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研究生:翁預弦
研究生(外文):Yu-Xian Weng
論文名稱:應用熱電產生器在廢熱回收發電系統之模型試作與其應用
論文名稱(外文):The Prototype of Thermoelectric Generator in Waste Heat Recovery System and Its Applications
指導教授:塗豐州
指導教授(外文):Fong-Jou Tu
口試委員:呂金生,林仁得,塗豐州
口試日期:2010-06-11
學位類別:碩士
校院名稱:南榮技術學院
系所名稱:工程科技研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:熱電產生器
外文關鍵詞:Thermoelectric generator
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本文探討將熱電產生器使用在機車排氣管的廢熱回收發電的應用。在模擬機車排放廢熱與發電之實驗系統,使用熱風槍與自製管路和導熱裝置搭配六組熱電產生器與散熱器結合的散熱裝置,進行熱電轉換研究。並探討機車在不同行進模式下的結果,量測其電壓、電流與功率輸出以做為電能利用的基礎。結果顯示,不同的行進模式導致散熱條件的差異,影響所產生的功率值,造成功率隨時間有不同的變化,而達成穩定的時間亦有所不同。再將熱電轉換產生的電能轉用於充電與放電應用。充電應用顯示可使用充電電池搭配自製的充電器充電。而放電應用則使用變壓器與倍壓電路,進行電暈放電實作,結果顯示可有效移除空氣中的雜質粒子達到靜電集塵的效果。
關鍵字:熱電產生器、廢熱回收、充電器、電暈放電、靜電集塵。

The thermoelectric generators applied in waste heat recovery of simulated motorcycle exhaust pipe system are investigated. Using six sets of thermoelectric generator combined with heat sink module in the simulated system, which constituted by hot air generator and heat transfer element, to perform the experimental measurement and to realize how much the electricity harvested by this system. The distinct running modes of motorcycle are studied. The voltage and current and power output are measured as the base of electricity utilization. The results show that the variation of heat transfer rate corresponding to different running mode induce the power output to be varied, also the time history and the transient period. Based on the thermoelectricity conversion, the power generation can be applied to two selected applications. The one is to make use for the rechargeable battery charger. The other case is corona discharge, applied the transformer and voltage multiplier to amplify the voltage, and the output can be employed for electrostatic participation successfully.

Keywords: Thermoelectric generator, Waste heat recovery, Charger, Corona discharge,
Electrostatic participation.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
第一節 研究動機 1
第二節 文獻回顧 3
第三節 論文架構 8
第二章 理論分析 9
第一節 熱電產生器之原理 9
壹、焦耳效應(Joule effect) 9
貳、西貝克效應 (Seebeck effect) 9
叁、皮爾特效應(Peltier effect) 10
肆、熱電產生器的組成 11
一、單一型半導體並聯型式 11
二、單一型半導體串聯型式 11
三、N-P型半導體交互串聯型式 12
伍、材料的ZT值 12
陸、熱電產生器材料性質 13
一、碲化鉍(Bi2Te3)材料 13
二、碲化鉛(PbTe)材料 13
三、矽鍺合金(SiGe)材料 13
第二節 熱電能源產生器 15
第三節 散熱系統的運作原理 18
壹、熱傳機制 18
貳、散熱膏的種類 18
叁、散熱膏的運作原理 18
肆、散熱鰭片的運作原理 19
第三章 廢熱回收之實驗方法與量測結果 20
第一節 實驗設備 20
第二節 實驗方法 26
壹、單片熱電產生器性能量測 26
貳、熱電產生器串、並聯性能之實驗量測 28
叁、模擬機車不同行進模式之實驗量測 30
肆、模擬機車不同風速下輸出與負載關係之實驗量測 34
第三節 實驗結果 35
壹、單片熱電產生器性能量測結果 35
貳、熱電產生器串、並聯性能之實驗量測結果 40
叁、模擬機車不同行進模式之實驗量測結果 44
第四章 熱電轉換之應用 57
第一節 快速充電電路實驗步驟與結果 57
壹、充電電路應用原理 57
貳、實驗步驟 57
叁、實驗結果 60
第二節 以電暈放電進行靜電集塵電路實驗步驟與結果 62
壹、實驗原理 62
貳、實驗步驟 62
叁、實驗結果 64
第五章 結論 72
參考文獻 73

表1-1 文獻回顧 3
表3-1 實驗設備表 20
表3-2 熱電產生器實驗量測操作溫度表 36
表3-3 熱電產生器之功率輸出表 37
表3-4 熱電產生器之電壓、電流與功率值之迴歸方程式與量測值之誤差百分比之範圍 37
表3-5 熱電產生器串、並聯之電壓、電流與功率輸出表 41
表3-6 機車時速與排氣管溫度對照表 46
表3-7 一個時間週期的功率積分 54
表3-8 各組熱電產生器之內阻值 55
表3-9 加負載電阻之輸出電壓、電流與功率表 56
表4-1 靜電集塵實測前後比較表 69

圖1-1 熱電產生器實體外觀 2
圖2-1 焦耳效應(Joule effect)示意圖 9
圖2-2 Seebeck效應圖 10
圖2-3 Peltier效應圖 11
圖2-4 N型及P型半導體串、並聯示意圖 12
圖2-5 各種材料之ZT 圖 14
圖2-6 熱電能源產生器結構圖 15
圖2-7 熱電能源產生器之等效電路圖 15
圖2-8 散熱膏 19
圖2-9 散熱鰭片外觀 19
圖3-1 資料擷取器 21
圖3-2 風速計 22
圖3-3 鼓風機 22
圖3-4 恆溫槽SRC-9000 23
圖3-5 恆溫槽SRC-6000 23
圖3-6 熱風槍 24
圖3-7 可程式控制器 24
圖3-8 阻抗分析儀 25
圖3-9 手搖式繞線機 25
圖3-10 熱電產生器性能測試構造圖 27
圖3-11 熱電產生器性能測試系統架構圖 27
圖3-12 熱電產生器性能測試設備圖 28
圖3-13 熱電產生器串、並聯性能測試構造圖 29
圖3-14 熱電產生器串、並聯測試實體圖 29
圖3-15 熱電產生器串、並聯測試實體圖 30
圖3-16 模擬不同行進模式之實驗測試構造圖 31
圖3-17 模擬不同行進模式之實驗測試系統架構圖 32
圖3-18 模擬不同行進模式之實驗測試設備圖 32
圖3-19 模擬不同行進模式之實驗剖面圖 33
圖3-20 人機介面 (HMI) 33
圖3-21 溫差10℃~50℃之電壓曲線圖 38
圖3-22 溫差10℃~50℃之電流曲線圖 38
圖3-23 溫差10℃~50℃之功率曲線圖 39
圖3-24 電壓、電流與功率之迴歸曲線圖 39
圖3-25 串、並聯電壓曲線圖 (S:串聯,P:並聯) 42
圖3-26 串、並聯電流曲線圖 (S:串聯,P:並聯) 42
圖3-27 串、並聯功率曲線圖 (S:串聯,P:並聯) 43
圖3-28 風速20km/h模擬機車之行進模式的輸出電壓圖 46
圖3-29 風速20km/h模擬機車之行進模式的輸出電流圖 47
圖3-30 風速20km/h模擬機車之行進模式的輸出功率圖 47
圖3-31 風速40km/h模擬機車之行進模式的輸出電壓圖 48
圖3-32 風速40km/h模擬機車之行進模式的輸出電流圖 48
圖3-33 風速40km/h模擬機車之行進模式的輸出功率圖 49
圖3-34 風速60km/h模擬機車之行進模式的輸出電壓圖 49
圖3-35 風速60km/h模擬機車之行進模式的輸出電流圖 50
圖3-36 風速60km/h模擬機車之行進模式的輸出功率圖 50
圖3-37 熱電產生器排列圖 51
圖3-38 風速20km/h之不同位置熱電模組在一個週期功率積分曲線圖 51
圖3-39 風速40km/h之不同位置熱電模組在一個週期功率積分曲線圖 52
圖3-40 風速60km/h之不同位置熱電模組在一個週期功率積分曲線圖 52
圖3-41 風速20km/h之一個週期的功率積分曲線圖 53
圖3-42 風速40km/h之一個週期的功率積分曲線圖 53
圖3-43 風速60km/h之一個週期的功率積分曲線圖 54
圖3-44 加負載電阻之輸出電壓、電流與功率曲線圖 56
圖4-1 快速充電電路圖 58
圖4-2 快速充電電路實體圖 58
圖4-3 充電中的電路圖 59
圖4-4 輸入電壓達到最大之狀態圖 59
圖4-5 時速20km/h之充電曲線圖 60
圖4-6 時速40km/h之充電曲線圖 61
圖4-7 時速60km/h之充電曲線圖 61
圖4-8 靜電集塵電路圖 63
圖4-9 靜電集塵電路實體圖 63
圖4-10 變壓器實體圖 64
圖4-11 以電池做電暈放電電路輸出之波形 65
圖4-12 實驗操作前的初始狀態 66
圖4-13 量測時間一分鐘 66
圖4-14 量測時間二分鐘 67
圖4-15 量測時間三分鐘 67
圖4-16 量測時間四分鐘 68
圖4-17高壓電場產生圖 68
圖4-18集塵前後銅線之比較圖 69
圖4-19電暈放電實驗前CO的量測值 70
圖4-20電暈放電實驗前CO2的量測值 70
圖4-21電暈放電實驗後CO的量測值 71
圖4-22電暈放電實驗後CO2的量測值 71


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