能源知識庫

重點摘述

若於由兩種不同金屬接合成的線路上通電流，其中一接點會放熱而另一接點則會吸熱，此現象在1834年時被法國科學家Peltier發現。將許多的半導體材料以熱性並聯、以及電性串連方式連接，將可成為所謂的熱電致冷模組，如圖一所示。熱電致冷模組在通入電後，其中一面吸熱使得溫度降低，可做冷凍及降溫用途，另一面放熱則可作為熱泵(Heat Pump)而使用。

圖一 熱電致冷模組工作示意圖

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。

    目前熱電技術主要應用市場為低溫的應用產品，例如除濕防潮箱、紅酒櫃、      精密溫控裝置、可攜式冷藏裝置、可攜式備用電源..等特殊場合應用，全世界產值約為90億台幣。

圖二 熱電產值成長趨勢圖

    依據能源局公佈的能源及電力消費結構，國內能源及電力消耗除了在工業耗能外，服務業及住宅部門電力消耗所佔比例最高，其中住宅部門約佔18.58%，為42698.3百萬度電(GWh)。經濟部台灣能源統計95年總人口2287.7萬人計算，約每人年用電量約1866度電。以平均每戶居住3.08人計，每戶年用電量約5474.3度電，每戶年電費16424.8元。因此由住宅部門進行節能技術開發，不僅具有節能減碳效益，更能大幅降低人民基本生活負擔。

    分析住宅耗能結構(如圖三)，熱能的使用佔了總體住宅耗能的27%，尤其加熱型家電產品的耗能，於住宅耗能中所佔比例極高。分析目前各式家電產品，其中不論是在空調、洗衣、廚房或是衛浴設備中，進行乾燥、暖風或是加熱保溫產品，皆是以電熱形式產生熱能進行應用，估算各項加熱產品的日常使用耗電量，平均每年用電量超過1728度，超過每戶平均用電量的30%。因此在熱能利用進行節能技術開發，將可大幅降低全台灣之總體耗電量，達到明顯的節能效益。

圖三 台灣住宅耗能結構

    與傳統壓縮機冷卻方式相比，熱電致冷模組有著體積小、無噪音、無排放廢氣、使用年限長等優點，在各領域都有廣大的應用潛力，尤其是做為多形式熱源應用的發電系統系統，或在小型家電領域取代現有冷媒壓縮機產品，更具有商品競爭優勢。另外依據熱電熱泵特性，熱電材料結合熱交換器，可從環境中吸收熱量，轉移至應用端，可使得COP_h超過1.0，達到節能的目的(一般加熱器之COP_h皆為1.0)。目前熱電技術主要應用市場為低溫的應用產品，例如除濕防潮箱、紅酒櫃、精密溫控裝置、可攜式冷藏裝置，如表一所示。

表一 熱電技術應用領域分析

以下介紹幾款已作為熱電致冷模組實際應用的家電產品：

1. 攜帶式小冰箱：因一般的外出小冰箱需要額外攜帶冰塊或冷劑，若將致冷模組安裝至小冰箱內，並將冷端朝向冰箱內部，熱端在外部氣冷散熱，將可保持冰箱內溫度不至升高。致冷模組的電源，可透過車用充電器給予。

圖四 熱電攜帶式小冰箱

2. 小型除濕機：一般壓縮機式除濕機體積大，使用時也會有些微噪音。利用致冷模組的冷端及散熱鰭片，表面溫度到達空氣內水分子的凝固點後，水氣會在鰭片表面冷凝，達到除溼的效果。溼度降低後的氣體再通過模組的熱端，除了冷卻模組的熱端溫度，也可使空氣被稍微加熱，乾燥程度更佳。

圖五 熱電小型除濕機

3. 個人空調座椅：美國的Amerigon Inc. 開發出個人空調座椅，以熱電致冷模組作為接觸式的降溫或升溫元件，提高駕駛時的舒適度，如圖六所示。根據熱電致冷模組的特性，將電流反相時，可使模組同一面的冷端切換成熱端，可適用於不同季節之用。

圖六 個人空調坐墊