[发明专利]热电发电装置与热电发电模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电发电装置，且特别是涉及一种应用面相当广泛的热电发电装置与热电发电模块。

背景技术

在传统的热电应用领域中要判断一物质是否为良好的热电材料，主要是观察其热电优值(Figure of Merit，ZT值)，ZT值主要与塞贝克系数(Seebeck coefficient)、导电率和热传导系数相关，以上三种参数也直接影响一材料是否拥有良好的热电性质，可否应用在热电效应上。ZT值越高，热电效应则越显着，其关系式为：

ZT=α2σkT]]>

上式中α为塞贝克系数；σ为导电率；k为热传导系数；T为绝对温度。由关系式中可看出，一个好的热电材料除了需要有良好的塞贝克系数外，还要有高导电率以及低热传导系数。

由于自然界中材料的物性通常导电率与热传导率为相依关系，因此一般材料难以同时具有良好的导电率以及低热传导系数，使得最后加总之后的ZT值无法有效提升，因此材料的导电率与热传导系数的控制即成为提升热电性能的关键点，但是以目前技术而言其也为材料发展的瓶颈所在。例如p型硅(Silicon)的塞贝克系数即为常用的Bi₂TE₃材料的2.8倍左右，但是其热传导系数却高达74倍，这就是为何具有高塞贝克系数的硅反而较少应用于热电材料中的原因。

综合以上的观点可得知目前热电材料技术发展的首要目标，就是将材料导电率维持在一定范围下降低其热传导系数，或者发展出等效的设计因子来达成需求。

某些传统热电式发电装置如图1所示，其冷端与热端分别为厚度较薄的热电元件100的上下两端，由于热传途径短，其冷、热端在热传特性上可能会有相互影响的问题。上述的热传影响问题使得传统热电发电装置在使用时势必须要一散热装置(未绘示)如热沉、风扇与水冷系统等操作，方能使冷端降温并维持与热端的温差，这种方式较为麻烦并使得在应用发展上受到限制。此应用操作方式还有一个问题，就是冷端的散热装置将会加速热端热源的散逸，所以在冷端一边散热的同时热端又必须同步补充相对散失的热量以维持其温差，在高ZT材料尚未开发出来之前，其材料热传导系数比相对其功率因素(power factor)不够低的情况下，热源的热量可能会相对地损失而导致元件效能偏低的情形。

已知有美国专利US 6060657是利用纳米技术制造多层量子井(multi-quantum well)结构的超晶格薄膜，来降低热传导性。

另外，美国专利US 6384312将热电块材的形状设计为尖锥型，在与电极的接触表面形成微小的点接触使得接触界面上的热回传量受限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种热电发电装置，其包括第一和第二热电元件。第二热电元件与第一热电元件之间具有一电性接合面，这个电性接合面为交错式接合面，而第一热电元件的塞贝克系数大于第二热电元件的塞贝克系数。第一热电元件包括一第一外延部、第二热电元件包括一第二外延部，第一外延部与一第一电能输出端电性接合而形成一第一接触面，且电性接合面的面积大于第一接触面的面积。第二外延部与一第二电能输出端电性接合而形成一第二接触面，且电性接合面的面积大于第二接触面的面积。

本发明另提出一种热电发电装置，其包括第一、第二热电元件、第一、第二输出线路和至少一补偿热电结构。第一与第二热电元件之间具有一第一电性接合面，其中第一热电元件的塞贝克系数大于第二热电元件的塞贝克系数。第一输出线路则与第一热电元件相连而形成一第一接触面，且上述第一电性接合面的面积大于第一接触面的面积。第二输出线路与第二热电元件相连而形成一第二接触面，且上述第一电性接合面的面积大于第二接触面的面积。补偿热电结构则是设置在第一输出线路和第二输出线路之间。

本发明再提出一种热电发电模块，是由数个上述热电发电装置所构成。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是现有的一种热电式发电装置的示意图；

图2是说明本发明的原理的示意图；

图3A至图3C分别显示以不同的热传方向来加热的温度曲线图；