淺談熱電效應

生活科學趣談

這款智慧手表「永久免充電」!只需靠體溫發電 – 智慧機器人網發布於2017年11月10日

根據 Powerwatch 官網資料,這款靠體溫發電的手錶功能有:計步、卡路里計算和睡眠追蹤,但並未包含心率監控和GPS,因此以這款運動手環而言,功能算是很陽春。比較值得關注的是它採用超低功耗解決方案先驅廠商 Ambig Micro 公司的 ARM Cortex 微控制器(Microprogrammed Control Unit,MCU)與實時時鐘(Real-time clock,RTC),這是全球同類型產品中最低功耗的元件。因此與其說是賣 Powerwatch,不如說是藉此來推銷他們的熱電技術,只不過官網並未提及關鍵的熱電模組 化鉍材料 之發電量等資訊。

在二條不同金屬的連接點上施加異於室溫的高溫或低溫時,在所連接導線的兩端就會產生電壓,熱電偶溫度計 就是其中的一種應用

反過來說,若在兩種不同金屬或半導體的結合處通以電流,其中一端接點會因放熱而使溫度升高,另一接點則會因吸熱而使溫度降低,這種效應可看成是熱電偶測溫原理的逆效應,也就是 熱電致冷晶片Thermoelectric Cooling Module)的工作原理;而溫差發電晶片(Thermoelectric Power generating Module)就如同熱電偶,只是從不同的角度來詮釋同一種物理現象而已。它們同屬於 熱電效應Thermoelectric effect

其實早在1998 年,日本精工鐘錶公司就已研製出由體溫供電的石英表 “Seiko Thermic”,這是繼動能、太陽能之後,首次以熱能作為動力的手錶。它在氣溫和體溫相差攝氏10時,可以輸出1.5伏特,這相當於一顆AA乾電池的電壓

那麼,這種利用體溫與環境溫度差異的發電效率是多少呢?若是以卡諾循環(Carnot cycle)的熱效率 η = (T – T)/T來計算,體溫 37℃ 和涼爽的氣溫 20℃為例,η = 17/(37+273) = 5.5%
註:塞貝克效應的熱效率 實際上是 η = (T – T)/T熱 再乘以一個小於1的係數
也就是從體表汲取的熱量轉換為功的比例,最高也不會超過 5.5%,所以效率其實是很低的。若要提高效率只能從增大溫差來著手,亦即身處非常寒冷的氣溫下。

順便來聊聊也是利用溫差來汲取能量的例子:

廣義而言,可愛的喝水鳥也算是利用溫差來汲取動能的裝置。因為熱機必須有冷熱兩側的溫差,史特林引擎的熱區是由酒精燈來提供,冷區是室溫環境;而喝水鳥的熱區是腹部的室溫環境,冷區則是由頭部的蒸發致冷效應來達成,至於工作流體則是喝水鳥的肚子內有發生相變的二氯甲烷

史特林引擎的一個完整循環分為四個過程,若從喝水鳥的 P-V 圖來分析,同樣也是分為四個過程:

1→2的過程,頭部的氣體被壓縮而冷凝成液體,凝結熱藉由鳥頭的水分蒸發,以廢熱形式散逸於外界。至於喝水鳥的 P-V 圖,一個完整的循環也是分為四個過程:
2→3的過程,當鳥頭降到最低點時,頭部的液體由打通的玻璃管通道流回腹部,低溫液體並被加熱成高溫狀態,所增加的內能來自於室溫的加熱。
3→4的過程,腹部的高溫液體繼續被熱源(外界空氣)蒸發成高溫氣體,氣體並推動液柱上升,造成重心上移,進而提升了系統的力學能。此過程中由外界所吸收的熱能 Q=內能增加量ΔE(相變所需的汽化熱)+機械功W(擺動的動能&增加的重力位能)。
4→1的過程,當鳥頭降到最低點時,腹部的氣體由玻璃管通道向上沖回頭部,並藉由鳥頭水分的蒸發,將其冷卻成低溫氣體而回到起始狀態。

至於它的 T-S 圖(溫度-亂度熵):

1→2 的過程,冷凝後液體的亂度熵會比原先的氣體時小。
2→3 的過程,由於熵 S = 供給熱 Q/溫度T,所以液體吸熱後熵變大。
3→4 的過程,液體蒸發成氣體時,亂度熵變大。
4→1 的過程,氣體降溫會放熱,亂度熵變小。

史特林引擎若要增加輸出功的效率,必須提高冷、熱區之間的溫差。而這隻喝水鳥若要擺得快,也是要提高冷、熱區之間的溫差,亦即降低室溫環境中的濕度,因為這樣才能提高蒸發速率而形成比較低溫的鳥頭冷區。至於若外界環境的濕度已達飽和時,則蒸發不再持續進行,冷熱區的溫度就會相等,喝水鳥也就停止擺動了。