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熱電效應技術可成IoT應用再生能源新選擇

日本再生能源推動方向,熱電效應將漸受重視。圖為日本的熱電效應測試用電動車。法新社

以機械運作產生廢熱發電,提高設備效率的方式,以汽電共生的應用最廣,但現在的應用多半限於中大型工廠,日本國立產業技術研發機構、產業技術綜合研究所(AIST),現在則推物聯網(IoT)或消費性電子產品的熱電效應技術研究,希望替物聯網應用提供新電力來源,同時提高現有發電系統效率。

與熱機藉由廢熱製造蒸汽,進行汽電共生的發電方式不同,產業技術綜合研究所目前的研發重點,擺在高效率熱電材料與熱電晶片的研發,2018年公布的成果,熱電轉換效率已從既有產品的7.5%水準,提高到12%,接下來的研究方向,是材料的耐久性。

目前產業技術綜合研究所關注的材料,是碲化鉛(PbTe),透過奈米(nanometer)技術加工,在熱端溫度攝氏600度、冷端溫度攝氏10度的條件下,熱電轉換效率可以從沒有奈米技術加工時的7.5%,提高到8.5%,若採用低溫端與高溫端結構個別設計的2段式熱電轉換模組,效率可進一步提高到12%。

溫度差接近攝氏600度的應用,除汽電共生設備進一步提高效率以外,在汽車等機動設備,或是溫泉與太空等天然有高溫的環境,同樣也有用途,特別是強調效率的中高階電動車,車輪安裝動能轉換系統外,馬達也可安裝熱電轉換系統發電。

但這不表示熱電轉換材料只能用在高溫環境下,產業技術綜合研究所也試製熱電效應感測器設備,人只要把手放在感測器上,產生的電力便足以啟動體溫、排汗等感測器,並透過無線通信模組,把資料傳送到智慧型手機上。

雖然低溫下熱電轉換產生的電力比較低,但對於傳輸資料量低的若干物聯網用感測器,已足敷應用,如醫療保健用途,或現有機器上貼附感測器,都可應用。

現在日本政府的能源基本計畫,預定2030年要將再生能源應用比例提高到20%,而仍有60%會是火力發電,這些火力發電廠目前的熱量應用效率,約為60%,在這些設備中追加熱電效應設備,可望進一步提高火力發電系統的熱量應用效率,以及再生能源應用效率。

除此之外,現在汽車的能源使用效率,理論上還有再提高5%的空間,但相關設備的建置成本問題,讓車商與消費者都缺乏加裝相關設備的動力,能否由熱電材料或熱電晶片代替,也是後續研究議題。

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