中華民國第51屆中小學科學展覽會

作品說明書

科　　別：機械

組　　別：高職組

作品名稱：「熱」力十足－太陽能熱電池

關 鍵 詞：太陽熱能、溫差發電、均溫板(Vapor Chamber)、熱管(Heat Pipe)、熱電晶片(Thermoelectric Generator)

摘要

    熱電晶片是一種將晶片兩面保持溫差，就會有電流產生的發電晶片，但多數人嘗試的結果其發電量很小，於是我們想製造一組取用太陽能的熱源，照在晶片上，另一面加以散熱看其發電的效益如何。方法是用凸透鏡將太陽光聚集於晶片上產生高熱，而另一面使用散熱模組加以散熱以保持溫差，並利用儀器將溫差與電壓、電流量測求出發電量。

    因此我們利用機械的結構將溫差晶片的溫差拉大並保持穩定，且不靠風扇的強制散熱免得消耗能源，如此太陽能就有兩種能源型態可以發電，一種是目前發展已久的光伏電池，它是利用太陽光的作用來發電；另一種利用太陽熱能白天聚光發電，晚上可以透過技術很成熟的儲熱裝置將熱能儲存以持續發電，如此24小時皆可以發電，是綠色能源的新突破。

壹、          研究動機

    近年來油價高漲，加上溫室氣體對氣候的影響，各國都投入相當大的資源研究替代的能源，雖然替代的能源很多，但目前發展最流行的就是太陽能，而太陽能光伏電池就是運用太陽能的一種。

    但是太陽能包括光和熱，為了研究出另一種太陽能熱電池，因此，我們想到運用太陽能的熱搭配溫差發電晶片來發電，進一步開發太陽能熱發電的可能。

    然而溫差晶片的理論與產品面世已久，為何沒能大量用於發電，乃是因為溫差晶片使用不易，因為在薄薄的晶片上保持兩面的溫差將是一大挑戰，所以我們想要利用機械的結構來改善溫差晶片的效率，以便能產生更多的電量。

貳、 研究目的

    溫差晶片在市面上已是成熟產品，然而使用來發電卻是無法達到理想的狀況，其原因是因為溫差晶片是靠晶片本體上下溫差驅動127對串連的PN半導體，溫差愈大其發電量愈大，然而其有兩大缺陷須要突破，一是溫差晶片本身厚度僅有4mm，其高溫面之溫度很快就會透過去而使溫差消失，發電效率就會降低；另一方面因內部晶體是以串連的方式，故需要每對晶體都能均勻受熱，只要其中有一對或多對晶體無法同時達到溫差便無法達到發電效率。

    於是我們認為需增加高溫面熱源的溫度且降低冷卻面的溫度並維持穩定溫差，另外也須想辦法將受熱面積均勻受熱。所以本實驗的目的就是利用太陽能聚光的方式作為熱源將高溫提高，而使用目前全世界最有效率的散熱方式即均溫板(Vapor Chamber)和熱管(Heat Pipe)並利用自然對流方式保持冷卻面的溫度，完全不靠額外的動力以節省能源的消耗，此外均溫板還有一個功能，即可以將集中的熱源以次音速的速度迅速分散，使均溫板上每個接觸點的溫度保持一致，以此來克服溫差晶片散熱不夠快及不夠均勻的問題。

參、  研究設備及器材

    在本章節中，我們會列出此實驗所有用到的設備及材料，並對各項設備及材料的基本原理、使用時機做一個簡單的介紹。

             一、設備

(一)鑽床

 (二)砂輪機

(三)電腦輔助機械製圖軟體

二、器材

    (一)溫度計                                                                 (五)均溫板

    (二)三用電錶                                                      (六)熱管

             (三)溫差發電晶片                                       (七)聚光板

                        (四)導熱膏                                                               (     八)框架

肆、  研究過程或方法

    本章節中，我們先將實驗的流程做一個大綱式的呈現，接著再詳細說明重要步驟的具體內容，以及實驗過程中遭遇到的一些問題與解決方法。  

 一、實驗流程

(一)   討論實驗器具。

(二)   尋找適合的散熱裝置。

(三)   配合聚光板的尺寸來製作架子。

(四)   將架子裝在散熱裝置上。

(五)   將溫差發電晶片裝置於散熱裝置上。

(六)   配合陽光照射角度改裝放置聚光板的架子。

(七)   配合三用電錶、溫度計開始測量。

(八)   完成作品、撰寫實驗報告書。

二、研究流程圖

伍、  研究結果

(圖5-1)測量點

 (表5-1 實驗數據)

(圖5-2 ) 電流與電壓折線圖

(圖5-3) 溫差與發電量折線

 結論

一、將我們設計的太陽能熱電池與光伏電池比較如下：

1. 太陽能光伏電池的效率差，目前市面上最好的太陽能光伏電池的發電效率不過22%且占用面積大。但是由我們的實驗結果知道小小的40mm×40mm的溫差晶片有約6W的發電量。
2. 太陽能光伏電池和基座的熱膨脹係數不同，在太陽下反覆受熱及冷卻會使電池容易疲勞斷裂，且因其為串連方式，故一旦其中一片斷裂整組電池將無法發電，而發電晶片無此問題。
3. 太陽能光伏電池需靠太陽光所以無法24小時發電，但是太陽能熱電池若能導入熱儲存方式，將白天的熱儲存起來再於夜間提供熱電池發電將可以達到24小時發電的理想。

二、鑒於參考資料6之數據，該實驗使用了8片熱電晶片也不過只有10W的發電量，而我們僅用了1片熱電晶片就有6W的發電量，可見本實驗提高了發電效率許多。

三、本次實驗未導入其它電子裝置，乃是要證明使用純機械的方式可以改善電子元件之散熱使其效能更加提高，能源充分被利用。是故現代化之電子科技產品將需要有機械領域之技術才能繼續發展下去，否則將只能將其理論鎖於圖書館中。

四、熱發電技術若成熟將能更加廣泛被利用，例如溫泉業者可以利用溫泉發電，偏遠地區利用生火炊飯也可以發電，汽機車排氣管所排放的廢熱可以回收利用，火力發電廠所產生的廢熱可以再回收發電，甚至夜市炸雞排高溫油也可以提供發電，其3顆發電晶片的電源就可以提供17W照明的省電燈泡用電…一旦使用我們的實驗方式保持溫差，溫差發電將是一項可以實現的綠色能源技術。