Fraunhofer-Forscher in Dresden entwickeln innovativen Versuchsstand zum Testen thermoelektrischer Module
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für
Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden ist es
gelungen, einen neuartigen Versuchsstand zur dynamischen Charakterisierung
von thermoelektrischen Modulen zu entwickeln.
Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie steht schon seit
längerer Zeit im Fokus der Wissenschaft. Um zum Beispiel Abwärme in der
Industrie sinnvoll zu nutzen und die Energieeffizienz zu verbessern,
benötigt es spezifische thermoelektrische Module zur direkten Umwandlung
von Wärme in Strom. Bei der Entwicklung der Module ist die
Charakterisierung unter anwendungsnahen Bedingungen notwendig, so etwa
unter thermischer Wechselbeanspruchung. Dies stellte die Forschung bisher
vor besondere Herausforderungen.
Im Gegensatz zu bisherigen Modellen arbeitet der neu entwickelte
dynamische Versuchsstand unter anwendungsnahen Bedingungen bei
Temperaturen bis zu 600 °C. Er besitzt jeweils eine Heiß- und Kaltseite,
die hinsichtlich des Temperaturniveaus unabhängig voneinander regel- und
zyklierbar sind. Somit können zyklische Temperaturveränderungen simuliert
werden, wie sie auch in der Praxis auftreten. Der neue Versuchsstand ist
damit eine entscheidende Ergänzung zum bisher am Fraunhofer IFAM
vorhandenen Modell, mit dem die Forschenden bis dato lediglich
Untersuchungen unter stationären Bedingungen durchführen konnten.
Der innovative Versuchsstand ermöglicht es den Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern des Fraunhofer IFAM, die Effizienz und die erzeugte
elektrische Energie der Module bei vorgegebenen Randbedingungen zu
bestimmen. Zusätzlich kann die Temperaturwechselbeständigkeit des
Materials aus Werkstoffsicht geprüft werden. Auch unterschiedliche
Atmosphären, wie beispielsweise Schutzgas oder Vakuum, sind beim Test
anwendbar.
Zwischen der Heiß- und Kaltseite des neuen Versuchsstandes ist die
Anordnung eines Thermoelektrik-Moduls von einer Größe bis zu 50 x 50 mm²
möglich. Die Regelung der Heiß- und Kaltseite erfolgt mithilfe einer
elektrischen Beheizung in Kombination mit einer Luft- bzw. Gaskühlung.
Der neue thermoelektrische Versuchsstand ist nur ein Beispiel für die
fortlaufende Versuchsstandentwicklung im Geschäftsfeld Energie und
Thermisches Management am Fraunhofer IFAM Dresden. Sowohl die Entwicklung
des Konzeptes als auch die Auslegung, die Konstruktion, der Aufbau sowie
die Inbetriebnahme erfolgten in Eigenregie.
Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IFAM Dresden verfügen über
umfassende Kompetenzen in der Wärmeübertragung, Strömungsmechanik und
Konstruktion. Ihre Erfahrungen stammen aus einer Vielzahl von Projekten im
Bereich der Energietechnik. In der Vergangenheit konnten entsprechende
Versuchsstände für die Forschung verschiedenster Themenfelder in der Regel
selbst entwickelt werden. So entstanden z. B. ein Versuchsstand zur
Charakterisierung des Wärmeübergangs bei der Verdampfung sowie ein
Versuchsstand zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bei Raum- und
Hochtemperatur für Materialgemische. Druckverlustkanäle und ein
Zyklierversuchsstand für Werkstofftests in PCM (Phase Change Materials)
sind weitere prägnante Beispiele.
Bei der Entwicklung nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
die Möglichkeiten zur Auslegung und mathematischen Modellierung mithilfe
kommerzieller Software, wie z. B. COMSOL Multiphysics. Am Fraunhofer IFAM
Dresden ist zudem die entsprechende Infrastruktur zur Bestimmung
notwendiger thermischer Materialkennwerte, wie etwa Wärmeleitfähigkeit
oder -kapazität, vorhanden. Das neue, wärmetechnische Labor verfügt über
aktuelle Messtechniken für die Versuchsdurchführung, um z. B. Temperatur,
Druck oder Durchfluss verschiedenster Materialien zu ermitteln oder auch
Gas- und Flüssigkeitsströmungen zu konditionieren.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr.-Ing. André Schlott
Originalpublikation:
https://www.ifam.fraunhofer.de
