Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
In diesem Projekt sollen thermoelektrische Generatoren für die Stromproduktion entwickelt werden, die einen Teil der Abwärme von Motoren, Industrieanlagen, Gasleitungen etc. in elektrische Energie umwandeln. Die erzeugte Elektrizität wird in das öffentliche Netz eingespeist. Mit der Weiterentwicklung von thermoelektrischen Materialien sollen eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von Abwärme in Elektrizität und eine höhere Energiedichte erreicht werden.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Ce projet vise à démontrer la faisabilité d'une récupération efficace de la chaleur rejetée par les processus de production industrielle. Des convertisseurs thermoélectriques (CTE) destinés à la production d'électricité à partir de chaleur résiduelle à basse température sont développés. L'électricité produite est injectée dans le réseau public. La condition préalable est l'amélioration des matériaux thermoélectriques afin d'obtenir une efficacité de conversion supérieure ainsi qu'une plus haute densité de puissance.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
|
In diesem Projekt soll die Abwärme in der Giesserei vonRoll casting mittels thermoelektrischer Konverter genutzt werden. In dieser Periode wurden die keramischen thermoelektrischen Module (TOM) weiterentwickelt. Insbesondere konnte neben der Verbesserung des Materials eine deutliche Erhöhung der Effizienz durch eine verbesserte Fabrikationstechnik und eine Anpassung des Kontaktmaterials erreicht werden.
Das p-leitende Material Ca3Co4O9 wurde in der letzten Förderperiode mittels Kaltpressen und anschliessendem Sintern hergestellt. Durch die Anschaffung einer Spark Plasma Sintering (SPS) Anlage konnte die Dichte der gepressten Pellets deutlich erhöht werden, was zu einer Erhöhung der Figure of Merit (ZT) führte. Zusätzlich wurde auch das n-leitende Material CaMnO3 weiterentwickelt. Durch eine Dotierung mit Wolfram konnte hier eine deutliche Erhöhung des ZT-Wertes über einen weiten Temperaturbereich erreicht werden.
Die elektrischen Kontakte der Vier-Schenkel-Module wurden bisher mit Leitsilber realisiert, eine deutliche Verbesserung ergab sich durch die Verwendung von Leitsilber, das mit 6 Gew.-% Ca3Co4O9 vermengten wurde. Der Kontaktwiderstand wurde bestimmt, um ihn später bei der Berechnung der theoretischen Effizienz zu berücksichtigen.
Eine zusätzliche Verbesserung des Modules konnte ausserdem durch ein neues Moduldesign und eine verbesserte Fabrikation mittels Hotpressing erreicht werden. Zur Verringerung des thermischen Widerstandes wurde ein Half-Skeleton-Modul gebaut, welches mit nur einer Al2O3-Platte auskommt. Die Vermessung der Module zeigt, dass durch die verbesserten Kontakte, das neue Design und die Fabrikation die Ausgangsleistung pro Fläche im Vergleich zum herkömmlichen Modul von etwa 280mW/cm3 auf 640mW/cm3 mehr als verdoppelt werden konnte.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Saucke,Gesine
Weidenkaff,Anke
Zugehörige Dokumente
|
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
|
One approach to a resource-conserving use of energy is the recovery of waste heat with thermoelectric devices, which directly convert heat into high-quality electrical energy. In contrast to other heat conversion techniques, thermoelectric modules are characterized by high reliability and low maintenance as no moving parts are involved. The aim of this project is to develop and manufacture optimized thermoelectric modules for waste heat recovery from industrial production processes in order to make a contribution to a sustainable usage of energy.
A profitable operation of thermoelectric converters requires the knowledge of the temperature boundary conditions. First results concerning the lateral temperature distribution on the top cover of a melting furnace are presented. Since the boundary conditions are varying with time, temperatures were measured over a whole production cycle. In addition, heat flow measurements are planned in order to be able to optimize the modules and to estimate the electrical generator power.
To maximize the converter efficiency, the thermoelectric materials have to be chosen according to the boundary conditions. Oxides are particularly promising thermoelectric materials because they are chemically stable at elevated temperatures, non-toxic and produced at low cost. First, misfit-layered cobalt oxides, which provide an exceptionally high power factor and a high ZT compared to other oxides, were synthesized. Using Bi-substituted Ca3-xBixCo4O9+ the influence of the oxygen content on the thermoelectric properties was studied in particular. The measurements reveal that the ZT can be increased from 0.12 to 0.19 by controlling the Bi and the oxygen content. Furthermore, our results demonstrate the strong influence of the oxygen content, which cannot be neglected in oxide systems.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Saucke,Gesine
Moser,David
Weidenkaff,Anke
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Im Rahmen dieses Projekts wurden thermoelektrische Module basierend auf keramischen Materialien (TOM) für die Nutzung von Abwärme in der Giesserei vonRoll casting entwickelt. Die Temperaturen und Wärmeflüsse auf den Schmelzöfen der Giesserei zeigen starke zeitabhängige Schwankungen, sowie eine starke Abhängigkeit vom Ort der Messung. Aufgrund der gemessenen maximalen Temperatur von 360°C ist der Einsatz kommerzieller Bi2Te3 Module nicht möglich.
Zur Herstellung hochtemperaturstabiler Konverter wurden das vielversprechende p-leitende Oxid Ca3Co4O9 und das n-leitende CaMn1-xWxO3 (x=0.02-0.03) verwendet. Die auf die Fläche normierte Ausgangsleistung der hergestellten vierschenkligen Module konnte mittels Verbesserungen der Kontaktierung und der Fabrikation von 280mW/cm2 auf 640mW/cm2 vergrössert werden.
Ausserdem wurden 36-40 schenklige Module mit hoher Packungsdichte hergestellt, deren Ausgangsleistung zum Laden eines iPhones und zur Erzeugung von Licht, bzw. mechanischer Energie benutzt wurde. Die Abwärmenutzung in der Giesserei wurde ausserdem mit einem luftgekühlten thermoelektrischen Generator demonstriert und die produzierbare Leistung sowie der Anschluss ans Stromnetz diskutiert. Ausserdem wird die zu erwartende Kostenreduktion für steigende Stückzahlen erörtert.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Saucke,Gesine
Populoh,Sascha
Weidenkaff,Anke
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
In this project thermoelectric converters based on ceramic materials have been developed for the recovery of waste heat in the foundry vonRoll casting. The temperatures and heat fluxes on the top cover of the melting furnace were found to strongly fluctuate with time and their value strongly depended on the location of the measurement. Due to the maximal measured temperature of 360°C the application of commercial modules based on Bi2Te3 is not possible.
For the fabrication of high temperature stable generators the promising p-type material Ca3Co4O9 and the n-type material CaMn1-xWxO3 (x=0.02-0.03) were used. As a result of the improvement of the contacts and the fabrication method, the power output normalized to the leg area of the fabricated four leg modules was improved from 280mW/cm2 to 640mW/cm2.
Furthermore, 36-40 leg generators with high packing density were fabricated, whose power output was used to charge an iPhone and for the generation of light or mechanical energy. The waste heat recovery in the foundry was then demonstrated using an air-cooled generator and the producible power output and the connection to the electricity network was discussed. Besides, the expected cost reduction for an increasing number of units is discussed.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Saucke,Gesine
Populoh,Sascha
Weidenkaff,Anke
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
Dans ce projet réalisé en collaboration avec le groupe de fonderie vonRoll casting, des convertisseurs thermoélectriques à base de matériaux céramiques ont été développés afin de recycler en énergie électrique la chaleur perdue lors du procédé. Il a été mis en évidence que les températures et flux de chaleur au niveau de la partie supérieure du four de fusion fluctuent fortement au cours du temps et dépendent grandement de l’emplacement de la mesure. En raison de la température maximale mesurée de 360°C, l’utilisation de modules commerciaux à base de Bi2Te3 se révèle impossible.
Des générateurs stables à haute température ont été mis au point à partir du matériau de type p Ca3Co4O9 et du matériau de type n CaMn1-xWxO3 (x=0.02-0.03). L’amélioration des contacts et de la méthode de fabrication a permis d’augmenter de 280mW/cm2 à 640mW/cm2 la puissance électrique (normalisée à la surface des jambes) fournie par un module composé de quatre jambes.
De plus, des générateurs hautement compacts comportant 36-40 jambes ont été fabriqués. La puissance fournie par ces derniers a été utilisée pour recharger un iPhone, produire de la lumière ainsi que de l’énergie mécanique. La possibilité de récupérer la chaleur perdue au niveau du four de la fonderie a été démontrée au moyen d’un générateur refroidi à l’air. La puissance maximale pouvant être produite et les moyens de connexion au réseau électrique sont discutés. La réduction des coûts associée à une production à plus large échelle est également discutée.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Saucke,Gesine
Populoh,Sascha
Weidenkaff,Anke
|
