Термоэлектрический генератор, любой из класса твердотельных устройств, которые либо преобразуют тепло непосредственно в электричество, либо преобразуют электрическую энергию в тепловую для нагрева или охлаждения. Такие устройства основаны на термоэлектрических эффектах, связанных с взаимодействием потоков тепла и электричества через твердые тела.
Все термоэлектрические генераторы имеют одинаковую базовую конфигурацию, как показано на рисунке. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло проходит через термоэлектрический преобразователь к радиатору, который поддерживается при температуре ниже температуры источника. Разность температур в преобразователе создает постоянный ток (DC), который подается на нагрузку (RL), имеющую конечное напряжение (V) и конечный ток (I). Промежуточный процесс преобразования энергии отсутствует. По этой причине термоэлектрическая генерация классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество вырабатываемой электроэнергии определяется I2RL, или VI.
Уникальность термоэлектрического преобразования энергии заключается в том, что направление потока энергии является обратимым. Так, например, если удалить нагрузочный резистор и заменить его источником постоянного тока, термоэлектрическое устройство, показанное на рисунке, можно использовать для отвода тепла от элемента «источника тепла» и снижения его температуры. В этой конфигурации термоэлектрических устройств происходит обратимый процесс преобразования энергии, при котором электрическая энергия используется для перекачки тепла и производства холода.
Эта обратимость отличает термоэлектрические преобразователи энергии от многих других систем преобразования, таких как термоионные преобразователи энергии. Электрическая мощность может быть непосредственно преобразована в тепловую мощность для нагрева или охлаждения, или тепловая мощность может быть преобразована непосредственно в электрическую мощность для освещения, работы электрооборудования и других работ. Любое термоэлектрическое устройство может быть использовано в любом из режимов работы, хотя конструкция конкретного устройства обычно оптимизируется под его конкретное назначение.
Систематические исследования в области термоэлектричества начались примерно в 1885-1910 годах. К 1910 году Эдмунд Альтенкирх, немецкий ученый, удовлетворительно рассчитал потенциальную эффективность термоэлектрических генераторов и определил параметры материалов, необходимых для создания практических устройств. К сожалению, в то время единственными доступными материалами были металлические проводники, что делало невозможным создание термоэлектрических генераторов с КПД более 0,5 процента. К 1940 году был разработан генератор на основе полупроводников с эффективностью преобразования 4 процента. После 1950 года, несмотря на рост исследований и разработок, прирост эффективности термоэлектрических генераторов был относительно небольшим, и к концу 1980-х годов КПД не превышал 10 процентов. Для того чтобы выйти на более высокий уровень эффективности, потребуются более совершенные термоэлектрические материалы. Тем не менее, некоторые маломощные разновидности термоэлектрических генераторов доказали свою практическую значимость. Те, что работают на радиоактивных изотопах, являются наиболее универсальными, надежными и широко используемыми источниками энергии для изолированных или удаленных объектов, например для записи и передачи данных из космоса.
