Thermoelektrische Generatoren (TEG)

In der Physik lernen wir, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann - sie ändert nur ihre Form. Diese Idee, das so genannte Energieerhaltungsgesetz, treibt Ingenieure dazu an, Wege zu finden, Energie in nützlichere Formen umzuwandeln.

Ein gutes Beispiel dafür ist die thermoelektrische Stromerzeugung, bei der Wärme direkt in Strom umgewandelt wird. Dieser Effekt, der erstmals von Thomas Seebeck entdeckt wurde und heute als Seebeck-Effekt bezeichnet wird, wird in sogenannten thermoelektrischen Generatoren (TEGs) genutzt. In der Praxis wurden diese Halbleiterkomponenten erst im 20. Jahrhundert weiterentwickelt, wobei die ersten kommerziellen Versionen in den 1960er Jahren auftauchten. Seitdem haben TEGs ihren Weg in viele verschiedene Arten von Anwendungen gefunden.

Grundlagen des TEG-Moduls

Thermoelektrische Generatormodule (oft TEGs genannt) funktionieren, indem sie Temperaturunterschiede in elektrische Spannung umwandeln oder umgekehrt. Das Verhalten, das als thermoelektrischer Effekt bekannt ist, umfasst drei miteinander zusammenhängende Teile: den Seebeck-Effekt, bei dem Strom aus einem Temperaturgefälle erzeugt wird; den Peltier-Effekt, bei dem Wärme absorbiert oder freigesetzt wird, wenn Strom durch zwei unterschiedliche Materialien fließt; und den Thomson-Effekt, bei dem je nach Stromrichtung Wärme erzeugt oder absorbiert wird.

Ein häufig verwirrender Punkt in der thermoelektrischen Technologie ist der Unterschied zwischen thermoelektrischen Generatoren (TEGs) und thermoelektrischen Kühlern (TECs). TEGs nutzen den Seebeck-Effekt, um Strom aus Wärme zu erzeugen, während TECs den Peltier-Effekt nutzen, um für Kühlung zu sorgen oder die Temperatur stabil zu halten. Beide basieren auf ähnlichen Halbleitermaterialien, unterscheiden sich aber in ihrer Konstruktion: TEGs sind auf hohe Temperaturunterschiede und Effizienz bei der Leistungsabgabe ausgelegt, während TECs für die Wärmeübertragung unter Verwendung von Materialien wie Keramik und Kupfer optimiert sind.

In der Praxis ist ein TEG-Modul die richtige Wahl, wenn es darum geht, Energie aus Wärme zu erzeugen. Zur Kühlung oder Temperaturstabilisierung ist ein TEC- oder Peltier-Modul effektiver. Same Sky bietet sowohl TEG-Module als auch Peltier-Module an, was es einfacher macht, die richtige Komponente für die jeweiligen Anforderungen auszuwählen.

In einem modernen thermoelektrischen Generator (TEG) wird Strom erzeugt, wenn ein Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite besteht. Im Inneren des Moduls sind mehrere Paare von n- und p-Halbleitern - häufig aus Wismut-Tellurid - zwischen zwei Platten angeordnet (Abbildung 1). In n-Typ-Materialien fließen die Elektronen von der heißen Seite zur kalten Seite, während in p-Typ-Materialien die Bewegung durch Löcher (die Abwesenheit von Elektronen) verursacht wird, die sich in die gleiche Richtung bewegen. Zusammen erzeugen diese Ströme eine Spannung, und je größer der Temperaturunterschied ist, desto größer ist die Spannung.

TEGs sind besonders wertvoll in Situationen, in denen Wärme ansonsten verschwendet würde, wie z. B. in Industriebetrieben, wo sie helfen, verlorene Energie zurückzugewinnen. Sie werden auch in abgelegenen oder extremen Umgebungen eingesetzt. Zum Beispiel die Versorgung von Raumsonden durch Umwandlung der Wärme aus dem radioaktiven Zerfall in Elektrizität, wenn das Sonnenlicht nicht ausreicht.

Abbildung 1: Der allgemeine Aufbau eines TEG-Moduls. (Bildquelle: Same Sky)

Vor- und Nachteile von TEGs

Der Hauptvorteil von thermoelektrischen Generatormodulen (TEG) besteht darin, dass sie Abwärme in nutzbare Elektrizität umwandeln und so Energie einfangen können, die andernfalls verloren gehen würde. Das macht sie nicht nur praktisch, sondern auch umweltfreundlich.

Da TEGs Halbleiterkomponenten sind, haben sie keine beweglichen Teile - das heißt, sie sind leise, langlebig und erfordern wenig bis gar keine Wartung. Dank ihres kompakten Formfaktors passen sie auch in enge Räume, und da sie für eine Reihe von Spannungen und Stromstärken erhältlich sind, können sie zuverlässig Strom liefern, ohne auf ein herkömmliches Stromnetz angewiesen zu sein. Dadurch eignen sich TEGs ideal für abgelegene Anlagen oder als effiziente Alternative zu batteriegestützten Systemen.

Obwohl thermoelektrische Generatoren (TEGs) eine zuverlässige Stromquelle darstellen, gibt es bei ihnen konstruktionsbedingte Einschränkungen. Ihre Performance hängt stark von einem großen Temperaturunterschied ab, was sie auf bestimmte Anwendungen beschränkt, bei denen Wärmegradienten vorhanden sind. Darüber hinaus arbeiten TEGs im Allgemeinen mit relativ niedrigen Umwandlungswirkungsgraden - oft um die 10%-, was im Vergleich zu vielen anderen Energieerzeugungstechnologien bescheiden ist.

Wichtige TEG-Auswahlkriterien

Bei der Integration von thermoelektrischen Generatormodulen (TEG) in ein System ist es wichtig, die wichtigsten Spezifikationen zu berücksichtigen, die sich direkt auf die Performance auswirken. Der kritischste Faktor beim Betrieb ist der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite (oft ΔT genannt). Dies ist zwar ausschlaggebend dafür, wie viel Energie ein TEG erzeugen kann, wird aber nicht immer in den Datenblättern angegeben. Stattdessen geben die Hersteller in der Regel Tmax, die maximale sichere Betriebstemperatur, an, die dazu beiträgt, Grenzwerte zu definieren, aber nicht unbedingt die besten Arbeitsbedingungen.

Weitere nützliche Angaben sind Leerlaufspannung, angepasste Lastspannung, Strom, Widerstand und Leistung. Diese Werte geben Aufschluss darüber, wie sich das Gerät bei tatsächlicher thermischer und elektrischer Belastung verhalten wird. Datenblätter, wie die von Same Sky, enthalten diese Informationen in der Regel sowohl in Tabellen (Abbildung 2) als auch in Leistungsdiagrammen (Abbildung 3), um das Design auf Systemebene zu erleichtern.

Abbildung 2: TEG-Spezifikationstabelle aus einem Datenblatt von Same Sky. (Bildquelle: Same Sky)

Die Leistungsdiagramme zeigen die elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur auf der heißen Seite (T_h) und den entsprechenden Bedingungen auf der kalten Seite. Übliche Diagramme sind:

• Leerlaufspannung vs. T_h - zeigt die maximale Spannung an, wenn keine Last angelegt ist
• Angepasster Lastwiderstand vs. T_h - gibt den Innenwiderstand bei einem bestimmten ΔT an
• Angepasste Lastspannung vs. T_h - zeigt die Ausgangsspannung an, wenn das Gerät unter Last steht
• Angepasster Laststrom vs. T_h - zeigt den unter Last gelieferten Strom
• Angepasste Lastausgangsleistung vs. T_h - stellt die erzeugte Nutzleistung dar, die auch aus Spannung und Strom unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes abgeleitet werden kann

Diese Diagramme ermöglichen es Ingenieuren, die Spitzenleistungspunkte zu ermitteln, in der Regel bei optimalem Lastwiderstand, und zu verstehen, wie der Wirkungsgrad bei verschiedenen thermischen und elektrischen Bedingungen variiert. Durch die Untersuchung dieser Diagramme können Entwickler einen TEG besser auf ihre Anwendung abstimmen, verschiedene Module vergleichen oder die Leistung in einem realen System überprüfen.

Abbildung 3: Typische TEG-Leistungsdiagramme mit Temperaturen auf der heißen Seite auf der X-Achse, verschiedenen Leistungskurven für Temperaturen auf der kalten Seite und der zu analysierenden Metrik auf der Y-Achse. (Bildquelle: Same Sky)

Um den richtigen thermoelektrischen Generator (TEG) auszuwählen, muss der Entwickler zunächst die erwarteten Temperaturen auf der heißen und kalten Seite ermitteln. Mit diesen Werten können die Diagramme für Spannung, Strom, Leistung und Widerstand der angepassten Last auf dem Datenblatt verwendet werden, um die Leistung abzuschätzen. Das Modul SPG176-56 von Same Sky zum Beispiel erzeugt bei T_h = 200°C und T_c = 30°C etwa 5,9 V, 1,553 A und 9,16 W Leistung bei einem Widerstand von 3,8 Ω. Diese Werte können aus jedem Leistungsdiagramm entnommen werden, indem eine vertikale Linie von T_h = 200°C auf der X-Achse bis zum Schnittpunkt mit der Kurve T_c = 30°C gezogen wird. Ziehen Sie von diesem Punkt aus eine horizontale Linie zur Y-Achse, um die erwartete Ausgabe zu bestimmen. Da TEGs dem Ohm'schen Gesetz folgen, kann der Entwickler durch eine beliebige Kombination der Diagramme und die Verwendung der Leistungsformel die erwartete Leistung des TEGs erreichen.

In der Praxis ist dieser Prozess unter idealen Bedingungen einfach, aber die Entwickler müssen häufig nicht ganz perfekte Temperaturunterschiede oder Lastabweichungen durch Interpolation zwischen den Leistungskurven ausgleichen.

Fazit

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) sind wertvoll für Anwendungen, bei denen Energie aus der Ferne benötigt wird oder bei denen die Rückgewinnung von Energie die Effizienz des Gesamtsystems steigern kann. Sie sind in der Regel in zwei Formen erhältlich: große TEGs, die mehrere Watt bis zu Hunderten von Watt für industrielle Zwecke liefern können, und Mikro-TEGs, die von einigen Watt bis hinunter zu Milliwatt für kleinere Bedürfnisse liefern. Die aktuellen Anwendungen umfassen eine Vielzahl von Bereichen, darunter Verbrauchergeräte wie Wearables, Weltraumsonden und Raumfahrtsysteme, industrielle Abwärmerückgewinnung, Solarenergieumwandlung, IoT-Sensoren, Automotoren, Industrieelektronik, HLK-Geräte, medizinische Überwachungsgeräte, militärische Systeme, wissenschaftliche Instrumente und Telekommunikationsinfrastruktur.

Mit einer breiten Palette von Leistungs- und Wirkungsgraden bieten TEGs einen Mehrwert für das Systemdesign, indem sie Mobilität, Fernbetrieb und Energierückgewinnung ermöglichen. Zur Auswahl bietet Same Sky TEG-Module in verschiedenen Größen und Leistungsstufen an, um unterschiedlichen Designanforderungen gerecht zu werden.