本期文章

挑戰常溫熱溫差發電技術

撰文/黃昭仁    

近年來能源採集(Energy Harvesting; EH)電源管理相關研究議題持續發酵,希望可以藉由室內光源、常溫熱溫差、震動形變或是環境中存在無線訊號做為供應微系統使用的能源,希望取代傳統電池做為永久能源。能源收集技術其中又以室內光源收集以及熱溫差發電所能產生的能量較大也最受歡迎,尤其以人類的體溫與室溫的溫差來發電,未來將可做為消費性電子或生醫感測器的永久能源。



熱電效應與材料



熱電效應在1834年由法國物理學家Jean Charles Athanase Peltier首先發現,當特殊的熱電材料在接觸到熱端以及冷端時,自由電子的移動速度會有所不同,因此產生出電子位於冷熱端面會有散布不均的情況,而可以產生出正負端的電位差。愛沙尼亞裔德國物理學家Thomas Johann Seebeck隨後也有同樣的發現,故又稱帕爾帖-塞貝克效應。



熱電偶是將兩種不同材料的導體或半導體焊接起來,熱電模組(TGM)是由熱電偶所組合成的熱電偶堆,當兩側存在溫差時,便會產生電動勢在迴路中形成電流。



熱電功率特性與轉換



能源採集器都有最大功率點特性,熱電模組也不例外,其特性是當溫度上升一倍時,開迴路電壓(VOC)與短路電流(ISC)都會增加一倍,而其最大功率點會落於1/2的ISC與VOC,所以每增加一倍溫差,功率則變為四倍。



以工研院電光所設計的128對熱電偶, 面積為4公分見方的塊材式TGM為例,溫差0.5度約為25mV開路電壓及5mA短路電流,最大功率為31.25μW,若溫差1度約為50mV開路電壓及10mA短路電流,最大功率則為125μW,以此類推溫差2度功率即為500μW。



挑戰常溫熱溫差發電



由於熱電模組是靠熱溫差來產生能源,而1度溫差僅有50mV電壓,所以須採用升壓轉換器才有辦法將能源輸出給後端系統使用,因為熱電模組的能源有最大功率點的特性,所以需要設計最大功率點追蹤(MPPT)才能取得最大能源。實際在室溫26oC下測試,人體體表皮膚溫度約略為30oC至32oC,TGM加機構散熱溫差僅為0.5oC至2oC,故在常溫下的最大輸出電壓僅為100mV開路電壓,是非常具有挑戰性的操作環境。



工研院有鑑於一般常見MPPT控制電路無法實現常溫熱溫差發電,從2010年底開始投入EH電源管理的研究。雖然透過轉換器可將功率訊號降階為電壓訊號做MPPT的運算,卻也讓VOUT電壓差異遠小於VIN的電壓;圖三為工研院進一步在2011年提出適用於EH電源管理架構,此架構中配置電壓趨勢偵測器(VTD),利用一電容器以微小電流充電固定時間進行取樣,透過兩個不同時間的取樣進行比較,即可得到輸出電壓趨勢(等同於功率趨勢)。



透過趨勢處理器只比較輸出電壓增減運算,經由電荷幫浦(CP)控制Duty大小,最後由比較器及鋸齒波產生器產生PWM訊號給Boost轉換器進行升壓,解決了能源路徑上感測電阻消耗能量的問題外,更去除了複雜耗電的ADC與乘法器電路,更將複雜的功率資訊簡化成輸出電壓的增減來運算MPPT方法,實現極低耗電的EH電源管理晶片。本作法已在於ESSCIRC’2012傑出國際研討會發表論文。



結論



隨著熱電材料技術日漸成熟,穿戴式的微電子系統使用TGM做為永久能源,取代笨重且昂貴的電池即將在幾年內出現。除了常溫發電技術外,更可設計於汽車引擎廢熱回收系統,提升燃油效率;中鋼鍋爐的廢熱回收,降低鍛鋼所需的能源成本…等廣泛用途,未來熱溫差發電將無所不在。



(本文作者為工研院資通所工程師黃昭仁)


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