Im Kfz wird der größte Teil der Energie des Kraftstoffs in Wärme umgesetzt. Für den NEFZ (neuer europäischer Fahrzyklus) sind die etwa 27% der Kraftstoffenergie, die zur Erwärmung der Aggregate aufgewendet werden, erheblich. Dies. Etwas mehr wird über den Kühler abgegeben, und etwa 23% gehen - beim Ottomotor etwas mehr - über das Abgas verloren. Thermoelektrische Generatoren können Teile dieses Wärmestroms in elektrische Energie umzuwandeln und zurückzuführen. Dazu werden keine bewegten Teile benötigt. Dem Prinzip liegt der Seebeck-Effekt zugrunde: bei Temperaturdifferenzen entlang eines elektrischen Leiters entsteht eine elektrische Spannung, die in von zwei Schenkeln aus standardisierten Metalllegierungen oder aus p- bzw. n-dotiertem Halbleitern gebildeten Thermoelementen abgegriffen werden kann. Angeordnet zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke sind die Schenkel auf der Heißseite elektrisch leitend und mit einem äußeren Stromkreis verbunden. Zur Wärmequelle sowie -senke hin sind sie elektrisch isoliert. Aufgrund des aufgeprägten Temperaturgradienten zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke entsteht an den Schenkeln jeweils eine Spannung. Der Wirkungsgrad ist von den Materialeigenschaften abhängig und wird über die thermoelektrische Effektivität Z beschrieben. Realistisch sind derzeit Werte von 1,5. Aufgrund der höheren Arbeitsfähigkeit integriert man einen solchen thermoelektrischer Generators am besten in den Abgasstrang aus, entweder direkt oder über einen Sekundärkreislauf. Hierzu wird auf der Heißgasseite eine geeignete Wärmeübertragerstruktur benötigt, die einen Kompromiss zwischen Wärmeübertragungsvermögen und resultierendem Abgasgegendruck darstellt. Die Kontaktwiderstände zwischen den verschiedenen Schichten des thermoelektrischen Generators sind möglichst gering zu halten, um die zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz optimal zu nutzen. Auch die thermische Ausdehnung im zyklischen Wechsel muss dauerhaft stabil funktionieren. Entwickelt wurde eine modifizierte Konstruktion in Flachrohrbauweise. Der Heißgaskanal ist als berippter Kanal mit verbessertem Wärmeübergang ausgeführt und bildet das zentrale Flachrohr des Aufbaus. Auf jeder Seite des Heißgaskanals sind elektrisch isoliert thermoelektrische Module auf der Basis von PbTe angeordnet. Gegenüber dem experimentell untersuchten thermoelektrischen Generator kann die elektrische Leistung für identische Betriebspunkte auf diese Weise mehr als verdreifacht werden. Da die Werkstoffkosten allerdings sehr hoch sind, konzentriert man sich auf Materialien wie Silizide, Half-Heusler-Materialien und vor allem Skutterudite. Die fahrzeugtechnische Einbindung, etwa hinsichtlich der Rückwirkungen auf den Verbrennungsmotor, der Einbindung in das Kühlsystem sowie der Einkopplung der elektrischen Energie in das Bordnetz erfordert aber weitere Entwicklungsarbeiten. Mittel- und langfristig werden hier Komponentenwirkungsgrade von bis zu 10% angestrebt.
Verlustwärmeströme in Energie umwandeln. Thermoelektrischer Generator im Fahrzeug
Elektronikpraxis ; 24 ; 42-46
2009
5 Seiten, 5 Bilder, 1 Tabelle
Article (Journal)
German
European Patent Office | 2017
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