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神奇的熱電材料——利用溫差的熱電發電技術

2004/04/05 經濟部能源局 點閱人次: 960

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▓撰文:黃志誠、張學明

在生活四周有許多耗費能源所生成、卻又被廢棄的熱能,例如:汽車燃燒後排氣、工廠加熱後又將廢熱排放等等。如果能將這些熱能善加利用,即可成為再次使用的能源,而熱電材料與技術,就是利用溫差來發電的關鍵。

現在市面上有一種移動型冰箱,使用於旅行郊遊時冰凍飲料及食品保存等。這種冰箱的特色除了方便攜帶外,它並不使用壓縮機,沒有噪音,天氣冷時還可搖身一變成為保溫器,喝熱騰騰的湯汁。隱身在這種冰箱後的核心技術,就是裡面的熱電材料(thermoelectric)。

熱電材料的應用很神奇,它通入電流之後會產生冷熱兩端,故可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時在兩端接觸不同溫度時,則會在內部迴路形成電流,溫差越大產生的電流越強,這就啟發了一種新思維:用熱電材料接收外界熱源來產生電力。這種概念並不是空中樓閣,目前日本和德國都已開發出利用人體體溫與外界環境溫度差異,進而產生電力來驅動手錶。

原理與用途

熱電材料的開發是1821年德國物理學家T.J.Seebeck發現,二種不同導體所組成封閉電路其二端接點溫度不同時,迴路中就產生電流。起初的雙金屬材料由於其效應微弱,只能被利用做為溫度、輻射能量測用的雙金屬電偶等開路電壓量測,如在工廠和實驗室中普遍使用的熱電偶(thermocouple)溫度計,即是熱電原理應用的典型例子。至1950年代末,某些半導體材料的高熱電效應被發現後,其實用價值才獲得重視。其原理主要是用二種半導體材料取代雙金屬,由Seebeck效應並利用供應之熱源造成溫度差產生電流,利用正(P)型半導體與負(N)型半導體串聯組成之熱電發電元件。

利用熱電材料發電具有設備簡單、無傳動部件、低噪音、無排放污染、取用方便、安全可靠、壽命長、不需維修等優點,可置於室內並適合個人/家庭發電、工廠/發電廠排放低階熱能發電使用。起初是以一些偏遠地區發電、戰場上之緊急電源、無人看管裝置發電、以天然氣/丙烷為燃料燃燒產生熱源等小型發電產品為主。

近年來由於在技術上熱電材料性能的不斷提升,及環保議題上溫室效應/二氧化碳減量等因素,因此利用熱電轉換技術,進一步將大量廢熱回收轉為電能的方式,普遍得到日、美、歐等先進國家的重視。低溫餘熱、特別是140℃以下的廢熱再利用,增加了熱電發電的競爭力,一些新興應用研究諸如垃圾焚燒餘熱、煉鋼廠的餘熱、利用汽車以及發動機尾氣的餘熱進行熱電發電,為汽車提供輔助電源的研究也正在進行,並且有部份成果已實際應用,相信在不久的將來會廣泛使用。

各國發展經驗

美國Global Thermoelectric Inc.是全球最大的熱電發電器供應商,在此方面已有25年經驗,提供以天然氣或丙烷為燃料之發電設備,並依產品尺寸可發出15~550W之電力,做為小型發電機及偏遠地區管路陰極防蝕電源使用。此外美國Hi-Z公司則發展小型之發電模組,其產品為各種等級之單片模組,可發出2~20W不等之電力,利於自行組裝應用。美國國防部除持續推動高效熱電材料研發外,更在噴射推進實驗室從事多段功能熱電材料研發。

日本政府最近幾年對熱電發電技術甚為關注,新能源產業技術總合開發機構(NEDO)兩年間即投入15億日幣,研發各種高效熱電材料做為各式排放熱能發電利用。另外,日本業界如久保田公司開發一種熱電轉換裝置,能把300℃以下低廢熱轉換為電能,是把垃圾燃燒時產生的廢熱通過熱交換,將其做為高溫部份,把工廠管道的冷卻水做為低溫部份,利用兩者溫差經熱電轉換裝置即可進行發電,當溫差為260℃時,發電功率可達640W。在車輛排氣發電方面,Nissan公司研發最為積極,預計利用佔總廢熱30%之排氣熱能提供發動機輔助電源,每台車約能有200W的電力回充電瓶,可減少5%之燃油支出。

歐洲方面,在瑞典北部利用燒柴取暖爐所產生的熱量,可用以發電並替代昂貴的汽油馬達發電機;英國的威爾士大學建立了低溫廢熱的原型熱電系統。英、德等國研究利用太陽光集熱板或聚焦鏡方式提供高溫熱源,如德國DLR公司利用直徑1.5m碟型共聚焦器,製成300℃之熱源以供熱電發電用。在低溫電力應用上,德、日等國都已有以人體體溫為熱源之手錶問世,只要皮膚與衣服之間有5℃以上的溫差,即可產生微瓦之功率,未來在手機、掌上型電腦等微型電子產品上均可使用。

國內未來發展

就熱電發電器需用的熱源來看,目前國內可利用之餘熱能種類有工業熱能(如工業高/低階溫差排放熱能、廢棄物熱能、熱交換器熱能)、交通工具排放熱能(如燃油車熱能)、環境熱(如太陽熱能/溫泉地熱)、其他熱能(如熱水溫差熱能、住宅器具熱能、其他行業熱能)等。

在工廠餘熱利用上,其他種類的發電技術效率雖較高,但由於也需在較高溫環境下操作,在低於150℃之工作環境即無法利用,而熱電發電卻可利用中低溫熱能;一般發電機設備重量太重、無法裝設在車上;或是住宅區之太陽熱能集熱發電,一般發電設備需大面積裝設而不適用,因此溫差發電成為重要選擇。

在交通工具上則可應用於更高溫之排氣,發電效率更高,具有節省燃料、減低整體廢氣排放量,有益於環保;應用於家庭住宅則為一可再生能源之新利用,具有能源免費、乾淨、無排放污染等優點,對於高度缺乏自主能源的我國值得在國內推廣應用。(本文作者任職於工研院化工所)


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