全球熱電模組之應用現況

刊登日期:2016/3/5
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熱電材料及模組具有溫差產電及以電制冷的能力,因此不論是熱能回收或冷凍空調的應用都深受重視。例如:石油、化工、鋼鐵等工廠的餘熱回收,降低 CO2 排放,抑或是汽車空調及冰箱的致冷應用等。如以常見的汽車冰箱為例,熱電模組可直接由電流的大小控制溫度,若電流驅動的電流越大溫度則越低。因此熱電模組可視一個兼具智慧溫度感知且節能的元件,能透過電流的控制溫度,並且能利用溫度差異產生電力的重要元件。

 
圖一、熱電發電應用
熱電原理
1856年,湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對席貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析,並將互不相連的席貝克係數和帕爾帖係數之間建立了關聯。湯姆遜從理論上預言了一種新的溫差電效應,即當電流在溫度不均勻的導體中流過時,導體除產生不可逆的焦耳熱之外,還要吸收或放出一定的熱量(稱為湯姆遜熱),或反過來,當一金屬棒的兩端溫度不同時,金屬棒端會形成電位差。這一現象稱為湯姆遜效應(Thomson Effect),成為繼席貝克效應和帕爾帖效應之後的第三個熱電效應。

熱電材料
熱電材料具有可逆性, 可用來通電制冷也能以熱產電;而評估材料熱電效應,以熱電優值(ZT)來表示,熱電優值越高表示熱電效應越大,熱電優值 ZT = (S2 ×σ × T)/K,因熱電效應與溫度相關,且不同熱電材料應用溫度不同;常見高性能的熱電材料包含:Bi-Te系列適用於攝氏 -20~200度;Pb-Te系列適用於攝氏 200~400度;Half-Heusler 材料適合應用 400度以上。近年由於熱電發電的技術發展, 更多的材料系統如:Skutterudite、Zn4Sb3、MnSi、SnTe 等材料陸續開發。

熱電應用分析與說明
知名的熱電公司美國 Marlow 創立於 1973 年,由於熱電模組可利用輸入電流進行冷卻,不需要冷媒,具環保且高壽命的優點,並具有體積小的優勢,因此於國防應用如紅外線感測系統、光波導系統中最先被應用,可精密地調控系統的溫度提升訊號解析度,Marlow 公司的製程能力可組裝最小線距 200微米的熱電晶粒,並能進行多層熱電模組組裝,最高層數為 4層,最大高低溫差可高達 120度,冷端溫度最低可達攝氏 -100度。

在生物醫藥方面,熱電模組提供包括生命科學、基因分析、免疫分析、藥物開發、臨床診斷、食品分析、農業發展、環境分析、工業衛生和生物威脅識別等領域的熱循環、溫度穩定、精密空調溫度控制和精密流體溫度控制;如以熱電溫控系統精密控制生物細胞的繁殖、培養和保存,相關的產品如圖四所示。

 
圖四、生物醫學之熱電產品

未來技術的瓶頸與願景
2. 熱電發電應用挑戰
由熱電材料性能的調整與提升,例如改變熱電材料的組成,使熱電優質調整至高溫區,以進行發電應用提升熱電發電的能力,工研院透過與國外技術交流,如俄羅斯 Ioffe 及日本 AIST 等重要國際研究機構,進行熱電材料與模組交互性能驗證,並和美國加州理工學院、國內清華大學、台灣大學、中央大學、中研院等研究團隊的合作,已完成相關技術能量的建立。除成功技轉中鋼公司建立我國自主材料加工及模組組裝製程技術,並協助該公司投入5年業科計畫,成為全球少數涵蓋熱電材料、模組及系統應用之企業外,並將於……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉燕妮 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」351期,更多資料請見下方附檔。

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