熱電元件系統構裝

刊登日期:2016/3/5
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降低碳排放及節能減碳已成為全球關注議題,熱電技術近年來已在車用及工業應用等領域開始受到重視,但要成為應用產品,仍有一些問題需克服,其中最重要的是如何整合系統構裝設計以提升效能。系統整合構裝設計可提升系統功率輸出、降低系統體積及提升可靠度。本文介紹產業應用的熱電模組系統整合構裝技術及熱電技術新的應用方向。

車用熱電節能技術

1. 汽車廢熱回收
為發揮模組效能,降低模組阻值及寄生效應,在系統整合構裝非常重要,傳統π型熱電模組,如圖二(a)所示,熱傳方向和電流方向垂直,模組高度較高,容易在電極處產生較高的應力。在高溫差應用時,為降低模組應力,會採用基板和電極脫離的無基板結構。另一種模組構裝型式稱為Y型模組,如圖二(b)所示。熱電材料和金屬電極堆疊結構,模組熱傳方向和電流方向平行,模組高度較小,可做高密度組裝,由於不和基板直接接合,應力問題較低。
 

圖三、GMZ公司開發的熱電模組廢熱回收應用
 
2. 汽車區域空調
由於目前汽車空調採用壓縮機,耗電較高且需冷媒,對環境有危害。區域空調的概念主要是將空調由整車廂冷卻方式改為分散式冷卻模式,依據車內乘坐狀況調整冷卻範圍,可以降低能源消耗,如圖六所示。空調耗電量可由整車 3,500W~4,500W 降至單一車位的 630W,對於個人長途駕駛可節省較大能耗。由於熱電元件無碳排放問題,可致冷及加熱,且維護費用較低,因此適合區域空調應用。除了應用於汽車,對於電動車空調節能也非常重要。


圖七、(a)BSST公司及(b)Delphi開發的熱電空調系統
 
工業熱電應用
1. 廢熱回收應用
工業廢熱由於產業性質不同,廢熱型態及溫度範圍也不同,需選擇合適的熱源及散熱方式,才能發揮最佳效果。鋼廠煉鋼或鋼料運輸溫度可高達 2,000~3,000度,以輻射方式傳熱,煙道廢熱則視區段,一般以氣體對流方式傳熱。鍋爐廢熱則低於 100˚C,以流體對流形式傳熱。熱電系統應用時,須注意採用的熱電模組材料限制,並注意熱能擷取方式,以提升模組發電效果。日本 JFE 鋼廠在鋼材連鑄產線上,結合熱電發電模組,由於輻射熱溫度高區域小,非常適合利用熱電做廢熱回收,如圖十所示。模組由 56 個次系統單元組成,共用了 896個熱電模組,發電量可達 10 kW。
 
2. 工業感測應用
工業製程設備溫度、流量及壓力感測非常重要,尤其是目前物聯網(IoT)應用越來越廣泛,感測器的使用越來越重要,但感測器電源需要電池或外部電源力,用電線傳輸電力,使用及維護有困擾。熱電模組可結合設備熱源,利用溫差發電,提供感測器電源,利用無線模組將感測器訊號傳出。

4. LNG冷能發電應用
液態天然氣(LNG)較石油有較少的 CO2 排放,LNG 發電廠將 LNG 由 -160˚C 的液態,藉由熱交換器蒸發成汽態。熱交換器主要利用……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉君愷/ 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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