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Jun 18, 2023

Thermoelektrische Technologien kommen aus den USA

In den USA entstanden zwei völlig unterschiedliche thermoelektrische Energieerntemaschinen

Diese Woche sind in den USA zwei völlig unterschiedliche thermoelektrische Energieerntemaschinen aufgetaucht.

Das eine ist ein thermoakustischer Proof-of-Concept der Penn State University, das andere die neueste Version des serienmäßigen Seebeck-Generators von Nextreme.

Das thermoakustische Gerät ist ein Versuch, aus einem Kochfeuer in Entwicklungsländern genug Strom zu gewinnen, um einen Ventilator anzutreiben.

Die Idee ist, dass der Ventilator die Effizienz des Feuers erhöht und gleichzeitig die Emissionen reduziert – Kochrauch tötet 1,9 Millionen Menschen pro Jahr, schätzt die UN.

Zuverlässigkeit ist der Schlüssel, daher entschied der Forscher Paul Montgomery, dass es nur wenige oder gar keine beweglichen Teile geben sollte, die verschleißen könnten, und entschied sich daher für die akustische Umwandlung – und Penn State ist für seine Akusto-Thermodynamik bekannt.

Es besteht aus zwei Teilen: einem thermoakustischen Oszillator, der eine vibrierende Luftsäule erzeugt, und einem Vibrations-zu-Elektro-Wandler – einem Lautsprecher, der im Demonstrator umgekehrt arbeitet.

Der Oszillator ist ein Rohr mit einem geschlossenen Ende und Wärmeübertragungsmaterial direkt im Inneren des offenen Endes.

Mit den richtigen Abmessungen, Bedingungen und Ausrichtung des Wärmetauschers; Ein kleiner Teil der Luft wird erhitzt und durch ihre Ausdehnung in einen kalten Teil der Kammer bewegt. Hier kühlt es ab, zieht sich zusammen und wird zum heißen Teil zurückgezogen.

Dieser Zyklus wiederholt sich mit einer Frequenz, die durch die Sprungkraft der elastischen Luftsäule und die Länge des Schlauchs bestimmt wird.

Der Effekt ist seit einem Jahrhundert bekannt, seit der viktorianische Wissenschaftler Lord Rayleigh erkannte, dass die Amplitude der Schallwelle zunimmt, wenn einer Schallwelle bei der Kompression Wärme zugeführt und bei der Expansion Wärme entzogen wird.

„Für Weltraumanwendungen wurde ein sehr hochtechnologischer thermoakustischer Generator gebaut, der unter Druck stehendes Heliumgas und einen sehr teuren linearen Wechselstromgenerator nutzte“, sagte Montgomery. „Für die Kochherdanwendung haben wir einen viel einfacheren Prototyp ausprobiert.“

Er nutzt atmosphärische Luft in einem rechteckigen, aus Blech gefalteten Kanal.

Die Wärme wird durch eine Keramikwabe, deren Löcher entlang des Kanals verlaufen, auf das Gas übertragen.

„Die Keramik ist tatsächlich ein Material, das in Massenproduktion als Substrat für Katalysatoren in Automobilabgassystemen hergestellt wird“, sagte Steven Garrett, Professor an der Pennsylvania State University, gegenüber Electronics Weekly. „Bis die Keramik mit dem Katalysator, meist Platin, beschichtet ist, ist sie recht preiswert, sogar so günstig, dass sie als Schamottstein in Grills verwendet wird.“

Ein Ende der Keramik ist geschwärzt und absorbiert 20 W Wärme durch elektromagnetische Strahlung vom heißen Ende des Resonators im Ofen.

Der andere ist zur Kühlung an einen externen Kühlkörper im Computerstil angeschlossen. Der Demonstrator erzeugt 25 MW, obwohl Montgomery schätzt, dass das fertige Produkt 10 W von einem 4-8-kW-Ofen erzeugen würde und 25 US-Dollar kosten würde.

„Selbst eine relativ ineffiziente Wärmekraftmaschine wäre in der Lage, aus kleinen Mengen Abwärme genügend Strom zu erzeugen, um einen Ventilator anzutreiben, und möglicherweise über genügend überschüssige Kapazität, um ein Telefon oder einen Akku aufzuladen, der nachts für Beleuchtung sorgen könnte“, sagte er.

Die Ergebnisse wurden auf dem 2. Panamerikanisch-Iberischen Treffen zum Thema Akustik vorgestellt, das vom American Institute of Physics organisiert wurde, und Montgomery hat ein Hintergrunddokument verfasst.

Die andere Entwicklung des Halbleiter-Peltier-/Seebeck-Geräteherstellers Nextreme zielt auf das untere Ende der Leistungs- und Temperaturdifferenzskala ab.

eTEG HV37 ist ein „Hochspannungs“-Gerät, das bei einem Temperaturunterschied von 10 K eine Leerlaufspannung von 170 mV erzeugt und dann bei richtiger Belastung 1 mW liefern kann.

Bei einer Differenz von 50 K kann er 24 mW oder eine Leerlaufspannung von 850 mV liefern.

Er ist 6 mm2 groß, 0,6 mm hoch und verbindet zwei andere Generatoren: HV56 und HV14.

„Der Einsatz verteilter Sensoren und Sensornetzwerke hat zu einem erhöhten Interesse an erneuerbaren und autonomen Energiequellen geführt“, sagte Dave Koester, Vizepräsident für Technik bei Nextreme. „Die Nutzung von Abwärme ist eine attraktive Energiequelle für viele Anwendungen, bei denen Leistungen in der Größenordnung von µW-mW benötigt werden.“

Die relativ hohe Ausgangsspannung entsteht durch die Reihenschaltung vieler Übergänge mittels eutektischem Gold-Zinn-Lot und einem patentierten thermischen Bump-Herstellungsprozess, der Tausende von Elementen pro Quadratzentimeter erreichen kann.

HV37 ersetzt den ursprünglichen thermoelektrischen Generator des Unternehmens – UPF40 – durch etwas Kleineres, das die gleiche Leistung bei höherer Spannung erzeugt.