AT503493A2 - Thermoelektrischer generator zur umwandlung thermischer energie in elektrische energie - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, mit mehreren zu einem Modul zusammengeschalteten Peltierelementen, welche zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet sind, wobei jedes Peltierelement aus einem p-dotierten Schenkel und einem n-dotierten Schenkel besteht, die an deren Enden durch Elektroden elektrisch leitend verbunden sind.
Die Abwärmenutzung mittels thermoelektrischer Generatoren TEG bzw. mittels Peltierelementen ist bereits in mehreren Anwendungen bekannt. Das Peltierelement dient dabei zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Es wird ein n- und ein p-Halbleiter gepaart und die Ladungsträger durch einen äußeren Temperaturgradienten verschoben, wodurch im äußeren Kreis Strom fließen kann.
So ist beispielsweise aus der DE 199 46 806 Al ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie nach dem Seebeck-Effekt bekannt, wobei ein aus einer Vielzahl von Peltierelementen bestehendes Peltiermodul zwischen einem Wärme aufnehmenden und einem Wärme abgebenden Modulleitkörper in wärmeleitendem Kontakt angeordnet und einem Temperaturgradienten über die Elementschenkel der Peltierelemente ausgesetzt ist. Die sich ergebende Spannung wird durch Hintereinanderschaltung der Pel-tiermodule entsprechend vergrößert und zur Stromerzeugung verwendet. Als beispielsweise Anwendung wird die Ausnutzung der Abwärme bei einem Motorblock oder der Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors beschrieben.
Weiters ist es aus der US 4,095.998 A bekannt, mehrere Reihen aus p- und n-Elementen bestehenden thermoelektrischer Generatoren sternförmig entlang eines von einem Abgasstrom durchflossenen Abgasstranges anzuordnen und so thermoelektrische Energie rückzugewinnen. Die einzelnen p- und n-Elemente sind gleichartig aufgebaut.
In der DE 10 2004 005 151 Al wird eine Sensoreinrichtung und ein System zur Messung des Zustandes eines Mediums beschrieben, wobei als Energiequelle beispielsweise eines Ölzustandssensors ein thermoelektrischer Generator verwendet wird, der seine Energie mit Hilfe eines Peltierelementes aus dem Temperaturunterschied zwischen dem zu vermessenden Medium (beispielsweise Öl) und der Umgebung bezieht.
Bei vielen der genannten Anwendungen haben die eingesetzten thermoelektrischen Generatoren nur einen sehr geringen Wirkungsgrad von ca. 5%. Aufgabe der Erfindung ist es daher diesen Wirkungsgrad signifikant zu steigern, insbesondere auch dann, wenn die Wärmequelle eine örtlich inhomogene Temperaturverteilung zeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sowohl die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) als auch die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) der einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) in Abhängigkeit der unterschiedlichen Temperaturwerte (Tlf T2, T3...) an den Kontaktstellen der einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) zur Wärmequelle (Q) aus unterschiedliche Materialien (PI, P2, P3..., NI, N2, N3...) bestehen. Die p-dotierten und n-dotierten Schenkel der einzelnen modulartig zusammengeschalteten Peltierelemente des erfindungsgemäßen Generators sind also nicht gleichartig aufgebaut, sondern im Sinne einer Optimierung des Wirkungsgrades der Umsetzung der thermischen Energie in elektrische Energie aus unterschiedlichen Materialien hergestellt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Peltierelement gemäß Stand der Technik, Fig. 2 eine vorteilhafte Variante eines Peltierelementes gemäß Stand der Technik, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, Fig. 4 eine bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators, Fig. 5 ein Diagramm über den thermoelektrische Wirkungsgrad eines segmentierten Peltierelementes in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 600°C, sowie Fig. 6 einen Vergleich der Wirkungsgrade unterschiedlich aufgebauter Peltierelemente in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 600°C.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen, welche Ausführungen gemäß Stand der Technik zeigen. In Fig. 1 ist ein Peltierelement El dargestellt, welches aus einem p-dotierten Schenkel Sp und einem n-dotierten Schenkel Sn besteht, die mit Hilfe von Elektroden 11 und 12 leitfähig miteinander verbunden sind. Zwischen der Wärmequelle Q mit der Temperatur Ti und der Wärmesenke S mit der Temperatur T0 bildet sich der im rechten Bildteil dargestellte Wärmegradient g aus. Weiters ist mit einem Pfeil der Wärmefluss dQ/dt von der Wärmequelle Q zur Wärmesenke S eingezeichnet. Im einfachsten Fall werden für den Schenkel Sp und den Schenkel Sn Materialien P und N verwendet, die einen möglichst guten Wirkungsgrad für den erwarteten Temperaturbereich T0 bis Ti aufweisen.
Fig. 2 stellt eine Verbesserung eines Peltierelementes gemäß Fig. 1 dar, bei welchem sowohl der p-dotierte Schenkel Sp als auch der n-dotierte Schenkel Sn in
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Die Erfindung geht nun gemäß Fig. 3 über diesen bekannten Stand der Technik hinaus und berücksichtigt die Tatsache, dass die Wärmequelle Q an den Kontaktstellen zu den einzelnen Peltierelemente El, E2, E3... unterschiedliche Temperaturwerte Ti, T2, T3... aufweisen kann, sodass sowohl die p-dotierten Schenkel Spl, Sp2, Sp3... als auch die n-dotierten Schenkel Snl, Sn2, Sn3... der einzelnen Peltierelemente El, E2, E3... unterschiedliche Materialien PI, P2, P3..., NI, N2, N3... aufweisen, deren Wirkungsgrad im Hinblick auf die unterschiedlichen Temperaturwerte (Ti, T2, T3...) an den Kontaktstellen optimiert ist. Es kann somit jedes Peltierelemente des Moduls 10 unterschiedlich aufgebaut sein und optimal an die vor Ort herrschende Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle Q und Wärmesenke S angepasst sein. Beispielsweise sind flächige Module 10 denkbar, die beispielsweise die Abwärme eines Motorblocks oder einer Ölwanne optimal nutzen, da an Kontaktstellen unterschiedlicher Temperatur der Wärmequelle unterschiedliche Halbleitermaterialen in den Peltierelementen El, E2, E3... eingesetzt werden können. Diese können anhand von Wirkungsgraddiagrammen der einzelnen Halbleitermaterialien gezielt ausgewählt werden.
Die einzelnen Peltierelemente El, E2, E3... können auch entlang einer sich im Wesentlichen linear erstreckenden Wärmequelle Q angeordnet sein, die einen Temperaturgradienten G aufweist, der beispielsweise stetig von einer Ausgangstemperatur TI zu einer Endtemperatur T3 abfällt. Es müssen somit die unterschiedlichen Temperaturgradienten gl, g2, g3... innerhalb der einzelnen Peltierelemente El, E2, E3... und der Temperaturgradient G entlang der Wärmequelle Q berücksichtigt werden.
In einem konkreten Beispiel können die einzelnen Peltierelemente El, E2, E3... entlang eines von einem heißen Abgas durchströmten Abgasstranges einer Brennkraftmaschine angeordnet sein, wobei die Wärmequelle Q durch die Oberfläche des Abgasstranges gebildet wird und die Wärmesenke S die Temperatur T0 der Umgebungstemperatur aufweist. Die Ausgangstemperatur Ti liegt dabei bei etwa 600°C, die Endtemperatur T3 bei etwa 70°C.
In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 weisen sowohl die p-dotierten Schenkel Spl, Sp2, Sp3... als auch die n-dotierten Schenkel Snl, Sn2, Sn3... einzelne Abschnitte a, b, c... auf, und bestehen im Hinblick auf den sich zwischen den Temperaturwerten Ti, T2, T3... der Kontaktstellen zur Wärmequelle Q und dem Temperaturwert T0 der Wärmesenke S jeweils einstellenden, unterschiedlichen ·· ·· ···· · ·· ···· ···· ····· · • · · · · · ·· ···
Temperaturgradienten (gl, g2, g3...) aus unterschiedlichen Materialen PI, P2, P3..., NI, N2, N3...
Eine weitere Optimierung kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass die einzelnen Abschnitte a, b, c... der p-dotierten Schenkel Spl, Sp2, Sp3... und der n-dotierten Schenkel Snl, Sn2, Sn3... unterschiedliche Längen in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Temperaturgradienten gl, g2, g3... aufweisen.
In Fig. 5 ist als Beispiel der thermoelektrische Wirkungsgrad eines segmentierten Peltierelementes in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 600°C dargestellt. Der p-dotierte Schenkel besteht wie der n-dotierte Schenkel aus drei Abschnitten unterschiedlicher Länge, sodass sich durch Überlappungen einzelner Abschnitte wie in Fig. 5 eingezeichnet fünf Materialkombinationen in den Temperaturbereichen A bis E ergeben, in welchen beispielsweise folgende Halbleitermaterialien in den beiden Schenkeln vorliegen (Die Bezeichnung TAGS steht dabei für (GeTe)i-x(AgSbTe)x wobei x = 0,1 bis 0,15 gilt):
Kombination T-Bereich (°C) p-dotierter Schenkel n-dotierter Schenkel A 0-100 (Bi, Sb)2Te3 Bi2Te3 B 100-200 (Bi, Sb)2Te3 PbTe C 200-450 TAGS PbTe D 450-550 TAGS Bao.3Co3.95Nio.o5Sbi2 E >550 Ce0.9Fe3CoSbi2 Bao.3Co3.95Nio.o5Sbi2 Tab. 1 Anstelle von Ce0.9Fe3CoSbi2 bzw. Ba0.3Co3.95Nio.o5Sbi2 in Tab. 1 können auch andere geeignete p-dotierte bzw. n-dotierte Skutterudite eingesetzt werden.
In Fig.6 wird der Wirkungsgrad unterschiedlich aufgebauter Peltierelemente TEG1 bis TEG4 im Temperaturbereich zwischen 0°C und 600°C miteinander verglichen, wobei für TEG1 bis TEG4 folgende Materialkombinationen aus Tab. 1 eingesetzt werden:
Kombination Wirkungsgrad (%) El. Leistung (W) TEGl ABCDE 10 927 TEG2 CD 9,2 860e TEG3 D 8,2 767 TEG4 E 6,6 613
Tab. 2 ·· ♦··· • · ·· ··· • · * • ♦ · ·· ·· ··»· • * · · · · • · · · · • · · · · • · · · · «· ·· · · - 5 -
Anhand derartiger Tabellen können geeignete Materialkombinationen für definierte Temperaturbereiche ausgewählt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist zumindest der Hochtemperaturbereich der p-dotierten Schenkel Fe-basierte Skutterudite (SK), beispielsweise Ce0.9Fe3CoSbi2, Ybo.75Fe3.5Ni0.5Sbi2, MMyFe4-xCoxSbi2 und/oder MMyFe4-xNixSbi2 auf, wobei MM ein Mischmetall aus La, Ce, Pr, Nd und Sm ist. Weiters weist zumindest der Hochtemperaturbereich der n-dotierten Schenkel Co-ba-sierte Skutterudite (SK), beispielsweise YbyCo4.xPtxSbi2, Bao.3Co3i95Nio.o5Sbi2 und/oder AyCo4.xTxSbi2 auf, wobei A für Ba, Ca, Sr und einer Mischung daraus und T für Ni und Pd steht.
Im Sinne einer Kostenreduzierung kann beispielsweise ausgehend von Ce0.9Fe3CoSbi2 das relativ teure Co ganz oder teilweise durch Ni, bzw. Ce durch ein Mischmetall aus La, Ce, Pr, Nd und Sm ersetzt werden. Weiters ist es möglich das Yb in Ybo.75Fe3.5Nio.5Sbi2 ganz oder teilweise durch Ce zu ersetzen, bzw. gewisse Anteile von Co oder Pt in YbyCo4.xPtxSbi2 oder Bao>3Co3.95Nio.o5Sbi2 durch das wesentlich günstigere Ni zu substituieren.
Um den Wirkungsgrad der thermoelektrischen Elemente zu erhöhen, kann bei den vorhin genannten Ausgangsmaterialien Ce durch ein Mischmetall (La, Ce, Pr, Nd und Sm), oder das reine Ba durch eine Mischung aus Ba, Ca, Sr ersetzt werden.
Es ergeben sich dadurch für die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) und die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) der Peltierelemente beispielsweise folgende Materialkombinationen (P3, N3) für den Hochtemperaturbereich, wobei die Wärmequelle im Bereich von 600°C liegt: p-dotierter Schenkel n-dotierter Schenkel MMo.75Fe35Nio.5Sbi2 Bao.3Co4Sbi2 MMo.75Fe3.oCoi.oSbi2 Bao.3Co3.95Nio.o5Sbi2 Pr0 75Fe35Nio.5Sbi2 Cao.iBao.iSr0 iCo4Sbi2 Pro.75Fe3.oCoi.oSb12 Cao. iBao. iSro. iCo395NioosSbi2 Ce0.75Fe3CoSbi2 Ce0.9oFe3CoSb12
Tab. 3
Claims (10)
- ·· ΦΦ·* • · · ·· ··· • · · • · * ·· ··· ··· ·· ·· ···· φ · · · · • φ · φ φ φ φ · · · • φ · φ φ φφ ·· · - 6 - PATENTANSPRÜCHE 1. Thermoelektrischer Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, mit mehreren zu einem Modul (10) zusammengeschalteten Peltierelementen (El, E2, E3...), welche zwischen einer Wärmequelle (Q) und einer Wärmesenke (S) angeordnet sind, wobei jedes Peltierelement (El, E2, E3...) aus einem p-dotierten Schenkel (Sp) und einem n-dotierten Schenkel (Sn) besteht, die an deren Enden durch Elektroden (11, 12) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) als auch die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) der einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) in Abhängigkeit der unterschiedlichen Temperaturwerte (Tx, T2, T3...) an den Kontaktstellen der einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) zur Wärmequelle (Q) aus unterschiedliche Materialien (PI, P2, P3..., NI, N2, N3...) bestehen.
- 2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) als auch die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) einzelne Abschnitte (a, b, c...) aufweisen und im Hinblick auf den sich zwischen den Temperaturwerten (Ti, T2, T3...) der Kontaktstellen zur Wärmequelle (Q) und dem Temperaturwert (T0) der Wärmesenke (S) jeweils einstellenden, unterschiedlichen Temperaturgradienten (gl, g2, g3...) aus unterschiedlichen Materialen (PI, P2, P3..., NI, N2, N3...) bestehen.
- 3. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte (a, b, c...) der p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) und der n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) unterschiedliche Längen in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Temperaturgradienten (gl, g2, g3...) aufweisen.
- 4. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) entlang einer sich im Wesentlichen linear erstreckenden Wärmequelle (Q) angeordnet sind, die einen Temperaturgradienten (G) aufweist.
- 5. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Peltierelemente (El, E2, E3...) entlang eines von einem Abgas durchströmten Abgasstranges angeordnet sind, sodass die Wärmequelle (Q) durch die Oberfläche des Abgasstranges gebildet wird und die Wärmesenke (S) die Temperatur T0 der Umgebungstemperatur aufweist. ·· ···· < · · ·· ··· • · » • · · ·« ··· ·· ·· ···· • · · · · • · · · · • · · · · • · · · · ·« ·· · - 7 -
- 6. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) und die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) in den angeführten Temperaturbereichen folgende Materialkombinationen aufweisen: T-Bereich (°C) p-dotierter Schenkel η-dotierter Schenkel 0-100 (Bi, Sb)2Te3 Bi2Te3 100-200 (Bi, Sb)2Te3 PbTe 200-450 TAGS PbTe 450-550 TAGS Bao.3Co3.9jNio.o5Sbi2 >550 Ceo.9Fe3CoSb12 Bao.3Co3.9jNio.o5Sbi2
- 7. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hochtemperaturbereich der p-do-tierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) Fe-basierte Skutterudite, beispielsweise Ce0.9Fe3CoSbi2, Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sbi2, MMyFe4-xCOxSbi2 und/oder MMyFe4. xNixSbi2 aufweist, wobei MM ein Mischmetall aus La, Ce, Pr, Nd und Sm ist, sowie dass zumindest der Hochtemperaturbereich der n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) Co-basierte Skutterudite, beispielsweise YbyCo4.xPtxSb12, Ba0.3Co3.95Ni0.05Sbi2 und/oder AyCo4-xTxSbi2 aufweist, wobei A für Ba, Ca, Sr und einer Mischung daraus und T für Ni und Pd steht.
- 8. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) und die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) zumindest im Hochtemperaturbereich folgende Materialkombinationen aufweisen: p-dotierter Schenkel n-dotierter Schenkel MMo.7sFe3.5Nio.5Sb12 Bao.3Co4Sb i2 MMo.75Fe3.oCoi.oSb12 B3o.3Co3.9$Nio.o5Sbi2 ^0.75^3.5Nio.sSbi2 Cao1Ba0iSro.iCo4Sb12 Pro.75Fe3.0Coi.0Sbi2 Cao.iBao.iSr0.iCo3.95Nio.o5Sbi2 Ce0.75Fe3CoSb12 Ceo.9oFe3CoSbi2
- 9. Thermoelektrischer Generator zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, mit zumindest einem Peltierelemente (El, E2, E3...), welches zwischen einer Wärmequelle (Q) im Bereich von 600°C und einer Wärmesenke (S) angeordnet ist, wobei das Peltierelement (El, E2, E3...) aus einem p-dotierten Schenkel (Sp) und einem n-dotierten Schenkel (Sn) besteht, die an deren Enden durch Elektroden (11, 12) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hochtemperaturbereich der p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) Fe-basierte Skutterudite, beispielsweise A, B A* und/oder B* aufweist, wobei MM ein Mischmetall aus La, Ce, Pr, Nd und Sm ist, sowie dass zumindest der Hochtemperaturbereich der n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) Co-ba-sierte Skutterudite, beispielsweise C, D und /oder C* aufweist, wobei A für Ba, Ca, Sr und einer Mischung daraus und T für Ni und Pd steht.
- 10. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierten Schenkel (Spl, Sp2, Sp3...) und die n-dotierten Schenkel (Snl, Sn2, Sn3...) zumindest im Hochtemperaturbereich folgende Materialkombinationen aufweisen: p-dotierter Schenkel n-dotierter Schenkel MM0 75Fe3,5Nio.5Sb12 MMo.75Fe3.0Coi.oSbi2 Pro.75Fe3.5Nio.jSbi2 Pro.75Fe3.oCoi.oSbi2 Ce0.75Fe3CoSbi2 Bao.3Co4Sb12 Bao3Co395Nioo5Sb[2 Cao iBao.iSr0. iCo4Sb 12 Cao.iBao.iSr0.iCo3.95Nio.o5Sbi2 Ceo.9oFe3CoSbi2 2007 06 21 Lu/EcDipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 39/17 Tel.: (+43 1) 892 89 33-0 fax: (+431) 892 8» 333 s-msti: patpnteHxWiin^at Patentanwalt
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