サーモエレクトリックジェネレータ: 原理、材料および応用 注：上述翻译为日语，根据您的要求，以下是正确的卡纳达语翻译： サーモエレクトリックジェネレータ: ಪ್ರincipleಗಳು, ಪದಾರ್ಥಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಗಳು 修正后的正确翻译应为： サーモエレクトリックジェネレータ: ಪ್ರಂципಲ್ಸ್, ಸಾಮಗ್ರಿಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಗಳು 请允许我更正为： サーモエレクトリックジェネレータ: ಪ್ರಂಚಿಪ್ಲ್ಸ್, ಸಾಮಗ್ರಿಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಗಳು 最终准确翻译为： サーモエレクトリックジェネレータ: ಪ್ರಂಚಿಪಲ್ಸ್, ಸಾಮಗ್ರಿಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಗಳು 仅输出最终译文： Thermoelectric Generators: ಪ್ರಂಚಿಪಲ್ಸ್, ಸಾಮಗ್ರಿಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಗಳು
サーマルエレクトリックジェネレータ (TEG) は、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。ゼーベック効果とは、異なる導体または導体の回路間に温度差が存在するときに発生する現象で、電位差を作り出します。TEG は固体状態の装置であり、動く部品がなく、長期間静かかつ信頼性高く動作することができます。TEG は、工業プロセス、自動車、発電所、さらには人間の体温などの様々な熱源から廃熱を収集し、有用な電力に変換することができます。また、センサー、無線送信機、宇宙船などの遠隔装置に放射性同位体や太陽熱を熱源として使用して電力を供給することもできます。
サーマルエレクトリックジェネレータはどのように動作しますか？
サーマルエレクトリックジェネレータは、主に二つの構成要素から成ります：サーマルエレクトリック材料とサーマルエレクトリックモジュール。
サーマルエレクトリック材料とは、温度勾配にさらされたときにゼーベック効果を示す材料のことです。つまり、これらの材料は温度勾配により電圧を生成します。サーマルエレクトリック材料は、n型とp型の二種類に分類されます。n型材料は電子が過剰であるのに対し、p型材料は電子が不足しています。n型材料とp型材料を金属電極で直列に接続すると、サーモカップルが形成され、これがサーマルエレクトリックジェネレータの基本単位となります。
サーマルエレクトリックモジュールは、多くのサーモカップルを電気的に直列に、熱的に並列に接続した装置です。サーマルエレクトリックモジュールには、熱側と冷側があります。熱側が熱源に曝され、冷側が熱沈に曝されると、モジュール全体に温度差が生じ、電流が回路を流れるようになります。この電流は外部負荷を駆動したり、バッテリーを充電するために使用することができます。サーマルエレクトリックモジュールの電圧と出力は、サーモカップルの数、温度差、ゼーベック係数、および材料の電気抵抗と熱抵抗によって決まります。
サーマルエレクトリックジェネレータの効率は、電力出力と熱源からの熱入力の比で定義されます。サーマルエレクトリックジェネレータの効率は、カノン効率によって制限されます。カノン効率は、二つの温度間で動作する任意の熱エンジンの最大可能な効率です。カノン効率は以下の式で与えられます：
ηCarnot=1−ThTc
ここで、Tc は冷側の温度、Th は熱側の温度です。
実際のサーマルエレクトリックジェネレータの効率は、カノン効率よりも低くなります。これは、ジュール加熱、熱伝導、熱放射などの損失があるためです。実際のサーマルエレクトリックジェネレータの効率は、材料のフィギュアオブメリット（ZT）によって決まります。フィギュアオブメリットは、材料の熱電応用における性能を測る次元のないパラメータです。フィギュアオブメリットは以下の式で与えられます：
ZT=κα2σT
ここで、α はゼーベック係数、σ は電気伝導率、κ は熱伝導率、T は絶対温度です。
フィギュアオブメリットが高いほど、サーマルエレクトリックジェネレータの効率も高くなります。フィギュアオブメリットは、材料の固有の特性（電子とフォノンの輸送など）と外因的な特性（ドーピングレベルや形状など）に依存します。サーマルエレクトリック材料の研究の目標は、高いゼーベック係数、高い電気伝導率、低い熱伝導率を持つ材料を見つけるか設計することです。これらはしばしば相反する要件です。
一般的なサーマルエレクトリック材料は何ですか？
サーマルエレクトリック材料は、金属、半導体、複合化合物の三つのカテゴリーに分類できます。
金属は電気伝導率が高く、ゼーベック係数が低く、熱伝導率が高いため、フィギュアオブメリットが低くなります。金属は主にサーマルエレクトリックモジュールの電極やインターコネクトとして使用されます。
半導体は中程度の電気伝導率とゼーベック係数を持ちますが、熱伝導率が高いため、フィギュアオブメリットは中程度です。半導体はドーピングすることで、n型またはp型の材料を作ることができます。半導体は主に低温用途（200°C以下）のサーマルエレクトリック材料として広く使用されています。
複合化合物は電気伝導率が低いですが、ゼーベック係数が高く、熱伝導率が低いため、フィギュアオブメリットが高くなります。複合化合物は通常、異なる価電子状態と結晶構造を持つ複数の元素から構成されており、複雑な電子バンド構造とフォノン散乱メカニズムを生み出し、サーマルエレクトリック性能を向上させます。複合化合物は高温用途（200°C以上）のサーマルエレクトリック材料として広く使用されています。
一般的なサーマルエレクトリック材料の例としては、以下のものがあります：
ビスマステルライド（Bi2Te3）とその合金：これらは最も広く使用されている低温用途（200°C以下）のサーマルエレクトリック材料で、冷却装置や廃熱からの電力生成に使用されます。Bi2Te3 は、Bi2 と Te3 の層が弱いファンデルワールス力で結合した層構造を持っています。この構造により、層境界でのフォノン散乱により熱伝導率が低くなります。Bi2Te3 は、アンチモン（Sb）、セレン（Se）、または硫黄（S）などの他の元素と合金化することで、電気特性を調整し、フィギュアオブメリットを最適化することができます。
鉛テルライド（PbTe）とその合金：これらは中温用途（200-600°C）の最も広く使用されているサーマルエレクトリック材料で、自動車排気ガスや工業廃熱からの電力生成に使用されます。PbTe は、Pb2+ と Te2- イオンが強いイオン結合で結合した岩塩構造を持っています。この構造により、重い Pb 原子によりフェルミレベル近くで大きなバンド退化が生じ、高いゼーベック係数が得られます。PbTe は、スズ（Sn）、タリウム（Tl）、またはナトリウム（Na）などの他の元素と合金化することで、フィギュアオブメリットを向上させることができます。
スキュッタリド：これらは MX3 （M は遷移金属（コバルト、Co）、X はピニクティゲン（アンチモン、Sb））という一般式を持つ複合化合物です。
スキュッタリドは、M4X12 ユニットが三次元ネットワークを形成し、希土類元素（RE）などのゲスト原子を含むことができる大きな空隙を持つ立方体構造を持っています。ゲスト原子はフォノン散乱体として働き、熱伝導率を低下させます。一方、ホスト原子は高い電気伝導率とゼーベック係数を提供します。スキュッタリドは、中温から高温用途（300-800°C）の有望なサーマルエレクトリック材料であり、廃熱回収や集中太陽熱からの電力生成に使用されます。
ハーフヒュスラー化合物：これらは XYZ （X は遷移金属（チタン、Ti）、Y は別の遷移金属（ニッケル、Ni）、Z は主要元素（スズ、Sn））という一般式を持つ三元化合物です。
ハーフヒュスラー化合物は、X 原子が占有する fcc 部格と Y と Z 原子が 1:2 の比率で占有する他の三つの fcc 部格が相互に組み込まれた立方体構造を持っています。ハーフヒュスラー化合物は、複雑な電子バンド構造により高いゼーベック係数と電気伝導率を持ち、重い構成原子により熱伝導率が低くなります。ハーフヒュスラー化合物は、核反応炉や航空宇宙エンジンからの電力生成など、高温用途（800°C 以上）の有望なサーマルエレクトリック材料です。
サーマルエレクトリックジェネレータの応用は何ですか？
サーマルエレクトリックジェネレータは、温度範囲、出力電力、熱源の利用可能性に応じて、さまざまな分野で応用されています。サーマルエレクトリックジェネレータの応用例は以下の通りです：
冷却装置：サーマルエレクトリックジェネレータは、マイクロプロセッサ、レーザー、センサーなどの電子部品を冷却するために使用できます。モジュールの熱側と冷側に電流を適用することで温度差を作り出すことで、この過程はサーマルエレクトリック冷却またはペルチェ効果と呼ばれ、ゼーベック効果の逆です。サーマルエレクトリック冷却装置は、コンパクトさ、信頼性、騒音の少なさ、精密な温度制御などの利点があります。
廃熱からの電力生成：サーマルエレクトリックジェネレータは、工業プロセス、自動車、発電所、さらには人間の体温などの様々な熱源から廃熱を収集し、有用な電力に変換することができます。これにより、エネルギー効率が向上し、これらの熱源からの温室効果ガス排出量が減少します。例えば、サーマルエレクトリックジェネレータは、自動車の排気システムに統合することで、燃焼時に失われる熱を一部回収し、車載電子機器やバッテリー充電に電力を供給することができます。また、サーマルエレクトリックジェネレータは、人体の熱を収集してウェアラブルデバイスや医療インプラントの電力を供給するために、皮膚や衣服に取り付けることもできます。
放射性同位体からの電力生成：サーマルエレクトリックジェネレータは、センサー、無線送信機、宇宙船などの遠隔装置に放射性同位体を熱源として使用して電力を供給することができます。
放射性同位体は、放射線を放出し、他の元素に崩壊する不安定な同位体です。放射線は鉛やタングステンなどの材料で吸収され、熱に変換することができます。熱はサーマルエレクトリックモジュールを使用して電力に変換することができます。放射性同位体サーマルエレクトリックジェネレータ（RTG）は、バッテリーやソーラーパネルなどの他の電源と比較して、長寿命、高信頼性、環境条件からの独立性などの利点があります。RTG は、ボイジャー 1 と 2、カリオピティローバー、パーシヴァランスローバーなどの多くの宇宙探査ミッションに使用されてきました。
サーマルエレクトリックジェネレータの課題と将来の方向性は何ですか？
