計畫名稱 | 固態熱電發電系統整合應用計畫 |
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主題名稱 | 低溫熱電廢熱回收應用 |
資料時間 | 2015/04/02 |
上傳時間 | 2015/4/2 |
國別 | 國內 |
能源領域 | 科技 |
能源業務 | 新及再生能源 |
決策知識類別 | 評析 |
關鍵字 | 熱電 熱回收 發電 |
重點摘述
目前世界上使用的能源大多來自石化能源(石油、天然氣等),而在其中能源轉換過程中,大約40%的比例以熱的形式散失在環境中。石化能源轉換後的大量廢氣造成空氣汙染,也是全球暖化的原因。故使用較環保的再生能源,以替代傳統的石化能源,並達到減少環境汙染及廢熱排放,是許多學者專家的期待,以及研究目標。
在眾多綠色能源的研究中,熱電效應是最熱門的研究領域之一,其中更以熱電發電為最常見研究主題。其最先起源於法國物理學家席貝克(Seebeck)在1821年時,發現兩種不同材料接在一起並且有溫度差異時,兩接點即產生電位差。此現象即為熱電發電模組的工作原理,其優點在於無汙染、無噪音、節省空間、壽命長,可應用在太空科技、LED封裝冷卻、光電耦合器等用途,應用範圍相當廣泛。
圖一 熱電發電模組工作原理
熱電模組的各部位介紹如下:
1. 熱電材料:此為熱電轉換的核心,通常以n-type及p-type的半導體組合而成。熱電材料的性能,將直接影響模組的整體性能優劣,故開發出好的熱電材料,是熱電模組的技術核心。
2. 焊料及擴散阻障層(Diffusion Barrier): 熱電材料與銅導電基座連接時,需要焊料使兩者結合。但在操作溫度偏高時,焊料的成分容易擴散至材料中,造成材料的熱電性質改變。為了避免此情況發生,需要先於熱電材料表面鍍上一層擴散阻障層。
3. 電極:為了將p-type及n-type的晶粒形成電串聯形式,需要將晶粒用電極連結。通常選用材料為銅,因銅的導電率高。
4. 陶瓷基板:基板的功能在於固定整個模組內部的結構,並傳導冷端及熱端的熱。為避免電流經由基板流動造成模組短路,基板的材料必須是電絕緣體,故大部分模組使用AlN陶瓷材料作為基板。
20世紀後,由於電力網路的普及,使得人們享受到電對人們日常生活的方便性,也加深了人們對電的依賴性。至今,無庸置疑地,在各種用電裝置和設備的高度發展之下,電力已成為大多數人使用比例最高的能源型態,因此需求只會增加而難以減少。圖二是我國電力需求成長的趨勢預測,在任一策略之下未來都將有大幅度的需求成長。
圖二 我國電力需求預測(資料來源:經濟部能源局)
現今人類利用的能源,以熱能居多,而其中產生的廢熱量也相當龐大,使得廢熱回收技術受到相當的重視。一些傳統加工廠,在製程上往往會用到大量的熱能,其中有很大一部分是散失在空氣中。由於熱能為低階能源,直接利用率較低,若能轉換至較高階的電能,將可提高其能量利用便利性。
利用席貝克效應將熱能產生電能的發電模組,其轉換效率約在5~10%,可利用在不同的熱源,達到將廢熱回收再利用。以下介紹幾個常用的熱源及回收發電應用方式:
1. 製程廢熱及溫泉熱回收發電
日本的KELK公司在2009年時,開始了在Awazu工廠內的發電系統測試,其利用16個Bi-Te材料模組,以四行四列的排列形式安裝在集熱盤及冷卻水回路中。此模組在操作溫度Th=280℃、Tc=30℃時可達到最大發電量24W,此時的轉換效率約為7.2%。在操作時,利用一燃燒器直接給予集熱盤約4kW的熱量,使集熱盤的溫度控制在120~250℃,冷卻水端的溫度則是40℃左右的操作溫度。此發電模組發出的電先以最大功率點跟蹤器(Maximum Power Point Tracking, MPPT)找出其最大功率,再連接一個鉛酸電池將發出的電儲存起來,最後再經由一個變壓器將電能轉換為100V的交流電,以供工廠區內的照明燈光使用。
將上述模組實際裝置在廠區內後,發現在熱端250℃時,約可產生240W的轉換電能,也就是每片模組約產生15W的功率。此模組在熱端250℃時原本預估可產生20W的功率,但由於熱交換器到模組間有著散熱膏、基板等的介面熱阻,使得模組兩端溫差低於原先的預期溫差,造成模組產生功率有些掉落的情形。
圖三 KELK公司工廠熱回收發電器 (a)實際架設圖 (b)模組與冷熱端交換器
除了利用工廠的製程熱能發電,日本Toshiba公司則是利用草津溫泉為熱源作發電測試,此為利用地熱發電的形式,以作為當地的備份電力來源。此發電組是利用95℃的溫泉水作為熱端,以及15℃的冷水作為冷端,模組則夾在冷熱端的水套中間。
測試結果發現,溫泉水95℃及冷卻水15℃時,約可產生900W左右的發電量,但每一天的發電量有著些許差異。這些差異來自於:每日溫泉水的用量、氣溫的不同,以及管路內的髒污影響到熱交換效率,而在清洗過管路後,發電量有提升的效果。
圖四 溫泉發電器 (a)裝置示意圖 (b)草津溫泉實際架設圖
圖五 不同日期之單組發電器平均產生電力
2. 汽機車排氣廢熱回收發電
目前包含美國、歐盟國家及日本,熱電系統研發主力著重在汽車廢熱發電應用,因為對汽車系統而言,廢熱值約成固定比例,有利於開發目標的設定。另外由於現今的汽車具有較複雜的電力電子系統,因此對電力的需求日益增加,同時在汽車中經由汽油發電產生電力的成本,遠高於家用電力的發電成本,因此若能回收廢熱進行發電,將可大幅降低汽車電力需求所造成的耗油現況。
德國的Gentherm公司利用圓柱形的發電模組[4]與汽車排氣管結合,以方便連接排氣管作熱氣回收。結果發現,當通入的汽車廢氣(熱源)溫度為620℃、冷卻水20℃時,可發出約600W的電力。但實際安裝在BMW X6上的測試結果可看出,當汽車的行駛速度越快時,排氣量也越多,更多的熱源進入發電模組後,使得模組發電功率也越來越高,也相對提升燃油的使用效率。
圖六 BMW X6實際裝設熱電發電模組圖
3. 太空發電應用
由於在太空此種極端環境時,取得電力的方式相當有限,若考慮到未來太空梭要航行到其他星球的可能性,太陽能發電可能會因為離恆星位置一直改變而不適用,熱電在此情況中的優點則展現出來。美國在1950年左右時開啟了核能電力計畫(Nuclear Power Sources),並在1961年第一次將放射性同位素熱電模組(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG)送至太空。
放射性同位素熱電模組的發電方式,是利用238Pu同位素作為熱源發熱,再將發出的熱利用熱電模組轉換成電能。將238Pu作為燃料再封進一個腔體後,即成為所謂的一般用途熱源模組(General Purpose Heat Source, GPHS)。數個GPHS再堆疊後,旁邊安裝數百個矽鍺熱電材料,即可發出約285W的熱量,並被矽鍺熱電材料轉換為輸出電壓28-30V的直流電源,以供給太空任務以及航行至附近星球的能源。
圖七 GPHS架構圖
以目前的材料ZT值,其所對應到的轉換效率尚不足以與傳統發電方式相提並論。但其高可靠度、無噪音、無廢氣排放、體積小等優點,使其在特定領域成為不可忽視的替代性能源。從自然界的能源,例如太陽熱能及地熱,到汽機車的排氣管廢熱回收,甚至太空計畫中,處處皆有可佔的一席之地。
由於其體積小,以及可與其他技術的可利用性,使得過去從未想過或只於理論中存在的裝置,得以成為現實。一些身上的配件,比如說手錶,可以人的體溫作為能量來源而供其運作。轉換出的電能,不再是數字大與小的差別,而是馬上可使用的能量來源,熱電技術有機會發展至過去從未實用過的技術領域,並成為寡佔或獨佔市場。
附件 | 低溫熱電廢熱回收利用 |
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資料提供者/機構 | 宋柏毅 / 工業技術研究院 |
最後修改者 | 宋柏毅 |
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