什么是熱電發(fā)電

基礎(chǔ)物理知識(shí)告訴我們：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。自能量守恒定律（熱力學(xué)第一定律） 提出以來，工程師一直在探索將能量轉(zhuǎn)化為更便于人類利用的形式。

熱電發(fā)電便是其中一種方式：將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。該現(xiàn)象由托馬斯?塞貝克首次發(fā)現(xiàn)，這種熱能直接生電的物理效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)，如今已在熱電發(fā)生器（TEG） 這類固態(tài)器件中實(shí)現(xiàn)商用落地。

TEG 相關(guān)技術(shù)直到 20 世紀(jì)才開始快速發(fā)展，首款商用產(chǎn)品于 1960 年問世。如今，TEG 已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

什么是熱電發(fā)生器（TEG）模塊

熱電發(fā)生器模塊簡稱 TEG 模塊，依托熱電效應(yīng)工作：利用材料兩端的溫差產(chǎn)生電壓，反之也可由電壓產(chǎn)生溫差。

熱電效應(yīng)包含三種關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象：

1. 塞貝克效應(yīng)：兩種不同材料存在溫度梯度時(shí)產(chǎn)生電能；

2. 珀?duì)柼?yīng)：電流流經(jīng)兩種金屬結(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象；

3. 湯姆遜效應(yīng)：依據(jù)電流流向，材料自身產(chǎn)生吸熱或放熱。

熱電發(fā)生器與熱電制冷器有何區(qū)別

熱電技術(shù)中最容易混淆的概念：

TEG 熱電發(fā)生器利用塞貝克效應(yīng)；

TEC 熱電制冷器利用珀?duì)柼?yīng)。

二者原理相近、用途不同：一個(gè)用于發(fā)電，一個(gè)用于固態(tài)制冷。

兩類器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有差異，但所用基礎(chǔ)材料相近（均為摻雜半導(dǎo)體）。

材料雖相近，但設(shè)計(jì)定位完全不同：

• TEG：針對(duì)大溫差、高能效設(shè)計(jì)，核心目標(biāo)是最大化輸出功率；

• TEC：以優(yōu)化吸熱與散熱為目標(biāo)，常采用特種陶瓷與銅材提升制冷效率。

想深入了解珀?duì)柼评淦砷喿x我們專題文章《如何選型珀?duì)柼K》。

簡單區(qū)分：

若要利用熱能發(fā)電，選 TEG 模塊；

若要主動(dòng)制冷、恒溫控溫，選 TEC / 珀?duì)柼K。

熱電發(fā)生器的工作原理

現(xiàn)代熱電發(fā)生器中，半導(dǎo)體冷熱兩端存在溫差時(shí)，載流子（電子） 會(huì)從熱端向冷端移動(dòng)。

TEG 模塊內(nèi)部由多對(duì) N 型、P 型半導(dǎo)體（常見材料為碲化鉍）組成，夾在熱端面與冷端面之間：

• N 型半導(dǎo)體：電子由熱端流向冷端；

• P 型半導(dǎo)體：空穴（電子缺失）同樣由熱端流向冷端。

載流子定向流動(dòng)形成電勢差（電壓），進(jìn)而輸出可用電流，輸出電壓與材料兩端溫差成正比。

TEG 非常適合存在廢熱的場景（如工業(yè)流程），回收原本白白損耗的熱能；也可用于太空探測器等偏遠(yuǎn)場景，在太陽能不足時(shí)，利用放射性衰變產(chǎn)生的熱能發(fā)電。

配圖說明：熱電發(fā)生器由 N 型與 P 型半導(dǎo)體構(gòu)成，溫差下產(chǎn)生電壓；內(nèi)部采用 N 型、P 型交替排布結(jié)構(gòu)。

TEG 模塊發(fā)電的優(yōu)勢

1. 廢熱回收利用：把廢棄熱能轉(zhuǎn)化為電能，節(jié)能環(huán)保、提升系統(tǒng)能效；

2. 全固態(tài)無運(yùn)動(dòng)部件：可靠性高、運(yùn)行靜音、免維護(hù)；

3. 體積緊湊：可適配狹小安裝空間；

4. 電壓電流規(guī)格豐富：無需外接市電即可獨(dú)立供電，適合野外、偏遠(yuǎn)場景，可替代電池供電系統(tǒng)。

TEG 模塊應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

1. 依賴環(huán)境溫差：必須具備穩(wěn)定冷熱端溫差才能達(dá)到額定輸出，適用場景受限；

2. 能量轉(zhuǎn)換效率偏低：相比其他發(fā)電方式效率不高，平均約 10% 左右。

TEG 重要參數(shù)規(guī)格與性能曲線

將 TEG 集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需關(guān)注影響性能的關(guān)鍵參數(shù)。

冷熱端溫差記作 ΔT，是 TEG 發(fā)電的核心條件，但規(guī)格書一般不會(huì)直接標(biāo)注 ΔT。廠商通常給出 Tmax（最高安全工作溫度），而非最佳工作工況。

選型評(píng)估需重點(diǎn)關(guān)注這些電氣參數(shù)：

開路電壓、匹配負(fù)載輸出電壓、匹配負(fù)載電流、匹配負(fù)載功率、匹配負(fù)載內(nèi)阻。

這些參數(shù)能直觀反映 TEG 在匹配冷熱負(fù)載下的實(shí)際輸出表現(xiàn)。

TEG 性能曲線以熱端溫度、冷端溫度為變量，繪制各類電氣參數(shù)變化曲線，作用包括：

確定最佳工作點(diǎn)、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、橫向?qū)Ρ炔煌?TEG 型號(hào)、排查系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。

常用核心性能曲線（Th 代表熱端溫度）：

• 開路電壓 — 熱端溫度曲線：無負(fù)載時(shí)最大輸出電壓，帶載后電壓會(huì)下降；

• 匹配負(fù)載內(nèi)阻 — 熱端溫度曲線：不同溫差下 TEG 等效內(nèi)阻；

• 匹配負(fù)載電壓 — 熱端溫度曲線：額定匹配負(fù)載下的輸出電壓；

• 匹配負(fù)載電流 — 熱端溫度曲線：額定匹配負(fù)載下的輸出電流；

• 匹配負(fù)載功率 — 熱端溫度曲線：額定輸出功率。

電壓、電流、功率三者遵循歐姆定律，已知任意兩項(xiàng)即可算出第三項(xiàng)。

配圖：TEG 熱端結(jié)溫與電氣參數(shù)關(guān)系性能曲線示例

性能曲線峰值功率點(diǎn)，通常對(duì)應(yīng)最佳匹配負(fù)載電阻；效率曲線則反映轉(zhuǎn)換效率隨溫差、負(fù)載電阻的變化規(guī)律。

曲線圖 X 軸為熱端溫度，多條曲線代表不同冷端溫度；Y 軸為對(duì)應(yīng)電氣性能指標(biāo)。

如何根據(jù)應(yīng)用選型熱電發(fā)生器

選型步驟：

1. 先確定應(yīng)用場景中 TEG 的冷端溫度 Tc與熱端溫度 Th；

2. 對(duì)照規(guī)格書中匹配負(fù)載電壓、電流、功率曲線，核算實(shí)際輸出能力。

選型示例

以 Same Sky SPG176-56 熱電模塊為例：

冷端 Tc = 30℃，熱端 Th = 200℃，計(jì)算輸出參數(shù)。

步驟 1：查匹配負(fù)載電壓曲線

橫軸找到 200℃，垂直向上與 Tc=30℃曲線相交，水平對(duì)應(yīng)縱軸電壓：5.9 V。

步驟 2：查匹配負(fù)載電流曲線

同方法讀出輸出電流：1.553 A。

步驟 3：由歐姆定律計(jì)算輸出功率

輸出功率 ≈ 9.16 W，也可直接對(duì)照功率曲線驗(yàn)證。

步驟 4：查匹配負(fù)載內(nèi)阻曲線

同工況下模塊等效內(nèi)阻約 3.8 Ω。

TEG 完全遵循歐姆定律，參數(shù)呈線性關(guān)系，可通過任意曲線組合核算輸出性能。

以上為標(biāo)準(zhǔn)工況簡易選型；若溫差非理想、負(fù)載不匹配，需依靠性能曲線確定實(shí)際工作性能與邊界條件。

若所需冷端溫度不在現(xiàn)有曲線檔位，可采用插值法估算。

熱電發(fā)生器的適用場景

凡是需要偏遠(yuǎn)獨(dú)立供電或廢熱回收增效的場景，均可使用 TEG。

產(chǎn)品分為大功率型與微型型：

• 大型 TEG：輸出幾瓦至數(shù)百瓦，多用于工業(yè)場景；

• 微型 TEG：輸出毫瓦至數(shù)瓦，適配低功耗設(shè)備。

典型應(yīng)用：

• 消費(fèi)級(jí)低功耗設(shè)備（可穿戴電子）

• 太空探測器與航空航天

• 工業(yè)廢熱回收

• 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

• 物聯(lián)網(wǎng)傳感器

• 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱能回收

• 工業(yè)電子設(shè)備

• 暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）

• 醫(yī)療健康監(jiān)測設(shè)備

• 軍用裝備系統(tǒng)

• 科學(xué)儀器

• 通信基站設(shè)備

總結(jié)

熱電發(fā)生器模塊利用熱電效應(yīng)，依靠器件兩端溫差產(chǎn)生可用電能。與熱電制冷器類似，只要工況匹配，就能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定工作。

TEG 擁有豐富的輸出功率與效率規(guī)格，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備便攜供電、野外離線供電、工業(yè)廢熱回收，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)增值。

如需器件選型，可查看 Same Sky 全系列熱電發(fā)生器模塊，覆蓋多種尺寸與功率等級(jí)。

核心要點(diǎn)

1. 熱電發(fā)電基于塞貝克效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能；

2. TEG 為全固態(tài)無運(yùn)動(dòng)部件器件，依靠溫差發(fā)電；

3. TEG 利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電，TEC 利用珀?duì)柼?yīng)制冷；

4. TEG 可回收廢熱、靜音免維護(hù)，適合偏遠(yuǎn)離網(wǎng)供電場景；

5. TEG 依賴穩(wěn)定溫差，常規(guī)能量轉(zhuǎn)換效率約 10%；

6. 關(guān)鍵參數(shù)：最高工作溫度 Tmax、匹配負(fù)載電壓 / 電流 / 功率 / 內(nèi)阻；

7. 性能曲線是匹配工況、選型設(shè)計(jì)、參數(shù)核算的重要依據(jù)；

8. 典型應(yīng)用：可穿戴設(shè)備、航空航天、工業(yè)余熱回收、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、醫(yī)療設(shè)備、車載系統(tǒng)等。