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Systemdesign / Energy-Harvesting

Temperaturgradienten effizient wandeln


Fortsetzung des Artikels von Teil 3

TEG-Auswahl zur Stromerzeugung

Oft sind für TEGs keine Daten über die Ausgangsspannung gegenüber der Differenztemperatur erhältlich. Die beiden Parameter VMAX und IMAX sind dagegen üblich. Sie stellen die maximale Betriebsspannung und den maximalen Betriebsstrom für ein bestimmtes Modul (bei Betrieb in einer Heiz-/Kühlanwendung) dar.

Eine einfache Regel zur Auswahl eines TEG-Moduls ist die Wahl des Moduls mit dem höchsten Produkt VMAX*IMAX bei festen Ausmaßen. In der Regel bietet das die höchste TEG-Ausgangsspannung und den geringsten Quellenwiderstand. Allerdings muss auch der Kühlkörper nach der TEG-Größe bemessen sein.

Bild 9: LTC3108-Ausgangsleistung vs. TEGs mit verschiedenen V*I-Produkten
Bild 9: LTC3108-Ausgangsleistung vs. TEGs mit verschiedenen V*I-Produkten
© Analog Devices

Bei Angabe wird der elektrische Widerstand meist als Wechselstromwiderstand spezifiziert. Die Seebeck-Spannung würde bei Gleichstrommessung zu fehlerhaften Widerstandsmessungen führen. Bild 9 zeigt die Ausgangsleistung des LTC3108 unter Verwendung von dreizehn verschiedenen TEGs bei festem ∆T=5 °C mit dem jeweiligen VMAX*IMAX-Produkt. Höhere V*I-Produkte bewirken im Allgemeinen eine höhere Ausgangsleistung am LTC3108.

Bild 10: Leerlaufspannung und maximale Ausgangsleistung eines typischen TEGs
Bild 10: Leerlaufspannung und maximale Ausgangsleistung eines typischen TEGs
© Analog Devices

Bild 10 zeigt die Ausgangsspannung und die maximale Ausgangsleistung für ein 30 mm x 30 mm-TEG über einen ∆T-Bereich von 1 °C bis 20 °C. Die Ausgangsleistung variiert in diesem Bereich von Hunderten von Mikrowatt bis zu Zehntausenden von Milliwatt. Diese Leistungskurve setzt einen idealen Lastabgleich ohne Umwandlungsverluste voraus. Letztendlich fällt die verfügbare Ausgangsleistung, nach dem Anheben mit LTC3108 auf eine höhere Spannung, aufgrund von Umwandlungsverlusten geringer aus. Die applikationsspezifische Größe hängt von der verfügbaren Mindestleistung aus ∆T und der maximalen durchschnittlichen Leistung an der Last, sowie dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers ab.

Die maximale Ausgangsleistung des LTC3108 liegt im Bereich von 15 µW/(K cm2) bis 30 µW/(K cm2), abhängig vom Übersetzungsverhältnis des Transformators und dem gewählten spezifischen TEG.

Thermische Überlegungen

Bei Platzierung eines TEGs zwischen zwei Oberflächen unterschiedlicher Temperatur bedeutet die Temperaturdifferenz einen "offenen Kreislauf": die Temperaturdifferenz fällt ohne TEG höher aus, da dieses nur einen geringen Wärmewiderstand zwischen den Platten aufweist (typischerweise 1 °C/W bis 10 °C/W).

Bild 11: Wärmewiderstandsmodell eines TEGs und Kühlkörpers
Bild 11: Wärmewiderstandsmodell eines TEGs und Kühlkörpers
© Analog Devices

Ein typisches Beispiel stellt ein großes Maschinenteil im Betrieb mit 35 °C Oberflächentemperatur unter 25 °C Umgebungstemperatur. Hier wird ein Kühlkörper auf der Umgebungsseite notwendig, da sich sonst das gesamte TEG auf 35° C erwärmt. Die elektrische Ausgangsleistung wird durch die Temperaturdifferenz innerhalb des TEGs bewirkt. Im Beispiel bestimmt also der gesamte Wärmewiderstand des Kühlkörpers und des TEGs, über den Temperaturgradienten im TEG. Ein einfaches thermisches Systemmodell zeigt Bild 11.

Unter der Annahme, eines vernachlässigbaren Wärmewiderstands der Wärmequelle, 2 °C/W Wärmewiderstand des TEGs (RTEG) und 8 °C/W Wärmewiderstand des Kühlkörpers, resultieren ∆T=2 °C über den TEG.  

Die niedrige Ausgangsspannung eines TEGs unter wenigen Grad Temperaturdifferenz, unterstreicht seine Fähigkeit unter niedrigen Eingangsspannungen zu arbeiten. Größere TEGs weisen in der Regel einen geringeren Wärmewiderstand auf als kleinere. Damit können größere TEGs unter Umständen weniger geeignet zur Energiekonversion sein. In jedem Fall erhöht ein Kühlkörper mit geringstmöglichen Wärmewiderstand die elektrische Leistung, da damit der Temperaturgradient im TEG steigt.


  1. Temperaturgradienten effizient wandeln
  2. Integrierte Schaltungen zur Energieernte
  3. Lastenabgleich
  4. TEG-Auswahl zur Stromerzeugung
  5. Lastabgleich am Sensorknoten
  6. Solarenergie

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