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Thermoelektrischer Generator Ein überführt Wärme in elektrische Energie aufgrund des thermoelektrischen Effektes wie bei

Thermoelektrischer Generator

Ein Thermoelektrischer Generator überführt Wärme in elektrische Energie aufgrund des thermoelektrischen Effektes wie bei Thermoelementen. Aber anders als bei diesen werden statt Metallen hier Halbleitermaterialien verwendet, ähnlich dem Peltier-Element, wodurch sich die Effizienz gegenüber metallischen Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren beträgt mit im Bestfall ca. 17 % (oft deutlich weniger) einen Bruchteil des Carnot-Wirkungsgrades. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen. Insbesondere gibt es keine beweglichen Teile und keinen sonst damit verbundenen Verschleiß.

Thermoelektrischer Generator

Allgemeines Bearbeiten

Gebräuchliche Materialien sind Bi2Te3, Bleitellurid PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit erzielbaren Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen, Petroleum-Gasbrenner oder Holzkohlegrills werden als elektrische Energiequellen für kleine Leistung in abgelegenen Gebieten verwendet, beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfängers.

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radionuklidbatterien, unter anderem für Raumsonden (z. B. wegen zu großer Entfernung von der Sonne) oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet, wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope (zum Beispiel Plutonium-238 oder Strontium-90) liefert hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Zunehmende Beachtung haben thermoelektrische Generatoren in der Kraftfahrzeugtechnik erlangt, wo bisher ungenutzte Wärme von Abgasen für die Energieerzeugung zur Verfügung steht. Jedoch ist der Wirkungsgrad so gering, dass beispielsweise die thermoelektrische Ausnutzung der Wärme im heißen Abgas eines Verbrennungsmotors nicht lohnend ist.

Wirkungsgrad Bearbeiten

Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators (gleicher Aufbau wie Peltier-Element)

Die erzeugte Spannung hängt ab von der Temperaturdifferenz und dem Seebeck-Koeffizienten :

Die Größe der Dimension Zahl (engl. figure of merit) bestimmt den Wirkungsgrad . wächst quadratisch mit und linear mit der mittleren absoluten Einsatz-Temperatur. Sie ist umso größer, je größer die elektrische Leitfähigkeit und je kleiner die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist:

Und für den Wirkungsgrad gilt:

mit

Im Idealfall ist unendlich und der maximale Wirkungsgrad.

Beispiel: Bei einer Einsatztemperatur von , einer Umgebungstemperatur von und einer Gütezahl beträgt der Wirkungsgrad des Carnot-Wirkungsgrads von , insgesamt also maximal . Bei steigt er auf des Carnot-Wirkungsgrades also insgesamt . Im Einsatz werden bisher Wirkungsgrade kaum größer als erreicht.

In Metallen korreliert die elektrische mit der thermischen Leitfähigkeit, da bei beiden die Beiträge durch Elektronen dominieren. Gemäß der Wiedemann-Franzschen Abschätzung liegt der Kehrwert von , die Lorenzzahl, bei . hängt nur vom Seebeck-Koeffizienten ab. Für Metalle ist er deutlich kleiner als und damit deutlich kleiner als . Bei Halbleitern lassen sich phononischer und elektronischer Anteil und damit die beiden Leitfähigkeiten entkoppeln. Hochdotierte Halbleiter und Quantentopf-Nanostrukturen erreichen im Labor ZT-Werte von bis .

Literatur Bearbeiten

  • Daniel Jänsch (Hrsg.): Thermoelektrik. Eine Chance für die Automobilindustrie. expert-Verlag, Renningen 2009, ISBN 978-3-8169-2877-5 (Haus der Technik Fachbuch).

Weblinks Bearbeiten

Commons: Thermocouples – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Marius Beul: Alternative Stromerzeugung (2). In: elektor. Oktober 2008, S. 8–9 (elektor.de).
  2. Michael Hilgers: Alternative Antriebe und Ergänzungen zum konventionellen Antrieb. Springer Vieweg, 2016, Seite 46.
  3. Holger Watter: Regenerative Energiesysteme: Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis. 2. Auflage. Vieweg+Teubner, 2011, Seite 283
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Thermoelektrischer Generator uberfuhrt Warme in elektrische Energie aufgrund des thermoelektrischen Effektes wie bei Thermoelementen Aber anders als bei diesen werden statt Metallen hier Halbleitermaterialien verwendet ahnlich dem Peltier Element wodurch sich die Effizienz gegenuber metallischen Thermoelementen wesentlich steigern lasst Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren betragt mit im Bestfall ca 17 oft deutlich weniger einen Bruchteil des Carnot Wirkungsgrades Hinsichtlich einfachem Aufbau Zuverlassigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren uberlegen Insbesondere gibt es keine beweglichen Teile und keinen sonst damit verbundenen Verschleiss Thermoelektrischer Generator Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Wirkungsgrad 3 Literatur 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseAllgemeines BearbeitenGebrauchliche Materialien sind Bi2Te3 Bleitellurid PbTe SiGe BiSb oder FeSi2 mit erzielbaren Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerustete Petroleumlampen Petroleum Gasbrenner oder Holzkohlegrills 1 werden als elektrische Energiequellen fur kleine Leistung in abgelegenen Gebieten verwendet beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfangers Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radionuklidbatterien unter anderem fur Raumsonden z B wegen zu grosser Entfernung von der Sonne oder in abgelegenen Mess Sonden verwendet wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden konnen Radioaktiver Zerfall kunstlich hergestellter Radioisotope zum Beispiel Plutonium 238 oder Strontium 90 liefert hier die zum Betrieb erforderliche Warme Zunehmende Beachtung haben thermoelektrische Generatoren in der Kraftfahrzeugtechnik erlangt wo bisher ungenutzte Warme von Abgasen fur die Energieerzeugung zur Verfugung steht Jedoch ist der Wirkungsgrad so gering dass beispielsweise die thermoelektrische Ausnutzung der Warme im heissen Abgas eines Verbrennungsmotors nicht lohnend ist 2 Wirkungsgrad Bearbeiten nbsp Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators gleicher Aufbau wie Peltier Element Die erzeugte Spannung U t h displaystyle U mathrm th nbsp hangt ab von der Temperaturdifferenz D T T h T l displaystyle Delta T T mathrm h T mathrm l nbsp und dem Seebeck Koeffizienten a displaystyle alpha nbsp U t h a D T displaystyle U mathrm th alpha Delta T nbsp Die Grosse der Dimension Zahl Z T displaystyle ZT nbsp engl figure of merit bestimmt den Wirkungsgrad h displaystyle eta nbsp Z T displaystyle ZT nbsp wachst quadratisch mit a displaystyle alpha nbsp und linear mit der mittleren absoluten Einsatz Temperatur Sie ist umso grosser je grosser die elektrische Leitfahigkeit s displaystyle sigma nbsp und je kleiner die spezifische Warmeleitfahigkeit l displaystyle lambda nbsp ist 3 Z T a 2 T s l displaystyle ZT frac alpha 2 T sigma lambda nbsp Und 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Commons Thermocouples Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Strom aus Abgas Abwarme verschiedene historische thermoelektrische Generatoren Einzelnachweise Bearbeiten Marius Beul Alternative Stromerzeugung 2 In elektor Oktober 2008 S 8 9 elektor de Michael Hilgers Alternative Antriebe und Erganzungen zum konventionellen Antrieb Springer Vieweg 2016 Seite 46 Holger Watter Regenerative Energiesysteme Grundlagen Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis 2 Auflage Vieweg Teubner 2011 Seite 283 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Thermoelektrischer Generator amp oldid 235195318