理解热电发电机：TEG 模块如何将热量转化为电能
什么是热电发电（Thermoelectric Generation）？
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。
什么是热电发电机（TEG）模块？
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。
热电发电机与热电制冷器的区别
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。
热电发电机的工作原理
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
使用 TEG 模块的优势
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。
使用 TEG 模块的挑战
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%。
TEG 的关键参数与性能曲线
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。
如何选择适用的 TEG 模块
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。
热电发电机的典型应用
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
总结
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。
关键要点（Key Takeaways）
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。
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