在能源转型与可持续发展的全球议题下， 温差发电技术正悄然掀起一场静默的能源革命。基于塞贝克效应的温差发电器件，能够直接将工业废热、地热甚至人体温差转化为清洁电能，温差发电究竟是什么原理？接下来为您解锁未来高效能源转换新的路径。
早在1821年，德国科学家塞贝克（Seebeck）报导了一个有趣的实验现象：当把一个由两种不同导体构成的闭合回路置于指南针附近时，若对该回路的其中一个接头加热，指南针就会发生偏转。后来，这种现象被称为塞贝克效应，也称为热电第一效应。指南针的偏转是由于温差使回路产生电流引起的，这也是温差发电的基础。 温差发电器件 对于单种材料，当冷热端温差较小的时候，其两端的电势差与温差成正比，这个比例系数便是塞贝克系数（常用符号S代替，较早前的文章中也会用α），常用单位为μV/K。 然而，绝大多数金属材料的塞贝克系数很小，小于10μV/K。因此，相应的发电效率不可能超过0.6%，有些甚至只有0.1%左右。可见，利用金属材料进行温差发电是不经济的。随着固体物理学的发展，尤其是半导体物理的发展，发现半导体材料的塞贝克系数可高于100μV/K。因此，现在都是用半导体材料制作温差发电的器件，如下图1所示。
温差发电原理
图1 半导体材料制备的温差发电器件原理图
产生塞贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如P型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在P型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷）。N型半导体正好相反，热端有正电荷，冷端有负电荷。同时在N，P半导体内部出现电场。当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态。在N，P半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。 温差电动势用V0表示，V0可用如下的公式进行计算。 V0=SNP(Th-Tc)。 其中，V0是输出电压，单位是V； SNP代表两种材料的塞贝克系数之差，单位是μV/K； Th和Tc分别表示热电偶的热端和冷端温度，单位是K。 当N和P的材料固定后，SNP就是常数。由公式可知，Th-Tc越大，即温差值越大，产生的温差电动势就越大，发电量就越大。
温差发电器件的应用 温差发电器件，是一种静态的全固体器件，没有运动部件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。 温差发电器件可作为深空深海特种电源使用。对用于遥远的太空探测器来讲，放射性同位素供热的温差发电器是目前唯一的供电系统。利用温差电技术, 一枚硬币大小的放射性同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能, 这是其它任何一种能源技术所不能比拟的。NASA最新Perseverance火星车搭载的MMRTG（多任务放射性同位素热电发电机）：采用238Pu热源与碲化铋基热电器件，持续输出功率110W，设计寿命14年， 为科学仪器、通信系统提供不间断电源。 图2 温差发电器件在航天中的应用
放射性同位素发电机除了在航天领域发挥重要作用外, 海军是其第二大用户. 早在20世纪80年代初, 美国就完成了500~1000W军用温差发电机的研制, 并于80年代末正式列入部队装备. 其最大的优点是无声音、无振动、隐蔽, 在潜艇、远程信号传输等方面具有重要应用. 将温差发电机放在深海中为无线电信号转发系统供电。 单兵装备的人体能量回收系统可以采用温差发电电源，驱动低功耗小型电子设备。满足陆军对电源系统的特殊要求——轻便、灵活、充电方便等, 从1999年开始, 美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目”. 研究利用温差发电模块, 将士兵的体热收集起来用于电池充电。另外，可穿戴能源系统采用柔性TEG器件为智能手表等设备提供持续辅助供电，比如：采用Bi2Te3纳米线阵列结构，利用人体温差（ΔT=5K）下可输出功率密度达30μW/cm²。
单兵电源器件
图3 温差发电器件用于单兵电源
最近, 由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的逼近, 人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性。例如普通家用轿车以常速行驶时的能量损失就达20~30 kW. 科学家们一直在努力将温差电技术应用于环保型汽车, 利用汽车尾气的废热以及发动机的余热为汽车提供辅助电源. 这样, 不仅可以大大提高汽车的综合性能, 降低发动机能耗, 同时还可以减少尾气中污染物的排放量, 一举三得。宝马集团开发的汽车尾气热电回收装置，集成了320组Bi2Te3/PbTe复合模块，在800℃排气温度下可回收2.5kW电能，降低燃油消耗8-12%，减排CO₂量15g/km。
温差发电器件
图4 温差发电器件用于汽车余热回收
在前沿技术发展方向，材料体系创新上也有应用。例如：拓扑绝缘体热电超晶格（MIT, 2023），是麻省理工学院团队设计出的Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超晶格结构，通过界面声子散射将热导率降低至0.8 W/mK，塞贝克系数提升至320 μV/K（比传统材料提高40%，在ΔT=100K时，输出功率密度达5.2 W/cm²）。已用于国际空间站实验舱余热回收系统，实现17%废热转换效率。 在医疗创新上，东京大学利用量子点纳米线阵列（,2022），即Bi₂Te₃量子点嵌入硅纳米线（直径50nm，长度20μm），可以在室温下功率因子提升至45 μW/cmK²，在人体温差（ΔT=3K）下输出30μW/cm²，足够驱动医疗传感器。又例如：MIT 把Bi₂Te₃/PbTe异质结薄膜（厚度200μm）植入心脏起搏器（动物实验阶段），利用体核-皮下ΔT=2.5K持续输出60μW。在猪体实验中实现连续9个月稳定供电，输出电压波动＜±3%。在医疗商业应用上，辉瑞疫苗冷链监测系统，集成TEG模块的温感标签（工作范围-70℃~+50℃）。利用货舱内外ΔT发电并驱动LoRa通信模块，电池寿命延长至传统方案的6倍，在2023年非洲脊灰疫苗运输中实现100%温度合规率。 在系统集成创新上，典型的如：光伏-热电混合系统（加州理工学院, 2024）。他们把钙钛矿太阳能电池+Bi₂Te₃基TEG模块堆叠，日光照射时光伏效率21.3% ，夜间利用辐射冷却产生ΔT=15K，输出功率密度0.8 W/m²。综合效率：24小时能量捕获效率达15.7%，已应用于迪拜智慧城市路灯系统。
温差发电呢和城市
图5 智慧城市示意图
在新型基础设施上，如：中俄东线天然气管道阴极保护（2025实施）。方案是每20km部署碲化铅基TEG模块阵列，利用地表-埋深处ΔT=35K持续输出48W，配合超级电容实现全年无间断供电，较传统太阳能方案维护成本降低73%。又例如：马里亚纳海沟观测网（日本JAMSTEG, 2026）是利用深海热泉（350℃）与海水（2℃）的ΔT ，采用模块化Skutterudites热电单元串联。单站输出功率1.2kW，满足高清视频传输需求，连续运行18个月无性能衰减。 在智慧农业上，荷兰瓦赫宁根大学植物工厂（2024），采用垂直农场钢架结构嵌入柔性TEG薄膜（ΔT=土壤28℃-空气18℃）。每平方米日发电量0.35kWh，为环境传感器、自动喷淋系统供电，降低设施农业能耗成本41%。
技术演进显示，现代TEG器件通过材料创新和系统优化，已突破传统效率限制。在可再生能源、工业节能、特种供电等领域展现出独特优势。随着纳米技术和柔性电子技术的进步，温差发电技术正向着高效率、微型化、智能化的方向快速发展，这将是未来高效能源转换新路径！基于热电能量转换原理，联合光科推出了数款温差发电器件和热电制冷器件，欢迎大家咨询！
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发表于 2025-4-25 15:38
