熱電発電のためのWあたりの指標：ZTを超えて

発電用の熱電材料は、デバイス効率に直接関連する無次元の優れた指標ZTを用いて比較されることが一般的です。しかし、実際のアプリケーションにおいては、材料、製造、および熱交換器コストによって管理される発電コストがZTだけでは捕らえられない重要な要因です。本研究では、これらのコストの関数として、脚の長さLとシステムの充填率Fのための結合した熱電および経済的問題を最適化する必要な分析が導出されます。燃料、運転、及びメンテナンスコストは除外されています。この最適化は、熱電発電の最小Wあたり価値を提供し、ZTを超えて材料を比較するためのフレームワークを提供します。この分析は、非常に高価な熱電材料であっても、十分に短い脚と小さい充填率を取り入れることで、システムレベルで最もコスト効果的である可能性があることを示しています。数値計算を用いて確認された近似スケーリング分析は、Wあたりを最小化するための最適なLとFに関する初の閉形式の解析式を提供します。また、この分析は、材料開発に対する異なる優先事項を持つさまざまなコスト支配的領域を区分します。具体的には：（i）材料費や製造費に関係なくZTを増加させるべき熱交換器コスト支配領域、（ii）固定Fでの面積コストC′′支配領域で、ZT/C′′を最大化するべき、及び（iii）固定Fでの体積コストC′′′支配領域で、ZT/(kC′′′)を最大化するべきであり、低熱伝導率kの必要性を強化しています。ここで導出したコスト–パフォーマンスフレームワークは、別の原稿で多くの実材料やアプリケーションに適用されます。