Thermophotovoltaische Generatoren - neue Entwicklungen

Obwohl bei der Thermovoltaik (TPV) theoretisch ein elektrischer Wirkungsgrad von 36 % erreichbar ist, konnten in der Praxis nur ca. 2 % erreicht werden. Das TPV-Gesamtsystem kann in die Teilsysteme Brenner-Wärmetauscher-System, Strahlungsübertragungs-System, Strahlungsanpassungs-System und das System der Photozelle unterteilt werden. Zu beeinflussen ist der elektrische Wirkungsgrad durch die Anpassung des Photozellendesigns an die Strahlungsqualität und durch die Anpassung des Spektrums an die spektrale Empfindlichkeit der Photozelle. Beim Brenner-Wärmetauscher-System sind möglichst geringe Abgasenergieverluste vorteilhaft. Dies kann über Abgasenergierückführung realisiert werden. Um ein Gesamtsystem mit einem möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad aufzubauen, reicht es nicht aus, die Teilsysteme getrennt von einander zu optimieren. Entscheidend ist die Abstimmung der Teilsysteme untereinander. Dazu ist eine Modellierung des Gesamtsystems von Vorteil. Dafür wurde ein TPV-System mit einem Kanthal-Emitter und einem Er2O3-Emitter unter möglichst realistischen Randbedingungen in Abhängigkeit von der Strahlertemperatur untersucht. Bei einer Strahlertemperatur von 1300 Grad C ergibt sich für den Kanthal-Emitter ein elektrischer Wirkungsgrad von 7 % und für den Er2O3-Emitter ein elektrischer Wirkungsgrad von 10 %. Hierzu wurde für den Kanthaldraht ein Emissionsgrad von 0,6 und für den Er2O3-Emitter ein Emissionsgrad von 0,17 für Wellenlängen größer als die Grenzwellenlänge von GaSb angenommen. Das aufgebaute Brenner-Wärmetauschersystem besteht aus einem keramischem Wabenkörper aus Cordierit. Basierend auf dem Gegenstromverfahren wird die Abgaswärme an den Brennstoff abgegeben, indem der Wabenkörper zeilenweise mit Abgas und dem Brennstoff durchströmt wird. Durch das validierte Simulationsprogramm konnte die Diskrepanz zwischen theoretischem und bisher realisierten elektrischem Wirkungsgrad geklärt werden. Außerdem wurde gezeigt, dass ein elektrischer Wirkungsgrad von 10 % mit einem höheren Strahlungsanpassungswirkungsgrad mit Hilfe des Einsatzes von einem ErO3-Ermitter erreicht werden kann.