臺灣博碩士論文加值系統

半導體熱電晶片為近十年來之新興材料，歸功於半導體工業的快速發展，使得此材料取得容易了許多。熱電晶片擁有少數能夠進行能源逆轉換之特性，當給予電流時將進行熱傳遞過程，由晶片冷端傳至熱端形成溫差；反之，當賦予晶片兩端溫差時，將產生電能。此種可逆應用的晶片可運用之場合甚廣如熱電致冷冰箱、溫泉廢熱發電，而後透過升壓電路來擴增熱電晶片溫差發電之用途；本文將以熱電晶片實驗做為主要目的，重新呈現開發相關產品之可行性。
因熱電晶片於低溫差環境中只有幾毫伏特電壓之輸出，此將無法提供直接利用之經濟效益；本文透過升壓電路ELC－W0422-2將人體恆溫能源於熱電晶片中有效地誘發電壓的放大效應並透過低功耗LED來證明體溫發電之可行性；然而此升壓電路雖驗證了人體有限溫差發電，倘工作電壓過大電路板即燒毀且產品售價昂貴，而其內部電路及電子元件並無相關技術文件可供參考，致使研究與開發困難。故本文利用升壓IC－LTC3108來研製其替代方案，此將可透過外部電路之配置來彈性應用且降低研究成本金額並具過載保護措施以符合人體溫差之實用目的。

The thermoelectric chip is a popular semiconductor material in the past decade. With several special advantage of transforming the form of energy, thermoelectric chip has been gradually arisen public interest. Such as power generated could be expected while finite temperature differences exists between two sides of thermoelectric chip, and a reversed chilling effect might be accessed if the current is subjected. Thus the wide use of chip applications can be confirmed, while the investigation of performance for the thermoelectric chips, as the main purpose in this article, will be undergone by related experiment. That could be believed to be avalible for thermoelectric refrigerator, hot spring energy generation and auxilaury light using boost circuit.
Since thermoelectric generator, only provides a few microvolts output voltages at low temperature differences environment, will not meet the economic benefits, an expanded circuit of ELC-W0422-2 to amplify the output voltage is still additionally designed for thermoelectric generator intended light emitting diode. Moreover, relevant information about boost circuit is still less so that, the test of IC, LTC3108, embedded in self-developed boost circuit has become the primary task in this research.

中文摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 IX
表目錄 XIV
符號說明 XV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 熱電致冷(熱)的相關文獻 3
1-2-2 熱電發電的相關文獻 5
1-2-3 微直流升壓電路之相關文獻 7
1-3 研究動機 9
1-4 論文架構 10
第二章 熱電晶片概述 11
2-1 熱電晶片結構 11
2-2 熱電晶片型號及規格 13
2-3 熱電效應(Thermoelectric Effect) 16
2-3-1 席貝克效應 (Seebeck Effect) 16
2-3-2 帕爾帖效應 (Peltier Effect) 18
2-3-3 湯姆森效應 (Thomson Effect) 19
2-3-4 熱電優值 20
第三章 熱電晶片之應用 21
3-1 熱電致冷應用－行動小冰箱 21
3-1-1 研究假設與方法 22
3-1-2 實驗架構與步驟(實驗一) 23
3-1-3 實驗架構與步驟(實驗二) 25
3-1-4 結果與討論 28
3-2 熱電發電應用－溫泉發電 35
3-2-1 研究假設與實驗方法 36
3-2-2 實驗架構與步驟 37
3-2-3 結果與討論 41
第四章 升壓電路 47
4-1 理論分析 48
4-1-1 升壓電路之數學模型 48
4-1-2 寄生元件之效應 51
4-2 升壓電路於熱電發電應用－廢熱發電 53
4-2-1 研究假設與方法 54
4-2-2 升壓電路介紹－CE8301 56
4-2-3 升壓晶片介紹－TB88 57
4-2-4 實驗架構與步驟 58
4-2-5 結果與討論 61
4-3 升壓電路於熱電發電應用－體溫發電 69
4-3-1 升壓電路介紹－W0422-2 70
4-3-2 升壓電路介紹－LTC3108 71
4-3-3 研究假設與方法 73
4-3-4 實驗架構與步驟 75
4-3-5 結果與討論 78
第五章 結論與展望 90
5-1 結論 90
5-1-1 熱電晶片之致冷、發電應用 90
5-1-2 升壓電路於熱電晶片之應用 90
5-2 未來展望 91
參考文獻 92
附錄一、電冰箱能源效率分級基準表 97
附錄二、溫泉發電實驗數據 98
2-1改變晶片數量 98
2-2固定熱水流率，改變冷水流率，記錄兩點溫度 100
2-3固定熱水流率，改變冷水流率，記錄六點溫度 102
附錄三、廢熱發電實驗數據 106
附錄四、體溫發電實驗數據 108
4-1固定輸入電壓，改變5種變壓器及33種電容 108
4-2五種變壓器與四種容值電容組合之數據 115
4-3不同變壓器下，各電容容值之效率趨勢 123
4-4不同容值下，各變壓器之效率趨勢 125
4-5固定輸入電壓下各配置之輸出電流情形 128

 
圖目錄
圖2-1 1、熱電晶片側面(密封) 11
圖2-1 2、熱電片側面(開放)[23] 11
圖2-1 3、熱電晶片內部 12
圖2-1 4、半導體對偶 12
圖2-2 1、熱電晶片正面 13
圖2-3 1、熱電發電晶片作動原理示意圖 17
圖2-3 2、熱電致冷器作動原理示意圖 19
圖3-1 1、行動冰箱構想圖 22
圖3-1 2、實驗一流程圖 23
圖3-1 3、11.2W散熱膏 24
圖3-1 4、3W散熱膏 24
圖3-1 5、散熱鰭片A 24
圖3-1 6、散熱鰭片B 24
圖3-1 7、均勻塗抹 25
圖3-1 8、夾具迫緊 25
圖3-1 9、實驗二流程圖 25
圖3-1 10、熱電致冷晶片裝置總成 26
圖3-1 11、熱電致冷晶片總成 27
圖3-1 12、保麗龍盒 27
圖3-1 13、通電測試 27
圖3-1 14、隔離內外空間 27
圖3-1 15、行動小冰箱 27
圖3-1 16、結霜情形 31
圖3-1 17、安裝風扇 31
圖3-1 18、腔內循環圖 31
圖3-1 19、行動小冰箱 31
圖3-1 20、實驗結果比較圖 32
圖3-2 1、流道及熱電晶片安裝位置示意圖 36
圖3-2 2、溫泉發電實驗流程圖 37
圖3-2 3、溫差發電實驗儀 38
圖3-2 4、溫差發電實驗儀儀器做動流程 39
圖3-2 5、TEC與TEG溫差發電趨勢 41
圖3-2 6、不同晶片組數之功率表現比較 42
圖3-2 7、不同流率下之發電功率 43
圖3-2 8、溫差與效率關係圖 44
圖3-2 9、工研院所提供之熱電晶片效率曲線 45
圖3-2 10、不同流速下熱面溫度與效率關係圖 45
圖4-1 1、升壓電路等效電路圖 48
圖4-1 2、開關導通截止波形 49
圖4-1 3、開關導通之電感電流流向 49
圖4-1 4、開關不導通之電感電流流向 50
圖4-1 5、電感電流變化波形 51
圖4-1 6、考慮內阻之等效電路圖 51
圖4-1 7、理想與實際之責任週期 52
圖4-2 1、蠟燭發電構想圖 55
圖4-2 2、主體機構零件圖 55
圖4-2 3、CE8301典型應用電路圖及零件規格 56
圖4-2 4、TB88典型應用電路圖及零件規格 57
圖4-2 5、計畫流程圖 58
圖4-2 6、廢熱發電機構的溫差與未負載電壓關係圖 61
圖4-2 7、廢熱發電之溫差與輸出功率關係圖 62
圖4-2 8、廢熱發電部件圖 63
圖4-2 9、檯燈未點亮時 64
圖4-2 10、檯燈點亮時 64
圖4-2 11、蠟燭熄滅檯燈恆亮 64
圖4-2 12、TB88－數據比較 66
圖4-2 13、TB-88與CE8301 效率對輸出電流比較圖 66
圖4-2 14、TB-88與CE8301 輸入電壓對輸出電流比較圖 67
圖4-2 15、TB88升壓電路之Layout PCB圖 68
圖4-2 16、layout圖雙層板第一層 68
圖4-2 17、layout圖雙層板第二層 68
圖4-2 18、實際電路板第一層 68
圖4-2 19、實際電路板第二層 68
圖4-3 1、手溫將LED點亮 69
圖4-3 2、升壓電路－W0422-2 70
圖4-3 3、微直流升壓晶片LTC3108 71
圖4-3 4、LTC3108晶片腳位名稱 72
圖4-3 5、手溫手電筒構想圖 73
圖4-3 6、LTC3108參考應用電路圖 74
圖4-3 7、實驗計畫流程圖 76
圖4-3 8、手溫－溫差與電壓關係圖 78
圖4-3 9、手溫手電筒 79
圖4-3 10、手溫手電筒 79
圖4-3 11、內部結構 79
圖4-3 12、熱電晶片固定位置 79
圖4-3 13、手電筒距離牆面30公分處之效果 79
圖4-3 14、測試平台之Layout圖 80
圖4-3 15、升壓電路實驗平台 80
圖4-3 16、不同變壓器於參考電路配置中之輸入電壓與效率關係圖 81
圖4-3 17、LTC3108外部電路配置 82
圖4-3 18、匝數比1:10時四種容值之輸入電壓與效率關係圖 83
圖4-3 19、未安裝穩壓電容之波形 84
圖4-3 20、安裝穩壓電容之波形 84
圖4-3 21、固定輸入電壓0.2V時不同配置之輸出電流關係圖 85
圖4-3 22、Layout電路圖 86
圖4-3 23、Layout圖 86
圖4-3 24、Layout圖 86
圖4-3 25、LTC3108升壓電路成品 87
圖4-3 26、改良後之手溫手電筒成品圖 87
圖4-3 27、離牆面30公分之效果 87
圖4-3 28、ELC及LTC不同腳位的輸入與輸出電壓關係圖 88

 
表目錄
表2-2 1、熱電晶片外型[25] 14
表2-2 2、熱電晶片規格[26] 15
表4-3 1、升壓電路比較表 89

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