熱電發(fā)電機越來越受到研發(fā)關(guān)注

    熱電發(fā)電機 (TEG) 利用熱量（或更準(zhǔn)確地說，溫差）和眾所周知的塞貝克效應(yīng)來發(fā)電。它們的應(yīng)用范圍從收集可用熱能，尤其是在工業(yè)和其他情況下“浪費”的熱能，到在放射性同位素?zé)岚l(fā)電機 (RTG) 中使用航天器的放射性電源作為熱電能轉(zhuǎn)換器。
    基于 TEG 的 RTG 使用钚 238 的自然衰變熱。自 1961 年以來，它們幾乎被用于每太空任務(wù)（見參考資料）以及遠程地球應(yīng)用。與太空中高度可見、外觀干凈、經(jīng)常令人眼花繚亂的太陽能電池板相比，它們并沒有引起太多關(guān)注，但現(xiàn)實是，太陽能電池板本身無法提供足夠的電力，即使對于許多軌道運行或靠近-地球任務(wù)。電化學(xué)電池的選擇是行不通的，因為它們在極冷的太空中不起作用，如果沒有太陽能加熱效應(yīng)，太空的溫度約為 2.7 K。
    與大多數(shù)能量收集換能器和裝置一樣，TEG 原則上似乎是個好主意，因為您幾乎不花一分錢就能得到一些有價值的東西。然而，在實踐中，它們有幾個缺點：它們相對難以制造（尤其是批量生產(chǎn)），而且效率低下（大約 10%）。這個效率數(shù)字雖然很低，但在熱量會被浪費或沒有其他可行選擇的情況下通常是可以接受的。
    我們通常將塞貝克效應(yīng)與雙金屬結(jié)熱電偶和溫度測量聯(lián)系起來，而不是與能量捕獲聯(lián)系起來。事實上，許多熱回收 TEG 設(shè)備使用由碲化鉍 (Bi 2 Te 3 )、碲化鉛 (PbTe)、氧化鈣錳 (Ca 2 Mn 3 O 8 ) 以及其他材料制成的高摻雜半導(dǎo)體，具體取決于應(yīng)用和溫度。
    TEG 的另一個問題是它們難以大量生產(chǎn)并且難以廉價生產(chǎn)。正如兩個截然不同的項目清楚地表明的那樣，這些缺點也促使研究人員了解在他們的材料和生產(chǎn)過程中可以進行哪些增強或改進。
    項目一

    圣母大學(xué)（印第安納州）的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊解決了 TEG 通常缺乏高通量處理方法的問題，因此他們開發(fā)了一種更快的方法來創(chuàng)建高性能設(shè)備。他們使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化快速燒結(jié)熱電材料，同時保持其高熱電性能，圖 1。

    圖 1研究人員使用了一個三階段交互過程，首先是 (i) 激光驅(qū)動燒結(jié)，然后是 (ii) 熱電性能評估，然后是 (iii) 貝葉斯優(yōu)化，回到 (i)。資料：圣母大學(xué)
    新工藝使用強脈沖光在不到一秒的時間內(nèi)燒結(jié)熱電材料，而傳統(tǒng)的熱爐燒結(jié)可能需要數(shù)小時。該團隊通過使用機器學(xué)習(xí)來確定超快但復(fù)雜的燒結(jié)過程的條件，從而加快了這種將納米顆粒墨水轉(zhuǎn)化為柔性設(shè)備的方法。

    他們整合了高通量實驗和貝葉斯優(yōu)化 (BO)，以使用超快強脈沖光（閃光）燒結(jié)技術(shù)加速發(fā)現(xiàn)銀-硒化物 TE 薄膜的燒結(jié)條件。由于閃光燒結(jié)過程的高維優(yōu)化問題的性質(zhì)，高斯過程回歸 (GPR) 機器學(xué)習(xí)模型用于根據(jù)貝葉斯預(yù)期改進快速推薦閃光燒結(jié)變量，圖2。

    圖 2特征的特征-特征相關(guān)矩陣指導(dǎo)改進過程。資料：圣母大學(xué)
    他們生產(chǎn)了一種柔性 TE 薄膜，具有 2205 μW/m – K 2的超高功率因數(shù)，在 300 K 時的zT為 1.1；zT是無量綱品質(zhì)因數(shù)，其中zT = S 2 ρ 1 κ 1 T，由塞貝克系數(shù) (S)、電阻率 (ρ) 和熱導(dǎo)率 (κ) 計算得出。燒結(jié)時間不到一秒，比傳統(tǒng)的熱燒結(jié)技術(shù)短了幾個數(shù)量級。

    這些薄膜還表現(xiàn)出出色的柔韌性，在彎曲半徑為 5 毫米的一千次彎曲循環(huán)后功率因數(shù) (PF) 保持率為 92%，圖3。此外，基于閃光燒結(jié)薄膜的可穿戴熱電發(fā)電機在 10 K 的溫差下可產(chǎn)生極具競爭力的 0.5 mW/cm 2功率密度。

    圖 3閃光燒結(jié)薄膜在不同彎曲角度下的柔韌性測試證明了薄膜的彈性和壽命。資料：圣母大學(xué)
    他們相信，機器學(xué)習(xí)輔助的超快閃光燒結(jié)將使生產(chǎn)高性能設(shè)備的速度比目前快得多，成本也低得多。這項工作在他們發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上的12 頁論文“機器學(xué)習(xí)輔助的高性能和柔性銀-硒化物熱電設(shè)備的超快閃光燒結(jié)”中進行了詳細描述；還有一個已發(fā)布的 17 頁補充信息文件，其中提供了額外的見解和信息。
    項目2

    的卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)（德國）的一個團隊開發(fā)了一種使用可印刷熱電聚合物和復(fù)合材料生產(chǎn) TEG 的方法，采用低成本、全絲網(wǎng)印刷的柔性設(shè)計。他們使用獨特的兩步“折紙式”折疊技術(shù)，利用基于 PEDOT [聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）] 納米線的熱電油墨，將 2D 布局打印在薄的柔性基板上，從而生產(chǎn)出機械穩(wěn)定的 3D 立方體設(shè)備和 TiS 2：己胺絡(luò)合物材料，圖 4。

    圖 4制造和折疊技術(shù)的詳細信息。[黃色：n型材料，藍色：p型材料，灰色：襯底材料。箭頭表示由于施加的溫差（熱端：紅色，冷端：青色）而流經(jīng)器件的電流。虛線箭頭表示折疊程序。] a) 四個熱電偶在基板上的二維布局，帶有額外的未印刷基板條。b) 帶有四個熱電偶的折紙折疊 TEG，帶有用于熱電偶電絕緣的鑲嵌基板材料。資料：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

    該設(shè)備的架構(gòu)通過使用薄基板作為熱電元件之間的電絕緣體，使熱電偶密度達到每平方厘米 190 個單位，從而在 30 K 的溫差下產(chǎn)生 47.8 W/cm 的高功率輸出。器件屬性可通過印刷布局進行調(diào)整，TEG 的熱阻抗可在幾個數(shù)量級上進行調(diào)整，從而使熱阻抗能夠與任何熱源相匹配，圖5。

    圖 5 a) 具有 254 個 p 型腿（藍色）和 253 個 n 型腿（黃色）（綠色：重疊區(qū)域）的折紙 TEG 的二維打印布局，以 13 列 x 39 行的棋盤圖案排列。b) 以 TiS 2作為 n 型材料和 PEDOT 作為 p 型材料的絲網(wǎng)印刷 TEG，具有通過書法沉積的 PEDOT 擴展接觸場。c) 堆疊所有列的折疊步驟加上一條額外的基材條。d) 完全折疊的熱電帶。e) 熱電帶在折線處折皺。f) 用 Kapton 絲帶固定的完全折疊的熱電發(fā)電機。資料：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

    他們在各種條件下測試了這些裝置，圖 6。功率點 (MPP) 的輸出功率足以為低功率電子電路供電。當(dāng)ΔT = 60 K 時，輸出功率隨 Δ Τ  增加而達到 243 W。即使 Δ T = 30 K，該器件也會產(chǎn)生P MPP = 63.4 W 和開路電壓V oc = 534 mV，對應(yīng)于功率密度為 47.8 W/cm 2而內(nèi)阻為 1124 Ω。

    圖 6 a) 打印后（淺色）和折紙折疊后（深色）展開的器件內(nèi)部電阻直方圖。b) 使用兩個銅塊作為熱觸點的 TEG 表征設(shè)置。c) TEG #6 的開路電壓與施加的溫差。d) TEG #6 不同應(yīng)用溫差下的 I-V 特性和輸出功率與電壓的關(guān)系。e) TEG #6 不同應(yīng)用溫差下的輸出功率與電氣負載的關(guān)系。f) 在 T = 30 K 時所有生產(chǎn)的 TEG 的輸出功率和開路電壓的直方圖。：卡爾斯魯厄理工學(xué)院
    作為有用性的實際測試和演示，他們構(gòu)建了一個自供電氣象站，使用現(xiàn)成的組件（包括博世 BME280 傳感器和德州儀器電源管理 IC）測量環(huán)境溫度、濕度和壓力，所有均通過BLE（低功耗藍牙）接口。