessen in Volt je Kelvin (V/K) von der Temperatur abhängt. Beim Metallpaar Konstantan-Kupfer tritt eine Spannung von 4,1 mV/100 K auf. Der Effekt lässt sich mit den Methoden der Festkörpertheorie erklären, Stichworte sind Fermi-Energie und Austrittsarbeit.

Mit Platin als Referenzmaterial sind die Spannungswerte für zahlreiche zweite Metalle in der so genannten „Thermoelektrischen Spannungsreihe“ zusammengefasst.

Halbleiteraufbau

Erhebliche bessere Ausbeuten erzielt man bei Verwendung von Elementen mit je einem p- und einem n-leitenden Schenkel aus entsprechend p- und n-dotierten säulenförmigen Halbleitermaterialien. Die Elemente werden wechselweise elektrisch in Reihe und thermisch parallelgeschaltet. In jeder Säule wandern die Ladungsträger (Löcher und Elektronen) in Richtung des Wärmestroms – also von der warmen zur kalten Seite. Der elektrische Gleichstrom durch die Last fließt nacheinander durch alle Säulen.

Temperaturverhältnisse

Je höher die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite eines thermoelektrischen Generators ist, desto größer ist die Ausbeute an elektrischer Energie. Die Temperatur der kalten Seite lässt sich durch einen Kühlkörper in Richtung Umgebungstemperatur senken (Bild). Aus dem Ersatzschaltbild der Anordnung (analog zum elektrischen Strom) kann man ableiten, dass die für die Energiegewinnung relevante Temperaturdifferenz ΔTTEG zwischen beiden Seiten des TEGs umso größer ist, je kleiner der thermische Widerstand des Kühlkörpers RthKK ist.

Wärmestrom durch den thermoelektrischen Generator:

(2)

Formel

Je größer der Kühlkörper, umso mehr elektrische Leistung kann der TEG bereitstellen.

Andererseits ist auch zu erkennen, dass für die maximale Ausbeute des TEG dessen thermischer Widerstand RthTEGmöglichst groß sein sollte. Das lässt sich mit nanostrukturierten Halbleitern erreichen, welche die gewünschten TEG-Eigenschaften einer guten Stromleitfähigkeit für einen niedrigen Innenwiderstand mit geringer Wärmeleitfähigkeit für eine hohe Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite verbinden.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von thermoelektrischen Generatoren lässt sich heute bereits auf über 10 % steigern. Das mag niedrig erscheinen, doch ist deren Zuverlässigkeit wegen des Fehlens jeglicher Batteriechemie und bewegter Teile extrem hoch. Ein praktisch wartungsfreier Betrieb ohne Rückwirkungen auf die Umwelt über Jahrzehnte aus „Abfallenergie“ ist sowohl wirtschaftlich als auch nachhaltig. Im Zusammenwirken mit einer extrem stromsparenden Elektronik und vorhersehbarer Steigerungen der Wirkungsgrade kann thermoelektrischen Generatoren eine große Zukunft prognostiziert werden.

Bei Einspeisung von Gleichstrom ist wegen der Umkehrbarkeit des Seebergeffekts eine Abkühlung der einen und Erwärmung der anderen Seite des Moduls festzustellen (Peltier-Effekt). Eine derartige thermoelektrische Wärmepumpe ist in vielen Technikbereichen einsetzbar, von der Kühlbox bis zur integrierten Kühlung von Halbleiterchips.

Autor: K. Jungk

Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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