Arbeitsprinzip und Einbindung in den Kessel oder Ofen

Das Prinzip des TEG basiert auf dem Seebeck-Effekt, bei dem durch zwei miteinander verbundenen und unterschiedlich dotierten Halbleitern, die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, Wärme direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. In Abbildung 1 ist die allgemeine Struktur eines thermoelektrischen Moduls dargestellt und Abbildung 2 zeigt ein thermoelektrisches Modul mit (links) und ohne (rechts) Keramiksubstrat. Die elektrische Leistung des TEG wird durch die Art der thermoelektrischen Module, die Anzahl der verwendeten Module, die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und heißen Seite der Module (mit steigender Temperaturdifferenz steigt die elektrische Leistung) und der Kaltseitententemperatur der Module (bei steigender Kaltseitentemperatur sinkt der Wirkungsgrad) beeinflusst. Somit ist die Zielsetzung eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der kalten und heißen Seite der Module, kombiniert mit einer niedrigen mittleren Temperatur der Module, zu erreichen, um eine hohe elektrische Leistung des TEG zu erreichen. Da ein sehr guter Wärmeübergang auf beiden Seiten des TEG und gleichzeitig ein hoher Wärmedurchgang durch die vergleichsweise kleine Querschnittsfläche der Module entscheidend ist um eine hohe Stromausbeute zu erzielen, muss ein besonderes Augenmerk auf die Heizung und Kühlung des TEG gelegt werden. Die heiße Seite des TEG befindet sich im Rauchgasweg des Heizsystems. Dabei ist anzustreben, dass die Rauchgase bereits vollständig ausgebrannt sind und trotzdem noch eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, wenn sie an dem TEG vorbeigeführt werden. Um die kalte Seite des TEG zu kühlen, sind folgende Kühlvarianten möglich: Luftkühlung durch natürliche Konvektion oder Lüfter (für Kaminöfen relevant) Kühlung mittels Wärmespeicher (für Kaminöfen relevant) Kühlung durch einen Wasserkreislauf (für Kaminöfen und Kessel relevant) Beim Betrieb des Kessels oder Kaminofens versorgt der TEG die Heizungsanlage mit Strom und überschüssiger Strom wird in einem Akkumulator gespeichert (siehe Abbildung 3). Beim nächsten Start liefert der Akkumulator Strom für die Zündung und andere Verbraucher (Rauchgasgebläse, Brennstoffzuführung und Steuerung), bis der TEG die Stromerzeugung wieder aufnehmen kann. Wenn der Akkumulator vollständig aufgeladen ist, kann der zusätzlich erzeugte Strom auch für andere Verbraucher verwendet werden (z.B. um externe Geräte über einen USB-Anschluss zu laden). Ein wichtiger Schritt hin zu einem stromautarken Betrieb des Kaminofens oder des Kessels ist es, den Stromverbrauch der Heizungsanlage zu reduzieren. Dies kann durch die Einführung eines Niederspannungssystems (TEG und Akkumulator sind Niederspannungs-Gleichstromkomponenten), Auswahl geeigneter Komponenten, sowie durch Optimierung der Regelung erreicht werden.