热电发生器基础知识

在物理学中，我们知道能量不能被创造或毁灭，只能改变形式。这就是能量守恒定律，它促使工程师想方设法将能量转换成更有用的形式。

热发电就是一个很好的例子，可以将热量直接转化为电能。这种效应由 Thomas Seebeck 首先发现，现在称为 Seebeck 效应，已应用于称为热电发生器 (TEG) 的设备中。直到 20 世纪，这些固态器件才在实际应用中取得了很大进展，首批商用版本出现在 20 世纪 60 年代。从那时起，TEG 开始进入许多不同类型的应用领域。

TEG 模块的基础知识

热电发生器模块（通常称为 TEG）的工作原理是将温差转化为电压，反之亦然。这种特性被称为热电效应，它包括三个相关部分：1) Seebeck 效应，即通过温度梯度发电；2) Peltier 效应，即电流流过两种不同材料时吸收或释放热量；3) Thomson 效应，即根据电流方向产生或吸收热量。

热电技术中一个常见的混淆点是热电发生器 (TEG) 和热电冷却器 (TEC) 之间的差异。TEG 利用 Seebeck 效应通过热量发电，而 TEC 则利用 Peltier 效应提供冷却或保持稳定的温度。这两种效应都依赖类似的半导体材料，但设计不同：TEG 可实现高温差和高效功率输出，而 TEC 则使用陶瓷和铜等材料优化热传导。

实际上，如果目标是利用热能产生电能，那么 TEG 模块就是正确的选择。对于冷却或温度稳定，TEC 或 Peltier 模块更为有效。Same Sky 同时提供 TEG 模块和 Peltier 模块，因此更容易根据设计需要选择合适的器件。

在现代热电发生器 (TEG) 中，当冷热面之间存在温差时就会产生电能。在模块内部，多对 n 型和 p 型半导体（通常由碲化铋制成）被放置在两块板之间（图 1）。在 n 型材料中，电子从热侧流向冷侧，而在 p 型材料中，移动则是由空穴（即电子缺失）朝相同方向迁移所致。这两种流动共同产生电压，温差越大，输出电压越高。

在可能出现热量浪费的情况下，例如在工业生产中，TEG 就显得尤其有价值，因为它有助于回收损失的能量。TEG 还能在偏远或极端环境中运行。例如，阳光不足时，将放射性衰变产生的热量转化为电能，为太空探测器提供动力。

图 1：TEG 模块的常见结构。(图片来源：Same Sky）

TEG 的优缺点

热电半导体发电 (TEG) 模块的主要优势在于能够将废热转化为可用的电能，有助于捕捉原本会损失的能量。因此，TEG 模块不仅实用，而且环保。

由于 TEG 是固态设备，因此没有活动部件，这意味着这种模块没有可闻噪音、坚固耐用，且几乎不需要维护。这种模块外形小巧，可以安装在狭小的空间内，而且提供多种电压和电流，无需依赖传统电网就能提供可靠的电力。这使得 TEG 成为远程装置或替代电池系统的理想选择。

虽然热电发生器 (TEG) 提供了可靠的电力来源，但其在设计上也有局限性。这种发生器的性能在很大程度上取决于强烈的温差，因此限制了它们在某些有热梯度应用中的使用。此外，TEG 的转换效率通常较低，通常在 10%左右，这与许多其他能源发电技术相比并不高。

TEG 的主要选型标准

将热电发生器 (TEG) 模块集成到系统中时，必须考虑直接影响其性能的关键规格。发生器工作中最关键的因素是冷热面之间的温差（通常称为 ΔT）。虽然这会影响 TEG 的发电量，但数据表中并不总是这样显示。相反，制造商通常会列出 Tmax，即最高安全工作温度，这有助于确定极限条件，但不一定是最佳工作条件。

其他有用的规格包括开路电压、匹配负载电压、电流、电阻和功率。通过这些值，可以了解热电发生器在实际热负载和电气负载下的性能。在数据表中（如 Same Sky 的数据表），通常以表格（图 2）和性能图（图 3）的形式显示这些信息，使系统级设计更加容易。

图 2：Same Sky 数据表中的 TEG 规格表。（图片来源：Same Sky）

性能图显示电气输出与热侧温度（T_h）和相应冷侧条件的关系。常见的图表包括

• 开路电压与 T_h——表示无负载时的最大电压
• 匹配负载电阻与 T_h——表示给定 ΔT 时的内阻
• 匹配负载电压与 T_h——表示热电发生器带载时的输出电压
• 匹配负载电流与 T_h——表示带载时的输出电流
• 匹配负载输出功率与 T_h——表示产生的可用功率，也可使用欧姆定律由电压和电流推导得出

通过这些图表，工程师可以确定峰值性能点（通常在最佳负载电阻时），并了解效率如何随着热和电气条件的变化而变化。通过研究这些曲线图，设计人员可以更好地将 TEG 与其应用相匹配，比较不同的模块，或者为实际系统排除性能故障。

图 3：典型的 TEG 性能图，X 轴为热侧温度，多条性能曲线对应不同的冷侧温度，Y 轴表示所分析的性能指标。(图片来源：Same Sky）

要选择合适的热电发生器 (TEG)，设计人员首先要确定预期的热侧和冷侧温度。有了这些值，就可以使用数据表上的匹配负载电压、电流、功率和电阻图表来估算性能。例如，Same Sky 的 SPG176-56 模块 在 T_h=200°C 和 T_c=30°C 的条件下产生约 5.9 V、1.553 A 和 9.16 W 的功率，电阻接近 3.8 Ω。在 X 轴上从 T_h=200°C 开始画一条垂直线，直到与 T_h=30°C 曲线相交，就可以从每个性能图中收集到这些值。从该点开始，在 Y 轴上画一条水平线，可以收集到预期输出值。同样，由于 TEG 遵循欧姆定律，设计人员可以用任何图表组合和功率公式就能获得 TEG 的预期输出。

实际上，在理想条件下，这一过程非常简单，但设计人员往往需要利用性能曲线之间的插值来调整不完美的温差或负载失配。

结语

热电发生器 (TEG) 在需要远程供电或回收能量以提高整体系统效率的应用中非常有价值。热电发生器通常有两种形式：一种是大型 TEG，能够提供几瓦到几百瓦的功率，适用于工业领域；另一种是微型 TEG，能够提供几毫瓦到几瓦的功率，适用于满足较小规模需求。TEG 目前的应用领域十分广泛，包括可穿戴设备等消费类设备、空间探测器和航空航天系统、工业废热回收、太阳能转换、物联网传感器、汽车发动机、工业电子产品、暖通空调设备、医疗监控设备、军事系统、科学仪器和电信基础设施。

TEG 有多种输出功率和效率可供选择，通过支持便携性、远程操作以及能量回收，为系统设计创造重要价值。在选择方面，Same Sky 提供各种尺寸和额定输出功率的 TEG 模块，以满足不同的设计要求。