理解热电发电机：TEG 模块如何将热量转化为电能

在物理学的基本课程中我们学习到，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，但它可以在不同形式之间进行转化。自从能量守恒定律（即热力学第一定律）被提出以来，工程师们便不断尝试将能量转化为更加实用的形式。

热电发电（Thermoelectric Generation）正是其中一种方式，它通过将热能直接转化为电能来实现能量的再利用。这一现象最早由物理学家托马斯·塞贝克（Thomas Seebeck）发现，即所谓的 塞贝克效应（Seebeck Effect）。该效应在现代固态器件中得到了工程化应用，这类器件被称为 热电发电机（Thermoelectric Generator，TEG）。不过，TEG 技术直到 20 世纪才取得实质性进展，首批商业化应用诞生于 1960 年。时至今日，TEG 已在多种应用场景中得以普遍使用。

热电发电机模块（Thermoelectric Generator Modules，简称 TEG Modules 或 TEGs），是一种利用 热电效应（Thermoelectric Effect） 的固态器件。所谓热电效应，指的是温度差与电压之间的直接转化关系，包括以下三个相关现象：

• 塞贝克效应（Seebeck Effect）：两种不同材料的接点在温度梯度作用下产生电压；

• 珀尔帖效应（Peltier Effect）：当电流通过两种不同金属的接点时，该处会吸收或释放热量；

• 汤姆逊效应（Thomson Effect）：导体内部沿温度梯度流动的电流，会因方向不同而导致热量的吸收或释放。

在热电技术中，一个常见的混淆点是 热电发电机（TEG） 与 热电制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC） 的不同。

• TEG：基于 塞贝克效应，主要用于电能的产生；

• TEC：基于 珀尔帖效应，主要用于制冷与温控。

两者虽然在结构材料上相似（通常为掺杂半导体），但在设计优化目标上却有所差异：

• TEG 强调在较大温差下实现能量转换效率最大化，目标是获取尽可能高的功率输出；

• TEC 则强调高效的吸热与散热，通常采用高导热陶瓷与铜来提升散热效率。

因此，如果设计目标是 将热能转化为电能，应选用 TEG；若设计目标是 主动制冷或温度稳定，则应选用 TEC（即珀尔帖模块）。Same Sky 公司同时提供这两类模块以满足不同应用需求。

在现代 TEG 中，半导体材料冷热两侧的温度差会导致载流子（电荷载体）迁移：

• 在 n 型半导体中，电子由热端迁移至冷端；

• 在 p 型半导体中，空穴（缺失的电子态）同样由热端迁移至冷端。

这些 n 型与 p 型半导体对（常见材料为 碲化铋 Bi₂Te₃）被夹在冷热极板之间，构成 TEG 模块。电子与空穴的定向迁移在两端形成电势差（电压），外部负载即可获取有用电流。该电压与温度差（ΔT）成正比。

典型应用包括：

• 工业废热回收（提升能源利用效率）；

• 深空探测器（在太阳能不足时，利用放射性衰变产生的热量供电）。

图片位置：TEG 模块由交替排列的 n 型与 p 型半导体对组成的结构示意图

• 能量回收：利用本应浪费的余热，实现能源再利用，具有环保意义；

• 固态可靠性：无机械运动部件，安静、稳定、免维护；

• 体积小巧：适合嵌入紧凑设计空间；

• 多样化选择：可提供不同电压与电流规格，支持远程或离网供电场景，甚至替代电池系统。

• 依赖温差：必须存在足够大的环境温度梯度才能输出所需功率，因此适用场景有限；

• 转换效率低：相较其他发电方式，热电发电的效率普遍偏低，平均约为 10%。

在系统设计中，必须关注以下关键参数：

• Tmax（最高工作温度）：表示器件可承受的最大温度，但并非最佳工作点；

• 开路电压（Voc）：无负载时的电压输出；

• 匹配负载输出电压、电流、功率：在与最佳负载匹配时的实际输出特性；

• 匹配负载电阻：对应峰值功率时的等效电阻。

图片位置：Same Sky TEG 规格表示例

常见性能曲线：

开路电压 vs. 热端温度（Th）

匹配负载电阻 vs. Th

匹配负载电压 vs. Th

匹配负载电流 vs. Th

匹配负载功率 vs. Th

图片位置：Same Sky TEG 性能曲线示例图表

这些曲线帮助设计人员：

• 找到最佳工作点；

• 评估不同模块的性能差异；

• 在非理想条件下进行系统优化或故障诊断。

设计流程通常包括以下步骤：

确定系统的 冷端温度（Tc） 与 热端温度（Th）；

使用性能曲线查找相应条件下的电压、电流与功率输出；

校验电阻与负载匹配情况。

实例：

模块：Same Sky SPG176-56

条件：Tc = 30°C，Th = 200°C

• 电压输出 ≈ 5.9 V

  

• 电流输出 ≈ 1.553 A

  

• 功率输出 ≈ 9.16 W

  

• 等效电阻 ≈ 3.8 Ω

说明：若温差或负载阻抗不理想，可通过曲线进行插值或估算。

TEG 按功率等级分为：

• 大功率 TEG（数瓦至数百瓦）：工业用电；

• 微型 TEG（数毫瓦至数瓦）：低功耗电子设备。

常见应用包括：

• 可穿戴电子与消费电子

• 航空航天与深空探测

• 工业余热回收

• 光伏辅助发电

• 物联网传感器（IoT）

• 汽车发动机能量回收

• 工业电子设备

• HVAC 暖通系统

• 医疗健康监测

• 军事装备

• 科研仪器

• 通信系统

热电发电机（TEG）模块通过热电效应将温差转化为电能。

它们与热电制冷器（TEC）虽属同类器件，但目标功能不同。

TEG 在适配良好的场景下可提供稳定、可靠的能源补充，具备环保、紧凑和免维护等优势。

• 热电发电基于 塞贝克效应，实现热能到电能的直接转换；

• TEG 模块为固态器件，无运动部件，依靠温差产生电能；

• TEG 用于发电，TEC 用于制冷；

• TEG 可实现废热回收，运行安静可靠，免维护，适合远程与离网应用；

• TEG 转换效率约 10%，依赖较大温差；

• 关键参数包括 Tmax、匹配负载电压、电流、功率、电阻；

• 性能曲线是选择与优化 TEG 的关键工具；

• 应用涵盖 可穿戴设备、航天、工业余热、IoT、医疗、汽车 等领域。