Thermoelektrische Energieversorgung

Der sogenannte Seebeck-Effekt wird bei der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen genutzt. Hierbei fließt ein elektrischer Strom zwischen zwei Kontaktstellen zweier elektrischer Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur haben. Da die Spannungen, die durch den Seebeck-Effekt erzeugt werden, extrem klein sind (wenige Mikrovolt pro Grad Temperaturunterschied), forscht das Fraunhofer IIS seit einigen Jahren daran, kleinste Spannungen und Energiemengen durch elektrische Schaltungstechnik nutzbar zu machen und den Energiebedarf von elektrischen Systemen zu verringern. Unsere aktuellen Entwicklungen können bereits mit 2 Grad Kelvin dauerhaft betrieben werden.

Die Realisierung eines effizienten thermischen Harvesting-Systems steht vor unterschiedlichen Herausforderungen. Zunächst muss eine gute Wärmeleitfähigkeit von der Wärmequelle zum thermoelektrischen Generator (TEG) und vom TEG zum Kühlkörper und zur Umgebung realisiert werden. Thermische Simulationen berücksichtigen die Eigenschaften und Abmessungen der beteiligten Materialien und Bauelemente und berechnen die optimale Konfiguration für den besten Wärmefluss. Darüber hinaus muss eine gute elektrische Anpassung zwischen dem TEG und dem elektronischen Power Management gewährleistet sein. Für diesen Zweck werden optimierte Spannungsregler verwendet, die wenn nötig auch Techniken zur Anpassung des Punkts maximaler Leistungsabgabe (MPPT) verwenden, wenn der Temperaturgradient eine gewisse Variabilität aufweist. Um auch kleinste Mengen von Energie aus der Umgebung zu nutzen, wie am menschlichen Körper oder an Gebäuden, können Spannungs-Aufwärtswandler mit extrem niedriger Startspannung verwendet werden, um mit den kleinsten Spannungspegeln von TEGs zu arbeiten. Schließlich muss ein hocheffizienter Laderegler zur Speicherung der Energie in einem anwendungsspezifischen Energiespeicher entwickelt werden.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Herausforderungen ist ein multidisziplinärer Ansatz, einschließlich Materialwissenschaften, Physik und Elektrotechnik, erforderlich, um zu einer energie- und kosteneffizienten Energieversorgung zu gelangen.

• Hochintegrierte Spannungswandler: Anlaufspannungen unter 20 mV und hoher Wirkungsgrad bis zu 90%
• Laderegler und Batteriemanagement-Schaltungen: Effizientes Laden von verschiedenen Arten von Energiespeichern mit optionaler Ladezustandsschätzung
• Maximum Power Point Tracker für Spannungswandler zur automatischen Impedanzanpassung
• Charakterisierung von thermoelektrischen Harvestern: Laborgeräte zur Erzeugung definierter thermischer Differenzen und zur Messung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern
• Thermische Modellierung und Simulation: Software-Tools zur Modellierung thermoelektrischer Generatoren, Kühlkörpern und Schnittstellenstrukturen zur Optimierung von Wärmefluss und Leistungsabgabe