بیش از پرداختن به مبحث ترموالکتریک باید به چرایی مورد توجه قرارگرفتن این نوع از راهکاریهای تبدیل انرژی پرداخت. گازهای گلخانه‌ای به‌صورت روزافزون در سطح جهانی به دلیل افزایش تقاضا برای الکتریسیته، گرمایش، سرمایش و تهویه به محیط دفع می‌شوند. در دهه‌های گذشته تلاش قابل‌توجهی برای ساخت و توسعه فنّاوری‌های جایگزین به‌منظور تأمین و پاسخگویی به تقاضای موجود انرژی انجام‌گرفته است.
در میان تحقیقات پیرامون موضوعات انرژی، اهمیت بهره‌وری انرژی جایگاه مستحکم خود را پیداکرده است. محققان در این زمینه بر اهمیت بهره‌برداری از حرارت اتلافی در تولید انرژی و الکتریسیته تأکید بسزایی دارند. حرارتی اتلافی به معنی بخشی از انواع گونه‌های انرژی حرارتی به‌صورت آشکار و نهان است که از سیستم هدر می‌رود و یا توسط سیستم مورداستفاده قرار نمی‌گیرد.
روشن است که انرژی اتلافی باید جمع‌آوری‌شده و به‌صورت کامل مورداستفاده قرار گیرد تا هم انرژی ذخیره شود و هم به محیط زیست آسیب کمتری وارد شود. یک وسیله بدیع برای تولید الکتریسیته از گرما تحت عنوان ژنراتور ترموالکتریکی تولیدشده است.
ترموالکتریک به‌عنوان علم و فنّاوری مربوط به تولید انرژی و خنک کاری ترموالکتریکی تعریف می‌شود. فناوری ترموالکتریکی در زمان جنگ جهانی دوم شروع شد زمانی که نیروهای اتحاد شوروی اقدام به ساخت یک ترموالکتریک 2 تا 4 واتی به‌منظور تولید برق موردنیاز یک رادیو از حرارت یک آتش کوچک کردند.
از میان بسیاری از محاسن موجود این شیوه تبدیل انرژی می‌توان به عملیات حالت ساکن و جامد، نبود انباشت و خروجی‌های سمی، مقیاس‌پذیری گسترده، عدم وجود قسمت‌های محرک و یا عملیات شیمیایی، نگهداری کم‌هزینه و عمر طولانی و مطمئن اشاره کرد. تقریباً دویست سال پس از کشف ترموالکتریک توسط سیبک در سال 1823، اکنون دوباره پدیده ترموالکتریک، مواد و کاربردهای آن بسیار موردتوجه قرارگرفته است.
- مفاهیم بنیادی اثر ترموالکتریکی
اثر سیبک: امروزه، پدیده‌ای که در آن‌یک گرادیان دما در یک مدار بدون بار، متشکل از مواد مختلف منجر به ایجاد اختلاف ولتاژ شود تحت عنوان اثر سیبک معروف است که به‌افتخار فیزیک‌دان آلمانی توماس جانسون سیبک نام‌گذاری شده است.
از دید ریاضیاتی، ولتاژ سیبک را می‌توان با استفاده از اختلاف دما به‌صورت زیر به دست آورد :
[katex]{{V}_{\alpha }}=-\mathop{\int }_{{{T}_{c}}}^{{{T}_{h}}}\alpha \left( T \right)dT [/katex]
که در آن ضریب سیبک ماده است. اگر این ضریب به‌صورت مستقل از دما فرض شود و یا اختلاف دمای سطح سرد و گرم کم باشد ولتاژ به‌صورت زیر به دست می‌آید :
[katex]{{V}_{\alpha }}=-\text{ }\!\!\alpha\!\!\text{ }\left( {{T}_{h}}-{{T}_{c}} \right) [/katex]
اثر پلتیر: توانایی‌های بالای تجربی جان پلتیر به او کمک کرد تا پدیده‌ای را کشف کند که امروزه به اثر پلتیر معروف است. حرارت پلتیر زمانی در ماده مشاهده می‌شود که جریان الکتریکی از آن عبور کند که اگر جهت جریان برعکس شود جهت شار حرارت پلتیر نیز برعکس می‌شود. فاکتور نسبت بین حرارت جذب‌شده و جریان الکتریکی توسط ضریب پلتیر مشخص می‌شود.
رابطه بین ضریب پلتیر و ضریب سیبک برای اولین بار توسط تامسون (کلوین) به‌صورت ارائه شد که در آن T نشانگر دمای مطلق است. درنتیجه حرارت پلتیر به‌صورت زیر تعریف می‌شود :
[katex]{{Q}_{\text{ }\!\!\Pi\!\!\text{ }}}=\alpha TI [/katex]
اثر تامسون: اولین تشریح تاریخی از اثر ترموالکتریکی توسط ویلیام تامسون (بعدها معروف به لرد کلوین) در 1851 ارائه شد زمانی که وی دو اثر مشاهده‌شده قبلی را با دو قانون ترمودینامیکی در هم آمیخت. او توضیح اثر سیبک و اثر پلتیر را به‌صورت یک مفهوم واحد با استفاده از قوانین ترمودینامیکی و ارائه استدلال‌های قاطع در راستای تشریح تمام پدیده‌های مشاهده‌شده بیان کرد. در ادامه و با بررسی‌های تئوری بیشتر رابطه بین دو اثر بیان‌شده او به یک اثر دیگر موجود نیز پی برد که به‌افتخار وی اثر تامسون نامیده شد. اثر تامسون تولید یا جذب حرارت در یک ماده رسانای همگن را تشریح می‌کند زمانی که گرادیان دما در آن وجود دارد و جریان الکتریسیته از آن عبور می‌کند.
- کاربردهای ترموالکتریک
تجهیزات ترموالکتریکی به دو صورت مولدهای ترموالکتریکی و خنک کننده های ترموالکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند. در حالت اول حرارت دریافتی از یک منبع خارجی توسط این تجهیزات به ولتاژ الکتریکی و توان تبدیل می شود (مولد ترموالکتریکی) و درحالت دوم با اعمال ولتاژ به دو سر ترموالکتریک حرارت از یک سطح ترموالکتریک به سطح دیگر آن انتقال پیدا می کند (حنک کننده ترموالکتریکی). در بسیاری از صنایع همچون صنعت خودروسازی، هوافضا، لوازم خانگی و کاربردهای فیلم نازک در تجهیزات رادیویی از ترموالکتریک به صورت مولد توان و یا خنک کننده استفاده می شود.
استفاده از مولدهای ترموالکتریکی در صنعت خودروسازی برای کاهش مصرف سوخت و اثرات زیست‌محیطی موردتوجه بوده است. اولین مورداستفاده از ترموالکتریک در صنعت خودرو به سال 1914 برمی‌گردد زمانی که از یک مولد ترموالکتریکی به‌منظور بازیابی بخشی از حرارت یک موتور رفت و برگشتی استفاده شد.
ساخت و کاربرد ترموالکتریک‌ها در صنایع هوافضا برای اولین بار توسط ناسا برای تأمین برق فضاپیما در سال 1961 انجام گرفت و تاکنون نیز ادامه دارد. مولدهای ترموالکتریکی پتانسیل کاربردی بسیار خوبی برای گستره وسیعی از تجهیزات هوافضا را دارا هستند. تحقیقات برای بهبود بازده و طراحی مولدهای ترموالکتریکی برای مصارف هوافضا ادامه دارد و این تجهیزات توانایی خوبی در مأموریت‌های کوتاه‌مدت و بلندمدت فضایی از خود نشان داده‌اند.
اولین کاربرد از ترموالکتریک در مصارف خانگی به سال 1990 در کشور سوئد برمی‌گردد. در این کاربرد از ترموالکتریک در خروجی گازهای یک اجاق در یک‌خانه در شمال سوئد استفاده شد که در آن به دلیل دوری خانه از شبکه وصل کردن آن به شبکه بسیار پرهزینه بود. در این طرح در بالاترین زمان بازده در صبح زود که دمای بیرون کم و اجاق در حال استفاده بود مقدار 10 وات برق تولید می‌شد. در طول روز نیز بین 4 تا 7 وات توان از این سیستم استخراج می‌شد.
ترموالکتریک‌های فیلم نازک توجه بسیاری را به دلیل انعطاف‌پذیری آن‌ها در ساخت و کاربرد جلب کرده‌اند. به دلیل ضخامت بسیار کم، کاربردهای فیلم نازک امکان تولید توان بسیار بالاتری را به دلیل نرخ انتقال حرارت بالاتر در مقایسه با ترموالکتریک‌های معمولی ایجاد می‌کند. تجهیزات ترموالکتریکی فیلم نازک در تولید توان در ارتفاع‌های بسیار بالا در وسایل ارتباطی که حرارت توسط امواج تشعشعی که از سطح زمین می‌آیند تأمین می‌شود استفاده می‌شوند.
