超薄熱電模組設立熱電應用全新性能標竿

固態冷卻和發電已成為複雜熱量管理和能量問題的解決方案。為解決熱能問題，熱電模組已經使用幾十年了。熱電模組的核心元件是熱電偶，一個熱電偶包括用一塊金屬板連接起來的兩個不同半導體(即用P型和N型來描述兩種材料中不同的導電機制)。端點的電氣連接形成一個完整的導電迴路，當有電流流過時，就會產生熱電冷卻(TEC)現象，在這種情況下，熱電偶一端變冷另一端變熱，這就是所謂的‘帕爾帖(Peltier)’效應。當該熱電偶放入一個有溫度梯度(即頂部比底部熱)的環境中時，就會產生熱電發電(TEG)現象，在這種情況下，該裝置會產生電流，將熱能轉換為電能，這就是所謂的塞貝克(Seebeck)效應，如圖1所示。
在實際應用中，從熱電材料的梨晶(boule)上切割下來的大量P型、N型顆粒和熱電偶組合在一起(電氣為串聯，熱學上為並聯)，以形成一個TEC或TEG。根據其尺寸和製作方法，傳統模組被稱為‘散裝’模組。這種裝置很早就用於航太領域中的發電，以及儀表、通訊和其他大量專業應用中的冷卻和溫度控制。
薄膜熱電技術
雖然熱電模組具有固態優點，但也有諸多缺點，如普遍效率低、易損壞且體積大。傳統熱電模組的大尺寸和分離式特性嚴重限制了它們的發展。最近業界有大量開發工作集中在薄膜熱電元件上。薄膜熱電材料可用傳統的半導體沈積方法生長，並可採用傳統半導體微加工技術。最終元件比傳統模組小得多，並有希望直接整合在現代製造方法中。圖2為薄膜TEC和傳統散裝TEC的比較。
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F1.jpg">圖1：基於帕爾帖效應作為TEC(左)和基於賽貝克效應作為TEG(右)的PN結原理圖
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F2.jpg">圖2：散裝TEC與Nextreme TEC的形狀和大小比較。
薄膜TEC的長和寬比傳統TEC小6倍，高度小18倍。因此，薄膜TEC的體積比傳統TEC約小110倍。
雖然比較薄膜和散裝熱電模組的大小很有趣，但比較其性能更為有用。描述一個熱電模組性能最常用的方法就是它的負載線。在固定執行電流和特定參考溫度下，將模組頂部、底部之間能達到的溫度差ΔT，標繪為能量Q的函數，就會產生負載線，能量Q是熱電模組能從溫度梯度獲得的能量。圖3顯示了Nextreme和散裝裝置的負載線，都是在參考溫度為25℃時測量的。在本例中，模組的特徵負載線顯示其最大執行電流(Imax)時的情況。在Imax條件下，Q為零時的ΔT被稱為ΔTmax，ΔT為零時汲取的能量被稱為Qmax。雖然ΔTmax和Qmax都不是設備實際的執行條件，但它們確定了設備的性能數據，並經常用來作為比較的依據。
薄膜材料
乍看之下，圖3所示的性能中，薄膜TEC汲取的能量是散裝元件的4倍，儘管它最高只有60%的溫差。然而，若一併考量尺寸差異，薄膜TEC的內在性能著實令人驚訝。薄膜TEC在一張紙的厚度上能有最大40℃的溫差(ΔTmax)！在一塊紙屑的面積上它能最大汲取約16瓦(Qmax)的能量。此處並未顯示散裝和薄膜元件各自的響應時間。然而，散裝元件的熱響應時間以秒計，而薄膜TEC的響應時間則由於尺寸小而以毫秒計算。
" src="http://www.eettaiwan.com/ARTICLES/2007MAY/A/0705A_DC6_F3.jpg">圖3：散裝TEC和薄膜TEC各自的負載線。
圖4顯示了實測的散裝和薄膜TEC負載線，此處再次計算以說明其尺寸性能差異。在這種情況下，ΔT除以獲得該溫差的厚度，Q除以獲得該熱量的面積。換句話說，縱軸代表了該裝置在其厚度上能夠控制的溫度梯度，橫軸表示該裝置在該區域上產生的功率密度。表1為散裝和薄膜TEC的完整比較。
表1：傳統TEC和薄膜TEC的室溫性能比較。
圖4中的對比描述了由薄膜TEC提供的一種新執行機制。在冷卻模式下，薄膜熱電裝置提供了空前的能量密度汲取能力(Q/面積)和良好的溫度梯度(ΔT/H)。同樣，在發電模式下這些裝置也具備良好性能特徵。
圖4：散裝TEC和Nextreme薄膜TEC的無量綱負載線。
為了利用圖4所顯示的特性，薄膜裝置需要置入合適的熱量和外形尺寸中。由於其尺寸非常小，該裝置可直接整合在半導體或光電封裝中以實現局部冷卻，這些產業的產品工程師過去從未使用合適的溫度控制方法。同時，這種小型裝置能汲取足夠的能量來實現發電、醫療器械和儀器等新應用。由於具備高整合、局部冷卻以及發電等特性，目前溫度控制或能量傳遞已成為電路的附加功能之一。
作者：
Seri Lee
技術長
Nextreme Thermal Solutions

美國科學家研發利用太陽能驅動建築空調系統的新技術

美國國家科學基金會(The National Science Foundation)將資助一項有關太陽能加熱、冷卻原型機的研究，以求取代傳統的冷熱空調系統。
在2006年丹佛太陽能學術研討會上，科學家詳細披露了稱為「活性建築物外殼(Active Building Envelope，ABE)」的原型技術。Rensselaer Polytechnic Institute (RPI)的教授Steven Van Dessel介紹了他的團隊在ABE系統方面的成果。他說，ABE可以讓太陽能電池板連接成為熱電熱力泵(thermoelectric heat pumps)，因而降低冷卻和加溫所需的成本。
「我們的系統可以天衣無縫地覆蓋於各種不同的建築物表面。」Van Dessel說：「傳統的空調和暖氣設備將要退流行了。」美國國家科學基金會還將資助Van Dessel的下一個計劃，透過採用低成本的薄膜材料，讓ABE技術具備經濟上的可行性。這個計劃一旦成功，薄膜材料就可以用在其它的應用上，例如提供汽車內部暖氣或冷卻效果的汽車玻璃。
當電流通過熱電熱力泵時，它的一端會變冷，另一端則會變熱。當熱力泵的一端被置於容器內，另一端被置於容器外時，它就可以將熱量抽出或吸入容器。ABE系統將熱電元件和覆蓋整棟樓的太陽能電池板組合在一起，再加一個儲能設備，它就能在白天或夜晚給建築物提供冷/暖氣。
Van Dessel的團隊希望利用成本低的薄膜材料，讓太陽能電池及熱電熱力泵能融入到建築物窗戶及其它表面當中，因而可控制室內溫度。
RPI的學生會樓頂安裝了一個由一間玻璃屋組成的模型，以它做為標準，研究員們模擬了利用薄膜材料製成的ABE系統。Van Dessel說：「我們在測試房間中，通過將這個模型的模擬結果與實際的溫度數據作比較，驗證了模型的精確度，並發現模型在室內溫度的預測與實際溫度測量之間存在良好的相關性。」
(原文連結處：Thermoelectric polymers could heat, cool buildings)
(R. Colin Johnson