熱電材料特性研究與相關應用

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發佈：2015-11-23, 週一

塞貝克效應 (亦稱席貝克效應) 是不同的材質，在接面處將熱能直接轉換為電能的特性。它被德國的物理學家托馬斯‧約翰‧塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 於1821年所命名，Seebeck發現兩種金屬合成的指南針，在溫度變化下，會產生磁場的變化，因此發現了熱磁效應。之後為丹麥的物理學家漢斯 (Hans Christian Ørsted)，正名為「熱電效應」。

如今，商業化的熱電分析儀也出現在市場，提供使用者一個可靠的分析研究工具，如法國 SETARAM 公司的 SeebeckPro 熱電分析儀。

熱電材料研究進展

對於熱電材料的研究，科學家主要關注在以下幾種性能指標及因子：

  1. 導電率(σ)：電流通過一單位體積材料的容易度 (S/cm)
  2. Seebeck係數(S)：單位溫差所產生的電壓 (V/K)
  3. 導熱率(κ)：單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內，直接傳導的熱量，也就是材料兩端維持溫差能力 (W/m-K)

以上三個參數，可以整合成「熱電優值 (Z)」來評估材料的未來潛力，有下面公式來表示：

熱電優值公式

其中，σ•S2 為功率因子 (Power Factor)，也就是在熱電材料上，製造的溫差所能產生的功率。若將熱電優值合併絕對溫度來考量，便能評估熱電材料的商業效益。如下：

  • ZT >1 13% 具有商業使用的潛力
  • ZT >2 20% 具有大規模商業使用的潛力
  • ZT >3.5 35% 此熱電材料的效率，已經接近壓縮機

熱電效應示意圖

下圖顯示不同ZT值，在效率與溫度 (加熱端) 的相對曲線，圖中十字虛線的交會點，為目前商業化的熱電材料，大多為 ZT值在1左右的效率。

thermoelectric efficiency

熱電效率曲線

(以上熱電技術，感謝工研院葉建弦博士指導。)

熱電材料研究設備

熱電效應所需要控制的熱，與需要量測的電，可透過控制加熱爐，以及六位半電表來測量熱電材料。但使用拼湊的設備，不容易做到理想的溫度控制與隔熱與熱電同步的取樣，使得測量的數據與實際有所偏差，而影響研究結果。

目前，商業化的熱電分析儀，已經成熟。如勢動科技所代理的法國SETARAM的 SeebeckPro 熱電分析儀，可在預設的升降溫曲線 (Temperature Profile) 下，可同步量測熱電係數 (Seebeck Coefficient)與阻值。加熱爐的設計，也考量各種熱電材料的特性 (形狀、材質)，以及升降溫的彈性設計，在最大的限度下，滿足各種材料的測試需求。法國 SETARAM 公司，為熱分析儀的專業製造商，有將近60年的熱分析儀器設計製造經驗，產品行銷全球。

熱電材料相關應用

發電廠、煉鋼廠、工廠廢熱回收發電 (排熱煙管、爐壁、輻射熱)

鍋爐、熱水器廢熱回收發電 (旅館、溫泉業者、家庭)

引擎廢熱發電 (汽車、船舶、航空器、軍事載具)

汽車外殼鋁材能量再生

汽車熱電空調

電動車電池調溫

量子阱太陽能發電

電冰箱與冷凍設備

太空船放射性同位素發電機 Spacecraft Radioisotope Thermoelectric Generator

穿戴裝置微型發電器 (永動手錶、士兵軍事裝備)

無線感測器供電 (小型遠端設備)