Thermoelektrik

Thermoelektrischer Effekt

Thermoelektrische Generatoren (TEG) und thermoelektrische Kühler (TEC) - Unterschied, Fortschritte und Anwendungen.

Der thermoelektrische Effekt beschreibt die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und umgekehrt. Die Thermoelektrik wurde im frühen 19. Jahrhundert entdeckt. Bereits 1794 beobachtete der italienische Physiker Allesandro Volta, dass ein Metallstab, dessen Enden unterschiedliche Temperaturen aufwiesen, bei Froschmuskeln einen Krampf auslöste. Aus heutiger Sicht verursachte der Temperaturunterschied im Metall einen elektrischen Strom, der den Muskel erregte. Zu dieser Zeit war das Verständnis der Elektrizität jedoch noch sehr begrenzt und die Ursache für diesen noch Effekt unklar.

Thomas Johann Seebeck

Erst 1822 entdeckte Thomas Johann Seebeck denselben Effekt wieder, als er die Auslenkung einer Kompassnadel in der Nähe von zwei Metallverbindungen beobachtete, die auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten wurden. Ihm zu Ehren wurde die direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität an der Verbindung von zwei Leitern später als Seebeck-Effekt bezeichnet. Zusammen mit dem 1834 entdeckten Peltier-Effekt und dem 1851 entdeckten Thomson-Effekt beschreibt der Seebeck-Effekt die Summe der physikalischen Prozesse, die wir heute als Thermoelektrik kennen.

Gütezahl

Seit der Entdeckung der Thermoelektrizität im Jahr 1822 durch Seebeck haben Forscher versucht, dieses Phänomen zu verstehen und zu kontrollieren. Peltier tat dies 1834, indem er den gegenteiligen Effekt entdeckte. Lord Calvin formulierte 1851 die Gesetze, die diese beiden Phänomene miteinander verbinden. Im folgenden Jahrhundert, im Jahr 1909, berechnete Edmund Altenkirch zum ersten Mal korrekt die Energieeffizienz eines thermoelektrischen Generators, die heute als Gütezahl bekannt ist.

Obwohl die Thermoelektrik schon seit vielen Jahren bekannt ist, dauerte es fast ein Jahrhundert von der Entdeckung des Effekts bis zur aktiven Forschung auf diesem Gebiet. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden thermoelektrische Materialien für zivile und militärische Anwendungen eingehend untersucht. In den 1950er Jahren waren viele Wissenschaftler davon überzeugt, dass die Thermoelektrik bald die herkömmlichen Kühlschränke und Wärmekraftmaschinen ersetzen würde.

Nutzung des themoelektrischen Effekts

physikalisches Phänomen.

Ein thermoelektrischer Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das in der direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie (Seebeck-Effekt) oder umgekehrt von elektrischem Strom in Wärme (Peltier-Effekt) ohne bewegliche mechanische Teile besteht.

Im Jahr 1948 wurde in der damaligen UdSSR der erste kommerzielle thermoelektrische Generator (TEG) entwickelt. Er wurde auf eine Öllampe montiert und konnte ein angeschlossenes Radio mit Strom versorgen. Fortschritte bei der Verarbeitung von Halbleitermaterialien führten bald zu TEGs und Kühlmodulen mit höherem Wirkungsgrad und damit zu einer stärkeren kommerziellen Erforschung. Der Erfolg der thermoelektrischen Geräte wurde jedoch bald von den massiven Fortschritten und Erfolgen im Bereich der Batterien überschattet. Trotz ihrer Vorteile wurde die Thermoelektrik auf Nischenmärkte wie die Stromerzeugung im Weltraum oder die Peltier-Kühlung in der Optoelektronik und in kleinen Kühlschränken verdrängt.

TEG's auf dem neuesten Stand der Technik

Geringe Größe mit hohem Wirkungsgrad.

Dies war jedoch nicht das Ende der Thermoelektrik. Seit ein paar Jahren ermöglicht die Mikrofabrikation kleinere, billigere und effizientere Module. Heute können TEGs nur noch wenige Millimeter klein und weniger als einen Millimeter dick sein und dennoch Hunderte von Thermoelementen enthalten. Dadurch können aus Temperaturunterschieden von nur wenigen Grad beträchtliche Mengen an Strom erzeugt werden. Die Kombination aus geringer Größe und hohem Wirkungsgrad ermöglicht Anwendungen, die vor 20 Jahren noch undenkbar waren.

Viele Wissenschaftler weltweit treiben die Grenzen der Thermoelektrik immer weiter voran. Die Nanotechnologie verspricht eine erhebliche Steigerung der thermoelektrischen Leistung durch Trennung der elektrischen und thermischen Eigenschaften eines Materials. Parallel dazu untersuchen die Forscher flexible Substrate, thermoelektrische Gewebe und kostengünstige Materialien. Bald könnten wir thermoelektrische Folien oder Fasern haben, die direkt in unsere Kleidung eingewebt sind. Die Generatoren könnten große Bereiche unseres Körpers oder andere beliebige Oberflächen bedecken, ohne aufzufallen. Die auf diese Weise erzeugte Energie könnte Sensoren und Aktoren, die direkt in das Kleidungsstück integriert sind, mit Strom versorgen, ohne dass sie aufgeladen werden müssen.

Thermoelektrische Kühler TEC und  thermoelektrische Generatoren TEG

Unterschied?

Was ist der Unterschied zwischen einem thermoelektrische Kühler TEC und einem thermoelektrischen Generator TEG?

Bei beiden Arten geht es um thermoelektrische Module, die den thermoelektrischen Effekt nutzen. Dieser Effekt ist umkehrbar, so dass beide Modultypen als Kühler oder Generator funktionieren können. Wird an ein Modul eine Spannung angelegt, so pumpt der thermoelektrisch Kühler TEC Wärme. Wird jedoch ein Temperaturunterschied über ein Modul angelegt, so wird mit einem thermoelektrischen Generator TEG eine Spannung erzeugt. Es wird jedoch empfohlen, Kühlermodule (TEC) zur Kühlung und Generatormodule (TEG) zur Stromerzeugung zu verwenden. Der Grund dafür ist, dass die Kühler- und Generatormodule speziell für unterschiedliche Temperaturbereiche optimiert wurden, wobei die Kühler-Module am effektivsten bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur sind, wie sie üblicherweise in kühleren Anwendungen vorkommen, während die Generator-Module für höhere Temperaturen optimiert sind. Darüber hinaus können die Generatormodule je nach Modul höheren Temperaturen standhalten, zum Beispiel durch die Verwendung unterschiedlicher Lote.

Funktion

Wie thermoelektrische Generatoren und thermoelektrische Kühler funktionieren.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) sind Festkörper-Halbleitergeräte, die einen Temperaturunterschied und einen Wärmefluss in eine nützliche Gleichstromquelle umwandeln. Thermoelektrische Generator-Halbleitergeräte nutzen den Seebeck-Effekt, um Spannung zu erzeugen. Die erzeugte Spannung treibt den elektrischen Strom an und erzeugt nützliche Leistung an einer Last.

Ein thermoelektrischer Generator ist nicht dasselbe wie ein thermoelektrischer Kühler, auch bekannt als TEC, Peltier-Modul, Kühlchips oder Festkörperkühlung. Ein thermoelektrischer Kühler funktioniert in umgekehrter Weise wie ein thermoelektrischer Generator. Wenn eine Spannung an die thermoelektrische Kühlung angelegt wird, wird ein elektrischer Strom erzeugt. Dieser Strom löst den Peltier-Effekt aus. Durch diesen Effekt wird Wärme von der kalten Seite zur heißen Seite transportiert. Ein thermoelektrischer Kühler ist ebenfalls ein Festkörper-Halbleiterbauelement. Die Bauteile sind die gleichen wie bei einem thermoelektrischen Generator, aber die Konstruktion der Bauteile unterscheidet sich in den meisten Fällen.

Während thermoelektrische Generatoren zur Stromerzeugung verwendet werden, dienen thermoelektrische Kühler (Peltier-Kühler) zur Wärmeabfuhr oder -zufuhr. Thermoelektrische Kühlung hat viele Anwendungen in den Bereichen Kühlung, Heizung, Kühlung, Temperaturkontrolle und Wärmemanagement.

Seebeck-Effekt

Thermoelemente.

Der Grundbaustein eines thermoelektrischen Generators ist ein Thermoelement. Ein Thermoelement besteht aus einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter. Die Halbleiter sind durch einen Metallstreifen verbunden, der sie elektrisch in Reihe schaltet. Die Halbleiter werden auch als Thermoelemente, Würfel oder Kügelchen bezeichnet.

Wenn eine geschlossene Schleife aus zwei verschiedenen Leitern gebildet wird, die an zwei Stellen miteinander verbunden sind, wird ein elektrischer Strom in der geschlossenen Schleife erzeugt, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungsstellen besteht. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Mobilität der Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) verschiedener TE-Materialien (in der Regel Metalle oder Halbleitermaterialien) bei verschiedenen Temperaturen. Wenn ein Temperaturunterschied an den beiden Übergängen angelegt wird, entsteht zwischen den Übergängen eine Potenzialdifferenz, die wiederum einen elektrischen Strom durch die Drähte erzeugt.

Thermoelektrische (TE) Systeme sind mit Phasenwechselmaterialien (PCM) gekoppelt und es gibt vielversprechende Integrationsmöglichkeiten in verschiedene PCM-Einsatzbereiche und Strukturdesigns. Diese innovativen TE-Systeme, die mit PCM (TE-PCM) gekoppelt sind, liefern Wärme-/Kälteenergie mit zusätzlicher elektrischer Leistung, was eine bessere Nutzung von vielseitiger Energie bedeutet. Thermoelektrische (TE) Geräte, die auf dem Seebeck-Effekt beruhen und aufgrund ihres Vorteils der direkten Umwandlung von Wärme in Elektrizität werden in den nächsten Jahren den Markt erobern.

Stand der Technik bei thermoelektrischen Generatoren, Anwendungen und jüngste Fortschritte.

Für künftige Generationen ist es von entscheidender Bedeutung, die Menge der weltweit verbrauchten Energie zu reduzieren, und dies kann nur durch die technologische Entwicklung und die Nutzung diversifizierter erneuerbarer Energiequellen erreicht werden, d. h. durch Sonnen-, Wind- und Wasserkraft, zusätzlich zu den derzeit genutzten Energiequellen. Unter diesen verschiedenen Energiequellen erweist sich die Thermoelektrik derzeit als eine gängige und vielversprechende alternative Energiequelle für die Zukunft. Ihre Nutzung wird immer interessanter, da sie die Vorteile der Wiederverwertung von Abwärme bietet. Dies bedeutet, dass die Wärme aus der Industrie oder dem Straßenverkehr in Elektrizität umgewandelt wird, wodurch die Systemeffizienz erhöht und die Betriebskosten sowie die Umweltbelastung gesenkt werden.

Peltier-Effekt.

TE-Materialien.

TE-Bauteile, die auf dem Peltier-Effekt basieren, können zum Heizen oder Kühlen verwendet werden, wenn sie über eine Gleichspannung betrieben werden. TE-Geräte können sowohl Strom erzeugen als auch die Temperatur regeln und sind daher mit anderen Energiesystemen kompatibel. TE-Geräte werden aus TE-Materialien hergestellt, sie arbeiten geräuschlos und haben keine mechanischen Übertragungsteile. TE-Geräte sind einfach zu warten und zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und zuverlässige Leistung aus.

Der Peltier-Effekt wurde 1834 von dem französischen Physiker Jean Charles Athanase Peltier entdeckt.

Quelle 10/2022

Der Peltier-Effekt kann als der umgekehrte Prozess zum Seebeck-Effekt betrachtet werden. Wenn ein elektrischer Strom durch den einfachen geschlossenen TE-Kreislauf (d. h. die geschlossene Schleife des Seebeck-Effekts) fließt, treibt der elektrische Strom die an einer Verbindungsstelle abgegebene Wärme und die an der anderen Verbindungsstelle absorbierte Wärme an. Der Grund für dieses Phänomen ist, dass die Fermi-Energien (ein Konzept der Quantenphysik, das sich auf den Energiezustand der besetzten Elektronen bei Temperaturen über Null bezieht) zwischen den verbundenen TE-Materialien unterschiedlich sind. Die Eigenschaften der TE-Materialien und die Temperaturen der Verbindungsstellen bestimmen die Kapazität der Wärmeaufnahme oder -abgabe. Offensichtlich sind die Eigenschaften der TE-Materialien und die Temperaturbedingungen Schlüsselfaktoren, welche die Leistung von TE-Geräten bestimmen.

Thermoelektrische Module

Thermoelemente.

Der Grundbaustein eines thermoelektrischen Generators ist ein Thermoelement.

Ein typisches TEG-Modul besteht aus zehn bis hundert thermoelektrischen Elementen, die elektrisch in Reihe, thermisch parallel geschaltet sind und sich zwischen zwei Keramikschichten befinden. Es gibt thermoelektrischen Elemente als Paare vom Typ n und vom Typ p. Die p-n-Paare sind durch leitende Zungen verbunden, die mit den Elementen über ein Lot mit niedrigem Schmelzpunkt verbunden sind. Wenn zwischen den beiden Verbindungsstellen ein Temperaturgefälle auftritt, wandelt der TEG nach dem Prinzip des Seebeck-Effekts thermische Energie in elektrische Energie um. Diese flache Bulk-Architektur ist am weitesten verbreitet und wird am häufigsten vermarktet.

Die entscheidende Herausforderung bei der Entwicklung von TEGs ist die Verschlechterung der ursprünglichen Eigenschaften durch thermische Ermüdung, die wiederum durch thermische Ausdehnung und Temperaturschocks verursacht wird. Diese Verschlechterung kann brutal oder progressiv sein und zu einer Verringerung der Lebensdauer und Effizienz führen. Während des normalen Betriebs von TE-Geräten werden die leitenden Zungen periodisch erwärmt und abgekühlt und unterliegen einer thermischen Ausdehnung. Die TE-Materialien, die mit diesen Shunts verbunden sind, können durch Temperaturquellen unterschiedliche Ausdehnungseffekte erfahren, die zu erhöhten Spannungen an der Schnittstelle zwischen ihnen führen. Diese Spannungen sind im Allgemeinen die Hauptursache für das Versagen von Mechanismen und somit der Hauptgrund, warum TE-Materialien nicht gesintert und in Shunts integriert werden.

Anwendungen

Einen TE-Modul Strom erzeugen.

Um mit einem TE-Modul Strom zu erzeugen, muss ein Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Oberflächen bestehen. Mit anderen Worten, die von der heißen Quelle zurückgewonnene Wärme muss in die Halbleiterelemente p und n des Moduls und dann in die kalte Quelle, in der Regel die Umgebung, gestreut werden. TEG-Anwendungen lassen sich je nach Art der Wärmequelle in drei Kategorien einteilen:
- Radioisotopen-Wärmequelle
- natürliche Wärmequelle
- Abwärmequelle.

Radioisotop-Wärmequelle

Nuklearer Stromgenerator.

Ein radioisotopischer thermoelektrischer Generator (RTG) ist ein einfach aufgebauter nuklearer Stromgenerator. Es handelt sich weder um einen Fusions- noch um einen Kernspaltungsprozess, was erhebliche Einschränkungen für das System erfordern würde, sondern um den natürlichen Zerfall eines radioaktiven Atoms, in der Regel Plutonium 238 in Form von Plutoniumdioxid 238PuO2. Bei ihrem Zerfall setzen die radioaktiven Atome Wärme frei, von der ein Teil direkt in Strom umgewandelt wird.

Der erste RTG wurde 1954 von den Mound Laboratories entwickelt. Die Wärmequelle bestand aus einer Kugel mit einem Durchmesser von 1 cm, die 57 Ci (1,8 Gew.) 210Po in einer nickelbeschichteten Stahlkapsel enthielt, die sich in einem Lucite-Behälter befand. Mit silbergelöteten Chromel-Konstantan-Thermoelementen erzeugte die "Wärmebatterie" 1,8 mWe. Drei Bereiche, nämlich die Raumfahrt, die Stromversorgung in abgelegenen Gebieten und die Medizin, haben von den RTGs profitiert, obwohl die beiden letztgenannten Bereiche wegen der mit der Verwendung von Radioisotopen verbundenen Risiken nicht florierten.

Raumfahrt

US-Raumfahrtprogramm.

Der erste von den Vereinigten Staaten von Amerika in den Weltraum geschossene RTG war der SNAP 3B im Jahr 1961, der mit 96 Gramm Plutonium-Metall 238 an Bord des Raumschiffs Navy Transit 4A betrieben wurde. Im Jahr 2010 starteten die USA 41 RTGs auf 26 Raumfahrtsystemen. Darunter waren Galileo (1989 zum Jupiter gestartet), Ulysses (1990 als Sonnenumlaufbahn gestartet), Cassini (1997 zum Saturn gestartet), New Horizons (2006 gestartet, um Pluto 2015 zu überfliegen) und der Roboter Curiosity des Mars Science Laboratory (2012 auf dem Mars installiert). Systeme für nukleare Hilfsaggregate (SNAPs) wurden für Sonden verwendet, die weit von der Sonne entfernt waren, so dass Solarpaneele nicht eingesetzt werden konnten.

Zu den im US-Raumfahrtprogramm verwendeten RTGs gehörten anfangs SiGe-TE-Materialien, die im GPHS-RTG eingesetzt wurden, später folgten Bleitellurid-Legierungen oder TAGS, die im MMRTG (Multi-Mission RTG) verwendet wurden. Dieses MMRTG wurde im Rahmen des Programms Enhanced MMRTG oder eMMRTG unter Verwendung neuer thermoelektrischer Skutterudit-Materialien entwickelt, um einen höheren Wirkungsgrad und niedrige Degradationsraten zu erreichen, die für Langzeitmissionen zu den äußeren Planeten wichtig sind.

Abgelegene Gebiete

Stromversorgungsgeräte in abgelegenen Gebieten.

Eine der ersten terrestrischen Verwendungen von RTGs erfolgte 1966 durch die U.S. Navy zur Stromversorgung von Umweltinstrumenten auf Fairway Rock, einer kleinen unbewohnten Insel in Alaska. RTGs wurden an diesem Standort bis 1995 eingesetzt. Diese Systeme wurden für die Stromversorgung von Geräten entwickelt, die über mehrere Jahre hinweg und ohne Wartung eine stabile und zuverlässige Stromquelle benötigen. Beispiele hierfür wären die Stromversorgung von Systemen in isolierten oder unzugänglichen Umgebungen wie Leuchttürmen und Navigationsbaken sowie Wetterstationen. In ähnlicher Weise baute die Sowjetunion zwischen 1960 und 1980 viele unbemannte Leuchttürme und Navigationsbaken, die mit etwa 1.000 RTGs ausgestattet waren. Alle russischen RTGs haben ihre 10-jährige Lebensdauer längst überschritten und müssen aufgrund der potenziell gefährlichen Radioaktivität und des Risikos, dass sie für terroristische Anschläge verwendet werden könnten, extrem abgebaut werden. Offensichtlich wurden alle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich wegen der bereits erwähnten Risiken eingestellt.

Medizinischer Bereich

Herzschrittmacher.

1966 wurden kleine Plutoniumzellen (sehr kleine RTGs, die mit Pu238 gespeist werden) in implantierten Herzschrittmachern verwendet, um eine sehr lange Batterielebensdauer zu gewährleisten. Im Jahr 2004 waren noch etwa 90 dieser Zellen in Gebrauch. Viele Unternehmen haben nuklear betriebene Herzschrittmacher hergestellt: ARCO (Perma-grain), Medtronic (Laurens-Alcatel), Gulf General Atomic, Cordis (Telektronic, Accuffix), American Optical, Technologie Biocontrol (Coratomic) und Medical Devices, Inc (MDI). Nach der Entwicklung von Lithiumbatterien trocknete der Markt für Nuklearbatterien aus.

Erdgas und Biomasse

Natürliche Wärmequellen.

Pouillet nutzte 1840 den Seebeck-Effekt zur Herstellung einer thermoelektrischen Zelle mit einem geschweißten Paar aus Wismut und Kupfer. Die beiden Lötstellen wurden in zwei Gefäße getaucht, von denen eines schmelzendes Eis und das andere heißes Wasser enthielt. Dieser Apparat, der eine konstante Quelle dynamischer Elektrizität liefert, wurde vom Autor zur Untersuchung der allgemeinen Stromgesetze verwendet.

Zur gleichen Zeit wurden mehrere Prototypen thermoelektrischer Batterien gebaut und sogar kommerzialisiert, mit unterschiedlichen Größen und Materialien für verschiedene Zwecke. So zum Beispiel die Batterie von Oersted und Fourier, die für ihre Untersuchungen entwickelt wurde, die Ruhmkorff-Thermosäule (1860), die mit Gas betrieben und mit Wasser gekühlt wurde, und die gigantische Clamond-Batterie (1879), die erste mit Kohle oder Holz betriebene thermoelektrische Batterie, die in der Industrie eingesetzt werden konnte, mit einer Höhe von 2,50 m und einem Durchmesser von 1 m. Ihre maximale Leistung betrug 192 Watt bei 54 Volt und 3,5 Ampere. Die bemerkenswerteste Errungenschaft war Mellonis Thermo-Multiplier aus dem Jahr 1830, ein Instrument zur Erzeugung sehr kleiner Mengen empfindlicher Wärme. Die Batterie bestand aus etwa zehn Bismut-Antimon-Paaren, die mit einem Nobili-Galvanometer verbunden waren. Dieses Instrument war so empfindlich, dass die Galvanometernadel durch die Wirkung der natürlichen Wärme einer Person, die sich 10 m von der Batterie entfernt befand, abgelenkt wurde.

TEG-Generatoren heute

Heutiger Einsatz von TEG-Generatoren.

Heutzutage dienen Thermosäulen oder thermoelektrische TEG-Generatoren der Energieversorgung autonomer Sensoren, die an abgelegenen Orten mit schwierigen Umweltbedingungen, d. h. sehr niedrigen Temperaturen und schwierigem Zugang, installiert sind, wo herkömmliche erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie nicht regelmäßig zur Verfügung stehen. Die Wärmeversorgung erfolgt in der Regel durch einen flammenlosen katalytischen Brenner. Einige wenige Hersteller von mit Erdgas betriebenen thermoelektrischen Generatoren sind in mehr als 55 Ländern installiert. Gentherm beispielsweise stellt TEGs mit einer Leistung von 15 bis 550 W her. Diese Generatoren werden hauptsächlich auf Offshore-Plattformen, entlang von Pipelines, in Höhenlagen oder in der Nähe von Gasbohrungen eingesetzt. Ein weiteres Beispiel ist Farwest Corrosion Control, ein Unternehmen, das TEGs für den kathodischen Schutz gegen Rohrkorrosion herstellt und installiert und bereits mehr als 15.000 Generatoren in 51 Ländern installiert hat.

Es wurden mehrere für den öffentlichen Gebrauch bestimmte Produkte auf den Markt gebracht. Eines davon war das thermoelektrische Kerzenradio (1990), das die Wärme der Kerzen nutzt, um das Radio über ein FeSi2 TE-Modul zu betreiben. Diese Anwendungen sind mit dem Aufkommen anderer, praktischerer Technologien überholt, aber trotzdem gibt es noch einige spezifische Anwendungen, wie den CampStove. Dieses Gerät, das für Camping im Allgemeinen entwickelt wurde, verbrennt Holz, um mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators eine Leistung von 2 W bei 0,4 A und 5 V zu erzeugen, wobei der Anschluss der elektrischen Geräte über einen USB-Port erfolgt.

Der menschliche Körper

Tragbare thermoelektrische Generatoren.

Da die Wärme des menschlichen Körpers natürlich und stabil ist, könnte sie in sehr spezifischen Anwendungen, wie z. B. in der Medizin, zur Stromversorgung genutzt werden. Der menschliche Körper gibt im Ruhezustand etwa 100 W und bei körperlicher Anstrengung 525 W an Wärme ab.

Seit 2001 wurden mehrere Untersuchungen zu tragbaren thermoelektrischen Generatoren (WTEGs) durchgeführt, um Lithium-Ionen-Batterien als Energiequelle für tragbare Geräte zu ersetzen, da der weltweite Markt für tragbare Technologien schnell wächst und bis 2020 voraussichtlich 34 Milliarden Dollar und bis 2021 78 Milliarden Dollar übersteigen wird. WTEGs werden nach ihren starren oder flexiblen (dehnbaren oder nicht dehnbaren) Architekturen in 2D- oder 3D-Konfigurationen oder nach ihren TE-Komponentenmaterialien klassifiziert, die anorganisch, organisch oder hybrid sind.

Leonov und Vullers veröffentlichten einen interessanten Überblick über WTEGs, wobei sie sich auf starre und flexible thermoelektrische Generatoren konzentrierten. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Art der tragbaren thermoelektrischen Generatoren ausgereift ist und dass das Hauptaugenmerk darauf liegt, die Effizienz des Generators zu verbessern sowie ihn dünner und flexibler zu machen. Die Autoren führten umfangreiche Forschungen zu TEGs mit starrem Substrat durch. Sie entwickelten verschiedene WTEG-Produkte, die Körperwärme nutzen, wie z. B. das in ein Bürohemd integrierte drahtlose Elektrokardiographiesystem. Dieses Produkt wurde von 17 kleinen TE-Modulen angetrieben, die in die Vorderseite eines Hemdes integriert waren. Sie wandelten den natürlichen Wärmestrom des Körpers in elektrische Energie von 0,8 bis 3 mW um, abhängig von der körperlichen Aktivität der Person.

Kleider und TEGs

Elektronische Gesundheitssysteme und Konsumgüter.

Eines der führenden Unternehmen auf diesem Gebiet ist IMEC (Belgien), das seit den 2000er Jahren an der thermoelektrischen Stromerzeugung durch den Menschen arbeitet, um elektronische Gesundheitssysteme zu betreiben. IMEC und das Holst Centre haben mehrere kabellose Sensoren entwickelt, wie z. B. das Body-powered EEG Acquisition System, das 2-2,5 W Leistung erzeugt und als Stirnband getragen wird, und ein kabelloses Pulsoximeter (2006), das vollständig von einer TEG-ähnlichen Uhr mit handelsüblichen Bi2Te3-Thermosäulen gespeist wird, wobei der Generator eine Leistung von etwa 89 µW entwickelt.

Die erste thermoelektrische Armbanduhr, die durch Umwandlung von Körperwärme in elektrische Energie betrieben wurde, wurde von Seiko und Citizen vermarktet und stammt aus dem Jahr 1999. Die Seiko-Uhr erzeugte eine elektrische Leistung von 22 µW und eine Leerlaufspannung von 300 mV bei einem Wirkungsgrad von etwa 0,1 %. Ein weiteres Beispiel ist das Dyson TE-Armband (2012), das mit Hilfe von Körperwärme eine in das Armband integrierte Batterie auflädt, um ein Mobiltelefon oder ein anderes mobiles Gerät zu laden.

Aufgrund der Nachteile starrer Module, d. h. des hohen Wärmewiderstands zwischen Haut und TEG, eignen sich flexible Module besser für die Stromerzeugung aus Körperwärme, da sie an die Körperform angepasst werden können, wodurch die nutzbare Oberfläche für die Wärmeaufnahme vergrößert und der thermische Kontaktwiderstand verringert wird. Francioso et al. haben einen flexiblen und tragbaren mikrothermoelektrischen Generator entwickelt, der aus 100 Dünnschicht-Thermoelementen aus Sb2Te3 und Bi2Te3 besteht und für die Stromversorgung von elektronischen Anwendungen für das umgebungsunterstützte Leben (AAL) mit sehr geringem Verbrauch konzipiert ist. Das beste Ergebnis wurde mit 430 mV im offenen Stromkreis und einer elektrischen Ausgangsleistung von bis zu 32 nW bei 40 °C erzielt. KIM et al. stellten einen flexiblen, gewebeförmigen TEG mit 3D-Drucktechnologie her, der aus 20 Thermoelementen und einer Dicke von 0,5 mm besteht. Der TEG erzeugte bei der Anwendung auf einem menschlichen Körper eine elektrische Leistung von 25 mV bei einer Umgebungstemperatur von 5 °C. Ein neuer Ansatz wurde von Suarez et al. vorgestellt, bei dem standardmäßige Bulk-Beine verwendet werden, die mit einer dehnbaren eutektischen Legierung aus Gallium und Indium (EGaIn) mit geringem Widerstand verbunden sind, und zwar in einem flexiblen Elastomerpaket. Die Autoren meldeten eine Leistungszahl (ZT) von 0,35, die ihrer Meinung nach besser ist als die jedes anderen ähnlichen Geräts, über das in der offenen Literatur berichtet wird. Zadan et al. stellten einen weichen und dehnbaren thermoelektrischen Generator (TEG) mit der Fähigkeit zur Ausdehnung vor, um die Integration dieses TEGs in tragbare Technologien zu erforschen. Alle bisher durchgeführten Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Option nur bei moderaten Temperaturen, d. h. insbesondere in Innenräumen, realisierbar ist, was ihre Anwendung zusammen mit den hohen Kosten der TE-Module begrenzt.

Soleimani et al. haben eine Übersicht über die jüngsten Entwicklungen bei anorganischen, organischen und hybriden tragbaren TEGs veröffentlicht. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass anorganische TE-Materialien aufgrund ihres hohen ZT-Wertes (~1) nach wie vor vorteilhaft sind, aber aufgrund ihrer Seltenheit, Toxizität und unpraktischen Steifigkeit ungünstig sind. Organische TE-Materialien haben eine hohe Flexibilität und ungiftige Elemente, aber ihre Schwächen sind die geringe Stabilität an der Luft und die Komplexität des Syntheseprozesses. Sie berichten, dass hybride TE-Materialien die Lösung für die Starrheit anorganischer TE-Materialien und die geringe Effizienz organischer TE-Materialien sind. Diese hybriden TE-Materialien sind für tragbare TEGs geeignet. Jiang et al. präsentierten einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen von TE-Materialien in Bezug auf film- und faserbasierte Materialien für flexible, tragbare Anwendungen. Sie kamen zu dem Schluss, dass diese Anwendungen mit der Entwicklung von Vorbereitungstechnologien für Film- oder Faserbeine, menschlichen Thermoregulationsmodellen für den Entwurf von tragbaren Geräten und der Integration mit anderen tragbaren Geräten zur Umwandlung erneuerbarer Energien schließlich Realität werden.