Předložená disertační práce řeší komplexní mechatronický návrh autonomního termoelektrického zdroje energie pro letecké aplikace. Na základě dostupných zdrojů a literatury práce popisuje současný stav problematiky. V práci jsou prezentovány simulační modely MEMS termoelektrických článků, které jsou ověřeny experimentálním testováním a hodnotami dostupnými od výrobce. Na základě metodiky model-besed design byly navrženy a vyrobeny tři demonstrátory. Jejich vlastnosti byly testovány v reálných podmínkách na letecké pohonné jednotce.

In der Dissertationsschrift wurden zwei Schwerpunkte untersucht, die sich zum einen mit der Entwicklung einer Bewertungsmatrix zur Erstabschätzung potenzieller Abwärmenutzungen und zum anderen mit der Integration thermoelektrischer Generatoren im Gießereiprozess auseinandersetzten. In der Matrix wurden 4 Modellabwärmequellen definiert, die sich jeweils in 9 verschiedene Betriebszustände unterteilen, um die vielfältigen Prozessbedingungen widerzuspiegeln. Weiterhin wurden 4 Modellwärmesenken festgelegt, die in Abhängigkeit der thermischen Leistung der Abwärmequellen, die Bewertungsreferenz darstellen. Im Ergebnis erfolgte eine Bewertung von 144 unterschiedlichen Abwärmenutzungskonzepten nach den Kriterien: Energieeffizienzsteigerung, Kaskadennutzung, wirtschaftlich maximal vertretbares Budget und erzielte CO2-Einsparung. Die Integration der thermoelektrischen Generatoren erfolgte am Pfannenfeuer, im Formkasten und an der Druckgussmaschine. Die höchsten Durchschnittswerte der elektrischen Leistung wurden mit 45mW im Formkasten erreicht. Damit können Sensornetzwerke energieautark versorgt, die Datenverfügbarkeit erhöht und die Prozesseffizienz gesteigert werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Die verschiedenen Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs von dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Forschung und werden in den kommenden Jahren, bedingt durch weltweit anwachsendes Transportvolumen, begrenzte Ressourcen und steigendes Umweltbewusstsein, weiter an Bedeutung zunehmen. Die Nutzung der Abgasenthalpie des Dieselmotors stellt dabei eine Möglichkeit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs dar. Im Vergleich zu anderen Methoden ist der absolute Einfluss auf den Verbrauch zwar geringer, eine Kombination ist jedoch möglich und führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Abgasenthalpienutzung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) betrachtet. Diese hat den Vorteil einer hohen Leistungsdichte, eines geringen Wartungsaufwands sowie einer einfachen Integration in die Topologie der exemplarisch untersuchten Lokomotive. Bei der Umsetzung sind wesentliche Randbedingungen wie die herrschenden Abgastemperaturen und -massenströme das verfügbare Einbauvolumen und der maximal zulässige Abgasgegendruck, zu beachten. Weiterhin stellt sich die thermomechanische Festigkeit der thermoelektrischen Module (TEM) als Herausforderung dar. Dies macht eine Optimierung auf Systemebene unabdingbar, welche mit numerischen Methoden effizient und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Aufgrund der Systemkomplexität und unterschiedlichen Skalierungsebenen der Systemkomponenten wird dazu ein Multi-Layer-Multi-Scale Optimierungsansatz vorgestellt, welcher eine realitätsnahe Konzeption und Bewertung des Systems ermöglicht. Wesentliche Fragestellungen der thermomechanischen Festigkeit des Moduls, der technischen Realisierbarkeit bis hin zur Gestaltung einer systemleistungsorientierten Betriebsstrategie werden im Laufe des implementierten Prozesses mit Hinblick auf die maßgebende maximale Systemleistung adressiert und beantwortet.

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Carbon based nanostructures, such as fullerenes, carbon nanotubes and graphene showed a high potential for a vast of electronic and energy applications. However, properties of such materials in pristine forms can be insufficient to satisfy diverse specific demands, and tailoring their intrinsic properties is of increasing importance. In this work, different types of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) with controlled semiconducting fractions are p-/n-type doped by chemical doping in an attempt to tailor physical properties of the SWCNTs for the use in flexible thermoelectric (TE) devices and thermoplastic polymer-based conducting composites. Several p-/n-type doping schemes and an electronic type separation strategy have been developed to fulfill the task. A complete solution for efficient and scalable production of doped SWCNTs for the fabrication of flexible thermoelectric components is developed in this work. For p-type doping, a combined experimental and theoretical work demonstrates that boron atomic doping is an efficient way to simultaneously improve Seebeck coefficient (S) and electrical conductivity (σ) of SWCNT films, showing an increased thermoelectric power factor (S2σ) up to 255 μW/mK2 by a factor of 2.5 comparing to the pristine SWCNTs. For n-type doping, treatment of SWCNTs with potassium oxide and crown ether solution lead to a negative Seebeck coefficient of -30 μV/K and a promising S2σ up to 50 μW/mK2. A gel chromatography method has been developed to separate large-diameter (1.2-1.8nm) SWCNTs by electronic properties and to increase the purity of the sorted semiconducting carbon nanotubes (sc-SWCNTs) up to 95%. Effects of p-/n-type doping induced by different plasma treatments on the thermoelectric properties have been investigated for thin films made of sorted sc-SWCNTs. The high-purity sc-SWCNTs show significantly improved S of 125 μV/K. As the effects of p-type doping, air plasma treatments with proper duration (40s) lead to the increase of S, σ and thus S2σ up to 190 μW/mK2. The n-type doping for the SWCNT films have been performed via ammonia plasma treatment, and a negative S value of -80 μV/K has been achieved in air at 110oC, which is one of the best values ever reported for n-type carbon nanotube films. A flexible thermoelectric module was fabricated by printing ink made of the prepared boron doped SWCNTs and an organic solvent as an example for producing efficient all-carbon thermoelectric generators. At a temperature difference ΔT=60 K, the output voltage reaches 20 mV and the power output of 400 nW is obtained, although no “n”-legs are used in this module. At last, a work has been done on the development of melt mixed composites as TE materials, in which polypropylene is used as the matrix and boron-doped SWCNTs are used as conducting fillers. A percolation threshold lower than 0.25wt. % and a maximum conductivity up to 125 S/m at 5wt. % of SWCNT load have been achieved. The maximum conductivity is more than two times higher than that of the composites made with pristine SWCNTs as fillers.

Aufgrund von steigenden Energiekosten und einer sukzessive steigenden öffentlichen sowie politischen Forderung nach Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeit, ist die Effizienzsteigerung von Gesamtsystemen einer der treibenden Kräfte für innovative, technologische Neuheiten geworden. Besonders bei der Entwicklung von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen wurden z.B. durch die Hybridisierung von Antriebssträngen, die die Rekuperation von kinetischer Energie ermöglichen, Technologien zur Energieeinsparung etabliert. Da bei Verbrennungsmotoren ein hoher Anteil der im Kraftstoff gespeicherten Energie technologiebedingt als Abwärme im Abgas verloren geht, bietet die Wärmerekuperation ein weiteres hohes Potential für weitere Einsparungen. Diese ist z.B. mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren (TEG) möglich, die einen Wärmestrom direkt in elektrische Energie umwandeln. Zur effizienten TEG-Systemgestaltung ist ein hoher Temperaturgradient über dem thermoelektrisch aktivem Material notwendig, der wiederum zu kritischen thermomechanischen Spannungen im Bauteil führen kann. Diese werden zum einen durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien und zum anderen durch die mechanische Anbindung auf der heißen und kalten Seite des TEG verursacht. Somit liegt ein Zielkonflikt zwischen dem thermoelektrischen Systemwirkungsgrad und der mechanischen Festigkeit des Bauteils vor. In dieser Arbeit wird mit Hilfe einer mehrkriteriellen Parameteroptimierung eines vollparametrisierten FE-Modells des TEG in ANSYS WORKBENCH eine Methode vorgestellt, den thermoelektrischen Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Reduktion der thermomechanischen Spannungen zu optimieren. Zur Optimierung kommt dabei ein genetischer Algorithmus der MATLAB GLOBAL OPTIMIZATION TOOLBOX zum Einsatz. Der Modellaufbau wird in ANSYS WORKBENCH mit der Makro-Programmiersprache JSCRIPT realisiert. Als Ziel- und Bewertungsfunktionen wird die mechanische Belastung jedes Bauteils im TEG ausgewertet und dessen elektrische Leistungsdichte berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der vorgestellten Methodik eine paretooptimale Lösung gefunden werden kann, die den gestellten Anforderungen entspricht.

Energy harvesting is identified as a promising alternative solution for powering implantable biosensors. It can completely replace the batteries, which are introducing many limitations, and it enables the development of self-powered implantable biosensors. An interface circuit is necessary to correct for differences in the voltage and power levels provided by an energy harvesting device from one side, and required by biosensor circuits from another. This thesis investigates the available energy harvesting sources within the human body, selects the most suitable one and proposes the power management unit (PMU), which serves as an interface between a harvester and biosensor circuits. The PMU targets the efficient power transfer from the selected source to the implantable biosensor circuits. Based on the investigation of potential energy harvesting sources, a thermoelectric energy harvester is selected. It can provide relatively high power density of 100 μW/cm2 at very low temperature difference available in the human body. Additionally, a thermoelectric energy harvester is miniature, biocompatible, and it has an unlimited lifetime. A power management system architecture for thermoelectric energy harvesters is proposed. The input converter, which is the critical block of the PMU, is implemented as a boost converter with an external inductor. A detailed analysis of all potential losses within the boost converter is conducted to estimate their influence on the conversion efficiency. The analysis showed that the inevitable conduction and switching losses can be reduced by the proper sizing of the converter’s switches and that the synchronization losses can be almost completely eliminated by an efficient control circuit. Additionally, usually neglected dead time losses are proved to have a significant impact in implantable applications, in which they can reduce the efficiency with more than 2%. An ultra low power control circuit for the boost converter is proposed. The control is utilizing zero-current switching (ZCS) and zero-voltage switching (ZVS) techniques to eliminate the synchronization losses and enhance the efficiency of the boost converter. The control circuit consumes an average power of only 620 nW. The boost converter driven by the proposed control achieves the peak efficiency higher than 80% and can operate with harvested power below 5 μW. For high voltage conversion ratios, the proposed boost converter/control combination demonstrates significant efficiency improvement compared to state-of-the-art solutions. / <p>QC 20150413</p>

The antiferromagnetic semiconductor MnTe has recently attracted significant interest as a potential high-performance thermoelectric material. Its promising thermoelectric properties are due in large part to short-range magnetic correlations in the paramagnetic state, which enhance the thermopower through the paramagnon drag effect. Using magnetic pair distribution function (mPDF) analysis of neutron total scattering data, we present a detailed, real-space picture of the short-range magnetic correlation in MnTe, offering a deeper view into the paramagnon drag effect and the nature of the correlated paramagnetic state. We confirm the presence of nanometer-scale antiferromagnetic correlations far into the paramagnetic state, show the evolution of the local magnetic order parameter across the N\'eel temperature T_N=307 K, and discover a spatially anisotropic magnetic correlation length. By combing our mPDF analysis with traditional atomic PDF analysis, we also gain detailed knowledge of the magnetostructural response in MnTe. We observed a spontaneous volume contraction of nearly 1\%, the largest spontaneous magnetovolume effect reported so far for any antiferromagnetic system. The lattice strain scales linearly with the local magnetic order parameter, in contrast to the quadratic scaling observed for the conventional magnetostriction properties of this technologically relevant material. Using neutron and X-ray PDF analysis, we also investigated the local distortion on MnTe and Mn-based systems, MnS and MnO as a function of temperature. Such local distortion on MnTe increases with the rise in temperature and becomes more pronounced at 500 K.

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