Projekt

BF-Energie aus Abwärme - Energy Harvesting mit Thermoelektrizität

Beschreibung:

  1. Einleitung
    Die Thermoelektrik gestattet es eine Temperaturdifferenz direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Bauelemente werden als thermoelektrische Generatoren (TEG) bezeichnet und stellen (wenn man so will) das Pendant (präziser eine wichtige Ergänzung) zur Photovoltaik dar. TEG und die daraus herstellbaren thermoelektrischen Module (TEM) haben (wie auch die Photovoltaik) den Vorteil, dass sie keine bewegten Teile besitzen und damit geräuschlos arbeiten.
  2. Projektziele
    Im Rahmen des Projekts werden folgende drei Themenbereiche behandelt:


    Themenbereich 1: Qualität und Zuverlässigkeit thermoelektrischer Module

    Das Ziel dieser Arbeiten ist es im Rahmen der Qualität und Zuverlässigkeit TEM berührungslos mittels der am Campus vorhandenen Methoden der Infrarot-Thermographie sowie der Röntgen-Computertomografie (XCT) hinsichtlich deren Ausfallsursache(n) zu analysieren.


    Themenbereich 2: Charakterisierung von Grundmaterialien für die Herstellung von TEG

    Ein großer internationaler Forschungsschwerpunkt liegt derzeit in der Herstellung von Grundmaterialen für thermoelektrische Generatoren (TEG), die eine kleine Wärmeleitleitfähigkeit aufweisen. Die Stoßrichtungen sind dabei einerseits die gezielte Herstellung von Materialien mit a priori kleiner Wärmeleitfähigkeit (Skutterudite, Clathrate, Halb-Häusler Legierungen, ect.) und andererseits gängige (v. a. billige) Materialen (z. B. Si) mit Strukturgrößen im nm-Bereich herzustellen. Dabei ist es von besonderer Wichtigkeit, die Wärmleitfähigkeit möglichst genau bestimmen zu können um damit den Erfolg oder den Misserfolg im Rahmen der Materialentwicklung beurteilen zu können. Die derzeit gängigen Methoden sind die steady state Methode (Messung des Wärmeflußes bei gleichzeitiger Messung der Temperaturdifferenz) sowie die Wechselspannungsmethode (3w-Methode).

    Unsere bisherigen Arbeiten haben gezeigt, dass auch die IR-Thermographie geeignet erscheint die thermische Leitfähigkeit von TEG zu bestimmen. Der Vorteil dabei ist, dass sie eine berührungslose Methode ist und bei Einsatz eines Lasers als thermische Anregungsquelle können allfällige Anisotropien in der thermischen Leitfähigkeit des Grundmaterials bestimmt werden.


    Themenbereich 3: Modellierung thermoelektrischer Eigenschaften inhomogener Materialien

    Eine weitere Möglichkeit die Effizienz von Grundmaterialen zu erhöhen ist die Herstellung inhomogener Strukturen (im englischen als functionally graded materials bezeichnet). Inhomogene Strukturen können dabei vielfältig ausgeführt sein (z. B. durch ein inhomogenes Dotierprofil, Herstellung von Heterostrukturen, etc.). Unsere derzeitigen theoretischen Untersuchungen mit dem Softwarepaket der nextnano GmbH haben gezeigt, dass ein linear graduiertes Dotierprofil den Power factor (und damit die Effizienz) signifikant erhöhen kann.