2014/09/05
經濟部能源局
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▎撰文／張心紜 ▎資料、圖片提供／工研院綠能所﹑達志影像
串聯兩種材料、給予一個溫度差就能發電？固態熱電發電技術，為廢棄熱能找到了用武之地。
我們的寶島擁有許許多多得天獨厚的優勢，卻也有個永遠也擺脫不了的先天缺陷─缺乏自產能源。
如果完全不仰賴進口能源，在現階段再生能源還無法穩定供應的情況下，即使再努力發展再生能源、從大自然榨取再多能量，也不可能滿足我國的能源需求。當電力成為經濟體發展時最重要的能源使用型態，為免遇到突如其來的電力缺口，如何將能源使用澈底發揮至最佳效益成為當務之急，能將浪費掉的熱能重新轉換成可用電力的固態熱電技術的出現，無疑帶來了一線曙光。
利用溫度差，熱能變電能
簡單來說，固態熱電是一種直接在固體材料（熱電材料）上作熱能與電能轉換的技術。1823 年，德國人塞貝克（Seebeck）觀察到當兩個不同種類的金屬相接連，且接連處兩端的溫度不一樣時，會引起兩種物質間的電壓差，因而出現電流，若將之置放於指北針附近，指針則會發生偏轉，這種現象後來被稱為塞貝克效應（Seebeck Effect），也是現今溫差發電的應用原理。
當熱電材料的導電率愈高、熱導率（直接傳導熱量的能力）愈低，熱電轉換的效率就愈好。然而，一般材料導電與導熱的好壞趨勢是相同的，也就是導電率較高的材料，通常傳導熱量的能力也較強，直到20 世紀中葉，半導體材料被發現有調和這兩種性能的機會─在熱導率很低的情況下，仍能維持一定的導電率，熱電轉換的性能於是才得以提升，並開始突顯在部分領域中的應用價值。
現在一般使用上會將稱為正（p）型和負（n）型的兩種半導體熱電材料串聯在一起，並在材料兩側給予一個溫度差。就像水往低處流的道理，當熱電材料本身存在溫度差時，部分在熱端的電子便會想方設法地朝冷端的方向移動，以達到學理上的穩定，這種電子移動的現象再搭配上電路設計，便能取得可用的電力。
俗話說「團結力量大」，單一對熱電材料能夠轉換的電能其實有限，如果想獲得足夠的發電功率，就必須將多對熱電材料串聯成「熱電模組」，若再將許多個熱電模組串接起來，就能形成一個可以驅動冷氣機、具有瓩規模的「熱電發電系統」。
廢熱不廢，小兵立大功
在我們的產業與生活周遭，有許多分散的熱源，當這些熱源的溫度低到某個水準（例如攝氏200 度以內）時，通常就會被拋棄，然而，這些被視為廢棄物的熱源加總起來，卻擁有相當可觀的能量。以工業廢熱來說，我國每年無法有效回收的低溫廢熱量（攝氏400 度以下，已經過一次回收程序或無法再回收而排放者）約有8,500 千公秉油當量，相當於880 億度電以上的能量。因此，若能透過固態熱電技術將過去被丟棄的熱源取回再利用，即使只取回百分之1，對節約能源也將有非常大的助益。
看好固態熱電的發展，中鋼、台泥及部分石化廠已陸續投入這個新興的節能領域，其中中鋼自民國98 年起即在加熱爐壁進行回收測試，未來全面應用後更預估可直接減廢95G 大卡／年，產電1.1億度，相當於減少14 萬噸二氧化碳的排放量（減廢加產電），約等於185 座大安森林公園的二氧化碳吸附量。
固態熱電發電系統不需流體或機械運作，能24 小時連續運轉，還具備壽命長、低噪音、無排放污染、穩定性高且維修成本低等優點，近年來隨著熱 電轉換技術的不斷提升，加上環保意識的高漲，這種進一步將大量廢熱回收轉為電能的方式，已獲得了許多先進國家的重視。
以鄰近國家日本為例，JEF 鋼鐵公司即利用熱電發電技術將廠中的鋼胚廢熱轉換成電能。2013 年，JEF 鋼鐵公司完成煉鐵廠內建置10 瓩固態熱電發電系統驗證，使用的熱電模組輸出密度達1 W ／cm²（瓦特／平方公分），獲得的電力由直流轉成交流電後，併入已有的配電線在廠內使用，另可配合製程特性全天候連續發電，未來的目標是實現100 瓩級的系統實用化。
東芝（Toshiba）公司亦於草津溫泉和垃圾處理廠建立起熱電示範系統，在攝氏130 度以下，該系統的發電效率為百分之3.6。京都垃圾焚化廠則採用松下電器（Panasonic）公司研發出的一種有別於傳統的管型熱電模組（此種熱電管每隻可發2.5瓦的電力），利用焚化廠廢熱所製造出的熱水進行發電。
幫家電節能，節能率可達10％
固態熱電材料除了可藉由兩側的溫度差來產生電力，通入電流後亦可在兩側造成溫度差，做為冷卻（致冷）或加熱之用。
在熱電技術應用於製冷、製熱方面，工研院目前開發出的熱電熱泵飲水系統，以熱電模組取代壓縮機進行溫度控制，可以將體積縮小至0.05 立方公尺，重量小於8 公斤，加熱之節能功率較傳統飲水機提升百分之10 到20，且低溫段水溫可低於攝氏5 度，已具備多功能式飲水系統的基本功能。此項技術已技轉國內廠商，預計2 到3 年內將上市銷售。
住商飲水機每年的平均耗電量約為500 至700 度，若以目前預估的數據來看，無壓縮機式熱電熱泵飲水機節能率最高可達百分之10 左右，因此每臺飲水機理想上應可節能50 到70 度電。未來廠商若能在第1 年即達到5,000 臺的銷售量，節電量將可達到25 到35 萬度電，年減二氧化碳量約150 至220 公噸。
當全球吹起節能減碳的風潮，且對電力的需求日益增加，能將廢棄熱能再次利用、降低工廠對電網用電依賴的固態熱電技術，方興未艾。
關鍵字：固態熱電系統,工研院,塞貝克效應