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在能源轉型與可持續發展的全球議題下，溫差發電技術正悄然掀起一場靜默的能源革命。基于塞貝克效應的溫差發電器件，能夠直接將工業廢熱、地熱甚至人體溫差轉化為清潔電能，溫差發電究竟是什么原理？接下來為您解鎖未來高效能源轉換新的路徑。
溫差發電（TEG）原理
早在1821年，德國科學家塞貝克（Seebeck）報導了一個有趣的實驗現象：當把一個由兩種不同導體構成的閉合回路置于指南針附近時，若對該回路的其中一個接頭加熱，指南針就會發生偏轉。后來，這種現象被稱為塞貝克效應，也稱為熱電第一效應。指南針的偏轉是由于溫差使回路產生電流引起的，這也是溫差發電的基礎。
溫差發電器件
對于單種材料，當冷熱端溫差較小的時候，其兩端的電勢差與溫差成正比，這個比例系數便是塞貝克系數（常用符號S代替，較早前的文章中也會用α），常用單位為μV/K。
然而，絕大多數金屬材料的塞貝克系數很小，小于10μV/K。因此，相應的發電效率不可能超過0.6%，有些甚至只有0.1%左右。可見，利用金屬材料進行溫差發電是不經濟的。隨著固體物理學的發展，尤其是半導體物理的發展，發現半導體材料的塞貝克系數可高于100μV/K。因此，現在都是用半導體材料制作溫差發電的器件，如下圖1所示。
圖1 半導體材料制備的溫差發電器件原理圖
產生塞貝克效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如P型半導體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴散；在開路情況下，就在P型半導體的兩端形成空間電荷（熱端有負電荷，冷端有正電荷）。N型半導體正好相反，熱端有正電荷，冷端有負電荷。同時在N，P半導體內部出現電場。當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩定狀態。在N，P半導體的兩端就出現了由于溫度梯度所引起的電動勢——溫差電動勢。
溫差電動勢用V0表示，V0可用如下的公式進行計算。
V0=SNP(Th-Tc)。
其中，V0是輸出電壓，單位是V；
SNP代表兩種材料的塞貝克系數之差，單位是μV/K；
Th和Tc分別表示熱電偶的熱端和冷端溫度，單位是K。
當N和P的材料固定后，SNP就是常數。由公式可知，Th-Tc越大，即溫差值越大，產生的溫差電動勢就越大，發電量就越大。
溫差發電器件的應用
溫差發電器件，是一種靜態的全固體器件，沒有運動部件，體積小、壽命長，工作時無噪聲，而且無須維護。
溫差發電器件可作為深空深海特種電源使用。對用于遙遠的太空探測器來講，放射性同位素供熱的溫差發電器是目前的供電系統。利用溫差電技術, 一枚硬幣大小的放射性同位素熱源能夠提供長達二十年以上的連續不斷的電能, 這是其它任何一種能源技術所不能比擬的。NASA最新Perseverance火星車搭載的MMRTG（多任務放射性同位素熱電發電機）：采用238Pu熱源與碲化鉍基熱電器件，持續輸出功率110W，設計壽命14年， 為科學儀器、通信系統提供不間斷電源。
放射性同位素發電機除了在航天領域發揮重要作用外, 海jun是其第二大用戶. 早在20世紀80年代初, 美國就完成了500~1000Wjun用溫差發電機的研制, 并于80年代末正式列入部隊裝備. 其最大的優點是無聲音、無振動、隱蔽, 在潛艇、遠程信號傳輸等方面具有重要應用. 將溫差發電機放在深海中為無線電信號轉發系統供電。
單兵裝備的人體能量回收系統可以采用溫差發電電源，驅動低功耗小型電子設備。滿足lu軍對電源系統的特殊要求——輕便、靈活、充電方便等, 從1999年開始, 美國能源部啟動了“能源收獲科學與技術項目”. 研究利用溫差發電模塊, 將士兵的體熱收集起來用于電池充電。另外，可穿戴能源系統采用柔性TEG器件為智能手表等設備提供持續輔助供電，比如：采用Bi2Te3納米線陣列結構，利用人體溫差（ΔT=5K）下可輸出功率密度達30μW/cm²。
圖3 溫差發電器件用于單兵電源
最近, 由于化石能源數量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進行發電對解決環境和能源問題的重要性。例如普通家用轎車以常速行駛時的能量損失就達20~30 kW. 科學家們一直在努力將溫差電技術應用于環保型汽車, 利用汽車尾氣的廢熱以及發動機的余熱為汽車提供輔助電源. 這樣, 不僅可以大大提高汽車的綜合性能, 降低發動機能耗, 同時還可以減少尾氣中污染物的排放量, 一舉三得。寶馬集團開發的汽車尾氣熱電回收裝置，集成了320組Bi2Te3/PbTe復合模塊，在800℃排氣溫度下可回收2.5kW電能，降低燃油消耗8-12%，減排CO?量15g/km。
圖4 溫差發電器件用于汽車余熱回收
在前沿技術發展方向，材料體系創新上也有應用。例如：拓撲絕緣體熱電超晶格（MIT, 2023），是麻省理工學院團隊設計出的Bi?Te?/Sb?Te?超晶格結構，通過界面聲子散射將熱導率降低至0.8 W/mK，塞貝克系數提升至320 μV/K（比傳統材料提高40%，在ΔT=100K時，輸出功率密度達5.2 W/cm²）。已用于國際空間站實驗艙余熱回收系統，實現17%廢熱轉換效率。
在醫療創新上，東京大學利用量子點納米線陣列（,2022），即Bi?Te?量子點嵌入硅納米線（直徑50nm，長度20μm），可以在室溫下功率因子提升至45 μW/cmK²，在人體溫差（ΔT=3K）下輸出30μW/cm²，足夠驅動醫療傳感器。又例如：MIT 把Bi?Te?/PbTe異質結薄膜（厚度200μm）植入心臟起搏器（動物實驗階段），利用體核-皮下ΔT=2.5K持續輸出60μW。在豬體實驗中實現連續9個月穩定供電，輸出電壓波動＜±3%。在醫療商業應用上，輝瑞疫苗冷鏈監測系統，集成TEG模塊的溫感標簽（工作范圍-70℃~+50℃）。利用貨艙內外ΔT發電并驅動LoRa通信模塊，電池壽命延長至傳統方案的6倍，在2023年非洲脊灰疫苗運輸中實現100%溫度合規率。
在系統集成創新上，典型的如：光伏-熱電混合系統（加州理工學院, 2024）。他們把鈣鈦礦太陽能電池+Bi?Te?基TEG模塊堆疊，日光照射時光伏效率21.3% ，夜間利用輻射冷卻產生ΔT=15K，輸出功率密度0.8 W/m²。綜合效率：24小時能量捕獲效率達15.7%，已應用于迪拜智慧城市路燈系統。
在新型基礎設施上，如：中俄東線天然氣管道陰極保護（2025實施）。方案是每20km部署碲化鉛基TEG模塊陣列，利用地表-埋深處ΔT=35K持續輸出48W，配合超級電容實現全年無間斷供電，較傳統太陽能方案維護成本降低73%。又例如：馬里亞納海溝觀測網（日本JAMSTEG, 2026）是利用深海熱泉（350℃）與海水（2℃）的ΔT ，采用模塊化Skutterudites熱電單元串聯。單站輸出功率1.2kW，滿足高清視頻傳輸需求，連續運行18個月無性能衰減。
在智慧農業上，荷蘭瓦赫寧根大學植物工廠（2024），采用垂直農場鋼架結構嵌入柔性TEG薄膜（ΔT=土壤28℃-空氣18℃）。每平方米日發電量0.35kWh，為環境傳感器、自動噴淋系統供電，降低設施農業能耗成本41%。
技術演進顯示，現代TEG器件通過材料創新和系統優化，已突破傳統效率限制。在可再生能源、工業節能、特種供電等領域展現出優勢。隨著納米技術和柔性電子技術的進步，溫差發電技術正向著高效率、微型化、智能化的方向快速發展，這將是未來高效能源轉換新路徑！基于熱電能量轉換原理，聯合光科推出了數款溫差發電器件和熱電制冷器件，歡迎大家咨詢！
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