能源知識庫

重點摘述

熱電效應在1820~1830年便已被發現，但在1990年以前熱電材料的ZT值一直維持在1左右(如圖1所示)，因此不論是在製冷或發電的應用上均受到限制。直到2000年後因奈米技術與製程技術的精進熱電材料才有明顯的提升。同時隨著能源危機與溫室效應的問題，使世界各國開始注重能源議題及節能減碳，熱電技術的應用也由原先的製冷領域逐漸被擴展至發電領域。固態熱電是一種利用熱能驅動熱電材料內部電子傳輸、達到熱能直接轉換成電能輸出的技術，能量轉換時不須利用到任何機械動件，具有無噪音、無震動、體積小、重量輕等的技術優勢。

圖1、熱電材料ZT值與年份的關係圖

熱電發電系統是由多個熱電發電模組、熱交換與電力控制三個部份組合而成；因其結構是由很多熱電模組堆疊而成，故可依據各種不同形狀進行系統建置，系統內每個模組都可獨立進行發電，因此亦可以依據熱源的規模進行不同發電量之系統架設，規模可由數W到至數十kW，熱源規模甚至於可小至數十瓦。上述特點及優勢使得熱電技術應用在熱回收領域上極具發展潛力，而燃燒設備的種類繁多大小各異，加上現場環境的限制等，在實務上熱電技術是較能普遍實現廢熱發電的選項。

目前熱電發電系統在煙氣廢熱回收之國際研發投入情形如表1所示，由於各個國家的產業類型不同，因此導致每個國家所應用的領域也有所差異，以美國、韓國及歐盟國家等國家因為汽車產業較為蓬勃。因此在固態熱電系統應用便著重在車輛廢熱發電應用，主要目的是降低車輛的油耗，也就是藉由改善電耗問題可反應在油耗表現或符合更高的環保法規。車輛因廢熱量多、溫度高(500°C~ 600°C)、空間有侷限性及移動性等因素，因此相當適合應用固態熱電技術，且目前沒有其他可競爭之技術。以目前汽車能源使用而言，約40 %以上的能源是以引擎廢熱及排氣管廢熱排放掉(圖2)，因此近年國際各大車廠BMW、Honda、Ford與GM等均已投入汽車廢熱發電回收技術研發，期望達成減少10 %油耗之效益。

圖2、汽車能耗結構(圖片來源：美國能源部)

表1、國際熱電發電系統在煙氣廢熱回收研發情況

目前BMW、Gentherm公司合作開發汽車排氣管廢熱回收發電系統(如圖3所示)，運用於BMW X6車款上，實車測試可達到700 W發電量。然而在移動式的載具上使用必需克服載具移動時產生的震動問題，此震動容易導致各個模組的損壞，而造成系統效能和耐用性不佳的問題。此外熱電發電系統有一定重量，對於熱電系統加入勢必增加載具之油耗，這都需要考量的。因此目前在車用熱電系統方面，主要是朝輕質化材料，以減少汽車額外油耗負擔。

(a)

(b)

圖3、BMW、Gentherm公司合作開發之熱電發電系統，(a)車用熱電系統；(b)BMW X6排氣管廢熱回收熱電發電系統。

美國著名廠商Evident-GMZ開發出kW等級之車用廢熱發電回收技術(如圖4)，此系統是目前在車載系統上最大的發電量，此系統是由5個200 W的熱電次系統組成，應用在15 L柴油引擎的廢氣排放回收，其結果顯示在測試期間熱電系統的性能並無衰退之現象，也因此Evident-GMZ在熱電發電上成功達到新的里程碑，未來此系統將會安裝於美國軍用戰車上。

(a)

(b)

圖4、GMZ之1kW廢熱回收熱電發電系統，(a)系統測試照片；(b)系統構件爆炸圖。

Alphabet Energy今年募資3,000萬美元在美國成立的公司，該公司發表了25 kW級熱電發電系統，此系統是目前全世界最大的熱電發電系統。此熱電系統與一台1,000 kWe發電量的柴油發電機整合，型號稱為E1(外觀如圖5所示)整座機組每年可節省52,500升的柴油使用量。此熱電發電系統是利用許多卡匣式的次系統所組成(如圖6所示)，其優點在於可隨系統容量去設計搭配適用的數量，並可快速組裝與方便維護，未來也可將此次系統運用在不同的煙氣排放系統之廢熱回收，如：工廠的排放廢氣，運輸載具上及更大型的柴油發電機上。

圖5、Alphabet energy公司的熱電發電系統。

圖6、Alphabet energy公司的熱電系統配置示意圖。

由以上國際的發展狀況可以發現，熱電發電技術在煙氣廢熱回收之發展已日趨成熟，而依我國的產業狀況而言以工業廢熱居多，因此在工業廢熱下之操作的條件與要求都相對較移動載具低，所以可參考國外各個公司的(模組化，可拆換)概念，相信落實在工業廢熱的回收再利用的時間將可以大幅縮短。