熱電發電之電路設計原理與技術簡介

刊登日期:2016/3/5
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熱電產生器藉由材料特性,可透過熱溫差自然地產生電力,相當容易使用在各種情況,將會是未來能源之星。熱電能源與其他的綠色能源一樣,需要藉由最大功率點追蹤以及電源管理技術,才能有效的獵取能源並加以利用;所以本文將探討如何透過熱電模型建置以及電源管理方式,實現最大功率點追蹤,並將熱電轉換為更可靠的電力,無論在汽車、工業、民生、穿戴式甚至物聯網裝置,皆可應自如。

熱電技術應用與未來
熱電產生器(Thermoelectric Generator;TEG)只需要溫差就可以產生電力,相較於其他再生能源,其具備 24小時發電能力優勢,成為再生能源的明日之星。熱電產生器會因為材料的選擇不同,促使適用的區域也隨之不同。除了汽車與工業之外,熱電也可以擴大應用於民生、穿戴式及物聯網裝置,以延長電池壽命,甚至設計出不需電池的應用系統。但以目前的熱電技術應用於部分民生器具、穿戴式及物聯網裝置,除了系統操作以及應用情境外,還有一定程度的技術挑戰。

圖五為 IDTechEX 市場預測,由圖中可以觀察到熱電於 2016 年將開始大幅成長,至 2024 年將佔據超過三分之一的再生能源市場。但以目前國內僅有中鋼具備量產熱電模組的能力以及工研院材化所具備熱電材料的研發能力外,國內並未有其他熱電產業,而使國內有生產熱電模組之技術卻無對應的需求市場,造成一個很嚴重的技術與產品斷層帶,若能補足轉能與系統整合技術,將可創造台灣新興且豐富的熱電產業供應鏈,涵蓋民生、工業與汽車領域市場。


圖五、IDTechEX預測全球能源擷取市場規模

熱電產生器之電氣模型
設計轉能系統最開始的步驟,就是建立熱電產生器的電氣模型,以確保搭配的直流-直流轉換器與控制器適合此熱電產生器的操作,例如:操作於低溫差的熱電產生器搭配一個大電流轉換器時,將會造成控制器只要開啟開關將會直接使熱電產生器短路,而無法有效進行轉換能量。為了防止不正確的操作,建立熱電產生器的電氣模型以及挑選適合的直流-直流轉換器與控制器是非常重要的。



圖十、電流源與電壓源之等校電路轉換

最大功率點追蹤技術
所有獵能器都需要最大功率點追蹤控制才能具備最大的能源輸出,熱電產生器當然也不例外,而實現最大功率點追蹤的方法非常多種,以下舉出固定責任比控制法、開路電壓法以及擾動觀察法等三種最大功率點追蹤方式進行說明。

固定責任比控制法意味控制器設定一個固定的責任比進行熱電獵能(如圖十五所示),這種方式在固定的熱交換環境、固定的熱電模組、固定的控制電壓以及固定的輸出電壓下,可以找到一個責任比,使直流-直流轉換器可將熱電產生器在最大功率點上操作。雖然這種控制模式相當簡單,卻也造成操作不可靠情況,一旦熱交換環境改變、熱電模組老化、控制電壓或是輸出電壓改變,都可能造成熱電產生器工作點嚴重偏離,而無法有效率的轉換熱電能量,這時候就需要重新進行人工優化校調並修改控制器,使其重新操作於適合的責任比,以具備最大功率點的條件下進行轉能。圖十六為開路電壓法之操作模式,一開始會……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:黃昭仁 / 工研院資通所
★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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