Direkte Abwärmeverstromung in thermoelektrischen Energiesystemen
Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei abwärmeintensiven Industrieprozessen, wie z.B. der Glas- und Metallherstellung, oder in Großbäckereien geht ein großer Teil der eingesetzten Primärenergie als Abwärme ungenutzt verloren. Die Abwärmenutzung mit Thermogeneratoren könnte den Primärenergieverbrauch senken, und damit signifikant zum Klimaschutz beitragen. Die Wesentliche Aufgabe dieses Projektes war den Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Abwärmenutzung unter realistischen Bedingungen zu ermitteln und Schalt- und Regelungskonzepte zu erforschen und zu entwickeln um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Hierzu wurde ein Kalorimeter aufgebaut um den thermoelektrischen Wirkungsgrad von Thermogeneratoren bei verschiedenen Temperaturen und Wärmeflüssen genau zu messen. Der Einsatz von Hochtemperatur-Thermogeneratoren, die mit Hilfe einer innovativen Druckverbindungstechnik erstellt wurden, wurde auch erprobt. Da die Ausgangsspannung und der Innenwiderstand der Thermogeneratoren mit der Temperaturdifferenz schwanken, wird ein DC/DC-Wandler als Übertragerschaltung zur Leistungsanpassung zwischen den Thermogeneratoren und dem Verbraucher eingesetzt. Es wurden mehrere Wandlertopologien untersucht. Nach einer Berechnung der Leistungsverluste in den Wandlern wurden drei Prototypen mit einer hohen zu erwartenden Effizienz entwickelt. Der höchste Wirkungsgrad wurde mit einem Zweiphasen-Synchronwandler erreicht. Durch das mehrphasige Schaltkonzept ließ sich auch ein hoher Teillastwirkungsgrad bei Abschaltung einer Phase (bei kleinen Eingangsleistungen) erreichen. Die entwickelten Wandler wurden mit den Thermogeneratoren in den Kammern des Kalorimeters in verschiedenen Schaltkonfigurationen zusammengeschaltet und der Gesamtwirkungsgrad des Systems wurde bei verschiedenen Temperaturen und Wärmeflüssen gemessen. Bei einem modularen Aufbau mit Strangwandlern konnte der Gesamtwirkungsgrad um bis zu 30% gesteigert werden. Bei hoher Strangzahl in Anwendungen mit großflächigen Modulnetzwerken und mehreren Temperaturzonen steigen die Komplexität und der technische Aufwand dieses Aufbaus. Als Alternative mit einem besseren Preis-Leistungsverhältnis wurde ein neues Schaltkonzept bei Verwendung von Ladungspumpen entwickelt und erprobt. Die Messergebnisse zeigten eine deutliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads mit dem neuen Schaltkonzept. Für einen kompakten Aufbau der entwickelten Wandler erfolgte die Auslegung für eine hohe Schaltfrequenz von 100kHz. Die Schaltverluste in den Leistungsschaltern sind bei einer solchen Auslegung dominierend und stellen mehr als 60% der Gesamtverluste dar. Für eine Steigerung des Wirkungsgrads der Wandler (und damit eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads) wurde die Reduzierung der Schaltverluste durch aktive und passive Entlastungsnetzwerke mit Hilfe eines Simulationsmodells in LTSpice untersucht. Der Hauptschalter wurde mit einem L-C- Resonanzkreis beschaltet. In der aktiven Schaltungsvariante wurde ein Hilfsschalter hinzugefügt. Durch eine genaue Ansteuerung des Hilfsschalters und eine genaue Auslegung des Resonanzkreises erfolgte das Schalten unter Nullspannung (ZVS: Zero Voltage Switching). Mit Hilfe einer simulationsgestützten Analyse wurde der erreichbare Wirkungsgrad mit dem Resonanzwandler berechnet. Durch die Reduzierung der Schaltverluste ergab sich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads von 94% auf 98%. Als Ausblick wurden Vorarbeiten für die hardwaretechnische Umsetzung durchgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Thermoelectric properties of high doped silicon from RT to 900K, J. Electron. Mater. 42 (2013), 2381-2387
Stranz, A; Kähler, J.; Waag, A; Peiner, E
- DC/DC Wandler und Thermogeneratoren für eine effiziente Abwärmeverstromung, Elektronik power management congress, München (2014)
Bentaleb, A; Stranz, A; Beck, HP
- New SOFC-stack design with parallel connected cells. In: 11th European SOFC and SOE Forum, Lucerne (2014)
Lindermeir, A; Immisch, C; Dörrer, L; Bentaleb, A; Hamje, J; Szepanski, C
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/fuce.201400188) - Thermoelectric Coolers with Silver- Sintered Interconnects, J. Electron. Mater. 43 (2014) 2397-2404
Kähler, J; Stranz, A; Waag, A; Peiner, E
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11664-014-3078-5) - Investigation of thermoelectric parameters of Bi2Te3-TEGs assembled using pressure-assisted silver powder sinteringbased joining technology, J. Electron. Mater. 44 (2015) 2055-2060
Stranz, A; Waag, A; Peiner, E
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11664-015-3655-2) - Fabrication and characterization of single-pair thermoelectric generators of bismuth telluride using silver-sintering technology, Materials Today: Proceedings 5(4):10401-10407
Wu, W; Bentaleb, A; Waag, A; Peiner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.12.288)
