Entwicklung von neuartigen thermoelektrischen Generatoren und ihr Einsatz in thermischen Solaranlagen

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Thermoelektrische Generatoren sind Bauteile zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Durch ihre derzeit noch niedrigen Wandlungseffizienzen und ihre hohen Herstellkosten werden sie derzeit nur in Nischenanwendungen eingesetzt. Aktuelle Forschungen beschäftigen sich hauptsächlich mit der Verbesserung der verwendeten Materialien und weniger mit dem Aufbau eines thermoelektrischen Gesamtsystems und dessen Anbindung an eine Anwendung, bei der eine hohe Menge an heute nicht genutzter Wärmeenergie verfügbar ist. Eine solche Anwendung können thermische Solaranlagen zur Warmwassererzeugung und Heizungs-unterstützung im Einfamilienhausbereich sein. Die dort genutzten Anlagen leiden in Zeiten hoher solarer Einstrahlung bei fehlender Last (z.B. im Sommer) unter dem Phänomen des Verdampfens des Solarfluids („Stagnation“) und daraus resultierender thermischer und mechanischer Überlastung der Systemkomponenten. Hieraus ergeben sich Begrenzungen in der Größe der installierten Kollektorfelder, die in der Konsequenz auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage einschränken. Im Frühjahr und Herbst würde eine doppelt so groß installierte Kollektorfläche die Wirtschaftlichkeit der Anlage deutlich verbessern, im Sommer würde eine solche Anlage aber unter der nicht mehr kontrollierbaren Stagnation Schaden nehmen, weshalb aus Gewährleistungsgründen Installationsunternehmen solche Anlagen nicht montieren. Thermoelektrische Generatoren könnten die überschüssige Wärme aus dem System entziehen, einen Teil in elektrische Energie umwandeln und den Rest an die Umgebung abgeben. Somit würde nicht nur eine höherwertige Form der Energie erzeugt und eventuell wirtschaftlich genutzt (Einspeisung in das Energieversorgungsnetz), sondern bei geeigneter Auslegung auch die Temperatur des Solarfluids kontrolliert und unterhalb der Verdampfungstemperatur gehalten. Ein einem theoretischen Teil der Arbeit werden die Grundlagen der Wärmeübertragung und der thermoelektrischen Effekte beschrieben. Der thermoelektrische Generator wird in Bezug auf seine Leistung, Effizienz und Temperatur-Entropie-Charakteristik mit idealen und realen Wärmekraftmaschinen verglichen und eingeordnet. Nachfolgend werden die wesentlichen Bestandteile einer thermischen Solaranlage und das Phänomen der Stagnation erläutert. Der Teil schließt mit einer Beschreibung des Standes der Technik zur Stagnationsvermeidung. Anschließend wird ein neuartiger thermoelektrischer Generator entwickelt und in seinen Bestandteilen beschrieben. Um möglichst viele Erkenntnisse vor dem Bau eines Prototypen zu erlangen, wird der Generator gemäß der geltenden Gesetzmäßigkeiten charakterisiert und analysiert. Ausführliche FEM- und Parameterstudien wurden durchgeführt. Desweiteren wurde ein Kompaktmodell für ein Hybridsystem aus einer Solarthermie-Anlage und einem thermoelektrischen Modell programmiert, das die Verbindung zwischen der technologischen Systembeschreibung und der wirtschaftlichen Bewertung des Systemnutzens schafft. Im praktischen Teil wird ein in dieser Analyse als geeignet eingestuftes System aufgebaut und auf einem dafür ausgelegten Prüfstand messtechnisch untersucht. Den Abschluss dieses Teils der Arbeit bildet eine Ganzjahressimulation des Hybridsystems aus Solaranlage und Thermoelektrikmodul, aus der die Zielerreichung in Bezug auf erzeugte elektrische Energie und Stagnationsvermeidung für verschiedene geografische Positionen hervorgeht. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung heute verfügbarer Solarsysteme, die mit dem entwickelten Thermoelektrikmodul oder alternativ mit den Stagnationsvermeidungstechniken gemäß des Standes der Technik gekoppelt werden.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Thermoelektrik, thermoelectrics, TEG, TEC
Beitragende:
Prof. Dr. rer. nat. Heinzel, Angelika [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. rer. nat. Schmechel, Roland [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
26.10.2011
Dokument erstellt am:
02.11.2011
Promotionsantrag am:
05.05.2011
Dateien geändert am:
02.11.2011
Medientyp:
Text