München, Techn. Univ., Diss., 2004. / Computerdatei im Fernzugriff.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2004.

Fachhochsch., Diplomarbeit--Furtwangen, 1995.

Zugl.: Furtwangen, Fachhochsch., Diplomarbeit, 1995

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zugl.: Kassel, University, Diss., 2007.

Die vorliegende Arbeit forciert die Steigerung der Leistungsfähigkeit netzautarker thermoelektrischer Systeme. Hierunter werden im Folgenden Apparate verstanden, die mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG) thermische Energie in Elektroenergie umwandeln, um damit netzautark und dezentral elektrische Kleinstverbraucher an großtechnischen Anlagen und Maschinen zu speisen. Bei den elektrischen Verbrauchern kann es sich beispielsweise um Sensoren zum Vermessen unterschiedlicher Prozessgrößen handeln. Aber auch eine Energieversorgung von Geräten zur drahtlosen Datenübertragung und Aktoren mit entsprechend geringer Leistungsaufnahme ist mittels netzautarker thermoelektrischer Systeme technisch möglich. Zum Erreichen der Zielstellung werden die TEG zur Energieumwandlung nicht isoliert betrachtet, sondern der optimierte Systemaufbau ganzheitlich forciert. Denn zur Steigerung der Leistungsfähigkeit netzautarker thermoelektrischer Systeme müssen alle Komponenten betrachtet: Angefangen von den TEG über die notwendige Wärmekopplung bis hin zu weiteren Peripheriegeräten. Im Konkreten basiert die in dieser Dissertation dargelegte Entwicklungsarbeit zum einen auf einem mathematischen Modell zur Berechnung verlustbehafteter TEG-Wärmeübertrager-Systeme, zum anderen auf der Entwicklung eines effizienten Wärmeübertragers zur passiven Kühlung thermoelektrischer Module sowie der Darstellung und Diskussion eines Gleichstromwandler-Schaltkreises für die Regelung des Betriebszustands eines angekoppelten TEG.

Die thermoelektrische Energiekonversion auf der Basis des Seebeck-Effekts ist eine Methode zur direkten Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie. Für die wesentlichen anwendungsrelevanten Parameter Temperaturbereich, elektrische Leistung und Herstellungskosten sind Materialauswahl und Aufbau der TEG entscheidend. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig thermoelektrische Oxidkeramiken in monolithischen TEG verwendet, die auf der Grundlage des transversalen thermoelektrischen Effekts arbeiten. Die TEG wurden mit industriell skalierbaren Keramiktechnologien hergestellt, untersucht und hinsichtlich ihrer Parameter detailliert theoretisch und experimentell bewertet. Als Modellsystem für die Materialien wurde La1-xSrxCuO4 in Kombination mit Ag bzw. Ag6Pd1 verwendet. Es konnte belegt werden, dass diese monolithischen TEG im Bereich kleiner elektrischer Leistungen eine vorteilhafte Alternative zu herkömmlichen longitudinalen thermoelektrischen Generatoren sein können.

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.

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.