理解熱電發電機：TEG 模塊如何將熱量轉化為電能

什么是熱電發電（Thermoelectric Generation）？

在物理學的基本課程中我們學習到，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，但它可以在不同形式之間進行轉化。自從能量守恒定律（即熱力學第一定律）被提出以來，工程師們便不斷嘗試將能量轉化為更加實用的形式。

熱電發電（Thermoelectric Generation）正是其中一種方式，它通過將熱能直接轉化為電能來實現能量的再利用。這一現象最早由物理學家托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）發現，即所謂的 塞貝克效應（Seebeck Effect）。該效應在現代固態器件中得到了工程化應用，這類器件被稱為 熱電發電機（Thermoelectric Generator，TEG）。不過，TEG 技術直到 20 世紀才取得實質性進展，首批商業化應用誕生于 1960 年。時至今日，TEG 已在多種應用場景中得以普遍使用。

什么是熱電發電機（TEG）模塊？

熱電發電機模塊（Thermoelectric Generator Modules，簡稱 TEG Modules 或 TEGs），是一種利用 熱電效應（Thermoelectric Effect） 的固態器件。所謂熱電效應，指的是溫度差與電壓之間的直接轉化關系，包括以下三個相關現象：

• 塞貝克效應（Seebeck Effect）：兩種不同材料的接點在溫度梯度作用下產生電壓；

• 珀爾帖效應（Peltier Effect）：當電流通過兩種不同金屬的接點時，該處會吸收或釋放熱量；

• 湯姆遜效應（Thomson Effect）：導體內部沿溫度梯度流動的電流，會因方向不同而導致熱量的吸收或釋放。

熱電發電機與熱電制冷器的區別

在熱電技術中，一個常見的混淆點是 熱電發電機（TEG） 與 熱電制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC） 的不同。

• TEG：基于 塞貝克效應，主要用于電能的產生；

• TEC：基于 珀爾帖效應，主要用于制冷與溫控。

兩者雖然在結構材料上相似（通常為摻雜半導體），但在設計優化目標上卻有所差異：

• TEG 強調在較大溫差下實現能量轉換效率最大化，目標是獲取盡可能高的功率輸出；

• TEC 則強調高效的吸熱與散熱，通常采用高導熱陶瓷與銅來提升散熱效率。

因此，如果設計目標是 將熱能轉化為電能，應選用 TEG；若設計目標是 主動制冷或溫度穩定，則應選用 TEC（即珀爾帖模塊）。Same Sky 公司同時提供這兩類模塊以滿足不同應用需求。

熱電發電機的工作原理

在現代 TEG 中，半導體材料冷熱兩側的溫度差會導致載流子（電荷載體）遷移：

• 在 n 型半導體中，電子由熱端遷移至冷端；

• 在 p 型半導體中，空穴（缺失的電子態）同樣由熱端遷移至冷端。

這些 n 型與 p 型半導體對（常見材料為 碲化鉍 Bi?Te?）被夾在冷熱極板之間，構成 TEG 模塊。電子與空穴的定向遷移在兩端形成電勢差（電壓），外部負載即可獲取有用電流。該電壓與溫度差（ΔT）成正比。

典型應用包括：

• 工業廢熱回收（提升能源利用效率）；

• 深空探測器（在太陽能不足時，利用放射性衰變產生的熱量供電）。

圖片位置：TEG 模塊由交替排列的 n 型與 p 型半導體對組成的結構示意圖

使用 TEG 模塊的優勢

• 能量回收：利用本應浪費的余熱，實現能源再利用，具有環保意義；

• 固態可靠性：無機械運動部件，安靜、穩定、免維護；

• 體積小巧：適合嵌入緊湊設計空間；

• 多樣化選擇：可提供不同電壓與電流規格，支持遠程或離網供電場景，甚至替代電池系統。

使用 TEG 模塊的挑戰

• 依賴溫差：必須存在足夠大的環境溫度梯度才能輸出所需功率，因此適用場景有限；

• 轉換效率低：相較其他發電方式，熱電發電的效率普遍偏低，平均約為 10%。

TEG 的關鍵參數與性能曲線

在系統設計中，必須關注以下關鍵參數：

• Tmax（最高工作溫度）：表示器件可承受的最大溫度，但并非最佳工作點；

• 開路電壓（Voc）：無負載時的電壓輸出；

• 匹配負載輸出電壓、電流、功率：在與最佳負載匹配時的實際輸出特性；

• 匹配負載電阻：對應峰值功率時的等效電阻。

圖片位置：Same Sky TEG 規格表示例

常見性能曲線：

1. 開路電壓 vs. 熱端溫度（Th）

2. 匹配負載電阻 vs. Th

3. 匹配負載電壓 vs. Th

4. 匹配負載電流 vs. Th

5. 匹配負載功率 vs. Th

圖片位置：Same Sky TEG 性能曲線示例圖表

這些曲線幫助設計人員：

• 找到最佳工作點；

• 評估不同模塊的性能差異；

• 在非理想條件下進行系統優化或故障診斷。

如何選擇適用的 TEG 模塊

設計流程通常包括以下步驟：

1. 確定系統的 冷端溫度（Tc） 與 熱端溫度（Th）；

2. 使用性能曲線查找相應條件下的電壓、電流與功率輸出；

3. 校驗電阻與負載匹配情況。

實例：
模塊：Same Sky SPG176-56
條件：Tc = 30°C，Th = 200°C

• 電壓輸出 ≈ 5.9 V

  

• 電流輸出 ≈ 1.553 A

  

• 功率輸出 ≈ 9.16 W

  

• 等效電阻 ≈ 3.8 Ω

說明：若溫差或負載阻抗不理想，可通過曲線進行插值或估算。

熱電發電機的典型應用

TEG 按功率等級分為：

• 大功率 TEG（數瓦至數百瓦）：工業用電；

• 微型 TEG（數毫瓦至數瓦）：低功耗電子設備。

常見應用包括：

• 可穿戴電子與消費電子

• 航空航天與深空探測

• 工業余熱回收

• 光伏輔助發電

• 物聯網傳感器（IoT）

• 汽車發動機能量回收

• 工業電子設備

• HVAC 暖通系統

• 醫療健康監測

• 軍事裝備

• 科研儀器

• 通信系統

總結

熱電發電機（TEG）模塊通過熱電效應將溫差轉化為電能。
它們與熱電制冷器（TEC）雖屬同類器件，但目標功能不同。
TEG 在適配良好的場景下可提供穩定、可靠的能源補充，具備環保、緊湊和免維護等優勢。

關鍵要點（Key Takeaways）

• 熱電發電基于 塞貝克效應，實現熱能到電能的直接轉換；

• TEG 模塊為固態器件，無運動部件，依靠溫差產生電能；

• TEG 用于發電，TEC 用于制冷；

• TEG 可實現廢熱回收，運行安靜可靠，免維護，適合遠程與離網應用；

• TEG 轉換效率約 10%，依賴較大溫差；

• 關鍵參數包括 Tmax、匹配負載電壓、電流、功率、電阻；

• 性能曲線是選擇與優化 TEG 的關鍵工具；

• 應用涵蓋 可穿戴設備、航天、工業余熱、IoT、醫療、汽車 等領域。