能源知識庫

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。