Modellierung und Design gedruckter thermoelektrischer Materialien und Generatoren für Energy Harvesting und Abwärmerückgewinnung

Gedruckte thermoelektrische Generatoren (TEGs) bieten eine vielseitige und elegante Möglichkeit, über den Seebeck-Effekt thermische Energie direkt und ohne bewegliche Teile in elektrische Energie umzuwandeln. Die Entwicklung neuartiger, effizienter und druckbarer thermoelektrischer Materialien in Kombination mit einer kostengünstigen Siebdruckmethode, eröffnet den Weg zu einer flächendeckenden Nutzung von TEGs als Energy Harvester, zur wartungsfreien energieautarken Stromversorgung von Geräten im Internet der Dinge, zur batterielosen Stromversorgung von tragbaren Geräten durch die Umwandlung von Körperwärme und zur großflächigen industriellen Abwärmerückgewinnung.
... mehr
Diese Arbeit thematisiert Modellierung und Design gedruckter thermoelektrischer Materialien und Generatoren, mit dem Ziel eine skalierbare Herstellungs- und Designmethode zu entwickeln, mit der ein wachsender Markt für TEGs bedient und einen ersten Schritt vom Labormaßstab hin zur Massenproduktion für industrielle Anwendungen unternommen werden kann.
Mit der Modellierung gedruckter thermoelektrischer Kompositmaterialien mittels Random-Resistor-Netzwerken konnte das Perkolationsverhalten und die Morphologie heterogener thermoelektrischer Materialphasensysteme untersucht und deren effektive thermoelektrische Eigenschaften berechnet werden. Daraus konnten wichtige Designempfehlungen für die Herstellung und Materialkomposition von druckbaren thermoelektrischen Materialien abgeleitet werden.
Eine neuartige Origami-gefaltete Bauteilarchitektur wird vorgestellt, bei der ein zweidimensionales Layout aus thermoelektrischen Materialien auf ein flexibles Substrat gedruckt wird und durch eine Origami-Falttechnik zu einem dreidimensionalen quaderförmigen TEG gefaltet wird. Vom Kooperationspartner otego, einem Spin-off des KIT, wurden Origami TEGs mit organischen und hybriden thermoelektrischen Materialien für das Energy Harvesting hergestellt und charakterisiert. Das Design der Bauteile fand im Rahmen dieser Arbeit statt. Eine Anwendung in Form eines energieautarken, kabellosen Klimasensorsystems wurde demonstriert. Des Weiteren wurden Drucklayouts für einen großskaligen Rolle-zu-Rolle-Prozess entwickelt, mit dem ebenfalls Origami TEGs hergestellt wurden. In einer weiteren Iteration wurden Origami TEGs mit anorganischen thermoelektrischen Kompositmaterialien gedruckt, wodurch eine Effizienz- und Leistungssteigerung der Bauteile erreicht werden konnte. Darüber hinaus wurde eine weitere planare Bauteilarchitektur präsentiert, bei der die charakteristische TEG-Struktur durch das übereinander Drucken von leitfähigen, dielektrischen und thermoelektrischen Materialien erreicht wird.
Planare TEGs sind besonders dünn und flexibel und können bspw. in Wärmetauschern mit hohen Wärmeübergangskoeffizienten für die Abwärmerückgewinnung genutzt werden.
Zu guter Letzt wurden die effektiven thermoelektrischen Eigenschaften von gedruckten TEGs modelliert und eine Design- und Optimierungsmethode für diese entwickelt. Dazu wurde eine neue Formel für die Berechnung des effektiven ZT-Werts eines Bauteils hergeleitet und verwendet. Es wurde untersucht, bei welchen Anwendungen eine gefaltete oder aber eine planare Bauteilarchitektur verwendet werden sollte. Des Weiteren wurde eine numerische Optimierung der Ausgangsleistung der Bauteile für eine gegebene Anwendung unter Berücksichtigung von geometrischen und prozessbedingten Limitierungen der Bauteildicke durchgeführt. Als wichtigster Freiheitsgrad konnte dabei der Füllfaktor des Bauteils für die Optimierung identifiziert und verwendet werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Optimierung der Ausgangsleistung, bei einer Beschränkung der Bauteildicke, oftmals von einer klassischen thermischen Impedanzanpassung abweicht.

Printed thermoelectric generators (TEGs) are a versatile and elegant solution to convert thermal energy directly into electrical energy without any moving parts using the Seebeck effect. The development of novel, efficient printable thermoelectric materials combined with a cost-effective screen-printing method enables a widespread use of TEGs for energy harvesting. They provide a maintenance-free, energy self-sufficient way to power devices in the Internet of Things (IoT), power wearable devices without batteries by converting body heat, and contribute to large-scale industrial waste heat recovery.
... mehr
This work addresses the modelling and design of printed thermoelectric materials and generators with the goal to developing a scalable fabrication and design method, that can serve a growing market for TEGs and take a first step between the laboratory scale to mass production for industrial applications.
By modelling printed thermoelectric composites using random-resistor networks, the percolation behavior and morphology of heterogeneous thermoelectric material phase systems were investigated, and their effective thermoelectric properties calculated. From this, important design recommendations for the fabrication and material composition of printable thermoelectric materials could be derived.
A novel origami folded device architecture is presented, in which a two-dimensional layout of thermoelectric materials is printed on a flexible substrate and folded into a three-dimensional cuboid by an origami folding technique. In collaboration with a KIT spin-off, Origami TEGs with organic and hybrid thermoelectric materials for energy harvesting were designed, fabricated, and characterized. An exemplary application in the form of an energy harvesting wireless climate sensor system was demonstrated.
Furthermore, print layouts for a large-scale roll-to-roll manufacturing process were developed to produce origami TEGs. In a second iteration, origami TEGs were printed with inorganic thermoelectric composites, resulting in increased device efficiency and performance.
In addition, another device architecture was presented, where the characteristic TEG structure is achieved by printing conductive, dielectric and thermoelectric materials on top of each other. This planar device is particularly thin and flexible and can be used, for example, in heat exchangers with high heat transfer coefficients for waste heat recovery.
Lastly, the effective thermoelectric properties of printed TEGs were modeled, and a design and optimization method was developed. A new formula for calculating the effective ZT value of a TEG was derived and used. A method was developed to determine, whether a folded or a planar device architecture should be used for a specific application. Additionally, a numerical optimization of the device output power for a given application was conducted, taking into account geometric and processability limitations of the device thickness. The fill factor of the device was identified and uses as the most important design degrees of freedom for the optimization. It was also demonstrated that optimizing the output power with a limited device thickness often deviates from traditional thermal impedance matching.