TW201327951A - 熱電發電裝置與模組 - Google Patents

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Abstract

一種熱電發電裝置，包括第一和第二熱電元件。第二熱電元件與第一熱電元件之間具有一電性接合面，其為交錯式接合面。第一熱電元件的塞貝克係數大於第二熱電元件的塞貝克係數。第一熱電元件包括一第一外延部、第二熱電元件包括一第二外延部，第一外延部與一第一電能輸出端電性接合而形成一第一接觸面，且電性接合面的面積大於第一接觸面的面積。第二外延部與一第二電能輸出端電性接合而形成一第二接觸面，且電性接合面的面積大於第二接觸面的面積。

Description

熱電發電裝置與模組
本發明是有關於一種熱電發電裝置，且特別是有關於一種應用面相當廣泛的熱電發電裝置與模組。
在傳統的熱電應用領域中要判斷一物質是否為良好的熱電材料，主要是觀察其熱電優值(Figure of Merit，ZT值)，ZT值主要與塞貝克係數(Seebeck coefficient)、導電率和熱傳導係數相關，以上三種參數也直接影響一材料是否擁有良好的熱電性質，可否應用在熱電效應上。ZT值越高，熱電效應則越顯著，其關係式為：
上式中α為塞貝克係數；σ為導電率；k為熱傳導係數；T為絕對溫度。由關係式中可看出，一個好的熱電材料除了需要有良好的塞貝克係數外，還要有高導電率以及低熱傳導係數。
由於自然界中材料的物性通常導電率與熱傳導率為相依關係，因此一般材料難以同時具有良好的導電率以及低熱傳導係數，使得最後加總之後的ZT值無法有效提升，因此材料的導電率與熱傳導係數之控制即成為提升熱電性能的關鍵點，但是以目前技術而言其亦為材料發展的瓶頸所在。例如p型矽(Silicon)之塞貝克係數即為常用的Bi2TE3材料的2.8倍左右，但是其熱傳導係數卻高達74倍，這就是為何具有高塞貝克係數的矽反而較少應用於熱電材料中的原因。
綜合以上的觀點可得知目前熱電材料技術發展的首要目標，就是將材料導電率維持在一定範圍下降低其熱傳導係數，或者發展出等效的設計因子來達成需求。
某些傳統熱電式發電裝置如圖1所示，其冷端與熱端分別為厚度較薄之熱電元件100之上下兩端，由於熱傳途徑短，其冷、熱端在熱傳特性上可能會有相互影響的問題。上述之熱傳影響問題使得傳統熱電發電裝置在使用時勢必需要一散熱裝置(未繪示)如熱沉、風扇與水冷系統等操作，方能使冷端降溫並維持與熱端之溫差，這種方式較為麻煩並使得在應用發展上受到限制。此應用操作方式還有一個問題，就是冷端的散熱裝置將會加速熱端熱源的散逸，所以在冷端一邊散熱的同時熱端又必須同步補充相對散失之熱量以維持其溫差，在高ZT材料尚未開發出來之前，其材料熱傳導係數比相對其功率因素(power factor)不夠低的情況下，熱源之熱量可能會相對地損失而導致元件效能偏低的情形。
已知有美國專利US 6060657是利用奈米技術製造多層量子井(multi-quantum well)結構的超晶格薄膜，來降低熱傳導性。
另外，美國專利US 6384312將熱電塊材之形狀設計為尖錐型，在與電極之接觸表面形成微小的點接觸使得接觸界面上之熱回傳量受限。
本發明提出一種熱電發電裝置，包括第一和第二熱電元件。第二熱電元件與第一熱電元件之間具有一電性接合面，這個電性接合面為交錯式接合面，而第一熱電元件的塞貝克係數大於第二熱電元件的塞貝克係數。第一熱電元件包括一第一外延部、第二熱電元件包括一第二外延部，第一外延部與一第一電能輸出端電性接合而形成一第一接觸面，且電性接合面的面積大於第一接觸面的面積。第二外延部與一第二電能輸出端電性接合而形成一第二接觸面，且電性接合面的面積大於第二接觸面的面積。
本發明另提出一種熱電發電裝置，包括第一、第二熱電元件、第一、第二輸出線路和至少一補償熱電結構。第一與第二熱電元件之間具有一第一電性接合面，其中第一熱電元件的塞貝克係數大於第二熱電元件的塞貝克係數。第一輸出線路則與第一熱電元件相連而形成一第一接觸面，且上述第一電性接合面的面積大於第一接觸面的面積。第二輸出線路與第二熱電元件相連而形成一第二接觸面，且上述第一電性接合面的面積大於第二接觸面的面積。補償熱電結構則是設置在第一輸出線路和第二輸出線路之間。
本發明再提出一種熱電發電模組，是由數個上述熱電發電裝置所構成。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明之概念與某些傳統的熱電元件不同，所以下文將詳細說明。
就熱電元件的原理來說，將兩種不同之材料200與202以互相串連方式接合，如圖2，並針對接合面J1與J2作局部溫控與量測。材料200具有較大之塞貝克(Seebeck)係數，而材料202具有相對較小之Seebeck係數值。當熱源供應熱至接合面J1時，接合面J1和J2分別具有T1與T2之兩不同溫度值。
實驗中以不同的加熱方法、熱量大小、熱傳方向等不同條件參數來加熱並進行量測。譬如圖3A顯示的溫度變化是呈線性的；圖3B的加熱方法則使接合面J1與J2的溫度均勻，但接合面J1與J2之外的區域則立即冷卻；圖3C的加熱方法則使溫度變化呈非線性的。結果發現不論以任何方式作加熱，只要接合面J1與J2最後生成之溫度值固定為T1與T2，則此熱電材料系統的輸出電壓、電流即為固定值。
藉由此實驗結果可知，熱電之發電效應主要產生於材料之接合面且取決於面上之局部(local)溫度值，與傳統理論認為是由於材料內部溫度梯度造成內部載子擴散或漂移效較無關聯。
換句話說，熱電效應的實際發生處主要為接合面處，若是單純給予熱量與溫度至元件材料處而接合面處沒受到熱與溫度影響時，熱電效應則不會產生。當熱作用於接合面，則會產生一與溫度成函數關係之電壓值輸出，而其產生電流值則與溫度、接合面面積兩者成函數關係。
圖4進一步舉例分析說明熱電發電的過程與原理。在圖4最上面標示+10的材料為連接熱電材料電性之金屬導線，其Seebeck效應值設為+10；同理，標示-100的材料為Seebeck效應為-100之熱電材料；標示+100的材料為Seebeck效應為+100之熱電材料。材料之間的接合面J1、J2、J3視其熱電效應值為0之相對參考點(面)。
若J1、J2、J3置於相同之溫度環境條件下，則各材料與接合面之間會產生如圖4中間所示之發電特性。即標示+10的材料A對J1產生10個單位向右之電壓值；標示-100的材料由J1產生100個單位向右之電壓值；標示-100的材料對J2產生100個單位向左之電壓值；標示+100的材料由J2產生100個單位向左之電壓值；標示+100的材料對J3產生100個單位向右之電壓值；標示+10的材料由J3產生10個單位向左之電壓值。
將上述發電特性加總至接合面上所產生的作用如圖4最下方所示。即為：J1上有一110個單位向右之電壓值；J2上有一200個單位向左之電壓值；J3上有一90個單位向右之電壓值。因此若將J2視為具有200單位電壓值之正接合(Positive Junction)，則J1即為具有-110單位電壓值之負接合(Negative Junction)且J3即為具有-90單位電壓值之負接合，三者處於相同溫度條件下最後之電壓值相互抵消所造成輸出值為0。
因此，在發電應用設計上應要設法使J2處於高溫環境並形成較大的接觸面積以造成最大的正效應輸出，同時使J3與J1處於低溫環境並形成較小的接觸面積以造成最小的負效應抵銷輸出。
根據上述發現的接合面發電原則，依照本發明之第一實施例之一種熱電發電裝置的剖面示意圖，如圖5所示。
在圖5中，熱電發電裝置500包括一第一熱電元件502與一第二熱電元件504，其中第一熱電元件502的塞貝克係數大於第二熱電元件504的塞貝克係數。第一熱電元件502有第一外延部502a、第二熱電元件504有第二外延部504a。當熱源506使第一熱電元件502與第二熱電元件504處於加熱範圍508內，則第一外延部502a在加熱範圍508外與一第一電能輸出端510電性接合而形成一第一接觸面512；第二外延部504a在加熱範圍508外與一第二電能輸出端514電性接合而形成一第二接觸面516。至於第一熱電元件502與第二熱電元件504之間具有一電性接合面518，其為交錯式接合面。電性接合面518的面積大於第一接觸面512的面積，且電性接合面518的面積也大於第二接觸面516的面積。由於大幅增加電性接合面518的工作面積能造成電流量與整體發電量提升。達成增加電性接合面518的面積之方法亦可使用微機電製程方式、接合表面微結構處理或奈米製程等方式達成與加強。
當熱源506供熱至電性接合面518，只要電性接合面518的溫度比第一、第二接觸面512和516的溫度高，即自熱電發電裝置500產生的電能，並由第一電能輸出端510和第二電能輸出端514與外部電路520電性連接，以輸出電能。而且，電性接合面518接受熱源506加熱時的熱分佈可以是非線性的，不需像傳統熱電發電元件需要嚴格控制冷熱端的溫度；當然電性接合面518的熱分佈也可以是線性的。熱源506加熱可以利用加熱器貼合方式接近電性接合面518並傳熱升高其溫度。熱源506加熱亦可將整個加熱範圍508內的第一、第二熱電元件502和504在第一、第二接觸面512和516不接觸熱源條件下浸入至熱源系統(如加熱槽)內擷取熱量，並可在不影響電路情況下在其周邊貼上或嵌入如圖6A的加熱鰭片600，以利熱量加速傳導至電性接合面518上。熱源506還可以是地熱、太陽熱能、工業廢熱、家電廢熱、汽車廢熱等。在本實施例中，可以使用的第一與第二熱電元件的材料示於下表一：
此外，在圖5中的電性接合面518是第一、第二熱電元件502和504分別皆以柵狀結構相接合以增加工作接觸面積所構成之交錯式接合面，但是本實施例並不侷限於此，只要電性接合面518為交錯式接合面即可。譬如圖6B的電性接合面是鋸齒面602。
在第一實施例中，第一、第二外延部502a與504a如為細長之線型結構，不但可大幅降低熱阻率且能藉由控制熱阻率與導電性產生較佳值關係，在減少熱傳導至第一、第二接觸面512和516之條件下，亦能確保最少之電性內損耗。第一、第二外延部502a與504a如能做好絕熱處理即可減少熱損而提升發電轉換效率。第一、第二外延部502a與504a延伸至相對低溫之環境後，以較小之第一、第二接觸面512和516接合至其他材料或電路元件，將可確保第一、第二接觸面512和516處於低溫之環境條件下且具有較小之反向能量產生。因此，第一、第二接觸面512和516的溫度較佳是相對低溫，如相對於熱源506較低的溫度。在另一實施例中，可選擇設置一降溫設備(未繪示)來降低第一與第二接觸面512和516的溫度，也可採用一隔熱裝置(未繪示)來阻絕用於加熱電性接合面518的熱源506的熱傳至第一及第二接觸面512和516；譬如，用隔熱膜來包覆第一與第二接觸面512和516。
請繼續參照圖5，熱電發電裝置500與外部電路520之間的第一電能輸出端510與第二電能輸出端514如為可撓性材料，則可根據工作環境作變化。如圖6C所示，在熱源的加熱範圍508外連接第一、第二外延部502a與504a的是電導線608a、608b。由於導線一般具有可撓性，所以能夠容易地就應用環境與條件的變化作變化處理，因而大大增加本發明的應用面。於電導線608a、608b表面可包覆絕緣或隔熱之材質。
此外，第一、第二外延部還能製成多段式結構。如圖6D所示，第一外延部610和第二外延部612是多段構成的線形結構，且較佳是分別與第一、第二熱電元件502和504採用相同的材料。
圖7是依照本發明之第二實施例之一種熱電發電模組的示意圖，在圖7中使用與圖5相同的元件符號表示相同或類似的構件。
第二實施例之熱電發電模組700是採取串聯之方式調整電壓與輸出值之比例，將一個個熱電發電裝置500用電導線702相連，並將熱電發電裝置500與其他材料(第一電能輸出端510、第二電能輸出端514與電導線702)之接觸面維持在低溫範圍704，即可簡單地達成熱電發電。
圖8A是依照本發明之第三實施例之一種熱電發電裝置的上視示意圖；圖8B是圖8A之B-B’線段的剖面示意圖。
請見圖8A與圖8B，第三實施例之熱電發電裝置800是製作在基板802上，包括第一熱電元件804和第二熱電元件806，熱電發電裝置800上方另有能將加熱範圍808加熱的熱源810。第一、第二熱電元件804與806之間具有一電性接合面812，且第一熱電元件804的塞貝克係數大於第二熱電元件806的塞貝克係數。第一熱電元件804的第一外延部804a與第二熱電元件806的第二外延部806a在加熱範圍808外藉由導電層814互相串聯，並於最兩端分別與第一、第二電能輸出端816a和816b電性接合而形成接觸面818a和818b，且電性接合面812的面積大於接觸面818a和818b的面積。第三實施例的發電原理與前面的實施例相同，不同處在於本實施例之第一、第二外延部804a與806a與第一、第二熱電元件804和806在尺寸上差不多。
圖9A是依照本發明之第四實施例之一種熱電發電裝置的上視示意圖；圖9B是圖9A之B-B’線段的剖面示意圖。
請見圖9A與圖9B，第四實施例之熱電發電裝置900是製作在基板902上，包括第一熱電元件904和第二熱電元件906，熱電發電裝置900下方另有能將加熱範圍908加熱的熱源910。第一、第二熱電元件904與906之間具有一電性接合面912，且第一熱電元件904的塞貝克係數大於第二熱電元件906的塞貝克係數。第一熱電元件904的第一外延部904a與第二熱電元件906的第二外延部906a在加熱範圍908外藉由導電層914互相串聯，並於最兩端分別與第一、第二電能輸出端916a和916b電性接合而形成接觸面918a和918b，且電性接合面912的面積大於接觸面918a和918b的面積。第四實施例的發電原理與前面的實施例相同，可參照第一實施例的各項參數。
以上各實施例的結構具有以下幾點突破性的特點：
1.第一、第二熱電元件之電性接合面的面積越大則發電效率越高，可輕易提升發電效率。
2.第一、第二外延部如為組細長型結構，能達成同時具有良導電與不良導熱特性，使得熱源至低溫環境之熱阻非常大而大幅降低熱損，但同時完全只由熱源系統內所產生之電量亦可順利傳導至外部而加以利用，故可大幅減少熱損率而提升發電效率。
3.本實施例之熱電發電裝置不限制於某些傳統熱電發電之冷端散熱概念，意即外延部與電能輸出端之間的第一、第二接觸面不再必需要藉由散熱機構而達成較低溫之機制，在應用方便性、成本、降低熱損而提高效率、技術門檻、體積、環境限制等方面而言，都具有突破性之優勢。
4.整體模組結構具有僅需熱源即可發電之特性，能省略某些傳統的主動式冷卻機制系統。由於不像某些傳統熱電發電機需在冷端作散熱作業，造成熱源之熱量大幅浪費散逸至空氣中導致發電效率低的問題。本實施例之熱電發電裝置一方面可使冷熱端能維持在良好的溫差條件下，一方面更可使熱端之熱量傳輸至冷端且散逸至大氣中的速率大幅減低。
5.本實施例之熱電發電裝置擷取熱源的方式，不再如同某些傳統結構之限制僅能將其中一面貼於一熱源面上，更可將第一、第二熱電元件整個放置於熱源系統內，在應用上之突破性非常可觀。
此外，本發明的熱電發電裝置中還可設置補償熱電結構，以形成與電性接合面的電流同向的補償電壓，其電路如圖10所示。當熱源的加熱範圍1000不但包括第一、第二熱電元件TE1和TE2的電性接合面還影響到TE1和TE2與其他材料的輸出線路1002和1004的接觸面1006、1008時，需要另設置一個補償熱電結構1010，以補償接觸面1006、1008的負向電壓，即負接合(Negative Junction)。以下是具有幾種不同類型的補償熱電結構之熱電發電裝置的實施例。
圖11A是依照本發明之第五實施例之第一種熱電發電裝置的剖面示意圖。
在圖11A中，熱電發電裝置1100包括第一、第二熱電元件1102和1104、第一、第二輸出線路1106和1108、和補償熱電結構1112，另外於熱電發電裝置1100外有一第一熱源1110供熱，以使第一與第二熱電元件1102和1104之間的第一電性接合面1114處於加熱範圍1120內，且第一熱電元件1102的塞貝克係數大於第二熱電元件1104的塞貝克係數。至於第一輸出線路1106與第一熱電元件1102相連而形成一第一接觸面1116，第二輸出線路1108則與第二熱電元件1104相連而形成一第二接觸面1118，且第一接觸面1116和第二接觸面1118都處於加熱範圍1120內。上述第一電性接合面1114的面積大於第一接觸面1116與第二接觸面1118的面積；舉例來說，第一電性接合面1114譬如交錯式接合面，即可具有比第一接觸面1116或第二接觸面1118大的接觸面積。如本圖所示，第一電性接合面1114可為柵狀接合面；但不限於此，第一電性接合面1114也可以是鋸齒狀接合面。
由於第一電性接合面1114、第一接觸面1116與第二接觸面1118都處在相同的加熱範圍1120內。因此，本實施例之補償熱電結構是設置在第一熱源1110的加熱範圍1120外，並由第一、第二補償熱電元件1122和1124構成。第二補償熱電元件1124連接第一輸出線路1106與第一補償熱電元件1122，而另有一第二熱源1126對第一、第二補償熱電元件1122和1124之間形成的一第二電性接合面1228供熱。上述第一補償熱電元件1122的塞貝克係數大於第二補償熱電元件1124的塞貝克係數，且第二電性接合面1128的面積要大於等於第一接觸面1116的面積，並藉由第二熱源1126加熱第二電性接合面1128，以使第二電性接合面1128的溫度大於等於第一接觸面1116的溫度，以可形成與第一電性接合面1114的電流同向且與第一接觸面1116的電流反向的補償電壓。在本圖中，可藉由設在第一熱源1110的加熱範圍1120內的溫度感測器1130來作為第二熱源1126加熱的依據，且第一電性接合面1114的熱分佈是非線性的，也可以是線性的。
此外，第五實施例的第一、第二熱電元件1102和1104也可參照第三實施例或第四實施例的方式，以導電層連接第一、第二熱電元件，而成為第一電性接合面1114，故不在此贅述。
圖11B是依照本發明之第五實施例之第二種熱電發電裝置的剖面示意圖，其中使用與圖11A相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖11B中，補償熱電結構1112的第一補償熱電元件1122與第一輸出線路1106相連而於接近第一接觸面1116的一端形成一第三接觸面1132。第二補償熱電元件1124與第二輸出線路1108相連而於接近第二接觸面1118的一端形成一第四接觸面1134。第二熱源1126則供熱至第三和第四接觸面1132與1134，以使第三與第四接觸面1132與1134的溫度大於等於第一與第二接觸面1116和1118的溫度。
圖11C是依照本發明之第五實施例之第三種熱電發電裝置的剖面示意圖，其中使用與圖11A相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖11C中，補償熱電結構1112的第一補償熱電元件1122與第二輸出線路1108相連而於遠離第二接觸面1118的一端形成一第五接觸面1136。第二補償熱電元件1124則與第一輸出線路1106相連而於遠離第一接觸面1116的一端形成一第六接觸面1138。第二熱源1126則供熱至第五和第六接觸面1136和1138，以使第五和第六接觸面1136和1138的溫度大於等於第一與第二接觸面1116和1118的溫度。
在圖11A至圖11C中，第一補償熱電元件1122的材料與第一熱電元件1102的材料可相同或不同，較佳是相同。第二補償熱電元件1124的材料與第二熱電元件1104的材料可相同或不同，較佳是相同。至於第二熱源1126並無限制，譬如功率加熱片、地熱、太陽熱能、工業廢熱、家電廢熱、汽車廢熱等。
圖11D是依照本發明之第五實施例之第四種熱電發電裝置的剖面示意圖，其中使用與圖11A相同的元件符號來代表相同的構件。
在圖11D中，補償熱電結構1112可以是一冷卻裝置，以降低第一接觸面1116以及第二接觸面1118的溫度，但不影響第一電性接合面1114的溫度。補償熱電結構1112也可以是一隔熱裝置，以阻絕第一熱源1110的熱傳至第一及第二接觸面1116和1118。
在第五實施例中，第一熱源1110供熱至第一電性接合面1114的熱分佈可參照第一實施例。第一電性接合面1114的接合方式與形狀也可參照第一實施例。
以上第五實施例的熱電發電裝置1100也可像圖7一樣，採取串聯之方式調整電壓與輸出值之比例，將一個個熱電發電裝置1100用電導線相連而形成模組。
為驗證本發明的效果，以下列舉一模擬實驗。
首先，建立如圖12依循第一實施例之接合面發電原則之熱電發電裝置，其中熱電材料1200與1202定為Bi2Te3化合物材料，其熱傳導係數為1.6 w/m‧K、電阻率為1e-5 ohm‧m，p型摻雜材料1200之Seebeck係數為210μV/k，n型摻雜材料1202之Seebeck係數為-210μV/k。p型摻雜材料1200與n型摻雜材料1202之正接合面(positive Junction)交互堆疊出50層接合面，接合面平行方向之一端點以N型熱電材料再接合，另一端點則以P型熱電材料再接合，藉此方法電流方向將會以平行接合面之方向流動，最後等同於只有一個由50層交錯面構成的單一接合面且垂直於電流方向。正接合面部分的元件為50mm×50mm×50mm的立方體。外延部結構各為長220mm、截面積0.04mm2之P型與N型熱電材料。外延部結構之端點以一電阻負載結構串連成一迴路。設定加熱正接合面部分的整個元件，正接合面部分的元件與外延部結構之表面熱傳特性接設定為絕熱，電阻負載結構(亦為負接合(Negative Junction)形成處1204)之表面熱對流係數設定為自然對流之15 W/m2且接觸環境溫度為25℃。
利用Ansys軟體之熱電耦合分析功能，分析上述熱電發電裝置。模擬運算結果在熱源輸入(Input)為25mW條件下，平衡溫度在正接合面為304℃(即為熱端)，在電阻負載結構1204為27.8℃(即為冷端)，其電性特性曲線圖如圖13所示，開路電壓為0.17V，短路電流為0.08A，最大轉換輸出功率為2.9mW，轉換效率為11.2%。
改變不同熱源Input瓦數之分析結果如圖14所示。分析結果顯示利用圖12的裝置，當溫差為270℃時所產生之轉換效率即達約11%，當輸入功率(input power)持續提升使環境條件溫差升至約600℃時，轉換效率更高達20%。
綜上所述，本發明以分離冷、熱端之方法，排除某些傳統熱電發電裝置操作時熱傳特性相互影響嚴重之問題，因此在應用上可以選擇省去散熱裝置而大幅增加應用便利性。在模組材料特性上則材料熱傳導係數之影響因素將大為縮小，因此在材料發展與性能提升上僅需專注於較簡單即可達成的增加power factor之開發工程，在整體發電效率上因此有很大的機會大為突破與邁進。另外，本發明還可在熱電發電裝置中加裝補償結構，因此應用層面更加寬廣。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．熱電元件
200、202．．．材料
500、800、900、1100．．．熱電發電裝置
502、804、904、1102、TE1．．．第一熱電元件
504、806、906、1104、TE2．．．第二熱電元件
506、810、910、1110、1126．．．熱源
502a、610、804a、904a．．．第一外延部
504a、612、806a、906a．．．第二外延部
508、808、908、1000、1120．．．加熱範圍
510、816a、916a．．．第一電能輸出端
512、516、818a、818b、918a、918b、1006、1008、1116、1118、1132、1134、1136、1138．．．接觸面
514、816b、916b．．．第二電能輸出端
518、812、912、1114、1228．．．電性接合面
520．．．外部電路
600．．．加熱鰭片
602．．．鋸齒面
606、814、914．．．導電層
608a、608b、702．．．電導線
700．．．熱電發電模組
802、902．．．基板
1002、1004．．．輸出線路
1010、1112．．．補償熱電結構
1106．．．第一輸出線路
1108．．．第二輸出線路
1122．．．第一補償熱電元件
1124．．．第二補償熱電元件
1130．．．溫度感測器
1200、1202．．．熱電材料
1204．．．電阻負載結構
J1、J2、J3．．．接合面
圖1是習知之一種熱電式發電裝置的示意圖。
圖2是說明本發明之原理的示意圖。
圖3A至圖3C分別顯示以不同的熱傳方向來加熱的溫度曲線圖。
圖4是說明本發明之熱電發電的電壓與接合的關係圖。
圖5是依照本發明之第一實施例之一種熱電發電裝置的剖面示意圖。
圖6A是第一實施例之熱源的一種變形例的剖面示意圖。
圖6B是第一實施例之電性接合面的一種變形例的剖面示意圖。
圖6C是第一實施例之電能輸出端的一種變形例的剖面示意圖。
圖6D是第一實施例之外延部的一種變形例的剖面示意圖。
圖7是依照本發明之第二實施例之一種熱電發電模組的示意圖。
圖8A是依照本發明之第三實施例之一種熱電發電裝置的上視示意圖。
圖8B是圖8A之B-B’線段的剖面示意圖。
圖9A是依照本發明之第四實施例之一種熱電發電裝置的上視示意圖。
圖9B是圖9A之B-B’線段的剖面示意圖。
圖10是本發明的熱電發電裝置設置有補償熱電結構之電路圖。
圖11A是依照本發明之第五實施例之第一種熱電發電裝置的剖面示意圖。
圖11B是依照本發明之第五實施例之第二種熱電發電裝置的剖面示意圖。
圖11C是依照本發明之第五實施例之第三種熱電發電裝置的剖面示意圖。
圖11D是依照本發明之第五實施例之第四種熱電發電裝置的剖面示意圖。
圖12是模擬實驗之熱電發電裝置的簡圖。
圖13是模擬實驗之電性特性曲線圖。
圖14是模擬實驗之不同熱源輸入瓦數與電性特性曲線圖。
500．．．熱電發電裝置
502．．．第一熱電元件
504．．．第二熱電元件
506．．．熱源
502a．．．第一外延部
504a．．．第二外延部
508．．．加熱範圍
510．．．第一電能輸出端
512、516．．．接觸面
514．．．第二電能輸出端
518．．．電性接合面
520．．．外部電路

Claims (27)

  1. 一種熱電發電裝置，包括：一第一熱電元件，包括一第一外延部；以及一第二熱電元件，與該第一熱電元件之間具有一電性接合面，該電性接合面為交錯式接合面，且該第二熱電元件包括一第二外延部，其中該第一熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)大於該第二熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)；該第一外延部與一第一電能輸出端電性接合而形成一第一接觸面，且該電性接合面的面積大於該第一接觸面的面積；以及該第二外延部與一第二電能輸出端電性接合而形成一第二接觸面，且該電性接合面的面積大於該第二接觸面的面積。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，其中該電性接合面的熱分佈是非線性的或線性的。
  3. 該如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，其中該交錯式接合面包括柵狀接合面或鋸齒狀接合面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，更包括一導電層，連接該第二熱電元件與該第一熱電元件而成為該電性接合面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，其中該第一電能輸出端與該第二電能輸出端為電導線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，其中該第一外延部和該第二外延部是多段構成的線形結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，更包括一降溫設備，用以降低該第一接觸面的溫度與該第二接觸面的溫度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱電發電裝置，更包括一隔熱裝置，以阻絕熱源的熱傳至該第一接觸面以及該第二接觸面。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之熱電發電裝置，其中該隔熱裝置包括包覆該第一接觸面與該第二接觸面的隔熱膜。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之熱電發電裝置，其中所述熱源包括加熱器、地熱、太陽熱能、工業廢熱、家電廢熱或汽車廢熱。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之熱電發電裝置，其中該第一接觸面的溫度為相對該熱源較低的溫度。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之熱電發電裝置，其中該第二接觸面的溫度為相對該熱源較低的溫度。
  13. 一種熱電發電模組，是由多數個如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之熱電發電裝置所構成。
  14. 一種熱電發電裝置，包括：一第一熱電元件；一第二熱電元件，與該第一熱電元件之間具有一第一電性接合面，其中該第一熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)大於該第二熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)；一第一輸出線路，與該第一熱電元件相連而形成一第一接觸面，該第一電性接合面的面積大於該第一接觸面的面積；一第二輸出線路，與該第二熱電元件相連而形成一第二接觸面，該第一電性接合面的面積大於該第二接觸面的面積；以及至少一補償熱電結構，設置在該第一輸出線路和該第二輸出線路之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該第一電性接合面的熱分佈是非線性的或線性的。
  16. 該如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該第一電性接合面包括柵狀接合面、鋸齒狀接合面或平面。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，更包括一導電層，連接該第二熱電元件與該第一熱電元件而成為該第一電性接合面。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該第一電性接合面為交錯式接合面。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構包括一冷卻裝置，以降低該第一接觸面以及該第二接觸面的溫度。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構包括一隔熱裝置，以阻絕一第一熱源的熱傳至該第一接觸面以及該第二接觸面。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構包括：一第一補償熱電元件；以及一第二補償熱電元件，連接該第一輸出線路與該第一補償熱電元件，而與第一補償熱電元件形成一第二電性接合面，其中該第一補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)大於該第二補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)，其中該第二電性接合面的面積大於等於該第一接觸面的面積。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構包括：一第一補償熱電元件，與該第一輸出線路相連而於接近該第一接觸面的一端形成一第三接觸面；以及一第二補償熱電元件，與該第二輸出線路相連而於接近該第二接觸面的一端形成一第四接觸面，其中該第一補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)大於該第二補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)。
  23. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構包括：一第一補償熱電元件，與該第二輸出線路相連而於遠離該第二接觸面的一端形成一第五接觸面；一第二補償熱電元件，與該第一輸出線路相連而於遠離該第一接觸面的一端形成一第六接觸面，其中該第一補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)大於該第二補償熱電元件的塞貝克係數(Seebeck coefficient)。
  24. 如申請專利範圍第21~23項中任一項所述之熱電發電裝置，其中該第一補償熱電元件的材料與該第一熱電元件的材料相同。
  25. 如申請專利範圍第21~23項中任一項所述之熱電發電裝置，其中該第二補償熱電元件的材料與該第二熱電元件的材料相同。
  26. 如申請專利範圍第14項所述之熱電發電裝置，其中該補償熱電結構用於形成與該第一電性接合面的電流同向的補償電壓。
  27. 一種熱電發電模組，是由多數個如申請專利範圍第14至23項中任一項所述之熱電發電裝置所構成。
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