熱電発電機は固体熱機関です。それらは、p 型要素と n 型要素として知られる 2 つの主要な接合部で構成されています。現在の世代の効率は約 5 ～ 8% です。古いデバイスは、熱によって電力を失うバイメタル ジャンクションを使用していました。
私たちは、発電機が電気の生産に使用されることを知っています。私たちのほとんどが念頭に置いている発電機のイメージは、磁場と、機械力の助けを借りて発電するローターを備えた巨大な機械であるということです。 .しかし、発電に回転部品を備えた機械が必ずしも必要ではないと言ったらどうでしょうか?一般に熱電発電機として知られている、そのようなデバイスの 1 つを詳しく見てみましょう。
熱電発電機の高温側 (写真提供:Gerardtv/Wikimedia Commons)
原則
熱電効果とは、熱を電気に直接変換することです。ジュールの法則によれば、電流が流れる導体は、導体の抵抗と導体を通過する電流の 2 乗の積に比例する熱を発生します。 1820 年代に、トーマス J. ゼーベックはこの法則を別の解釈でテストしました。彼は、金属が接触する接合部の温度が異なる 2 つの異なる金属を持ち込みました。彼は、熱の差に比例して接合部間に電圧が発生することに気付きました。 2 つの異なる金属の接合部の温度差によって生成される電流は、ゼーベック効果として知られています。 ゼーベック効果は、測定可能な量の電圧と電流を生成します。熱電発電機によって生成される電流密度は、次の式で計算できます。
起電場の強度は、ゼーベック係数を使用して計算できます。ゼーベック係数は、使用される各材料に本質的に固有であり、デルタ T は温度勾配です。熱電効果の説明に役立つもう 1 つの効果は、ペルチェ効果です。 .
ペルチェ効果は、導電性材料の接続における熱の放散または吸収を説明するのに役立ちます。電流の流れの方向に応じて、熱は材料のそのポイントで放散または吸収されます。
メカニズム
ゼーベック効果は、異なる金属が温度変化にさらされると電流を生成します。ゼーベック効果アプリケーションは、熱をエネルギーに変換する熱電発電機 (TEG) またはゼーベック発電機の基礎です。 TEG またはゼーベック発電機によって生成される電圧は、2 つの金属接合部間の温度差に比例します。
熱電発電機は、p 型 (高濃度の正電荷) 要素と n 型 (高濃度の負電荷を含む) 要素として知られる 2 つの主要接合部で構成される固体熱機関です。 p型要素は、正のゼーベック係数を与える多数の正電荷または正孔を持つようにドープされています。 n 型要素は、負のゼーベック係数を与える高濃度の負電荷または電子を含むようにドープされています。
p 型要素と n 型要素の間に電気的接続が発生すると、n 型材料に移動する正孔ごとに、n 型から p 型材料に電子が移動します。
材料
今日まで、熱電材料として特定された元素はごくわずかです。 2 つの重要な熱電材料は、室温 9K で (低温側として機能する) テルル化ビスマス (Bi 2Te 3) と、500K ～ 600K (高温側として機能する) であるテルル化鉛 (PbTe) です。これらの熱電材料には、材料の熱電特性を評価するのに役立つ測定基準があります。この尺度は、性能指数として知られています。テルル化ビスマス (Bi 2Te 3) とテルル化鉛 (PbTe) の性能指数は、前述の温度でのものです。信頼できる力の実行可能な源であるためには、性能指数は 2 から 3 でなければなりません。
熱電材料を選択する際に考慮すべき要素は他にも数多くあります。理想的には、熱電材料は広い温度勾配を持つ必要があります。温度勾配が広くないと、熱による応力を受けやすくなり、材料の破損につながる可能性があります。材料の機械的特性を考慮する必要があり、n 型材料と p 型材料の熱膨張係数が適切に一致している必要があります。
熱電発電機の電流生成効率は約 5 ～ 8% です。古いデバイスはバイメタル接合を使用していたため、熱による電力損失が深刻であったため、さらに効率が低下していました。最新のデバイスには、テルル化鉛 (PbTe)、テルル化ビスマス (Bi 2Te 3)、酸化マンガン カルシウム、またはこれらの材料の組み合わせなど、ドープされた半導体材料が内部に含まれています。
熱起電力は主流の電力を補うことはできませんが、システム内で熱として失われた潜在エネルギーを有用なエネルギーとして使用することは、ある程度役立ちます。大した量ではないかもしれませんが、長期間にわたって提供される少量のエネルギーは大いに役立ちます!
