Physik Projektkurs - Seebeck-Generator
Der Bau und Aufbau des thermoelektrischen Generators
Leistungsmessung eines einzelnen Elements
Um die (bei Luftkühlung) maximale Leistung eines einzelnen Elements, welches später in den thermoelektrischen Generator eingebracht wird, zu messen, nutzt man ein Teelicht zur Erhitzung und einen alten CPU-Kühlkörper zur passiven Kühlung.
Durch diesen frühen Versuch stellte sich heraus, dass eine passive Kühlung keine Nutzung des thermoelektrischen Generators über längere Zeitspannen erlauben würde, da die Hitze eines Teelichts in unzureichendem Maße abgeführt werden kann.
Außerdem erwies sich die Leistung eines einzelnen Elements als deutlich zur gering für jegliche praktische Anwendungen.
Der Versuchsaufbau zur Messung der Leistung
Der Kern des thermoelektrischen Generators sind die 40 x 40 x 3.8 mm großen Peltierelemente, die im Sinne des Peltiereffekts mithilfe von Strom einen Temperaturunterschied zwischen beiden Seiten erzeugen soll. Dieser Effekt lässt sich jedoch auch umkehren (Seebeck-Effekt), sodass aus einer Temperaturdifferenz Strom erzeugt wird. Dabei wird die heiße Seite durch Teelichter erhitzt und die kalte Seite mithilfe einer Luftkühlung (später Wasserkühlung) über Kühlrippen gekühlt.
Erweiterung des Generators um einige Peltierelemente
Die Zahl der Peltierelemente wird hier von vier auf zwölf erhöht, wobei sechs Elemente des Typs SP1848 und sechs Elemente aus dem Schul-Fundus genutzt wurden. Das Ziel ist dabei die Maximierung der Leistung und das Erreichen einer Spannung von 5V, welche ein breites Anwendungsspektrum für den thermoelektrischen Generator eröffnen würde.
Reihenschaltung der Peltierelemente
Eine ausreichende Spannung kann nur durch eine Reihenschaltung aller Elemente erreicht werden, sodass sich die Einzelspannungen "aufaddieren". Außerdem zu sehen ist der Ansatz einer Wasserkühlung, wobei Wasser durch die Kühlrippen, verbunden durch die abgebildeten schwarzen Schläuche, fließen soll. Die Schläuche wurden mit Heißkleber an den jeweiligen Rippen fixiert, der jedoch aufgrund seiner geringen Hitzebeständigkeit (die Wasserkühlung erwies sich als nicht ausreichend, um eine Erweichung des Heißklebers zu verhindern) durch temperaturbeständige Dichtmasse ersetzt wurde.
"Verlöten" der Peltierelemente
Um eine höhere Beständigkeit der Leistung durch eine Verhinderung eines Kurzschlusses bei der Berührung von Kontaktstellen der Kabel zu verhindern und, um die Leistungsverluste durch den Widerstand der Kabel zu minimieren, werden hier jeweils der Plus- und Minuspol der Peltierelemente in Reihe zusammengelötet.
Der Versuchsaufbau zur Messung der Leistung mit Wasserkühlung
Die Kühlrippen wurden durch Gummischläuche und Dichtmasse miteinander verbunden, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen. Da jedoch der Druck, der hierzu nötig ist, nur durch ein geschlossenes System aufgebaut werden kann, wurde der Kühlkörper mit einer Kunststoffplatte vollständig verschlossen. Die im Hintergrund zu sehenden Werte gelten nur für ein luftgekühltes System. Die Wasserkühlung erlaubt eine Spannung von ca. 4 V.