Berechnung der Leistungsparameter eines thermoelektrischen Generators

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, innerhalb eines mathematischen Modells die Effizienz, die Leistungsabgabe und die dafür optimalen physikalischen Parameter eines thermoelektrischen Generators (später kurz als TEG bezeichnet) unter gegebenen physikalischen Rahmenbedingungen zu berechnen. Die primär zu optimierenden Parameter sind die Strom-Dichte in den Elementen, die Querschnittsfläche, die Länge der Elemente, die Dicke der Elektroden und die Materialarten. Um die verschiedenenWerte in Abhängigkeit der Material-Parameter und TEG-Dimensionen zu ermitteln, werden drei Modelle aus der Literatur benutzt und erweitert: ein analytisches Modell, ein eindimensionales numerisches Modell und ein dreidimensionales Finite-Volumina Modell.<br />Diese erwähnten Modelle werden in dieser Diplomarbeit diskutiert. Es stellt sich im Zuge der Arbeit heraus, dass das eindimensionale numerische Modell (Schichten Modell) für die hier beschriebenen Aufgaben am besten geeignet ist, da es nicht zu viel Rechenaufwand benötigt und die Rahmenbedingungen sich leicht einbauen lassen. Das analytische Modell ist zu unflexibel und das 3D-Modell zu rechenintensiv.<br />Anschließend wird ein Überblick über den Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Effizienz und die erzeugte Leistung gegeben. Dort ist zu sehen, dass die Effizienz und die erzeugte elektrische Leistung der Generatoren drastisch abfällt, wenn die Rahmenbedingungen falsch gesetzt werden.

The goal of this diploma thesis is to use a mathematical model to calculate the optimal efficiency, the optimal power output and the parameters for best performance of a thermoelectric generator. The important optimizable parameters are the current density in the legs, the cross section of the legs, the length of the legs, the thickness of the electrodes and the materials themself. For this purpose, three models from literature are considered. An analytical method, a one dimensial numerical modell and a three dimensional finite-volumina modell. The three models are discussed. The most feasable model is the one dimensional numerical modell (slice-method). The analytic method turns out to be to unflexible and the three dimensional modell needs too much calculation time. Subsequently the thesis gives a good overview about the influence of the parameters. It is shown that efficiency and power output decrease drastically if the parameters are not chosen appropriately.