Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) работают на основе эффекта Зеебека, который описывает явление генерации электроэнергии при наличии температурного градиента в материале. Если один конец термоэлектрического материала нагревается, а другой охлаждается, то возникает разность температур, которая приводит к образованию электроответвления (разность потенциалов). Эта разность потенциалов может быть использована для генерации электрического тока.

Основные физические принципы работы ТЭГ:

Эффект Зеебека: Как упомянуто, это основной эффект, на котором основана работа ТЭГ. Он связан с движением зарядов в материале: горячие области имеют больше энергии, что приводит к движению носителей заряда (электронов или дырок) в сторону холодных областей.

Коэффициент Seebeck (S): Это измерение напряжения, создаваемого на единицу температуры, и характеризует эффективность термоэлектрического материала. Чем выше коэффициент, тем лучше материал для использования в ТЭГ.

Теплопроводность (κ): Это способность материала проводить тепло. В идеале, для ТЭГ необходимо, чтобы теплопроводность была низкой, чтобы поддерживать температурный градиент.

Электрическая проводимость (σ): Это способность материала проводить электрический ток. Высокая электрическая проводимость важна для минимизации потерь при преобразовании тепловой энергии в электрическую.

Для достижения хорошей производительности термоэлектрических генераторов необходимо оптимальное соотношение между этими характеристиками. На практике этот баланс часто выражается через параметр производительности Зеебека (ZT), который рассчитывается как ( ZT = \frac{S^2 \cdot σ}{κ} ). Чем выше значение ZT, тем более эффективен материал.

Материалы с хорошими термоэлектрическими характеристиками:

Бисмут теллурид (Bi2Te3): Один из наиболее изученных и широко используемых термоэлектрических материалов при температурах около комнатной температуры.

Силицид марганца (MnSi): Используется в высокотемпературных приложениях, демонстрируя хорошие термоэлектрические свойства при температуре около 800–1000 °C.

Кальций манганит (CaMnO3): Обладает хорошими показателями в высокотемпературных условиях, также демонстрируя достаточно высокие значения ZT.

Наполнитель на основе графена и углеродных нанотрубок: Новые перспективные материалы, которые могут улучшить характеристику ТЭГ.

Композитные материалы: Комбинация различных соединений может привести к улучшению термоэлектрических свойств по сравнению с чистыми материалами.

Термоэлектрические генераторы находят применение в ряде областей, включая переработку отходов, автономные системы питания и в космических приложениях, где надежность и долгосрочная работа систем являются ключевыми факторами.