热传导发电机

热电发电机 (TEG)，也称为塞贝克发电机，是一种固态设备，可通过称为塞贝克效应（热电效应的一种形式）的现象将热通量（温差）直接转化为电能。 热传发电机的功能类似于热力发动机，但体积较小且没有活动部件。 然而，TEG 通常更昂贵且效率更低。

热传发电机可用于发电厂将废热转化为额外的电能，也可用于汽车作为汽车热电发电机 (ATG) 以提高燃油效率。 放射性同位素热电发电机使用放射性同位素产生所需的温差，为太空探测器提供动力。

1821年，Thomas Johann Seebeck发现两种不同的导电材料（具有电磁特性）之间形成的热梯度可以产生电能。 热电效应的核心是导电材料中的温度梯度导致热流。 这导致电荷载流子的扩散。 热区和冷区之间的电荷载流子流动又产生电压差。 1834 年，让·查尔斯·阿瑟纳斯·珀尔帖 (Jean Charles Athanase Peltier) 发现了相反的效果，即在两个不同导体的连接处运行电流，根据电流的方向，可以使其充当加热器或冷却器。

TEG 的典型效率约为 5–8%。 较旧的设备使用双金属结并且体积庞大。 最近的设备使用由碲化铋 (Bi2Te3)、碲化铅 (PbTe)、氧化钙锰 (Ca2Mn3O8) 或它们的组合制成的高掺杂半导体，具体取决于应用温度。 这些是固态设备，与发电机不同，它们没有移动部件，偶尔会有风扇或泵来改善热传递。 如果热区在1273K左右，ZT值为3-4，效率约为33-37%； 允许 TEG 与某些热机效率竞争。

热电发电机由三个主要部分组成：热电材料、热电模块和与热源接口的热电系统。

热电材料通过将温差转化为电压直接从热量中产生能量。 这些材料必须同时具有高导电率 (σ) 和低导热率 (κ) 才能成为良好的热电材料。 导热系数低可确保当一侧变热时，另一侧保持低温，这有助于在温度梯度下产生大电压。 塞贝克系数 (S) 给出了响应材料两端温差的电子流大小的量度。 给定材料产生热电能的效率可通过其“品质因数”zT = S2σT/κ 简单估算。

多年来，已知同时具有低导热性和高功率因数的主要三种半导体是碲化铋 (Bi2Te3)、碲化铅 (PbTe) 和硅锗 (SiGe)。 其中一些材料含有稀有元素，因此价格昂贵。

如今，可以使用纳米技术降低半导体的热导率，而不会影响其高电性能。 这可以通过在大块半导体材料中创建纳米级特征（例如粒子、线或界面）来实现。 然而，纳米材料的制造过程仍然具有挑战性。

热传引导发电机是全固态设备，不需要任何流体作为燃料或冷却，因此它们不依赖于方向，可用于零重力或深海应用。 固态设计允许在恶劣环境中运行。 热传引导电机没有活动部件，因此设备更可靠，无需长期维护。 耐久性和环境稳定性使热电材料成为美国宇航局深空探索者在其他应用中的最爱。 在此类专业应用之外，热电发电机的主要优势之一是它们可以集成到现有技术中，通过利用废热产生可用电力来提高效率并减少对环境的影响。