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Entwicklung von neuartigen thermoelektrischen Generatoren und ihr Einsatz in thermischen Solaranlagen

Ulland, Holger

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.

Thermoelectric generators are devices for direct conversion of heat energy into electricity. Due to their low efficiencies and high production costs, their usage is limited to niche applications these days. The thermoelectric research community mainly focuses on improvements of thermoelectric materials and less on the layout and design of thermoelectric systems and modules and the interface to applications, where high amounts of heat are available and get lost to environment today. Solar thermal systems for hot water and domestic heating could be such an application. Today’s installations suffer from evaporation of the solar fluid (“stagnation phenomenon”) in times of high solar insolation and low load, which causes thermal and mechanical stress in the system components. This results in size limitations for the installed collector area and also a limited possibility to decrease payback periods. In spring and autumn, doubling the installed collector surface could shorten the payback period significantly, but during summer these systems would be damaged by uncontrolled stagnation. Due to liability risks, installation companies do not install these big collector areas. Thermoelectric generators could take the heat from the system and partly convert it into electricity. The remain is dissipated to ambient air. This would not only increase the goodness of the energy (possibility to feed it into the electricity grid), but also avoid stagnation by controlling the temperature of the solar fluid and keeping it below its evaporation temperature, if the system is designed well. In a theoretical part, the basics of heat transfer and thermoelectric effects are described. Thermoelectric generators are compared with ideal and real heat engines with a view to power output, efficiencies and their temperature entropy characteristics. The following section highlights the main components of a solar thermal system and the stagnation phenomenon is explained. This section closes with a description of the technological state of the art to avoid stagnation. In the main part, a new design of a thermoelectric generator is developed and described in its important components. To gather as much knowledge on the characteristics as possible before building a prototype, the TEG is analyzed by the help of the ruling laws of physics. Extensive FEM analysis and parameter studies are carried out. Furthermore, a compact model for thermoelectrically equipped hybrid solar thermal systems has been developed as a crucial link between the technological system description and the economic feasibility evaluation. In the practical part, a system is built according to the results of this analysis and tested on a dedicated test bench. A full year simulation of a hybrid system (solar thermal system and thermoelectric module) is described and the target achievement in terms of generated electricity and avoiding of stagnation is evaluated for different geographic positions on Earth. In the final part, a payback period analysis for currently available solar thermal systems, coupled with the newly developed thermoelectric module is carried out and an extensive comparison to alternatively available state of the art systems avoiding stagnation is presented.

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Ulland, Holger: Entwicklung von neuartigen thermoelektrischen Generatoren und ihr Einsatz in thermischen Solaranlagen. 2011.

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