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引擎冷卻水廢熱回收熱電轉換系統 、、、 建國科技大學機械工程系暨製造科技研究所 摘要 本 前言 如圖1所示，一般車輛燃料在引擎汽缸燃燒後約有30%可轉換為機械能，其中並有約5%因機件摩擦而損失，約有70%以廢熱方式散入環境，在無用的熱能損失約有一半隨廢氣排出，另一半則由引擎本體的冷卻系統進行散熱排出。如能有效將廢熱進行回收，轉換為電能並儲存，不僅能大幅度降低功率損耗，也能降低廢熱排入環境中造成熱汙染。熱電技術發展，目前將熱轉換電能效率已有大幅度提升，結合車輛引擎本身之加熱源與冷卻源，對於熱電晶片的溫差發電提供良好的運作環境，而熱電晶片的冷、熱端間的溫差越大越能獲得理想的發電功率。 研究目的 本研究設計建構一高效能之集熱座，蒐集引擎冷卻水所帶走的引擎廢熱，並結合熱電晶片模組，借助高效率的熱傳與熱電轉換原理，建立具可靠度佳、沒有機械動件等優點且高效率的引擎廢熱回收熱電轉換系統。本作品相關的系統圖如圖2，實際運用於車輛中優點包含：A.輔助傳統發電機，提供智能車輛上各種控制晶片或元件之電力來源。B.增加引擎燃料使用效率，節省燃油成本、並降低對環境之汙染。 文獻探討 目前已有很多研究文獻針對引擎廢熱回收熱電轉換裝置進行探討以及相關之專利提出，有些與本研究相似，但利用熱電轉換方式不完全相同，茲分述於下，在相關研究領域上，引擎循環冷卻水廢熱經由熱電轉換進行發電之研究主要著重於整合熱電轉換裝置與內燃機車輛系統的效能模擬，其相關之專利與文獻探討如下：Jeng 與 Tzeng (2005) [1]將柱狀鰭片散熱座視為多孔性介質，發展出一半經驗模式，可用於精準估算柱狀鰭片散熱之穿透率與慣性係數，該模式所提出之穿透率與慣性係數之公式係經由理論推導、再透過一系列挑選之壓降實驗修正而得，變動參數包含柱狀鰭片之相對軸向間距、橫向間距、高度與長度，所得之修正公式與其他學者之研究結果比對顯示相當合理。U.S. Pat. No. 5547019 [2]，Robert S.於1996年提出的專利中宣稱藉由裝置於引擎水箱散熱鰭片外表面的熱電半導體，可以產生電力儲存於電池中，以增加引擎馬力。U.S. Pat. No. 5959240 [3]，Handa與Nagoya於1999年提出的專利指出在熱電發電模組的受熱面及冷卻面各加裝一絕緣體，可增大冷、熱面之溫差，獲得較佳之發電效率。U.S. Pat. No. 6172427 [4]，Shinohara等人於2001年在其發明的車輛之電子能源供應控制系統中，以利用引擎的燃燒廢氣發電之熱電裝置為該系統的第二發電機。Hendricks與Lustbader [5]分析使用於低、高功率車輛的廢熱電轉換系統後指出，在高功率車輛的熱電裝置可產生5~6 kW的電能，欲建立高效能系統的技術挑戰項目有三：熱電轉換系統、車輛的整合最佳化及熱電介面的設計。俄亥俄州立大學的研究團隊將一小塊的材料完成廢熱回收再利用[6]，這組研究團隊利用一種新材料：鉈-鉛蹄化物，由於它本身具有一種稱之為熱電效應的特性，當一端遇熱時便會迫使電子移動到較冷的另一端，進而產生電流。若是將它用在汽車上頭，便可以將車輛所排放出的廢熱轉換成電力後回收給汽車再利用。在2009年劉育任[7]以實驗與模擬的方法探討在熱電晶片的冷、熱面加裝方形散熱鰭片可增加發電功率達44~57%，證明加裝散熱裝置對熱電晶片的發電效能有顯著增益。 研究方法 本作品(如圖3)主要由四個部份組成: (1)集熱座; (2)熱電轉換模組; (3)散熱座; (4)鋁製管道本體。先將車輛引擎之冷卻循環水導入鋁製管道本體，其內部裝置集熱座，集熱座是運用一體成型之鋁合金T6061製成之交錯排列圓形鰭柱集熱座建構而成；而在鋁製管道外表面則黏貼有熱電轉換模組，集熱座內鋁導熱柱可有效吸收循環冷卻水之熱量並快速傳遞至熱電轉換模組的熱端面，達到最佳之加熱特性，熱電轉換模組的另一端面則黏貼鰭柱散熱座，在車輛行進時可以有效發揮強制對流冷卻效果，如此可增大熱電轉換模組的冷熱端面的溫差，促使其有效將熱量轉換為電能，將廢熱回收熱電轉換率提升至最佳狀態。 實驗設備 本研究將引擎循環冷卻水回收之熱電轉換系統，以實驗方法研究最佳化發電設計，利用引擎循環冷卻水之廢熱，結合不同型式之散熱座，藉由高效率熱傳特性與熱電轉換原理，建立具高可靠度、乾淨、散熱效能加、沒有機械動件、無振動與噪音等優點之高效率熱電轉換技術。本研究將以Toyota 2200 c.c.四缸四行程實車，安裝設計之散熱模組，以實際引擎運作產生之廢熱，並以鼓風機模擬車輛行進迎風面冷卻氣流，讓本作品實際運作發電。本計畫設計相關引擎廢熱回收之熱電轉換系統之相關設備如圖4所示，主要架構可由：(1)實車引擎冷卻水循環系統、(2)實驗測試段、 (3)熱電轉換系統、(4)外部