Thermoelektrik

In der Thermoelektrik unterscheidet man drei verschiedene Effekte: Den Seebeck Effekt, Peltier - Effekt und den weitaus schwächeren Thomson Effekt.
Der nach dem Naturforscher Seebeck (1822) benannte Effekt beschreibt das Auftreten eines elektrischen Stromes innerhalb eines geschlossenen Leiterkreises zweier Materialien, deren Kontaktstellen auf unterschiedlicher Temperatur gehalten werden, oder einer elektrischen Thermospannung in einem geöffneten Leiterkreis. Näherungsweise gilt das ohmsche Gesetz für den erzeugten Strom. Das Verhältnis aus generierter Spannung und Temperaturdifferenz definiert den Seebeck - Koeffizienten S, der auch als Thermokraft bezeichnet wird. Der Seebeck - Effekt folgt als reversibler Effekt einer Umkehrung des Temperaturgradienten durch eine Vorzeichenänderung des generierten Stromes bzw. der generierten Spannung.

Der Peltier-Effekt beschreibt den Transport einer Wärmemenge an der Grenze zweier Leiter beim Durchgang eines elektrischen Stromes. Der Peltier-Koeffizient als maßgeblicher Materialparameter dieses Effekts wird definiert als Quotient aus Wärmemenge und Strom. Die Richtung des Stromflusses über einen Materialübergang hinweg und das Vorzeichen des Peltier-Koeffizienten bestimmen ob Wärme freigesetzt oder absorbiert wird.

Ein thermoelektrisches Modul könnte man als direkte reversible Wärmepumpe bezeichnen, da mit thermoelektrischen Materialien aus einem elektrischen Stromfluß direkt Wärme und Kälte erzeugt werden kann. Dies funktioniert genauso in der Umkehrung, das heißt aus einem Wärmefluß kann direkt, ohne weitere Energiewandlungsprozesse, elektrischer Strom erzeugt werden. Wenn ein solches Halbleitermaterial von einem elektrischen Strom durchflossen wird so findet ein Wärmetransport statt. Damit wird eine Seite des Peltierelementes abgekühlt und die andere Seite erwärmt (s. Abb.1).
Umgekehrt, durch einen Wärmefluß bei gleichzeitigem Heizen einer Seite und Kühlen der anderen Seite wird ein elektrischer Strom erzeugt (s. Abb.2). Dies eröffnet natürlich Möglichkeiten zur Nutzung von beispielsweise überall vorhandener Abwärme, die mit dieser Methode in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Die direkte Energiewandlung hat den großen Vorteil, daß keine mechanischen Verluste auftreten und die Wandler völlig verschleissfrei sind.

Abb.1: Aufbau eines Peltierelementes. Wird ein thermoelektrisches Halbleitermaterial von einem elektrischen Strom durchflossen, so erwärmt sich eine Seite, während die gegenüberliegende Seite abgekühlt wird.

Abb.2: Prinzip eines Thermo-Generators. Durch den Wärmefluß von der geheizten zur gekühlten Seite wird in dem Halbleitermaterial durch den Seebeck-Effekt ein elektrischer Strom erzeugt.

Aufbau Peltierelemente

Ein Peltierelement funktioniert grob erklärt folgendermaßen: Wenn ein Halbleitermaterial von einem elektrischen Strom durchflossen wird, so wird der Fluß von höherenergetischen, quasi „wärmeren“ Elektronen in diesem Material begünstigt, so daß ein Wärmetransport stattfindet. Damit wird eine Seite des Peltierelementes abgekühlt und die andere Seite erwärmt. Dieser Prozeß ist umkehrbar, so daß bei gleichzeitigem Heizen einer Seite und Kühlen der anderen Seite ein elektrischer Strom erzeugt wird.

Abb.3: Aufbau von Peltierelementen

Derzeit werden thermoelektrische Wandler als Peltierelemente zumeist in Nischenanwendungen zu Kühlungszwecken eingesetzt. Die Auto-Campingkühlboxen sind dafür wohl das populärste Beispiel. Die Möglichkeit zur einfachen und hochgenauen Regelung der Temperatur über den elektrischen Strom macht man sich auch zur Kühlung beispielsweise von empfindlichen Laserdioden zunutze. Die Möglichkeit zur direkten Abwärmenutzung durch Umwandlung in elektrische Energie birgt jedoch ein großes Potential.

Mehr Informationen:

Broschüre "NanoThermel"

www.zts.com

www.dlr.de

Deutsche Thermoelektrik Gesellschaft