熱電發(fā)電機(jī)(TEG)利用熱量(或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，溫差)和眾所周知的塞貝克效應(yīng)來(lái)發(fā)電。它們的應(yīng)用范圍從收集可用熱量的能量，特別是在工業(yè)和其他情況下的“浪費(fèi)”熱量，到作為熱電轉(zhuǎn)換器，使用放射性動(dòng)力源用于放射性同位素?zé)岚l(fā)生器(RTG)中的航天器。

　　基于TEG的RTG利用钚-238的自然衰變熱量。自1961年以來(lái)，它們幾乎被用于所有太空任務(wù)(見(jiàn)參考文獻(xiàn))以及遠(yuǎn)程地球應(yīng)用。與太空中高度可見(jiàn)，干凈，通常令人眼花繚亂的太陽(yáng)能電池板相比，它們沒(méi)有得到太多關(guān)注，但現(xiàn)實(shí)情況是，即使對(duì)于許多軌道或近地任務(wù)，太陽(yáng)能電池板本身也無(wú)法提供足夠的電力。電化學(xué)電池的選擇是非啟動(dòng)器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔盏膰?yán)寒中不起作用，如果沒(méi)有太陽(yáng)能加熱效應(yīng)，太空約為2.7 K。

　　與大多數(shù)能量收集傳感器和布置一樣，TEG原則上似乎是一個(gè)好主意，因?yàn)槟鷰缀跻粺o(wú)所獲地得到了有價(jià)值的東西。然而，在實(shí)踐中，它們有幾個(gè)缺點(diǎn)：它們相對(duì)難以制造(尤其是批量制造)，而且效率低下(約10%)。這個(gè)效率數(shù)字雖然很低，但當(dāng)熱量會(huì)被浪費(fèi)或沒(méi)有其他可行的選擇時(shí)，通常是可以接受的。

　　我們通常將塞貝克效應(yīng)與雙金屬結(jié)熱電偶和溫度測(cè)量而不是能量捕獲聯(lián)系起來(lái)。事實(shí)上，許多熱回收TEG器件使用由碲化鉍(Bi2特3)、碲化鉛(PbTe)、氧化錳鈣(Ca)2錳3O8)，以及其他材料，具體取決于應(yīng)用和溫度。

　　TEG的另一個(gè)問(wèn)題是它們難以大量生產(chǎn)，也難以廉價(jià)生產(chǎn)。這些缺點(diǎn)也激勵(lì)研究人員了解可以在他們的材料和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行哪些增強(qiáng)或改進(jìn)，正如兩個(gè)截然不同的項(xiàng)目清楚地證明的那樣。

　　項(xiàng)目 1

　　由圣母大學(xué)(印第安納州)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)解決了TEG通常缺乏高通量處理方法的問(wèn)題，因此他們開發(fā)了一種更快的方法來(lái)創(chuàng)建高性能設(shè)備。他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)快速優(yōu)化熱電材料的燒結(jié)，同時(shí)保持其高熱電性能， 圖1.

　　圖1 研究人員使用三階段交互過(guò)程，(i)激光驅(qū)動(dòng)燒結(jié)，然后(ii)評(píng)估熱電特性，然后(iii)貝葉斯優(yōu)化，導(dǎo)致(i)。來(lái)源：圣母大學(xué)

　　這種新工藝使用強(qiáng)脈沖光在不到一秒的時(shí)間內(nèi)燒結(jié)熱電材料，而傳統(tǒng)的熱烤箱燒結(jié)可能需要數(shù)小時(shí)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)確定超快但復(fù)雜的燒結(jié)過(guò)程的最佳條件，從而加快了將納米顆粒油墨轉(zhuǎn)化為柔性設(shè)備的方法。

　　他們整合了高通量實(shí)驗(yàn)和貝葉斯優(yōu)化(BO)，以使用超快強(qiáng)脈沖(閃光)燒結(jié)技術(shù)加速發(fā)現(xiàn)銀-硒化物TE薄膜的最佳燒結(jié)條件。針對(duì)閃燒工藝高維優(yōu)化問(wèn)題的性質(zhì)，采用高斯工藝回歸(GPR)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，基于貝葉斯預(yù)期改進(jìn)快速推薦最優(yōu)閃燒變變量， 圖2.

　　圖2 頂級(jí)特征的特征-特征相關(guān)矩陣指導(dǎo)改進(jìn)過(guò)程。來(lái)源：圣母大學(xué)

　　他們生產(chǎn)了一種超高功率因數(shù)為 2205 μW/m 的柔性 TE 薄膜。–K2 并帶有 zT 在 300 K 時(shí)為 1.1; zT 是一個(gè)無(wú)量綱的品質(zhì)因數(shù)，其中 zT = S2ρ?1κ?1T，它由塞貝克系數(shù) (S)、電阻率 (ρ) 和熱導(dǎo)率 (κ) 計(jì)算得出。燒結(jié)時(shí)間不到一秒，比傳統(tǒng)的熱燒結(jié)技術(shù)短幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　這些薄膜還表現(xiàn)出出色的柔韌性，在彎曲半徑為5毫米的1000次彎曲循環(huán)后，功率因數(shù)(PF)保持率為92%， 圖3.此外，基于閃燒薄膜的可穿戴式熱電發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生極具競(jìng)爭(zhēng)力的 0.5 mW/cm 功率密度2 溫差為 10 K。

　　圖3 閃燒薄膜在不同彎曲角度下的柔韌性測(cè)試證明了薄膜的彈性和壽命。 來(lái)源：圣母大學(xué)

　　他們認(rèn)為，在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，超快閃燒結(jié)將有可能以比目前更快的速度和更低的成本生產(chǎn)高性能設(shè)備。這項(xiàng)工作在他們的 12 頁(yè)論文中進(jìn)行了詳細(xì)描述”機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的高性能柔性銀-硒化物熱電器件的超快速閃燒結(jié)》發(fā)表在期刊上 能源與環(huán)境科學(xué);還有一個(gè)張貼的 17 頁(yè) 補(bǔ)充資料 文件，提供其他見(jiàn)解和信息。

　　項(xiàng)目 2

　　久負(fù)盛名的團(tuán)隊(duì) 卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (套件)(德國(guó))開發(fā)了一種使用可印刷的熱電聚合物和復(fù)合材料生產(chǎn)TEG的方法，采用低成本、完全絲網(wǎng)印刷的柔性設(shè)計(jì)。使用獨(dú)特的兩步“折紙式”折疊技術(shù)，他們使用基于PEDOT [聚(3，4-乙烯二氧噻吩)]納米線和TiS的熱電油墨，從薄柔性基板上打印的2D布局生產(chǎn)出機(jī)械穩(wěn)定的3D長(zhǎng)方體器件2：己胺絡(luò)合物， 圖4.

　　圖4 制造和折疊技術(shù)的細(xì)節(jié)。[黃色： n型材料，藍(lán)色：p型材料，灰色：基板材料。箭頭表示由施加的溫差(熱側(cè)：紅色，冷側(cè)：青色)流過(guò)設(shè)備的電流。虛線箭頭表示折疊程序。a) 在基板上放置四個(gè)熱電偶的 2D 布局，并帶有額外的未印刷基板條。b) 折紙折疊TEG與四個(gè)熱電偶，鑲嵌基板材料，用于熱電偶的電絕緣。資料來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

　　該器件的架構(gòu)通過(guò)使用薄基板作為熱電元件之間的電絕緣，實(shí)現(xiàn)了每平方厘米190單位的高熱電偶密度，在30 K溫差下產(chǎn)生47.8μW/cm2的高功率輸出。器件屬性可通過(guò)打印布局進(jìn)行調(diào)節(jié)，TEG的熱阻可以在幾個(gè)數(shù)量級(jí)上進(jìn)行調(diào)整，從而使熱阻能夠與任何熱源相匹配， 圖5.

　　圖5 a) 折紙 TEG 的 2D 打印布局，具有 254 個(gè) p 腿(藍(lán)色)和 253 個(gè) n 腿(黃色)(綠色：重疊區(qū)域)，以 13 列 x 39 行的棋盤圖案排列。b) 帶有TiS的絲網(wǎng)印刷TEG2 作為n型材料，PEDOT作為p型材料，具有PEDOT的擴(kuò)展接觸場(chǎng)，通過(guò)書法沉積。c) 第一個(gè)折疊步驟將所有色譜柱堆疊起來(lái)，加上一條額外的基板條。d) 完全折疊的熱電帶。e) 折線處有折痕的熱電帶。f) 全折疊式熱電發(fā)電機(jī)，用 Kapton 帶固定。資料來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

　　他們?cè)诟鞣N條件下測(cè)試了這些裝置， 圖6.最大功率點(diǎn)(MPP)處的輸出功率足以為低功耗電子電路供電。輸出功率隨 Δ 增加Τ2 對(duì)于 Δ 達(dá)到 243 μWT?= 60 K。即使對(duì)于 ΔT?= 30 K，此設(shè)備生成 PMPP?= 63.4 μW 和開路電壓 V超頻?= 534 mV，對(duì)應(yīng)于 47.8 μW/cm 的功率密度2 而內(nèi)阻為1124 Ω。

　　圖6 a) 打印后(淺色)和折紙折疊(深色)后展開的設(shè)備內(nèi)部電阻的直方圖。b) TEG表征設(shè)置，兩個(gè)銅塊作為熱觸點(diǎn)。c) TEG #6 的開路電壓與施加的溫差。d) TEG #6 處不同施加溫差的 I–V 特性和輸出功率與電壓的關(guān)系。e) TEG #6 處不同施加溫差的輸出功率與電負(fù)載的關(guān)系。f) ?T = 30 K時(shí)所有生產(chǎn)的TEG的最大輸出功率和開路電壓的直方圖。 資料來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

　　作為實(shí)用性的實(shí)際測(cè)試和演示，他們建立了一個(gè)自供電氣象站，使用現(xiàn)成的組件測(cè)量環(huán)境溫度、濕度和壓力，包括博世 BME280 傳感器和德州儀器電源管理 IC，所有這些都通過(guò) BLE(藍(lán)牙低功耗)接口進(jìn)行報(bào)告。

　　關(guān)于他們的過(guò)程的全部細(xì)節(jié)，對(duì)其背后的材料科學(xué)物理學(xué)的深入分析，以及他們的測(cè)試安排和結(jié)果都在八頁(yè)的論文中”用于能量收集的全印刷折紙熱電發(fā)電機(jī)》發(fā)表于 自然界;還有一個(gè)13頁(yè) 補(bǔ)充資料 文件，其中包含進(jìn)一步的分析以及完整的氣象站施工細(xì)節(jié)，以及生產(chǎn)過(guò)程第一階段的30秒視頻。

　　除了基本的雙金屬熱電偶之外，您是否曾經(jīng)使用過(guò)TEG進(jìn)行能量收集或功率捕獲?它是否在技術(shù)上起作用，或者是否存在意想不到的問(wèn)題，使其成為“免費(fèi)”電源的不充分選擇?

　　參考資料 – TEG 和 RTG

　　美國(guó)宇航局，”60年后，用于太空飛行的核動(dòng)力仍然久經(jīng)考驗(yàn)"

　　美國(guó)宇航局，”關(guān)于 RPS 的常見(jiàn)問(wèn)題解答"

　　美國(guó)宇航局，”電力系統(tǒng)"

　　比爾·施韋伯 是一個(gè)寫了三本教科書、數(shù)百篇技術(shù)文章、觀點(diǎn)專欄和產(chǎn)品功能的 EE。