什么是熱電發電

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

熱電發電便是其中一種方式：將熱能直接轉換成電能。該現象由托馬斯?塞貝克首次發現，這種熱能直接生電的物理效應被稱為塞貝克效應，如今已在熱電發生器（TEG） 這類固態器件中實現商用落地。

TEG 相關技術直到 20 世紀才開始快速發展，首款商用產品于 1960 年問世。如今，TEG 已廣泛應用于各行各業。

什么是熱電發生器（TEG）模塊

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

熱電效應包含三種關聯物理現象：

1. 塞貝克效應：兩種不同材料存在溫度梯度時產生電能；

2. 珀爾帖效應：電流流經兩種金屬結點時，結點會產生吸熱或放熱現象；

3. 湯姆遜效應：依據電流流向，材料自身產生吸熱或放熱。

熱電發生器與熱電制冷器有何區別

熱電技術中最容易混淆的概念：

TEG 熱電發生器利用塞貝克效應；

TEC 熱電制冷器利用珀爾帖效應。

二者原理相近、用途不同：一個用于發電，一個用于固態制冷。

兩類器件結構設計有差異，但所用基礎材料相近（均為摻雜半導體）。

材料雖相近，但設計定位完全不同：

• TEG：針對大溫差、高能效設計，核心目標是最大化輸出功率；

• TEC：以優化吸熱與散熱為目標，常采用特種陶瓷與銅材提升制冷效率。

想深入了解珀爾帖制冷片，可閱讀我們專題文章《如何選型珀爾帖模塊》。

簡單區分：

若要利用熱能發電，選 TEG 模塊；

若要主動制冷、恒溫控溫，選 TEC / 珀爾帖模塊。

熱電發生器的工作原理

現代熱電發生器中，半導體冷熱兩端存在溫差時，載流子（電子） 會從熱端向冷端移動。

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

• N 型半導體：電子由熱端流向冷端；

• P 型半導體：空穴（電子缺失）同樣由熱端流向冷端。

載流子定向流動形成電勢差（電壓），進而輸出可用電流，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場景，在太陽能不足時，利用放射性衰變產生的熱能發電。

配圖說明：熱電發生器由 N 型與 P 型半導體構成，溫差下產生電壓；內部采用 N 型、P 型交替排布結構。

TEG 模塊發電的優勢

1. 廢熱回收利用：把廢棄熱能轉化為電能，節能環保、提升系統能效；

2. 全固態無運動部件：可靠性高、運行靜音、免維護；

3. 體積緊湊：可適配狹小安裝空間；

4. 電壓電流規格豐富：無需外接市電即可獨立供電，適合野外、偏遠場景，可替代電池供電系統。

TEG 模塊應用面臨的挑戰

1. 依賴環境溫差：必須具備穩定冷熱端溫差才能達到額定輸出，適用場景受限；

2. 能量轉換效率偏低：相比其他發電方式效率不高，平均約 10% 左右。

TEG 重要參數規格與性能曲線

將 TEG 集成到系統設計時，需關注影響性能的關鍵參數。

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

選型評估需重點關注這些電氣參數：

開路電壓、匹配負載輸出電壓、匹配負載電流、匹配負載功率、匹配負載內阻。

這些參數能直觀反映 TEG 在匹配冷熱負載下的實際輸出表現。

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

確定最佳工作點、優化系統設計、橫向對比不同 TEG 型號、排查系統設計問題。

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：無負載時最大輸出電壓，帶載后電壓會下降；

• 匹配負載內阻 — 熱端溫度曲線：不同溫差下 TEG 等效內阻；

• 匹配負載電壓 — 熱端溫度曲線：額定匹配負載下的輸出電壓；

• 匹配負載電流 — 熱端溫度曲線：額定匹配負載下的輸出電流；

• 匹配負載功率 — 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，已知任意兩項即可算出第三項。

配圖：TEG 熱端結溫與電氣參數關系性能曲線示例

性能曲線峰值功率點，通常對應最佳匹配負載電阻；效率曲線則反映轉換效率隨溫差、負載電阻的變化規律。

曲線圖 X 軸為熱端溫度，多條曲線代表不同冷端溫度；Y 軸為對應電氣性能指標。

如何根據應用選型熱電發生器

選型步驟：

1. 先確定應用場景中 TEG 的冷端溫度 Tc與熱端溫度 Th；

2. 對照規格書中匹配負載電壓、電流、功率曲線，核算實際輸出能力。

選型示例

以 Same Sky SPG176-56 熱電模塊為例：

冷端 Tc = 30℃，熱端 Th = 200℃，計算輸出參數。

步驟 1：查匹配負載電壓曲線

橫軸找到 200℃，垂直向上與 Tc=30℃曲線相交，水平對應縱軸電壓：5.9 V。

步驟 2：查匹配負載電流曲線

同方法讀出輸出電流：1.553 A。

步驟 3：由歐姆定律計算輸出功率

輸出功率 ≈ 9.16 W，也可直接對照功率曲線驗證。

步驟 4：查匹配負載內阻曲線

同工況下模塊等效內阻約 3.8 Ω。

TEG 完全遵循歐姆定律，參數呈線性關系，可通過任意曲線組合核算輸出性能。

以上為標準工況簡易選型；若溫差非理想、負載不匹配，需依靠性能曲線確定實際工作性能與邊界條件。

若所需冷端溫度不在現有曲線檔位，可采用插值法估算。

熱電發生器的適用場景

凡是需要偏遠獨立供電或廢熱回收增效的場景，均可使用 TEG。

產品分為大功率型與微型型：

• 大型 TEG：輸出幾瓦至數百瓦，多用于工業場景；

• 微型 TEG：輸出毫瓦至數瓦，適配低功耗設備。

典型應用：

• 消費級低功耗設備（可穿戴電子）

• 太空探測器與航空航天

• 工業廢熱回收

• 太陽能發電系統

• 物聯網傳感器

• 汽車發動機熱能回收

• 工業電子設備

• 暖通空調系統（HVAC）

• 醫療健康監測設備

• 軍用裝備系統

• 科學儀器

• 通信基站設備

總結

熱電發生器模塊利用熱電效應，依靠器件兩端溫差產生可用電能。與熱電制冷器類似，只要工況匹配，就能實現高效穩定工作。

TEG 擁有豐富的輸出功率與效率規格，可實現設備便攜供電、野外離線供電、工業廢熱回收，為產品設計增值。

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

核心要點

1. 熱電發電基于塞貝克效應，直接將熱能轉換為電能；

2. TEG 為全固態無運動部件器件，依靠溫差發電；

3. TEG 利用塞貝克效應發電，TEC 利用珀爾帖效應制冷；

4. TEG 可回收廢熱、靜音免維護，適合偏遠離網供電場景；

5. TEG 依賴穩定溫差，常規能量轉換效率約 10%；

6. 關鍵參數：最高工作溫度 Tmax、匹配負載電壓 / 電流 / 功率 / 內阻；

7. 性能曲線是匹配工況、選型設計、參數核算的重要依據；

8. 典型應用：可穿戴設備、航空航天、工業余熱回收、物聯網傳感器、醫療設備、車載系統等。