열전발전기(TEG)는 셀베크 효과를 이용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 셀베크 효과는 두 가지 다른 도체 또는 도체 회로 사이에 온도 차가 존재할 때 발생하는 현상으로, 이로 인해 전위차가 생성됩니다. TEG는 움직이는 부품이 없고 오랜 시간 동안 조용하고 안정적으로 작동할 수 있는 고체 상태의 장치입니다. TEG는 산업 공정, 자동차, 발전소, 심지어 인간의 체온 등 다양한 소스에서 폐열을 회수하여 유용한 전기에너지로 변환하는 데 사용될 수 있습니다. TEG는 또한 방사성 동위원소나 태양열을 열원으로 사용하여 원격 센서, 무선 송신기, 우주선 등의 전력을 공급하는 데에도 활용될 수 있습니다.
열전발전기는 주로 두 가지 구성 요소인 열전 소재와 열전 모듈로 이루어져 있습니다.
열전 소재는 온도 경사를 받았을 때 전압을 발생시키는 셀베크 효과를 나타내는 소재입니다. 열전 소재는 n형과 p형으로 분류할 수 있습니다. n형 소재는 전자가 과다하며, p형 소재는 전자가 부족합니다. n형 소재와 p형 소재가 금속 전극을 통해 직렬로 연결되면 열커플이 형성되며, 이것이 열전발전기의 기본 단위입니다.
열전 모듈은 많은 열커플이 전기적으로 직렬로, 열적으로 병렬로 연결된 장치입니다. 열전 모듈은 뜨거운 면과 차가운 면 두 가지 면을 가지고 있습니다. 뜨거운 면이 열원에 노출되고 차가운 면이 열배출체에 노출되면, 모듈 전체에 온도 차가 생기고 이로 인해 회로를 통해 전류가 흐릅니다. 이 전류는 외부 부하를 구동하거나 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있습니다. 열전 모듈의 전압과 출력은 열커플의 수, 온도 차, 셀베크 계수, 그리고 소재의 전기 및 열 저항에 따라 달라집니다.
열전발전기의 효율은 출력되는 전기 전력과 열원에서 입력되는 열의 비율로 정의됩니다. 열전발전기의 효율은 카르노 효율, 즉 두 온도 사이에서 작동하는 모든 열기관의 최대 가능한 효율에 제한됩니다. 카르노 효율은 다음과 같이 주어집니다:
ηCarnot=1−ThTc
여기서 Tc는 차가운 면의 온도이고, Th는 뜨거운 면의 온도입니다.
실제로 열전발전기의 효율은 카르노 효율보다 훨씬 낮습니다. 이는 젤熱电偶和热电模块的效率受到多种损失的影响，如焦耳热、热传导和热辐射。热电发电机的实际效率取决于热电材料的优值（ZT），这是一个衡量材料在热电应用中性能的无量纲参数。优值由以下公式给出：
\[ ZT = \frac{\alpha^2 \sigma T}{\kappa} \]
其中，α是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率，T是绝对温度。
优值越高，热电发电机的效率就越高。优值取决于材料的内在性质（如电子和声子传输）和外在性质（如掺杂水平和几何结构）。热电材料研究的目标是找到或设计具有高塞贝克系数、高电导率和低热导率的材料，这些要求往往是相互矛盾的。
### 常见的热电材料有哪些？
热电材料可以分为三类：金属、半导体和复杂化合物。
- **金属**：具有高电导率但塞贝克系数低且热导率高，导致优值较低。金属主要用作热电模块中的电极或互连。
- **半导体**：具有中等电导率和塞贝克系数但热导率较高，导致优值适中。半导体可以通过掺杂来创建n型或p型材料，具有不同的载流子浓度和迁移率。半导体广泛用于低温应用（低于200°C）。
- **复杂化合物**：具有低电导率但高塞贝克系数和低热导率，导致高优值。复杂化合物通常由具有不同价态和晶体结构的多种元素组成，从而产生复杂的电子能带结构和声子散射机制，增强热电性能。复杂化合物广泛用于高温应用（高于200°C）。
一些常见的热电材料示例包括：
- **碲化铋（Bi₂Te₃）及其合金**：这是最广泛使用的低温应用（低于200°C）热电材料，例如冷却装置和从废热源发电。Bi₂Te₃具有由交替的五重层组成的层状结构，这些层通过弱范德瓦尔斯力结合在一起。这种结构由于层边界处的声子散射而导致低热导率。Bi₂Te₃可以通过与其他元素（如锑（Sb）、硒（Se）或硫（S））合金化来调整其电学性质并优化其优值。
- **碲化铅（PbTe）及其合金**：这是最广泛使用的中温应用（200-600°C）热电材料之一，例如从汽车尾气或工业废热发电。PbTe具有由交替的Pb²⁺和Te²⁻离子通过强离子键结合而成的岩盐结构。这种结构由于重的Pb原子在费米能级附近产生大的能带简并而具有高塞贝克系数。PbTe可以通过与其他元素（如锡（Sn）、铊（Tl）或钠（Na））合金化来提高其优值。
- **斯科特拉迪特（Skutterudites）**：这是一种具有MX₃通用公式的复杂化合物，其中M是过渡金属（如钴，Co），X是pnictogen（如锑，Sb）。
- **斯科特拉迪特**：具有包含大空隙的立方结构，这些空隙可以容纳客体原子（如稀土元素，RE）。客体原子作为声子散射体减少热导率，而主体原子提供高电导率和塞贝克系数。斯科特拉迪特是有前途的中高温应用（300-800°C）热电材料，例如从废热回收或集中太阳能发电。
- **半赫斯勒化合物（Half-Heusler compounds）**：这是一种具有XYZ通用公式的三元化合物，其中X是过渡金属（如钛，Ti），Y是另一种过渡金属（如镍，Ni），Z是主族元素（如锡，Sn）。
- **半赫斯勒化合物**：具有由四个相互穿插的面心立方亚晶格组成的立方结构，其中一个被X原子占据，其他三个以1:2的比例被Y和Z原子占据。半赫斯勒化合物由于其复杂的电子能带结构和重的组成原子而具有高塞贝克系数和电导率以及低热导率。半赫斯勒化合物是有前途的高温应用（高于800°C）热电材料，例如从核反应堆或航空航天发动机发电。
### 热电发电机的应用有哪些？
热电发电机在不同领域有各种应用，具体取决于温度范围、功率输出和热源可用性。一些热电发电机的应用示例包括：
- **冷却装置**：热电发电机可以通过向模块的热侧和冷侧施加电流来冷却电子元件，如微处理器、激光器或传感器，从而在这两面之间产生温差。这个过程称为热电冷却或佩尔捷效应，它是塞贝克效应的逆过程。热电冷却装置比传统冷却方法具有紧凑性、可靠性、无噪音和精确温度控制的优点。
- **从废热发电**：热电发电机可以用来从各种来源（如工业过程、汽车、发电厂甚至人体热）收集废热，并将其转化为有用的电力。这可以提高能源效率并减少这些来源的温室气体排放。例如，热电发电机可以集成到汽车排气系统中，以回收燃烧过程中损失的一些热量并为车载电子设备或电池充电供电。热电发电机也可以附着在皮肤或衣物上，通过人体热为可穿戴设备或医疗植入物供电。
- **从放射性同位素发电**：热电发电机可以使用放射性同位素作为热源，为远程设备（如传感器、无线发射器和航天器）供电。
- **放射性同位素**是不稳定的同位素，会发射辐射并衰变成其他元素。辐射可以通过吸收它的材料（如铅或钨）转化为热。然后可以使用热电模块将热转化为电。放射性同位素热电发电机（RTGs）在寿命长、可靠性高和独立于环境条件方面比其他电源（如电池或太阳能电池板）具有优势。RTGs已被用于许多太空任务，如旅行者1号和2号、好奇号火星车和毅力号火星车。
### 热电发电机面临的挑战和未来方向是什么？
热电发电机在能量转换和收集应用中有许多潜在的好处，但也面临着需要克服的挑战和限制，以便实际实施。其中一些挑战包括：
- **低效率**：热电发电机的效率受卡诺效率和热电材料的优值限制。目前最先进的热电材料在室温下的优值约为1-2，在高温下约为2-3，导致最佳效率仅为5-10%。为了实现更高的效率，需要通过先进的技术（如能带结构工程、纳米结构、掺杂、合金化或异质结构）发现或设计具有更高优值的新热电材料。
- **高成本**：热电发电机的成本主要由热电材料和模块的成本决定。当前的热电材料往往由稀有或有毒元素组成，这些元素昂贵且难以获得。热电模块的制造也需要复杂的工艺和设备，增加了成本。为了降低热电发电机的成本，需要开发或发现丰富、廉价且环保的替代材料。热电模块的制造还需要简化和扩大规模，以降低成本并提高生产率。
- **热管理**：热电发电机的性能取决于模块热侧和冷侧之间的温差。因此，高效的热传递和散热对于实现高功率输出和可靠性至关重要。热源和热沉需要适当设计并与热电模块匹配，以确保最佳的热流和温度分布。模块与热源或热沉之间的热接触电阻也需要最小化，以减少热损失。热电材料和模块还需要能够承受高温和热应力而不发生退化或失效。
- **系统集成**：热电发电机不是独立的设备，而是包括热交换器、电气转换器、控制器、传感器和电池在内的更大系统的一部分。将这些元件整合成一个连贯且功能性的系统需要仔细设计和优化各种参数，如电气阻抗、电压调节、功率调节、负载匹配和系统控制。系统集成还需要考虑特定应用的要求，如尺寸、重量、成本、耐久性、安全性和环境影响。
热电发电机研究和开发的未来方向包括：
- **新型热电材料**：发现或设计具有高优值的新型热电材料是提高热电发电机效率和竞争力的关键。新型热电材料可以通过先进的技术（如能带结构工程、纳米结构、掺杂、合金化或异质结构）来操纵材料的电子和声子性质来获得。新型热电材料还可以通过探索新的材料类别（如有机、混合或拓扑材料）来获得，这些材料可能表现出非常规或增强的热电效应。
- **先进的热电模块**：开发具有改进性能和可靠性的先进热电模块是热电发电机研究和开发的另一个重要方面。先进的热电模块可以通过使用具有高优值的新型热电材料或通过使用可以增加功率输出或减少热损失的新模块架构或配置来实现。先进的热电模块还可以通过使用可以降低成本或提高模块质量的新制造方法或技术来实现。
- **创新的热电系统**：设计具有新颖设计和应用的创新热电系统是热电发电机研究和开发的一个有前途的方向。创新的热电系统可以通过使用能够提供高或稳定温差的新热源或热沉，或通过使用可以优化系统性能或功能的新集成方案或策略来实现。创新的热电系统还可以通过探索可以从热电发电机的优势中受益的新应用领域或场景来实现。
### 结论
热电发电机是利用塞贝克效应将热能转化为电能的装置。热电发电机比传统的发电方法具有许多优点，如紧凑性、可靠性、无噪音和直接转换。热电发电机在不同领域有各种应用，如冷却装置、从废热发电和从放射性同位素发电。然而，热电发电机也面临一些需要克服的挑战和限制，如低效率、高成本、热管理和系统集成。热电发电机研究和开发的未来方向包括新型热电材料、先进的热电模块和创新的热电系统。热电发电机在各个行业和场景中具有巨大的潜力，可用于能量转换和收集应用。
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