熱電技術於汽車產業之研究與應用現況

 

刊登日期:2016/3/5
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熱電發電應用在汽車廢熱回收的計畫可從全球各車廠,包括美國福特、通用,以及歐洲等著名大廠都可以看的到,其中以歐盟的 HEATRECAR 計畫最為具體,本文除了介紹熱電材料模組在車輛系統的應用外,也針對各國並包括我國在內的汽車廢熱回收再利用之相關開發與現況,做一簡單的探討。

汽車廢熱發電概念
現行的汽車行駛大多使用汽油做為燃料,但是誠如圖一所示,從石油提煉到汽車用的汽油,再轉換到汽車的行駛,這其間的能源利用率只有 9.9%,換句話說,車輛燃燒汽油所帶來的能量,同時也形成了許多的「熱」,統計這些所產出的「廢熱」將超過60%會散逸在空氣中,若能夠將這些廢熱轉換成電能或其他能量,亦將減少廢熱的排放,利用熱電的轉換即是其中的應用。美國能源部(Department of Energy;DOE)曾經訂定目標於 2015年時,達成提升 10% 的燃油效率,並規劃 2015年後在美國所出廠的汽車,有3~5%燃油效率的提升來自於熱電發電機。

汽車廠商發展動態與材料/模組產品現況
全球已投入在熱電發展的領導車廠有:福特汽車、通用汽車(General Motors;GM)以及德國BMW與義大利飛雅特集團等。在熱電材料與模組的領導供應商有:Hi -Z、Global Thermoelectric (GENTHERM)、KOMATSU 以及 Altec 等,所採用的材料以碲化鉍半導體為主。

利用熱電材料與模組所發展出來應用在汽車內部或以外的供應商與產品有:① GENTHERM 主要為開發和製造加熱/冷卻和通風設備,致力於熱電材料開發,主要產品為車用加熱座椅、方向盤等(圖二)。② KOMATSU 主要模組產品有光通信的雷射二極體、微小溫度控制器以及熱電模組(圖三)。③ Hi-Z 是一家以研發為主的公司,主要的產品即熱電模組(圖四)。


圖二 熱電產品汽車內裝應用


圖三 KOMATSU熱電模組產品

歐盟各國的熱電研發概況
在全球各汽車大廠中,針對輕型卡車的熱電廢熱發電系統進行開發者屬歐盟的 HEATRECAR 廢熱發電計畫最為具體,也有初步的成效。該計畫的主要目的是回收從汽車本身所產生的廢熱,利用熱電原理將廢熱轉換成電能,重新使用該能量送回給車體內部,供給電氣組件或匯集動力給電動汽車( HEV),以減少能源消耗和抑制車輛排氣系統中二氧化碳的排放量或減量。

日本熱電研發策略
日本在熱電材料的研發與應用已行之多年,根據日本經濟產業省的熱電技術戰略地圖(如圖六)所示:2008年至 2013年熱電技術以發展高效率熱電轉換材料與模組技術為主,2014年至 2020年則以改善並降低具環保性的模組成本與熱電轉換材料為主, 2021年至 2026年規劃研發各種不同廢熱轉換設備,並根據先前的技術與經驗的累積,將計畫擴大到各種不同領域的應用技術。

韓國熱電在汽車產業應用的政策
在韓國與汽車廢熱發電相關的計畫名稱為 RAVERS,該計畫分三個階段:第一階段為輕型汽車 1KW 引擎廢熱發電系統,第二階段為輕型汽車 5KW 引擎廢熱發電系統,到了第三階段則以電動車(HEV)之熱電發電系統為主要訴求,研究重點與目標在於提升超過 10% 的燃燒效率。

我國熱電材料在汽車的應用研發現況
工研院在熱電材料的研發肇始於2003年,從基礎材料到模組與應用迄今已 13年,應用較具體的成果是在……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張致吉 / 工研院產經中心
★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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