熱電發電機基礎知識

在物理學中，我們瞭解無法創造能量或將其消滅，只能將其改變形式。這個概念稱為能量守恆定律，因此促使工程師尋找其他方式，以將能量轉換成更有用的形式。

有個很好的例子就是熱電發電，能將熱能直接轉換成電能。這種效應最初由托馬斯·塞貝克發現，因此現在稱為塞貝克效應，已應用在熱電發電機 (TEG) 裝置中。這些固態裝置直到 20 世紀才有顯著的實際進展，首批商用版本在 1960 年代問世。從那之後，TEG 已廣泛用於多種不同類型的應用。

TEG 模組基礎知識

熱電發電模組 (通常稱為 TEG) 的運作可將溫差轉換成電壓或反向轉換。此行為稱為熱電效應，包含三個相關部分：塞貝克效應，可從溫度梯度產生電力；帕爾帖效應，當電流通過兩種不同材料時，熱量會吸收或釋放；湯姆森效應，會依據電流的方向產生或吸收熱量。

熱電技術中常見的混淆點是熱電發電機 (TEG) 與熱電冷卻器 (TEC) 之間的差異。TEG 利用塞貝克效應將熱能轉換成電能，而 TEC 則利用帕爾帖效應來達到冷卻或維持穩定溫度。兩者都仰賴類似的半導體材料，但設計上有所不同：TEG 針對高溫差與功率輸出效率而設計；TEC 則會利用陶瓷和銅等材料來達到熱傳遞的最佳化。

實務上來說，若目標是從熱能產生電能，TEG 模組會是正確的選擇。若要冷卻或穩定溫度，TEC 或帕爾帖模組則會更有效。Same Sky 有提供 TEG 模組與帕爾帖模組，因此能更輕鬆挑選適合設計需求的裝置。

在現代熱電發電機 (TEG) 中，當其熱端與冷端之間具有溫差時，就可產生電能。在模組內，會在兩塊板件間置入多對 N 型與 P 型半導體 (通常由碲化鉍製成) (圖 1)。在 N 型材料中，電子會從熱端流向冷端，而在 P 型材料中，移動則是由空穴 (無電子) 以相同方向移動所引起。這些電流共同產生電壓，且溫差越大，輸出越高。

在熱能通常會被浪費的情況下，TEG 特別有價值，例如在工業操作中有助於回收損失的能量。也可用於偏遠或極端環境中。例如，在陽光不足時，就可將來自放射性衰變的熱能轉換成電力，藉此供電給太空探測器。

圖 1：TEG 模組的一般結構。(圖片來源：Same Sky)

TEG 的優點與缺點

熱電發電模組 (TEG) 的主要優勢在於能將廢熱轉換成可用電能，有助於回收原本會流失的能量。這不僅實用，也對環境友善。

由於 TEG 屬於固態裝置，因此沒有活動零件，也就表示運作安靜、耐用且幾乎不需要維護。更採用緊湊型設計，因此能安裝在狹小空間，且具有多種電壓與電流選項，因此無需仰賴傳統電網，就可穩定提供電力。也因此，TEG 是偏遠設備的理想選擇，也可當作電池供電式系統的有效替代方案。

雖然熱電發電機 (TEG) 能提供可靠的電力來源，但仍有設計上的限制。其效能大幅取決於顯著的溫差，因此會侷限在具有熱梯度的特定應用。此外，TEG 在運作上的轉換效率較低，通常約為 10%，相比其他許多發電技術來說，只有中等水準。

TEG 的關鍵挑選條件

在將熱電發電機 (TEG) 模組整合到系統時，重要的是要考量會直接影響效能的主要規格。在運作中最關鍵的因素就是熱端與冷端之間的溫差 (通常稱為ΔT)。雖然這可決定熱電發電機 (TEG) 能產生多少功率，但規格書上並非永遠都會顯示此資訊。製造商通常會標示 Tmax，即最大安全運作溫度，這有助於界定極限，但不一定代表最佳工作條件。

其他有用的規格包括開路電壓、匹配負載電壓、電流、電阻與功率。這些數值可深入瞭解裝置在實際的熱能與電氣負載下的表現。像是 Same Sky 提供的規格書，通常就會以表格 (圖 2) 與效能曲線圖 (圖 3) 兩種形式來呈現此資訊，以便更輕易進行系統層級的設計。

圖 2：Same Sky 規格書中的 TEG 規格表。(圖片來源：Same Sky)

效能圖可描繪出電氣輸出與熱端溫度 (T_h) 以及對應冷端條件的關係。常見的效能圖包括：

• 開路電壓與 T_h 的關係 – 指出空載時的最大電壓
• 匹配負載電阻與 T_h 的關係 – 指出特定 ΔT 下的內部電阻
• 匹配負載電壓與 T_h 的關係 – 指出裝置在負載下的輸出電壓
• 匹配負載電流與 T_h 的關係 – 指出在負載下所提供的電流
• 匹配負載輸出功率與 T_h 的關係 – 指出可用的發電功率，亦可利用歐姆定律依據電壓與電流推導得出

這些圖表能讓工程師識別峰值效能點，通常會出現在最佳負載電阻時，也可瞭解在不同的熱能和電氣條件下的效率變化。研究這些圖表，設計人員就可挑選更適合應用的 TEG、比較不同的模組，或在實際系統中排解效能問題。

圖 3：典型的 TEG 效能圖，X 軸為熱端溫度，Y 軸則為冷端溫度對應的多條效能曲線以及分析的指標。(圖片來源：Same Sky)

若要挑選合適的熱電發電機 (TEG)，設計人員要先確定預期的熱端與冷端溫度。有這些數值，就可使用規格書上的匹配負載電壓、電流、功率及電阻表格來估算效能。例如，Same Sky 的 SPG176-56 模組 在 T_h=200°C 和 T_c=30°C 時，可產生約 5.9 V、1.553 A 及 9.16 W 的功率，且電阻接近 3.8 Ω。只要在效能圖 X 軸上的 T_h=200°C 處畫一條垂直線，直到與 T_c=30°C 曲線交會，就可得到這些數值。從這一點，畫一條水平線至 Y 軸，即可取得預期輸出值。同樣地，因為 TEG 遵循歐姆定律，在任何圖表組合以及功率公式的運用下，都可讓設計人員取得 TEG 的預期輸出值。

在實務上，這個過程在理想條件下相當簡單，但設計人員往往要在效能曲線之間利用插值，以調整不理想的溫差或負載不匹配情況。

結論

熱電發電機 (TEG) 對於需要遠端電力或回收能量以提升整體系統效率的應用來說非常有價值。通常有兩種形式：大型 TEG，能提供數瓦至數百瓦的功率，適用於工業用途；微型 TEG，可提供幾瓦至毫瓦的功率，可滿足較小規模的需求。目前的應用涵蓋眾多領域，包括消費性裝置，如穿戴式裝置、太空探測器與航太系統、工業廢熱回收、太陽能轉換、IoT 感測器、汽車引擎、工業電子、暖通空調設備、醫療監測裝置、軍事系統、科學儀器及電信基礎設施。

透過多樣的功率輸出與效率選項，TEG 可在系統設計中提供價值，不只能支援可攜性、遠端操作，更可能量回收。若要挑選，Same Sky 提供多種尺寸和輸出功率的 TEG 模組，能符合不同的設計要求。