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節能、減碳又減廢─固態熱電發電技術

2014/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 512

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▎撰文/張心紜  ▎資料、圖片提供/工研院綠能所﹑達志影像

串聯兩種材料、給予一個溫度差就能發電?固態熱電發電技術,為廢棄熱能找到了用武之地。

我們的寶島擁有許許多多得天獨厚的優勢,卻也有個永遠也擺脫不了的先天缺陷─缺乏自產能源。

如果完全不仰賴進口能源,在現階段再生能源還無法穩定供應的情況下,即使再努力發展再生能源、從大自然榨取再多能量,也不可能滿足我國的能源需求。當電力成為經濟體發展時最重要的能源使用型態,為免遇到突如其來的電力缺口,如何將能源使用澈底發揮至最佳效益成為當務之急,能將浪費掉的熱能重新轉換成可用電力的固態熱電技術的出現,無疑帶來了一線曙光。

利用溫度差,熱能變電能

簡單來說,固態熱電是一種直接在固體材料(熱電材料)上作熱能與電能轉換的技術。1823 年,德國人塞貝克(Seebeck)觀察到當兩個不同種類的金屬相接連,且接連處兩端的溫度不一樣時,會引起兩種物質間的電壓差,因而出現電流,若將之置放於指北針附近,指針則會發生偏轉,這種現象後來被稱為塞貝克效應(Seebeck Effect),也是現今溫差發電的應用原理。

當熱電材料的導電率愈高、熱導率(直接傳導熱量的能力)愈低,熱電轉換的效率就愈好。然而,一般材料導電與導熱的好壞趨勢是相同的,也就是導電率較高的材料,通常傳導熱量的能力也較強,直到20 世紀中葉,半導體材料被發現有調和這兩種性能的機會─在熱導率很低的情況下,仍能維持一定的導電率,熱電轉換的性能於是才得以提升,並開始突顯在部分領域中的應用價值。

現在一般使用上會將稱為正(p)型和負(n)型的兩種半導體熱電材料串聯在一起,並在材料兩側給予一個溫度差。就像水往低處流的道理,當熱電材料本身存在溫度差時,部分在熱端的電子便會想方設法地朝冷端的方向移動,以達到學理上的穩定,這種電子移動的現象再搭配上電路設計,便能取得可用的電力。

俗話說「團結力量大」,單一對熱電材料能夠轉換的電能其實有限,如果想獲得足夠的發電功率,就必須將多對熱電材料串聯成「熱電模組」,若再將許多個熱電模組串接起來,就能形成一個可以驅動冷氣機、具有瓩規模的「熱電發電系統」。

廢熱不廢,小兵立大功

在我們的產業與生活周遭,有許多分散的熱源,當這些熱源的溫度低到某個水準(例如攝氏200 度以內)時,通常就會被拋棄,然而,這些被視為廢棄物的熱源加總起來,卻擁有相當可觀的能量。以工業廢熱來說,我國每年無法有效回收的低溫廢熱量(攝氏400 度以下,已經過一次回收程序或無法再回收而排放者)約有8,500 千公秉油當量,相當於880 億度電以上的能量。因此,若能透過固態熱電技術將過去被丟棄的熱源取回再利用,即使只取回百分之1,對節約能源也將有非常大的助益。

看好固態熱電的發展,中鋼、台泥及部分石化廠已陸續投入這個新興的節能領域,其中中鋼自民國98 年起即在加熱爐壁進行回收測試,未來全面應用後更預估可直接減廢95G 大卡/年,產電1.1億度,相當於減少14 萬噸二氧化碳的排放量(減廢加產電),約等於185 座大安森林公園的二氧化碳吸附量。

固態熱電發電系統不需流體或機械運作,能24 小時連續運轉,還具備壽命長、低噪音、無排放污染、穩定性高且維修成本低等優點,近年來隨著熱 電轉換技術的不斷提升,加上環保意識的高漲,這種進一步將大量廢熱回收轉為電能的方式,已獲得了許多先進國家的重視。

以鄰近國家日本為例,JEF 鋼鐵公司即利用熱電發電技術將廠中的鋼胚廢熱轉換成電能。2013 年,JEF 鋼鐵公司完成煉鐵廠內建置10 瓩固態熱電發電系統驗證,使用的熱電模組輸出密度達1 W /cm²(瓦特/平方公分),獲得的電力由直流轉成交流電後,併入已有的配電線在廠內使用,另可配合製程特性全天候連續發電,未來的目標是實現100 瓩級的系統實用化。

東芝(Toshiba)公司亦於草津溫泉和垃圾處理廠建立起熱電示範系統,在攝氏130 度以下,該系統的發電效率為百分之3.6。京都垃圾焚化廠則採用松下電器(Panasonic)公司研發出的一種有別於傳統的管型熱電模組(此種熱電管每隻可發2.5瓦的電力),利用焚化廠廢熱所製造出的熱水進行發電。

幫家電節能,節能率可達10%

固態熱電材料除了可藉由兩側的溫度差來產生電力,通入電流後亦可在兩側造成溫度差,做為冷卻(致冷)或加熱之用。

在熱電技術應用於製冷、製熱方面,工研院目前開發出的熱電熱泵飲水系統,以熱電模組取代壓縮機進行溫度控制,可以將體積縮小至0.05 立方公尺,重量小於8 公斤,加熱之節能功率較傳統飲水機提升百分之10 到20,且低溫段水溫可低於攝氏5 度,已具備多功能式飲水系統的基本功能。此項技術已技轉國內廠商,預計2 到3 年內將上市銷售。

住商飲水機每年的平均耗電量約為500 至700 度,若以目前預估的數據來看,無壓縮機式熱電熱泵飲水機節能率最高可達百分之10 左右,因此每臺飲水機理想上應可節能50 到70 度電。未來廠商若能在第1 年即達到5,000 臺的銷售量,節電量將可達到25 到35 萬度電,年減二氧化碳量約150 至220 公噸。

當全球吹起節能減碳的風潮,且對電力的需求日益增加,能將廢棄熱能再次利用、降低工廠對電網用電依賴的固態熱電技術,方興未艾。


關鍵字:固態熱電系統,工研院,塞貝克效應

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