Simulation von Modellen für thermoelektische Generatoren aus Heusler-Materialien und Verifizierung an einfachen Testaufbauten

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit ist die Simulation von verschiedenen Modellen von thermoelektrischen Generatoren, die Verifizierung der Simulationsergebnisse an einem simplen Testaufbau und das Testen der Eignung unterschiedlicher Heusler-Materialien als Thermoelektrika in diesen Modellen. Dazu wurde ein einfacher Testaufbau entwickelt, der die Möglichkeit bietet, die thermoelektrischen Proben schnell auszutauschen und trotzdem reproduzierbare Ergebnisse liefert. An diesem Messaufbau wurden Spannungsund Leistungsmessungen an verschiedenen Kombinationen von nund p-leitenden Heusler-Materialien in Bulkund Schichtform durchgeführt, um diese mit den Simulationsergebnissen zu vergleichen. Zur Simulation des Versuchaufbaus wurde dieser als 3D-Modell nachmodelliert und Simulationen der gemessenen Materialien mithilfe der Software AVL FIRE durchgeführt. Die Differenz zwischen den Ergebnissen der Simulationen und der Messungen wurde auf den thermischen Kontaktwiderstand zurückgeführt und dieser aus dem Abgleich von Simulation und Messung angenähert. So konnte ein allgemeiner Kontaktwiderstand bestimmt werden, sodass die durchschnittliche Differenz zwischen Messergebnissen und Simulation auf rund 3 % reduziert werden konnte. Auf Basis des Abgleichs mit dem Experiment wurden neue Modelle von thermoelektrischen Generatoren erstellt und ihre Leistungsfähigkeit, abhängig von den verwendeten Heusler-Materialien, mithilfe der Simulation mit dem genäherten thermischen Kontaktwiderstand evaluiert. Mit den besten am Testaufbau gemessenen Schichten konnten an dem neuen Modell mit Maßen von 5 cm 1 cm 10m, mit einem Temperaturgradienten von 70 K, Leistungen im Bereich um 400W erzielt werden. Zum Abschluss wurde die Simulation mit einer der besten, innerhalb der Arbeitsgruppe entdeckten, Schichten durchgeführt, welche jedoch zur Vergleichsmessung nicht zur Verfügung stand. Mit der Schicht Cr25(Fe_1.6 Cr_0.4 VAl) konnte am gleichen Modell sogar eine Leistung bis zu 1750 W erreicht werden.

This diploma thesis sets out to accomplish a realistic simulation of the potential voltage and power output of thermoelectric generators using different full Heusler compounds. Therefore, for verification a simple test arrangement of a thermoelectric generator was developed to verify the results of the simulation utilizing the software AVL FIRE. In order to compare multiple measurements with the simulation, it was important that the samples could be exchanged without restraining the repeatability of the experiment. The difference between the measurement and the simulation is caused by the thermal contact resistance. Comparing the variations of the single measurements, a mean value for the thermal contact resistance was calculated and integrated in the simulation. This led to a significant reduction of the average mismatch between simulation and reality down to about 3 %. The obtained parameters were further used to simulate the power output of new models of thermoelectric generators. Considering a thin film TEG-model holding two films with dimensions of 5 cm 1 cm 10m at a temperature difference of 70 K, output powers up to 400 W were simulated, applying different full Heusler compounds. Using the best thermoelectric material, which was not verified at the test arrangement, even greater power output up to 1750 W could be obtained with the same TEG-model.