Analyse thermoelektrischer Module und Gesamtsysteme

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Modellierung thermoelektrischer Module und Systeme, wie sie sowohl für Heiz- und Klimatisierungszwecke als auch für die Stromerzeugung zum Einsatz kommen. Unter der objektorientierten, gleichungsbasierten Modellierungssprache Modelica wird ein detailliertes Modell entwickelt, welches explizit zwischen den einzelnen Bauteilen thermoelektrischer Module unterscheidet. Hinsichtlich des Einsatzes als thermoelektrischer Generator wird das Modell mit der Möglichkeit zur Segmentierung der Halbleiterschenkel und der Anbindung an eine entsprechende Materialbibliothek versehen. Die Validierung des Modells erfolgt mittels experimenteller Daten, welche unter definierten Randbedingungen an verschiedenartigen, eigens dafür gebauten Prototypen aufgenommen werden. Unter Vorgabe der charakteristischen Parameter des eingesetzten Halbleiters und der in den übrigen Bauteilen verwendeten Materialien werden alle zwischen den Kontaktstellen der einzelnen Komponenten auftretenden Temperaturen und Wärmeströme berechnet. Das Simulationsmodell ist somit in der Lage, das Betriebsverhalten von thermoelektrischen Wärmepumpen und auch von thermoelektrischen Generatoren abzubilden, sowie das Potential thermoelektrischer Systeme zu identifizieren. Das Modell wird exemplarisch in zwei Applikationen angewendet, wobei der effiziente Einsatz eines thermoelektrischen Systems in einem Kondensations-Wäschetrockner und im Abgasstrang einer Biogasanlage erfolgreich dargestellt werden kann. Die Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis über das Zusammenspiel der in einem thermoelektrischen Modul verbauten Komponenten und die Eignung der darin eingesetzten Materialien bei. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um die Fertigung optimierter thermoelektrischer Module zu beschleunigen und den Einsatzbereich thermoelektrischer Systeme in der Zukunft signifikant zu vergrößern.