Wie TEG-Module Wärme in Strom umwandeln

Im Phyikunterricht lernt man, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, aber sie kann in verschiedene Formen umgewandelt werden. Seit der Formulierung des Gesetzes der Energieerhaltung, auch bekannt als erster Hauptsatz der Thermodynamik, versuchen Ingenieure Wege zu finden, um Energie in Formen umzuwandeln, die wir leichter nutzen können. 

Eine dieser Möglichkeiten ist die thermoelektrische Energieerzeugung, also die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Erstmals von Thomas Seebeck entdeckt, findet die direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität, der so genannte Seebeck-Effekt, eine moderne praktische Anwendung in einem Festkörpergerät, dem so genannten thermoelektrischen Generator (TEG). Allerdings begannen die ersten wirklichen Fortschritte in der Technologie der TEG-Geräte erst im 20. Jahrhundert mit der Einführung der ersten kommerziellen Anwendungen um 1960. Heute werden TEGs in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. 

Was sind thermoelektrische Generatormodule (TEG)?

Thermoelektrische Generatormodule, TEG-Module oder kurz TEGs, beruhen auf dem thermoelektrischen Effekt, d.h. auf der Umwandlung von Temperaturunterschieden in einem Material in elektrische Spannung oder umgekehrt. Der thermoelektrische Effekt umfasst drei verwandte Aspekte: den bereits erwähnten Seebeck-Effekt, bei dem Elektrizität aus dem Temperaturgradienten zwischen zwei ungleichen Materialien erzeugt wird; den Peltier-Effekt, bei dem Wärme an der Verbindungsstelle zweier ungleicher Metalle entsteht oder absorbiert wird, wenn ein Strom angelegt wird; und den Thomson-Effekt, bei dem Wärme in Abhängigkeit von der Stromrichtung absorbiert oder erzeugt wird.

Was ist der Unterschied zwischen thermoelektrischen Generatoren und thermoelektrischen Kühlern?

Ein häufiger Punkt der Verwirrung in der thermoelektrischen Technologie ist der Unterschied zwischen einem thermoelektrischen Generator (TEG), der den Seebeck-Effekt nutzt, und einem thermoelektrischen Kühler (TEC), der den Peltier-Effekt nutzt. Diese thermoelektrischen Effekte werden in verschiedenen Geräten auf unterschiedliche Weise zur Stromerzeugung und Festkörperkühlung genutzt. Die verschiedenen thermoelektrischen Geräte sind unterschiedlich konstruiert, verwenden aber ähnliche Materialien (dotierte Halbleiter) in ihrer Konstruktion. Die Materialien sind zwar ähnlich, aber die TEGs sind für hohe Temperaturunterschiede und Energieeffizienz ausgelegt und konzentrieren sich auf die Maximierung der Ausgangsleistung. TECs hingegen sind so konzipiert, dass sie die Wärmeaufnahme und -ableitung optimieren, wobei häufig Hochleistungskeramiken und Kupfer verwendet werden, um die Kühlung effizienter zu gestalten.  

Thermisches Design: Wärmemanagement im Fokus

Wärmemanagement wird in der Leistungselektronik zum entscheidenden Faktor: Effizienz, Lebensdauer und EMV hängen zunehmend vom thermischen Design ab. Aktuelle Konzepte integrieren Substrate, Gehäuse, Kühlung und Sensorik in ein gesamtheitliches Systemverständnis.

Obwohl die Prozesse ähnlich sind, ist ein TEG-Modul die beste Wahl, wenn Ihr Ziel darin besteht, Strom aus Wärme zu erzeugen. Wenn Sie nach aktiver Kühlung oder Temperaturstabilisierung suchen, ist ein TEC-Modul oder Peltier-Modul genau das Richtige für Sie. Same Sky bietet sowohl TEG-Module als auch Peltier-Module an, je nach Designanforderungen. 

Wie funktioniert ein thermoelektrischer Generator?

In einem aktuellen thermoelektrischen Generator bewirkt der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite eines Halbleitermaterials, dass sich Ladungsträger (Elektronen) von der heißen Seite zur kalten Seite bewegen. Innerhalb des TEG-Moduls befinden sich mehrere Paare von n-Typ- und p-Typ-Halbleitermaterialien (typischerweise Bismuttellurid). Diese Paare von Halbleitermaterialien sind zwischen der heißen und der kalten Platte eingebettet. In einem n-Typ-Material bewegen sich die Elektronen von der heißen Seite zur kalten Seite. In einem p-Typ-Material wandern auch Löcher (oder das Fehlen von Elektronen) von der heißen Seite zur kalten Seite. Dieser Fluss führt zur Erzeugung eines elektrischen Potenzials (Spannung), das als nützlicher elektrischer Strom nutzbar gemacht werden kann. Die Spannung ist proportional zu dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des Materials. 

TEGs werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen Abwärme vorhanden ist, wie z.B. bei industriellen Prozessen, um Energie zurückzugewinnen, die sonst verloren ginge. Sie werden auch in abgelegenen Anwendungen wie Raumsonden eingesetzt, um Strom aus der Wärme des radioaktiven Zerfalls zu erzeugen, wenn die Sonnenenergie zu schwach ist.

Vorteile der Verwendung von TEG-Modulen für die Stromerzeugung

Aus funktionaler Sicht besteht die nützlichste Eigenschaft der TEG-Module darin, dass sie überschüssige Wärmeenergie nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Dies kann in vielen Situationen von Vorteil sein, um Energie zurückzugewinnen oder wiederzuverwenden, was TEGs umweltfreundlich macht. 

TEG-Module sind außerdem Festkörpergeräte ohne bewegliche Teile, so dass sie zuverlässig, leise und wartungsfrei sind. Dank ihrer kompakten Größe passen sie auch in enge Raumkonzepte. TEGs sind in einer breiten Palette von Spannungen und Strömen erhältlich und können zuverlässig Strom liefern, ohne an eine herkömmliche Stromquelle angeschlossen zu sein. Damit eignen sie sich perfekt für abgelegene Anwendungen oder als Ersatz für batteriebetriebene Systeme. 

Herausforderungen bei der Verwendung von TEG-Modulen

Obwohl TEGs robuste Geräte sind, die nutzbaren elektrischen Strom liefern, sind sie in einem Projekt nicht ohne konstruktive Herausforderungen. Sie sind von den Temperaturunterschieden in der Umgebung abhängig, um mit der erforderlichen Leistung zu funktionieren, was sie nur für sehr spezielle Anwendungen nützlich macht. TEGs haben im Vergleich zu anderen Stromerzeugungsmethoden einen relativ niedrigen Wirkungsgrad, der im Durchschnitt bei etwa zehn Prozent liegt. 

Wichtige TEG-Spezifikationen und Leistungsdiagramme

Die Entwicklung von TEG-Modulen für ein System erfordert die Beachtung einiger wichtiger Gerätespezifikationen, die die Leistung beeinflussen. Obwohl der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite, der oft als Delta T bezeichnet wird, von grundlegender Bedeutung dafür ist, wie TEGs Strom erzeugen, wird er in der Regel nicht in den Datenblättern angegeben. Stattdessen geben Hersteller häufig Tmax an, was die maximal zulässige Temperatur für einen sicheren Betrieb kennzeichnet, jedoch nicht unbedingt die optimalen Betriebsbedingungen. 

Weitere nützliche Spezifikationen zur Bewertung der Leistung eines thermoelektrischen Generators sind Leerlaufspannung, angepasste Lastausgangsspannung, angepasster Laststrom, angepasste Lastleistung und angepasster Lastwiderstand. Diese Werte vermitteln ein klareres Bild davon, was zu erwarten ist, wenn TEGs in ein System mit entsprechenden elektrischen und thermischen Lasten integriert werden. 

Die Leistungsdiagramme der TEG-Module stellen die Kennzahlen eines TEGs im Vergleich zu Variablen dar, die die Temperatur der heißen Seite, die Temperatur der kalten Seite und verschiedene elektrische Parameter vergleichen. Anhand dieser Diagramme kann ein Konstrukteur die optimalen Betriebspunkte oder Bereiche identifizieren, die bei der Konstruktion verbessert werden müssen. TEG-Leistungsdiagramme werden in der Regel zur Optimierung des Designs verwendet, wenn ein TEG-Gerät an eine Anwendung angepasst werden soll, wenn verschiedene TEG-Geräte verglichen werden sollen, oder wenn das endgültige Design des TEG-Systems überprüft werden soll. Einige der wichtigsten Leistungsdiagramme sind die folgenden, wobei „Th“ für die Temperatur der heißen Seite steht: 

Kühlung: Designtipps für TECs mit Peltier-Elementen

Peltier-Elemente versagen oft, wenn höhere Kühlleistung gefragt ist. Doch mit smartem Design, leistungsstarken Treibern und entsprechender Schaltungstechnik lässt sich das Maximum aus der thermoelektrischen Kühlung herausholen.

• Leerlaufspannung vs. Th: Diese Grafik stellt die lastlose Spannung dar, die Sie vom TEG-Modul bei einem bestimmten Temperaturdelta sehen würden. Grundsätzlich die maximale Spannung, die von einem TEG erzeugt wird. Wenn das TEG-Modul belastet wird, sinkt die Spannung.
• Angepasster Lastwiderstand vs. Th: Diese Grafik zeigt, wie hoch der Innenwiderstand des TEG-Moduls bei einem bestimmten Temperaturdelta ist.
• Angepasste Lastspannung vs. Th: Diese Grafik zeigt die belastete Ausgangsspannung eines TEG bei einem bestimmten Temperaturdelta.
• Angepasster Laststrom vs. Th: Ähnlich wie bei der angepassten Lastspannung wird hier der vom TEG gelieferte Laststrom bei einem bestimmten Temperatur-Delta angezeigt.

Der Punkt auf einem Leistungsdiagramm, an dem der TEG die höchste Ausgangsleistung oder Spitzenleistung erzeugt, entspricht normalerweise dem optimalen Lastwiderstand. Die Wirkungsgradkurve in einem Diagramm zeigt, wie sich der Umwandlungswirkungsgrad mit dem Temperaturunterschied und dem Lastwiderstand ändern kann. In jedem Leistungsdiagramm zeigt die X-Achse die Temperatur der heißen Seite des TEGs mit mehreren Leistungskurven, die die Temperatur der kalten Seite des TEGs anzeigen. Die Y-Achse zeigt die jeweilige Kennzahl an, die analysiert wird.

Den richtigen thermoelektrischen Generator auswählen

Um den geeigneten thermoelektrischen Generator auszuwählen, sollte der Designer zunächst die Temperaturen der kalten und der heißen Seite bestimmen, denen der TEG ausgesetzt sein wird. Sobald diese Temperaturen bestimmt sind, kann der Designer die Diagramme für angepasste Lastspannung, angepassten Laststrom und angepasste Lastleistung aus dem Datenblatt verwenden, um die Leistung des TEGs in der Anwendung zu bestimmen.

Wo können thermoelektrische Generatoren eingesetzt werden?

Thermoelektrische Generatoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen Energie aus der Ferne benötigt wird, oder in denen die Energierückgewinnung die Effizienz eines Systems erhöhen kann. Sie sind in zwei Versionen erhältlich: Groß und Mikro. Große TEGs liefern eine Ausgangsleistung von mehreren bis zu mehreren Hundert Watt und werden für industrielle Zwecke eingesetzt. Mikro-TEGs liefern Leistungen von einigen Watt bis hinunter zu wenigen Milliwatt. Einige der aktuellen Anwendungen, die TEGs verwenden, sind:

• Verbrauchergeräte mit geringem Stromverbrauch (tragbare Technologien)
• Raumsonden und Luft- und Raumfahrt
• Industrielle Abwärmerückgewinnung
• Erzeugung von Solarenergie
• Sensoren (Internet-der-Dinge-Technologie)
• Automobilmotoren
• Industrielle elektronische Geräte
• HLK-Systeme
• Medizinische Gesundheitsüberwachung
• Militärische Systeme
• Wissenschaftliche Geräte
• Telekommunikation 

arcTEC: Leistung und Lebensdauer von Peltier-Modulen verbessern

Peltier-Geräte werden aufgrund ihrer Solid-State-Konstruktion und ihrer Fähigkeit, aktiv auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur abzukühlen immer beliebter. Mit der arcTEC-Struktur lassen sich die Parameter der Module noch verbessern.

Thermoelektrische Generatormodule machen sich den thermoelektrischen Effekt zunutze, um aus Temperaturgradienten innerhalb eines Geräts nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Wie thermoelektrische Kühler können sie effektiv und effizient sein, wenn sie genau auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt sind. TEGs sind in einer Vielzahl von Leistungsstufen und Wirkungsgraden erhältlich und können den Wert eines Designs erhöhen, indem sie Tragbarkeit, Fernbetrieb oder Energierückgewinnung ermöglichen. Zur Auswahl der Teile kann der Entwickler sich die Produktlinie der thermoelektrischen Generatormodule von Same Sky anschauen, die eine Reihe von Größen und Ausgangsleistungen bietet. (na)