Schlüsselwörter
(Englisch)
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thermoelectric generator (TEG), integration, heat exchanger, power generation, low temperature application
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Ziel ist es, durch Design- und Materialoptimierung des zuvor entwickelten Systems die generierte Leistung von 1 Watt auf 4.5 Watt pro Lage/integriertem TEG zu steigern, um das Ziel von generierten 200 Watt bei kompakter Bauweise und einem Temperaturbereich von 5°C bis 80°C zu erreichen. Nach Abschluss des Projektes wird der Grundstein zur kommerziellen Umsetzung des PowerHEX gelegt sein.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The objective is to increase the previously accomplished 1 Watt per layer/TEG to 4.5 Watts per layer/TEG by optimizing the design and material properties. Thus, the objective of generating 200 Watts with the compact PowerHEX design at a temperature range of 5°C and 80°C is achievable. Therefore, the basis of the commercial transfer will be ac-complished with the completion of this project.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Das Projekt stellt die Fortsetzung des PowerHEX-Projektes dar (Prototyping of a thermoelectric power generator, BFE SI/500639). Im Vorgängerprojekt wurde die Skalierbarkeit des Wärmetauscherkonzepts anhand eines 10 Lagen Prototypen demonstriert.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Thermoelectric generators (TEGs) enable the direct conversion of heat to electricity. In order to show the potential of this technology in the low temperature regime (≤ 150°C), the objec-tive of this project is the fabrication of a power generating heat exchanger prototype. This includes the fabrication of TEGs, the adequate packaging and the integration of the TEGs into a heat exchanger. For the fabrication of the TEGs the required production line has been successfully planned and set-up. Potential materials for the packaging of the TEGs and the suited tests for the characterization of the packaging have been evaluated and first packag-ing experiments were started. The concept for the integration of the TEGs into a power gen-erating heat exchanger prototype has been worked out. The focus was set on a modular sys-tem which allows holding a variable number of TEGs and which is easy to fabricate. Based on this the strategy for the further proceeding was defined.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La conversion directe de chaleur en électricité est rendue possible grâce à l’utilisation de générateurs thermoélectriques (GTEs). Ce projet a pour but de démontrer l’efficacité de cette technologie à faible température (≤150°C) grâce à la fabrication d’un prototype échangeur de chaleur permettant de générer de l’électricité. Cette étude comprend plusieurs étapes, la fabrication des GTEs, le développement d’un conditionnement adéquat ainsi que le couplage de GTEs à un échangeur de chaleur. Dans le cadre de la fabrication des GTEs, une ligne de production a été mise en place avec succès. Par ailleurs, plusieurs matériaux utilisables pour le conditionnement des GTEs ainsi que des techniques de caractérisation adéquates pour leur évaluation ont été sélectionnés. Des tests ont déjà été réalisés sur une première série de conditionnements et le concept de l’intégration d’un GTE à un échangeur de chaleur a été confirmé. Pour finir l’objectif ultérieur de cette étude est la préparation d’un module permet-tant l’intégration simple d’un nombre variable de GTEs à un échangeur de chaleur. Suivant cette idée, de nouvelles étapes d’optimisation ont été définies.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das vorliegende Projekt stellt die Fortsetzung des PowerHEX Projektes dar (Prototyping of a thermo-electric power generator, BFE SI/500639). Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Leistungssteigerung von 1 Watt auf 3.5 Watt pro Lage und integriertem TEG erzielt, und damit die gesteckten Ziele grösstenteils erreicht. Diese Verbesserung um einen Faktor 3.5 wurde durch die folgenden durchgeführten Massnahmen ermöglicht.
Das TEG Design wurde auf die Anwendung im PowerHEX angepasst, das heisst die gesamte für den Herstellungsprozess zur Verfügung stehende Fläche (8 cm x 8 cm) wurde mit Thermopaaren gefüllt. Dadurch wurde die Anzahl der Thermopaare von 2280 auf 3630 Thermopaare (Faktor 1.6) gesteigert. Um den Innenwiderstand des TEGs zu reduzieren wurde der Durchmesser der Thermoschenkel von 0.6 mm auf 0.8 mm erhöht, wodurch das Av Ratio (Verhältnis von inaktiver zu aktiver Fläche) von 2.5 auf 0.7 gesenkt werden konnte. Zusätzlich wurde die thermische Integration der thermoelektrischen Generatoren optimiert. Die Eliminierung des 0-level Packagings und der thermischen Kurzschlüsse, sowie die Reduktion des thermischen Ankopplungswiderstandes resultieren in einer Erhöhung der über den TEG abfallenden Temperaturdifferenz von ca. 40% (von 38°C auf 53°C). Ein unter worst case und best case Bedingungen verbauter TEG zeigte eine Leistungssteigerung um 1.1 Watt, die ausschliesslich der Verbesserung der thermischen Integration zugeschrieben werden konnte. Damit wurde der Meilenstein bezüglicher der Optimierung der thermischen Integration erreicht.
Das mittels Galvanik abgeschiedene thermoelektrische Material konnte soweit verbessert werden, dass 4.5 Watt generierte Leistung pro Lage theoretisch mit dem neuen, optimierten Design erreichbar sind. Allerdings konnte der Nachweis nicht erbracht werden, da durch die Vergrösserung der aktiven Fläche die Standardparameter des Galvanikprozesses nicht gefahren werden konnten. Mit dem zur Verfügung stehenden Laborequipment konnte die erforderliche Stromdichte während der Galvanik nicht erreicht werden, wodurch der Innenwiderstand der gefertigten TEGs zu hoch ist um die geforderte Leistung erzielen. Mit dem Erwerb neuen Laborequipments wird es jedoch möglich sein auch den letzten fehlenden Schritt zu vollziehen und das Ziel von 4.5 Watt pro Lage und integriertem TEG zu erreichen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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This project represents the continuation of the PowerHEX project (Prototyping of a thermoelectric power generator, BFE SI/500639). Within this project the objective has been mostly reached by increasing the generated power per integrated thermoelectric generator (TEG) from 1 Watt to 3.5 Watts. The improvement of the generated power by a factor of 3.5 has been achieved by working on the following areas.
The new design of the TEG has been adapted for its application inside the PowerHEX, i.e. the active area has been expanded to 8cm x 8cm as this is the maximum available area during the fabrication process. Consequently, the number of thermocouples has been increased from 2280 to 3630, a factor of 1.6. In order to reduce the TEGs electrical inner resistance, the thermo leg’s diameter has been increased from 0.6mm to 0.8mm which reduced the AV ratio (the ratio of inactive area to active area) from 2.5 to 0.7. Additionally, the thermal integration of the TEG into the heat exchanger setup has been optimized. The elimination of thermal shorts and the reduction of the thermal interface resistance resulted in an increased temperature gradient applied on/across the TEG (53°C instead of 38°C, increase of ca. 40%). The improved thermal integration has been demonstrated by integrating the same TEG under worst case conditions and best case conditions, which increased the generated power by 1.1Watt. This concluded the milestone with respect to the optimization of the TEG’s thermal integration. The thermoelectric material used for the TEG’s fabrication has been optimized to such an extent (resistivity, Seebeck coefficient) that the aimed 4.5 Watts per integrated TEG are within reach with the new optimized TEG design. However, due to the increase of the TEG’s active area, the standard process parameters used in the fabrication process could not be applied. During the electrochemical deposition of the semiconductor material the maximum required current density could not be provided by the available laboratory equipment. This resulted in an increased electrical resistance of the TEG. With the acquisition of more powerful laboratory equipment the standard fabrication process will be feasible and the final goal of 4.5 Watts per integrated TEG will be reached.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
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Schlussbericht
(Französisch)
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Ce projet constitue la continuation du projet PowerHEX (Prototyping of a thermoelectric power generator, BFE SI/500639). Pendant le cours du projet, la puissance par TEG et par couche intégrée a été portée de 1W à 3.5W. Avec ceci, la plus grande partie des objectifs ont été rejoints.
L’amélioration de la puissance par un facteur de 3.5 a été accomplie avec les moyens suivants:
Le design du TEG a été adapté spécifiquement à l’utilisation dans le PowerHEX. La surface disponible pour le procès de fabrication (8x8cm) a été entièrement remplie de thermocouples. Ainsi, le nombre de thermocouples a pu être augmentée de 2280 à 3630 (facteur 1.6).
Pour réduire la résistance électrique du TEG, le diamètre des thermocouples a été augmenté de 0.6 mm à 0.8 mm, menant à une réduction du AV-ratio (rapport entre surface inactive et active du TEG) de 2.5 à 0.7. En outre, l’intégration thermique du générateur thermoélectrique a été optimisée. L’élimination du 0-level Package, des Court-circuits thermiques et la réduction de la résistance thermique d’interface ont augmenté le gradient thermique à travers du TEG de 40% (de 30K à 58K).
La différence en puissance entre un TEG bien intégré thermiquement (best case) et le même TEG mal intégré (worst case) remonte a 1.1W. Cette différence peut être uniquement expliquée par une amélioration de l’intégration thermique. Avec ceci, la borne miliaire concernant l’intégration thermique a été rejointe.
Le matériel thermoélectrique, fabriqué par déposition galvanique, a été amélioré au point, qu’il serait possible de rejoindre 4.5W par couche avec le design optimisé.
Cependant il n’a pas été possible de vérifier le fait puisque il n’a pas été possible de appliquer les paramètres standard de fabrication. L’équipement de laboratoire n’avait pas la densité de courant requise, de sorte que la résistance des TEG fabriqués etait trop haute pour rejoindre la puissance exigée. En achetant de l’equipment plus puissant il va être possible de faire le dernier pas et de rejoindre le but de 4.5 W par couche et TEG intégré.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
greenTEG AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Umbrecht,Florian
Umbrecht,Florian
Glatz,Wulf
Glatz,Wulf
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