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用溫差就能發電!專訪國立陽明交通大學材料與工程學系吳欣潔教授,談「熱電材料」的應用實例

112/09/28 瀏覽次數 3768
圖一:熱電材料除了被應用在太空探測器與廢熱發電外,未來也有機會在「致冷器」中發揮快速散熱的特性,滿足減碳的趨勢與需求。(影像來源:國立陽明交通大學材料與工程學系吳欣潔教授)

圖一:熱電材料除了被應用在太空探測器與廢熱發電外,未來也有機會在「致冷器」中發揮快速散熱的特性,滿足減碳的趨勢與需求。(影像來源:國立陽明交通大學材料與工程學系吳欣潔教授)

隨著氣候快速變遷,尋找對地球環境影響最低的綠色能源成為當務之急,促使熱電材料逐漸被產學研界重視。熱電材料就是利用溫差發電,原理雖然聽來容易,但執行起來極具挑戰性,主因在於轉換效率不高。國立陽明交通大學材料與工程學系吳欣潔教授投入熱電材料研究多年,研發出將熱電優值(又稱 ZT 值,數值越大代表熱電效益越佳)提升的製程,其研發出的高 ZT 熱電材料也有著極高的轉換效率。

究竟熱電材料的運作原理與特色為何?吳欣潔解析:「簡單來說就是源自半導體材料內的載子特性。載子由高溫往低溫移動,使材料在高低溫端具有數量不同的載子,進而出現電位差且產生電流.這個是由德國物理學家湯馬斯‧塞貝克(Thomas Johann Seebeck)在 1821 年首次描述的現象,後來被稱為賽貝克效應(Seebeck effect)。」另外,熱電材料只要有溫差存在就能產生電位差,而且材料本身或模組皆是全固態,使用上更為穩定且安全,使用壽命也較長。

熱電材料的應用實例

儘管吳欣潔的研究成果廣受學研單位矚目,但多數人對熱電材料技術都還有些陌生。
面對這樣的現象,吳欣潔分享熱電技術其實已問世多年而且應用廣泛,像是太空由於多數環境未必像地球有充足的太陽能可供發電,目前常用的太陽能發電機制也不可行,因此利用溫差發電且可長時間自行運作的熱電,就成為建置太空探測器的重要技術。此外,在一般產業中,熱電亦可見到其應用身影,例如中鋼與工業技術研究院就合作將熱電材料模組製成磁磚樣態,並貼附在煉鋼廠區中,把熱能轉換成電力供照明使用;或是在汽車引擎內建置熱電材料模組就可以把高達攝氏 300 度的高溫轉換為電力。

除了工廠,臺灣熱電材料其實還可以有更多應用。譬如能將臺灣大量的地熱,透過熱電而產電,「簡單來說,就是只要有溫差的地方,熱電材料都可以發揮功效,」吳欣潔說。

熱電材料的發展潛力

吳欣潔開始研究熱電技術是在博士班階段,當時綠能是產官學研界高度關注的議題,不過多數團隊的方向都在生質能、電池、太陽能等方面,因此她希望可以做出不一樣的成果,於是選擇深具發展潛力、應用範圍廣的熱電材料。往後,在致力提升熱電材料 ZT 值的過程中,儘管遇到組裝、封裝與如何精細量測轉換效率的挑戰,但最後在國家科學及技術委員會的計畫支持下,才得以完成具有突破性的研究成果。

對於未來的研究走向,吳欣潔表示在持續研究溫差發電的同時,也將投入「致冷器」的研發,「有溫差時,熱電材料就可以發電,但如果對它通電,熱電材料就會降溫,這是一體兩面之事,」吳欣潔分享。因此,選擇熱電材料做為冷卻設備,就不須像傳統冰箱、冷氣需要壓縮機和冷煤,只需材料本身和簡單的通電模組,即可瞬間、定點的冷卻。

吳欣潔最後表示,熱電材料的發電效率離商業應用雖然還有一段距離,不過這項技術具備的優勢以及轉換效率的逐步提升,可以滿足減碳的需求與趨勢。未來,吳欣潔與研究團隊也將並重發電與致冷兩方,持續提供產業與社會高效能的綠色材料。

資料來源

● 採訪國立陽明交通大學材料與工程學系吳欣潔教授

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