理解熱電發(fā)電機(jī)：TEG 模塊如何將熱量轉(zhuǎn)化為電能

作者：Jeff Smoot 時(shí)間：2025-09-10 來(lái)源：Same Sky

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什么是熱電發(fā)電（Thermoelectric Generation）？

在物理學(xué)的基本課程中我們學(xué)習(xí)到，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，但它可以在不同形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。自從能量守恒定律（即熱力學(xué)第一定律）被提出以來(lái)，工程師們便不斷嘗試將能量轉(zhuǎn)化為更加實(shí)用的形式。

熱電發(fā)電（Thermoelectric Generation）正是其中一種方式，它通過(guò)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的再利用。這一現(xiàn)象最早由物理學(xué)家托馬斯·塞貝克（Thomas Seebeck）發(fā)現(xiàn)，即所謂的 塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）。該效應(yīng)在現(xiàn)代固態(tài)器件中得到了工程化應(yīng)用，這類器件被稱為 熱電發(fā)電機(jī)（Thermoelectric Generator，TEG）。不過(guò)，TEG 技術(shù)直到 20 世紀(jì)才取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，首批商業(yè)化應(yīng)用誕生于 1960 年。時(shí)至今日，TEG 已在多種應(yīng)用場(chǎng)景中得以普遍使用。

什么是熱電發(fā)電機(jī)（TEG）模塊？

熱電發(fā)電機(jī)模塊（Thermoelectric Generator Modules，簡(jiǎn)稱 TEG Modules 或 TEGs），是一種利用 熱電效應(yīng)（Thermoelectric Effect） 的固態(tài)器件。所謂熱電效應(yīng)，指的是溫度差與電壓之間的直接轉(zhuǎn)化關(guān)系，包括以下三個(gè)相關(guān)現(xiàn)象：

塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）：兩種不同材料的接點(diǎn)在溫度梯度作用下產(chǎn)生電壓；
珀?duì)柼?yīng)（Peltier Effect）：當(dāng)電流通過(guò)兩種不同金屬的接點(diǎn)時(shí)，該處會(huì)吸收或釋放熱量；
湯姆遜效應(yīng)（Thomson Effect）：導(dǎo)體內(nèi)部沿溫度梯度流動(dòng)的電流，會(huì)因方向不同而導(dǎo)致熱量的吸收或釋放。

熱電發(fā)電機(jī)與熱電制冷器的區(qū)別

在熱電技術(shù)中，一個(gè)常見(jiàn)的混淆點(diǎn)是 熱電發(fā)電機(jī)（TEG） 與 熱電制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC） 的不同。

TEG：基于 塞貝克效應(yīng)，主要用于電能的產(chǎn)生；
TEC：基于 珀?duì)柼?yīng)，主要用于制冷與溫控。

兩者雖然在結(jié)構(gòu)材料上相似（通常為摻雜半導(dǎo)體），但在設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)上卻有所差異：

TEG 強(qiáng)調(diào)在較大溫差下實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率最大化，目標(biāo)是獲取盡可能高的功率輸出；
TEC 則強(qiáng)調(diào)高效的吸熱與散熱，通常采用高導(dǎo)熱陶瓷與銅來(lái)提升散熱效率。

因此，如果設(shè)計(jì)目標(biāo)是 將熱能轉(zhuǎn)化為電能，應(yīng)選用 TEG；若設(shè)計(jì)目標(biāo)是 主動(dòng)制冷或溫度穩(wěn)定，則應(yīng)選用 TEC（即珀?duì)柼K）。Same Sky 公司同時(shí)提供這兩類模塊以滿足不同應(yīng)用需求。

熱電發(fā)電機(jī)的工作原理

在現(xiàn)代 TEG 中，半導(dǎo)體材料冷熱兩側(cè)的溫度差會(huì)導(dǎo)致載流子（電荷載體）遷移：

在 n 型半導(dǎo)體中，電子由熱端遷移至冷端；
在 p 型半導(dǎo)體中，空穴（缺失的電子態(tài)）同樣由熱端遷移至冷端。

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

典型應(yīng)用包括：

工業(yè)廢熱回收（提升能源利用效率）；
深空探測(cè)器（在太陽(yáng)能不足時(shí)，利用放射性衰變產(chǎn)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(dǎo)體對(duì)組成的結(jié)構(gòu)示意圖

使用 TEG 模塊的優(yōu)勢(shì)

能量回收：利用本應(yīng)浪費(fèi)的余熱，實(shí)現(xiàn)能源再利用，具有環(huán)保意義；
固態(tài)可靠性：無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，安靜、穩(wěn)定、免維護(hù)；
體積小巧：適合嵌入緊湊設(shè)計(jì)空間；
多樣化選擇：可提供不同電壓與電流規(guī)格，支持遠(yuǎn)程或離網(wǎng)供電場(chǎng)景，甚至替代電池系統(tǒng)。

使用 TEG 模塊的挑戰(zhàn)

依賴溫差：必須存在足夠大的環(huán)境溫度梯度才能輸出所需功率，因此適用場(chǎng)景有限；
轉(zhuǎn)換效率低：相較其他發(fā)電方式，熱電發(fā)電的效率普遍偏低，平均約為 10%。

TEG 的關(guān)鍵參數(shù)與性能曲線

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須關(guān)注以下關(guān)鍵參數(shù)：

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(diǎn)；
開(kāi)路電壓（Voc）：無(wú)負(fù)載時(shí)的電壓輸出；
匹配負(fù)載輸出電壓、電流、功率：在與最佳負(fù)載匹配時(shí)的實(shí)際輸出特性；
匹配負(fù)載電阻：對(duì)應(yīng)峰值功率時(shí)的等效電阻。

圖片位置：Same Sky TEG 規(guī)格表示例

常見(jiàn)性能曲線：

開(kāi)路電壓 vs. 熱端溫度（Th）
匹配負(fù)載電阻 vs. Th
匹配負(fù)載電壓 vs. Th
匹配負(fù)載電流 vs. Th
匹配負(fù)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(shè)計(jì)人員：

找到最佳工作點(diǎn)；
評(píng)估不同模塊的性能差異；
在非理想條件下進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化或故障診斷。

如何選擇適用的 TEG 模塊

設(shè)計(jì)流程通常包括以下步驟：

確定系統(tǒng)的 冷端溫度（Tc） 與 熱端溫度（Th）；
使用性能曲線查找相應(yīng)條件下的電壓、電流與功率輸出；
校驗(yàn)電阻與負(fù)載匹配情況。

實(shí)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(shuō)明：若溫差或負(fù)載阻抗不理想，可通過(guò)曲線進(jìn)行插值或估算。

熱電發(fā)電機(jī)的典型應(yīng)用

TEG 按功率等級(jí)分為：

大功率 TEG（數(shù)瓦至數(shù)百瓦）：工業(yè)用電；
微型 TEG（數(shù)毫瓦至數(shù)瓦）：低功耗電子設(shè)備。

常見(jiàn)應(yīng)用包括：

可穿戴電子與消費(fèi)電子
航空航天與深空探測(cè)
工業(yè)余熱回收
光伏輔助發(fā)電
物聯(lián)網(wǎng)傳感器（IoT）
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收
工業(yè)電子設(shè)備
HVAC 暖通系統(tǒng)
醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)
軍事裝備
科研儀器
通信系統(tǒng)

總結(jié)

熱電發(fā)電機(jī)（TEG）模塊通過(guò)熱電效應(yīng)將溫差轉(zhuǎn)化為電能。
它們與熱電制冷器（TEC）雖屬同類器件，但目標(biāo)功能不同。
TEG 在適配良好的場(chǎng)景下可提供穩(wěn)定、可靠的能源補(bǔ)充，具備環(huán)保、緊湊和免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。