Energy Harvesting »Erntehelfer« im Vergleich

Einsatz von Peltierelementen

Peltier-Elemente werden traditionell zur Temperierung verwendet und verfügen über eine heiße und eine kalte Seite. Gleichwohl können solche Elemente umgekehrt auch aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom erzeugen, sofern sie aus geeigneten Materialien aufgebaut sind. Peltier-Elemente, wie sie meist für die Kühlung zum Einsatz kommen, sind im Gegensatz zu den spezielleren Seebeck-Elementen recht preisgünstig. Sie sind bei den bekannten Elektronik-Versendern oft sogar als Restposten erhältlich und empfehlen sich somit für eigene Experimente. Verbreitet sind hier die Typen der TEC1-Serie der Firma Centenary Materials, die von zahlreichen Firmen vertrieben werden (Bild 5). Mit einem Element wie dem TEC1-12704 (4 cm × 4 cm) ist es innerhalb von Sekunden möglich, Spannungen von über 50 mV durch das Auflegen auf einen warmen Raumheizkörper zu generieren. Zu beachten ist dabei, dass die eine Seite des Elements − etwa mithilfe eines Kühlkörpers − ausreichend gekühlt wird, damit die maximal erlaubte Temperaturdifferenz von 68 K nicht überschritten wird.

Als Auswahlkriterium für Experimente mit Peltier-Elementen als Energielieferanten eignet sich der maximal erlaubte Strom, während die maximale Spannung bei Elementen (einer Serie) meist nicht variiert und typischerweise bei 10 V bis 15 V liegt. Je kleiner der angegebene maximale Strom (für den Betrieb als Kühler/Heizer) bzw. die Wärmekapazität (Qc) ist, desto schneller reagiert das Element auf eine Temperaturdifferenz und desto höher fällt auch die abgegebene Spannung aus; der nutzbare Strom verhält sich demgegenüber umgekehrt proportional.

Eine vergleichsweise hohe Leistungsabgabe liefern spezielle Thermogeneratoren, was unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts erfolgt. Zur technischen Anwendung sind zwei elektrische Leiter notwendig, die sich in ihrem Seebeck-Koeffizienten (Thermokraft α) unterscheiden. Werden diese beiden Leiter verbunden, liegt die Funktion eines Thermoelements oder Thermopaares vor. Typische Materialpaarungen sind Nickel-Chrom/Nickel oder Platin-Rhodium/Platin. Thermoelektrische Generatoren bestehen aber meist aus p- und n-dotierten Halbleitermaterialien, die zwischen zwei metallisierten Keramikplatten geschichtet werden. Die Keramik dient der Festigkeit und der elektrischen Isolierung des Systems. Die Halbleiter sind elektrisch in Serie und thermisch parallel geschaltet. Um eine signifikante Ausgangspannung zu erhalten, muss der Seebeck-Koeffizient des Materials sehr hoch sein. Bei einer Leiter- oder Halbleiterstruktur, die eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Enden aufweist, wird das Auftreten einer elektrischen Spannung nach Seebeck beschrieben als: USeebeck = n · α · ∆T. Die Gesamtspannung eines TEG (Thermo Electric Generator) ergibt sich aus der Temperaturdifferenz ΔT, der Anzahl der Thermopaare n und der Materialkonstanten α, welche die Spannung spezifiziert, die ein Thermopaar bei einer Temperaturdifferenz von 1 K erzeugt.

Seit dem Jahr 2006 stellt die Firma Micropelt Thermogeneratoren her, die eine etwa 400-fach höhere Spannung pro Quadratmillimeter als herkömmliche Seebeck-Elemente erzeugen. Die Thermogenerator-Chips bestehen aus zwei mikrostrukturierten Dünnschichten, die miteinander verlötet sind. Mit kleinsten Strukturen von 35 μm sind bis zu hundert Thermopaare pro Quadratmillimeter möglich, was in etwa der 50- bis 100-fachen Packungsdichte von herkömmlichen Elementen entspricht. Für die Versorgung von elektronischen Schaltungen sind die auftretenden Spannungen wie beim traditionellen Peltier-Effekt jedoch zu gering. Abhilfe wird mit speziellen DC/DC-Wandlern (z. B. LTC3109) erreicht, die bereits ab einer Spannung von 20 mV arbeiten. Generell gilt: Je größer die Temperaturdifferenz, desto höher fällt die Spannung bzw. die Energie aus, die der nachgeschalteten Elektronik zur Verfügung gestellt werden kann.

Micropelt bietet die Thermogeneratoren einzeln als Chip, als Thermogenerator-
Package (Packed Chips, Bild 6) und auch als einsatzbereite Systeme mit Microcontroller und unterschiedlichen Funkschnittstellen auf Modulen (TE Power One, TE Power Node, TE Power Core) an. Als Anwendung gibt es seit Anfang 2015 außerdem den Heizkörper-Stellantrieb iTRV, was insbesondere im Zusammenhang mit Smart Homes Aussicht auf Erfolg hat. Der Antrieb wird entweder per EnOcean-Funk oder per Bluetooth (iTRV Blue) gesteuert und gewinnt die Energie für den Stellmotor und die Funkschnittstelle mithilfe eines integrierten Thermogenerators, der sich zwischen der warmen Seite des Wassers vom Heizungsvorlauf und dem Ventil zum Raum hin befindet (Bild 7). Die Differenz zwischen der Raumtemperatur und der Vorlauftemperatur des Heizkreises reicht für den Betrieb des wartungsfreien Stellantriebes aus.