TWI480565B - Simulation System of Thermoelectric Power Generation Performance - Google Patents

Description

熱電發電效能之模擬系統

本發明是有關於一種模擬系統，特別是指一種用於熱電發電效能之模擬系統。

由於能源短缺的問題日益嚴重，使得再生能源技術的發展成為現今重要的課題，例如，如能利用排氣廢熱以熱電發電的方式進行發電，將廢熱回收重新再利用，不僅能減少能源的消耗與浪費，亦能降低廢熱對環境造成的危害。

熱電發電的原理主要是利用熱電材料的熱電效應(Thermoelectric effect)進行發電，即利用所提供之冷、熱源造成的溫度差而產生電流，是一種能將熱能轉換為電能的發電方式。而以熱電材料進行發電的發電效率，則和冷、熱源的溫度和溫度差有極密切的關係，然而，目前於熱電發電的應用上因缺乏冷、熱源快速檢測的方法，因此無法有效且正確的搭配與設計所適用之熱電材料，確實地利用冷、熱源的溫度差產生電能，導致熱電發電的發電效能，所以，熱電發電於實際應用上的產電效能並不如預期。因此，如能模擬實際應用的環境條件，並提供該冷、熱源 的溫度、溫度差，及發電效率等資訊，以作為評估的依據，對於熱電發電在應用上的推展與落實必定有所助益。

習知的熱電發電效能之檢測是利用電子式加熱平板針對固態的熱源進行模擬，藉由調整該電子式加熱平板的加熱溫度控制熱源溫度，並以散熱鰭片或以冷卻水循環的方式作為冷源，而製造出冷、熱源的溫差環境。

然而，電子式加熱平板的模擬方式因受限於設備的加熱能力，僅能提供熱源溫度約200℃以下的模擬環境，並無法適用於高溫環境的熱電發電效能的檢測。再者，利用電子式加熱平板進行模擬，對於冷源的溫度不易控制，也無法針對冷卻水出入口的溫度及流量進行監控，導致無法精確地掌握冷、熱源的溫差而利用熱電材料達到最佳化的設計。除此之外，以電子式加熱平板進行加熱，僅能提供固態熱源的模擬，對於鋼鐵業等高熱製程所衍生出氣態形式的廢熱，便無法精確得知其利用熱電發電所能達到的效益。

基於上述熱電發電的發展與應用，如何針對不同的熱源溫度與發電效能進行模擬與評估，以提升廢熱回收率達到節能減碳的成效，係為本發明研究探討的重要目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種能模擬不同的冷、熱源溫度，並提供熱電發電效能之相關資訊的熱 電發電效能之模擬系統。

於是，本發明熱電發電效能之模擬系統，包含一加熱單元、一氣體通道、一熱電轉換單元，及一檢測單元。

該加熱單元用以加熱一氣體；該氣體通道與該加熱單元連接並使該經過加熱之氣體通過。

該熱電轉換元件設置於該氣體通道的外壁面，包括複數個與外壁面連接的熱電元件，及一與該等熱電元件連接的冷卻循環元件，該等熱電元件以流經該氣體通道之氣體作為熱源，並以該冷卻循環元件作為冷源，利用該冷、熱源之間的溫差效應轉換產生電能。

該檢測單元與該熱電轉換單元連接，並用於量測該熱電轉換單元所接收的冷、熱源溫度、熱流量，及該等熱電元件所產生的電訊號。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，還包含一用於感測該氣體的溫度與流速的感測單元，包括複數個設置於該氣體通道之內壁面的溫度計，及複數個設置於該氣體通道之內壁面的流速壓力感測器。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該等溫度計及流速壓力感測器是以交錯排列的方式設置於該氣體通道之內壁面。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，還包含一分別與該感測單元及該檢測單元電連接的訊號處理單 元，包括一用以接收並紀錄該感測單元及該檢測單元之量測結果的處理器，及一與該處理器連接並用以顯示該等量測結果的顯示器。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該等熱電元件是以陣列的方式排列並設置於該氣體通道的外壁面。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件包括一存放有一冷卻液體的儲存槽、一與該儲存槽連接並設置於該等熱電元件遠離該氣體通道的表面的冷卻管路，及一用以抽排該冷卻液體自該儲存槽進入該冷卻管路的幫浦。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件具有多片與該等熱電元件遠離該氣體通道的表面連接並呈間隔排列的散熱鰭片。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該氣體通道的外壁面具有複數個插入孔，該每一個熱電元件具有至少一對應插設於該每一個插入孔的吸熱片，及多片與該吸熱片連接並呈間隔排列的集熱鰭片。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件具有多片與該等熱電元件的表面連接並呈間隔排列的散熱鰭片。

較佳地，前述熱電發電效能之模擬系統，其中，該熱源的溫度介於100℃至800℃，冷源的溫度介於25℃ 至100℃。

2‧‧‧加熱單元

3‧‧‧氣體通道

31‧‧‧內壁面

32‧‧‧外壁面

33‧‧‧插入孔

4‧‧‧感測單元

41‧‧‧溫度計

42‧‧‧流速壓力感測器

5‧‧‧熱電轉換單元

51‧‧‧熱電元件

511‧‧‧吸熱片

512‧‧‧集熱鰭片

513‧‧‧熱電晶片

52‧‧‧冷卻循環元件

521‧‧‧儲存槽

522‧‧‧冷卻管路

523‧‧‧幫浦

524‧‧‧散熱鰭片

6‧‧‧檢測單元

7‧‧‧訊號處理單元

71‧‧‧處理器

72‧‧‧顯示器

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一平面示意圖，說明本發明熱電發電效能之模擬系統的第一較佳實施例；圖2是一剖視示意圖，說明該較佳實施例中感測單元的分佈態樣；圖3是一平面示意圖，說明該較佳實施例中冷卻循環元件的一態樣；圖4是一側視示意圖，說明該較佳實施例中冷卻循環元件的另一態樣；圖5是一側視示意圖，說明本發明熱電發電效能之模擬系統的第二較佳實施例；及圖6是一X-Y散布圖，說明以該較佳實施例進行模擬的液體流量與發電量之變化關係。

在本發明被詳細描述之前，應該注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明熱電發電效能之模擬系統的第一較佳實施例包含一加熱單元2、一氣體通道3、一感測單元4、一熱電轉換單元5、一檢測單元6，及一訊號處理單元7。

該加熱單元2用以加熱一氣體，該氣體通道3與該加熱單元2連接並使該經過加熱之氣體通過，該氣體通道3包括一與該通過之氣體接觸的內壁面31，及一與該內壁面31相對的外壁面32。

該感測單元4用以感測該氣體的溫度與流速，包括複數個設置於該氣體通道3之內壁面31的溫度計41，及複數個設置於該氣體通道3之內壁面31的流速壓力感測器42，且該等溫度計41及流速壓力感測器42是以如圖2所示交錯排列的方式設置於該氣體通道3的內壁面31，並可與該訊號處理單元7訊號連接。由於該等溫度計41及流速壓力感測器42是以交錯排列且平均分佈的方式設置於該氣體通道3的內壁面31，因此，將該等溫度計41及流速壓力感測器42分別量測得到之溫度值與流速值經計算獲得平均值，便可準確得知流經該氣體通道3之氣體的溫度與流速。

配合參閱圖3，該熱電轉換單元5設置於該氣體通道3的外壁面32，包括複數個以陣列方式排列並設置於該氣體通道3之外壁面32上的熱電元件51，及一與該等熱電元件51的表面連接的冷卻循環元件52，該冷卻循環元件52包括一存放有一冷卻液體的儲存槽521、一與該儲存槽521連通並設置於該等熱電元件51遠離該外壁面32的表面的冷卻管路522，及一用以抽排該冷卻液體自該儲存槽521進入該冷卻管路522的幫浦523，該幫浦523能抽排該冷卻 液體於該冷卻管路522中循環，利用該於冷卻管路522中循環的冷卻液體形成冷源，並藉由幫浦523控制該冷卻液體的液體流量而進一步調控該冷源的溫度。該等熱電元件51以流經該氣體通道3之氣體作為熱源，並以該冷卻循環元件52作為冷源，利用該冷、熱源之間的溫差效應轉換產生電能。

較佳地，該冷卻液體的液體流量不大於100 ml/s。更佳地，該熱源的溫度介於100℃至800℃，氣體流速不大於4.4 m/s，該氣體通道3的外壁面32熱通量不大於6000 W/m² ，且該冷源的溫度介於25℃至100℃。

另，配合參閱圖4，該冷卻循環元件52也可以是具有多片且由高熱傳導效率的材料構成，並與該等熱電元件51的表面連接並呈間隔排列的散熱鰭片524，藉由該等散熱鰭片524增加與空氣接觸的面積而使熱能溢散形成冷源。較佳地，該等散熱鰭片524是以金屬材料所製成。

該檢測單元6分別與該熱電轉換單元5及該訊號處理單元7連接，並用於量測該熱電轉換單元5所接收的冷、熱源溫度、熱流量，及該等熱電元件51所產生的電訊號，例如，該檢測單元6可包含一測溫計、一熱流計，及一電訊號量測器，利用該測溫計測量該每一個熱電元件51的冷、熱源溫度，由該熱流計可知該每一個熱電元件51接收的熱流量，再藉由該電訊號量測器量測該每一個熱電元件51所產生的電訊號。此外，該檢測單元6還可經由改 變該等熱電元件51的串、並聯組合，或再增加一與該電訊號量測器搭配的可變電阻器，加以調控該等熱電元件51的發電功率，而可進一步量測得到該等熱電元件51最佳的發電功率。

該訊號處理單元7分別與該感測單元4及該檢測單元6電連接，包括一用以接收並紀錄該感測單元4及該檢測單元6之量測結果的處理器71，及一與該處理器71連接並用以顯示該等量測結果的顯示器72。

參閱圖5，本發明熱電發電效能之模擬系統的第二較佳實施與該第一較佳實施例大致相同，不同之處在於該第二較佳實施例中，該氣體通道3具有複數個以陣列方式排列的插入孔33，而該等熱電元件51分別對應插設於該等插入孔33。其中，該每一個熱電元件51具有一對應插設於該每一個插入孔33的吸熱片511、多片與該吸熱片511連接並呈間隔排列的集熱鰭片512、及至少一設置於該吸熱片511的表面且能利用冷、熱源間的溫度差轉換產生電能的熱電晶片513。

於該第二較佳實施例中，是以二個分別設置於該吸熱片511的表面的熱電晶片513為例作說明，且該吸熱片511與該等集熱鰭片512是以金屬材料一體成形所製成，該吸熱片511呈長板狀，而該等集熱鰭片512則是連接於該吸熱片511的相反兩側。於實際應用時，利用該等集熱鰭片512直接與該經過加熱的氣體接觸而充分收集該 氣體的熱能，再經由該吸熱片511將熱能集中傳遞至該等熱電晶片513，並配合該等設置於該等熱電晶片513的表面且呈間隔排列的散熱鰭片524，形成熱源與冷源而使該等熱電晶片513產生電能。

一般來說，熱電發電的效能是會隨著溫度差的增加而提升，以該第一較佳實施例為例，該等冷卻管路522中的冷卻液體若採用較大的液體流量，因冷源的溫度降低，應該會使得冷、熱源的溫度差增加而提升該等熱電元件51的發電量，但值得注意的是，該等熱電元件51的發電量卻不會正比於該冷卻液體的流量大小，主要是因為當該冷卻液體的流量增加時，亦會同時影響到熱源的溫度，而使熱源的溫度下降，導致冷、熱源的溫度差減少。

另，於該第二較佳實施例中該等集熱鰭片512的面積大小或數量應是正比於該等熱電晶片513所接收到的溫度，亦即該等集熱鰭片512的面積越大或數量越多，則該等熱電晶片513的熱源溫度越高，但當熱源溫度提升的同時亦會影響該等散熱鰭片524的散熱效率，也就是說，當該熱電發電是應用於一產生較大熱量的熱源時，可以縮小該等集熱鰭片512的面積或減少使用的數量，使其不至於影響冷源的溫度，藉此方式，便可有效地增加冷、熱源的溫度差，進而提升該等熱電晶片513的發電量。

熱電發電應用於不同環境的冷、熱源溫度或該等熱電元件51所應搭配選用的數量並不易得到最佳化的發 電條件，因此，藉由本發明該感測單元4用以得知氣體的溫度與流速，並配合該檢測單元6用於量測得知該熱電轉換單元5所接收的冷、熱源溫度、熱流量，以及該等熱電元件51所產生的電訊號，而可因應不同環境的冷、熱源溫度，進行設計並調控各項會影響該等熱電元件51發電效率的變因，例如設計該等集熱鰭片512的面積大小作為熱源的調控，或是調整該等熱電元件51的安裝間距與使用數量，使熱源不易因該等熱電元件51的安裝間距過窄或使用數量過多而分散，因而能得到最有效的利用。

除此之外，本發明還能分別提供該熱電轉換單元5各個區域的冷、熱源溫度、溫度差、熱通量、電壓與電流量、發電量、氣體的溫度與流速等各項資訊，藉由該訊號處理單元7亦可將該等熱電元件51於發電過程中的相關資訊進行紀錄與儲存。

為了使本發明熱電發電效能之模擬系統的功效更為清楚，故就以下一個具體例作進一步的說明。

〈具體例〉

該具體例是以本發明該第一較佳實施例進行操作模擬，分別以該氣體通道3的外壁面32熱流量為2000 W/m² 、4000 W/m² ，及6000 W/m² ，並搭配該冷卻液體的液體流量分別為20 ml/s、40 ml/s、60 ml/s、80 ml/s，及100 ml/s作為模擬的條件，藉由量測該等熱電元件51的發電量，來加以說明本發明熱電發電效能之模擬系統於實際應 用上的優點。

參閱圖6，圖6為該具體例於不同條件下的液體流量與發電量的量測結果，由該液體流量與發電量變化關係圖可知，當熱流量越高，該等熱電元件51的發電量也會隨著增加。但值得注意的是，以熱流量6000 W/m² 為例，會發現該等熱電元件51的發電量並不會隨著液體流量的增加而呈現線性的趨勢，且控制該液體流量為80 ml/s時，其熱電發電的發電量為最大值，因此可知以熱流量6000 W/m² 作為熱源，需搭配80 ml/s的液體流量是為最佳的熱電發電條件。

本發明利用大面積及氣體熱源的方式進行模擬，不僅模擬的熱源溫度可達800℃，亦能同時量測得知冷源的溫度，進而準確計算出冷、熱源的溫度差，再利用該檢測單元6得知熱電發電的發電效能，以作為實際應用評估的依據，而設計出最佳發電效率的熱電發電系統。除此之外，目前可用以提供熱電發電系統的熱能來源亦相當廣泛，可來自於一自然熱源或非自然熱源，例如太陽能熱能、汽車廢熱、工業廢熱等等，其中，鋼鐵工業即屬於高熱製程，於製程中會衍生許多的高溫廢氣，如能充分回收並加以利用該廢熱能源進行發電，不僅能降低生產成本，還能減少二氧化碳的排放量，進一步達到節能減碳的功效。

綜上所述，本發明利用模擬的方式，進一步掌握並確認熱電發電的發電效能，以強化廢熱回收技術並提 升廢熱回收率，並可廣泛應用於不同的產業及領域，不僅能達到環保的功效，亦能有效地提升熱電發電的實用價值，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧加熱單元

3‧‧‧氣體通道

32‧‧‧外壁面

5‧‧‧熱電轉換單元

6‧‧‧檢測單元

7‧‧‧訊號處理單元

71‧‧‧處理器

72‧‧‧顯示器

Claims (9)

1. 一種熱電發電效能之模擬系統，包含：一加熱單元，用以加熱一氣體；一氣體通道，與該加熱單元連接並使該經過加熱之氣體通過，其中，該氣體通道的外壁面具有複數個插入孔；一熱電轉換單元，設置於該氣體通道的外壁面，包括複數個與該外壁面連接的熱電元件，及一與該等熱電元件連接的冷卻循環元件，該等熱電元件以流經該氣體通道之氣體作為熱源，並以該冷卻循環元件作為冷源，利用該冷、熱源之間的溫差效應轉換產生電能，其中，該每一個熱電元件具有至少一對應插設於該氣體通道之每一個插入孔的吸熱片，及多片與該吸熱片連接並呈間隔排列的集熱鰭片；及一檢測單元，與該熱電轉換單元連接，並用於量測該熱電轉換單元所接收的冷、熱源溫度、熱流量，及該等熱電元件所產生的電訊號。
2. 如請求項1所述的熱電發電效能之模擬系統，還包含一用於感測該氣體的溫度與流速的感測單元，包括複數個設置於該氣體通道之內壁面的溫度計，及複數個設置於該氣體通道之內壁面的流速壓力感測器。
3. 如請求項2所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該 等溫度計及流速壓力感測器是以交錯排列的方式設置於該氣體通道之內壁面。
4. 如請求項2所述的熱電發電效能之模擬系統，還包含一分別與該感測單元及該檢測單元電連接的訊號處理單元，包括一用以接收並紀錄該感測單元及該檢測單元之量測結果的處理器，及一與該處理器連接並用以顯示該等量測結果的顯示器。
5. 如請求項1所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該等熱電元件是以陣列的方式排列並設置於該氣體通道的外壁面。
6. 如請求項5所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件包括一存放有一冷卻液體的儲存槽、一與該儲存槽連接並設置於該等熱電元件遠離該氣體通道的表面的冷卻管路，及一用以抽排該冷卻液體自該儲存槽進入該冷卻管路的幫浦。
7. 如請求項5所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件具有多片與該等熱電元件遠離該氣體通道的表面連接並呈間隔排列的散熱鰭片。
8. 如請求項1所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該冷卻循環元件具有多片與該等熱電元件的表面連接並呈間隔排列的散熱鰭片。
9. 如請求項1所述的熱電發電效能之模擬系統，其中，該熱源的溫度介於100℃至800℃，冷源的溫度介於25℃ 至100℃。