指導教師：鄭宗杰 副教授 團隊成員：洪偉逞、徐兆楨、黃士恩

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1 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

2 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

3 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。

4 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。

5 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。

6 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。

7 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

8 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。

9 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。

10 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

11 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。

12 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℃

13 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

14 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。

15 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。

16 節能屋模型 圖六 第一代節能屋 圖七 第二代節能屋

17 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。

18 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

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