指導教師：鄭宗杰 副教授 團隊成員：洪偉逞、徐兆楨、黃士恩 結合太陽能與熱電元件之散熱與節能裝置 指導教師：鄭宗杰 副教授 團隊成員：洪偉逞、徐兆楨、黃士恩

目錄 摘要 前言 太陽能電池 熱電致冷晶片 設備說明 結果與討論 結論 未來展望

摘要 本文研究的綠色建築可以同時利用太陽能電池與致冷晶 片產生的廢熱，達到一般太陽能熱水器的效果。又可以 將致冷晶片的冷端當作空調使用。 結果表明，該組合模塊的性能是通過提高流入到熱再生 水通道的冷卻水的流量，由於太陽能電池的溫度和熱電 冷卻器的熱側的溫度降低。合併模塊是在樣板房的應用 測試。據發現，本發明的方法能夠生產環境溫度與空氣 溫度模型中的房子之間的16.2攝氏度的溫差。

前言 在過去的幾十年，能源緊缺和環保意識崛起的影響，有 效的能源，以滿足全球不斷增長的能源需求也日益受到 重視。 近年來，節約能源，通過高效率的能源消耗或能源節約 的方法逐漸被重視，其中的能源使用減少，同時實現了 類似的結果，或由能源服務的消費量減少。為了這些目 的，可再生能源的自然資源，如陽光，風，潮汐和地熱 未來有很大利益的能源逐漸被重視。

此外，一般熱水器主要有瓦斯燃燒、電能或太陽能等幾 種加熱方式，瓦斯及電能雖然設備成本較低，但瓦斯費、 電費皆是長期下來必須負擔的能源成本；而太陽能熱水 器雖然設備較昂貴，但由於太陽能取之不竭、用之不盡， 不僅完全不需付出能源上的成本，且不具污染性，故越 來越多熱水設備改以太陽能加熱方式。 一般室內或是電子產品之溫度調節皆須使用市電所供給 之電能，藉以啟動空調、風扇或是散熱器達到冷卻效果， 此種方式在夏季時分往往必須讓使用者負擔昂貴的電費。 然而，太陽能單元於運作時會產生熱量，而此裝置對於 太陽能單元並無提供散熱機制，將會導致太陽能單元之 發電效率下降而無法持續供電給風扇；再者，此裝置僅 能於白晝時提供室內散熱之需求，無法於夜晚氣溫下降 時反向提供室內熱能而使之溫暖。

現今大多數的太陽能熱水器僅是收集太陽的輻射能作為 熱能，冷水流經太陽能集熱板中的管路，就會帶走太陽 能集熱板的高熱而變成熱水；利用太陽能發電提供給加 熱器進行加熱，其功能皆僅為提供熱水，對於前述室內 溫度調節並無任何助益。 太陽的光能及輻射熱，是可以同時接受到。若是可以同 時利用，相信在能源利用上會更有效率。因此我們選用 太陽能電池晶片，這是一種通予電流，即可在晶片兩端 產生冷熱差的半導體元件。希望以這材料的特性，結合 出擁有太陽能熱水器與空調效果的結構。

少了拉晶的程序，使多晶矽比單晶矽容易製作，也較便宜。 太陽能電池 太陽能電池(Photovoltaic,PV)是一種可以將光能轉換成 電能的光電元件。 其本身的優勢在於太陽能的光和熱取之不盡，在發電的 時候不會產生噪音和汙染。 目前常見的太陽能電池有三種，如下所示： 類型 優點 缺點 應用 單晶矽 光能轉換電能效率最高 製作時間長且成本高 用於航太上，如：人造衛星 多晶矽 少了拉晶的程序，使多晶矽比單晶矽容易製作，也較便宜。 產電效率不如單晶矽 用於陸上電力，如太陽能燈具 非晶矽 成本最低。可製成薄模型的太陽能板 在戶外照射，會產生光劣化現象 用於電子零件的太陽能板上，如：計算機

熱電致冷晶片 1、簡介 熱電致冷晶片(Thermo-Electic Cooler)具有簡單構造、 尺寸小、操控溫度範圍廣、低噪音、低耗電功率等 特點，且可實際應用在體積限制小空間具有極高熱 量的領域，形同一台固態熱幫浦(Heat Pump)，沒有 動態組件，所以不必特別維護而長時間工作。

2、應用原理 圖為目前商業化熱電致冷晶片採用的P-N對(P-N Pair)方式並加以連接裝置，以P-N對的連接方式有 兩個好處：第一，P型半導體與N型半導體以串連方 式連接，因此所需的直流電壓電流較為適中，而且 不須要會使用會造成熱回流的金屬導線；第二，P 型半導體電流方向與熱傳輸方向相同，且N型半導 體成反向，但輸送方向卻一致。

設備說明 組合模塊被分成四個主要部分 組成：即，太陽能電池，熱電 冷卻器，廢熱再生​​單元，並且 測量系統，該系統示於圖右。 矽晶太陽能電池片（ 0.4 A × 0.5 V ） ，這為120mm × 120毫 米大小和24克的質量，是由導 熱膏包裝的熱再生機組的銅板 表面上。 該太陽能電池被覆蓋在面向太 陽，以避免空氣中的灰塵引起 的環境損害側的透明塑料膜。 安裝在另一銅的熱再生機組的 板是兩個30毫米×30熱電冷卻器 的熱端。熱電冷卻器的冷側用 於冷卻模型房屋的室內空間。 圖一 設備圖

蓄電池通常被用來存儲在白天產生的未使用的電力， 然後可以被用來提供電力為在夜間或陰天驅動所述熱 電冷卻器。然而，在本實驗中，為了公平地評估該組 合模塊的性能，並防止電池剩餘電量到TEC的不需要 的輸入，所述太陽能電池是直接連接到熱電冷卻器， 以確保所有的電到TEC是由太陽能電池提供。 由銅製成的熱再生通道具有為5mm ×5mm的橫截面面 積。許多交錯的翅片放置在通道的壁上，以增加傳熱 面積。冷卻水通過從太陽能電池單元的廢熱​​和熱電冷 卻器的熱端，使水的溫度是通過信道增加加熱。

結果與討論 其趨於穩定狀態時，整體溫度如下： 水流率 銅板溫度 進水口溫度 出水口溫度 室溫 晶片熱面溫度 晶片冷面溫度 0.677cc/sec 34.2℃ 27.8℃ 33.2℃ 35.9℃ 31.2℃ 25.7℃ 4.475cc/sec 29.8℃ 24.9℃ 25.4℃ 32.0℃ 26.0℃ 21.85℃ 10.833cc/sec 30.0℃ 24.2℃ 31.7℃ 25.15℃ 21.10℃

圖二 實驗示意圖 圖三 水流率0.677cc/sec 圖四 水流率4.475cc/sec 圖五 水流率10.833cc/sec

1 、冷卻所述太陽能電池是改善節能模塊的性能，因為 它可以很容易地提高太陽能電池的輸出功率的一個重要 因素。可以發現，在太陽能電池的穩態溫度下降通過增 加冷卻水的流速。對於本研究中考慮的特定情況下，當 流量為2500毫升/分鐘，在太陽能的穩態溫度降低到30.5 ℃。然而，冷卻水的流動速率不能超過750毫升/分鐘， 因為在750毫升/分鐘的流速下，太陽能電池的溫度會降 到33.2攝氏度。 2 、據觀察，從熱電冷卻器的熱側散失的熱量也可以有 效地利用冷卻水除去以提高熱電冷卻器的性能。據發現， 在沒有冷卻水超過44攝氏度和34攝氏度，熱電冷卻器的 熱和冷側溫度也許分別高的情況。然而，當冷卻水被允 許流動通過熱再生水通道的穩態溫度的熱電冷卻器的熱 側和冷側被降低至25攝氏度和22.5攝氏度，分別。

3 、此外廢熱由太陽能電池拒絕和熱電冷卻器被用於水 加熱。因此，無論是空調和熱水需求，可以在不消耗從 外部源提供的任何電力來滿足。 4 、基於該模型的內部測試，可以發現，目前的做法是 能夠生產的環境溫度和空氣溫度的樣板房之間的16.2攝 氏度的溫差。這意味著該組合模塊能夠在冷卻模式的房 子的室內空氣。

節能屋模型 圖六 第一代節能屋 圖七 第二代節能屋

結論 此節能屋有以下優勢： 沒有噪音：此兩種半導體元件在工作時，都不會有音 量的產生。就算加上電控迴路，仍然不會有產生足以 影響人的噪音。 不會造成環境汙染：此結構上所有的材料，整體而言 幾乎不會造成環境的負荷。 裝設方法簡便：只需用其取代傳統的建築物可受光的 外牆及可。 完全不需使用外部能源：此種屋子可以有效改善室內 溫度，並且不用再外接任何能量來源。可以取代現代 空調的使用。

未來展望 使用相關模擬軟體，進階模擬出屋內流體相關數 據，將整個設計再作改良 研究一般密閉載客交通工具是否可以應用此系統 以目前的成效來看，空調的效果有達到我們所期望的功 效(冷面和熱面相差10 ℃)。而我們仍會持續在節能屋的 設計上，把這個材料應用在別的物體上。如汽車、火車， 等。 接下來的研究裡面，我們改良目標方向： 使用相關模擬軟體，進階模擬出屋內流體相關數 據，將整個設計再作改良 研究一般密閉載客交通工具是否可以應用此系統