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大破效率纪录,你的体温就能发电!温差发电迎重大进展

2019-11-26 02:01| 发布者: | 查看: 22| 评论: 0

摘要:   一、两天时间洞见未来五年  温差发电是一种简单直接的发电技术。  无需复杂的设备装置,只要一种叫做热电材料的特殊材料,在其两端施加以温度差比如,一端是你 37℃的皮肤,另一端是这两天北京 0℃左右的寒 ...

  一、两天时间洞见未来五年

  温差发电是一种简单直接的发电技术。

  无需复杂的设备装置,只要一种叫做“热电材料”的特殊材料,在其两端施加以温度差——比如,一端是你 37℃的皮肤,另一端是这两天北京 0℃左右的寒风,这三十几度的温度差就可以让这种材料发出一定功率的电能。 

  然而,这种优点多多、潜力巨大的发电技术,却有一个致命的缺陷——效率太低。现有最好的温差发电材料,其效率只有常规火力发电厂的一半不到,用它给智能手表这样的可穿戴设备供电也一直是痴心妄想。 

  不过,近日,一篇发表在 Nature 上的论文,给温差发电带来全新的应用遐想。一支由奥地利维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授领衔的研究团队,实现了温差发电材料的关键性能指标——热电优值系数(ZT 值)的翻倍:他们开发的热电材料具有高达 5 到 6 的热电优值系数,而之前最好的材料一般也只有大约 2.5 到 2.8。 

  ZT 值的跨越式提升,意味着温差发电的效率将有望和一些传统发电技术的效率一较高下,在发电、制冷、供暖、医疗、可穿戴设备等许多领域,都有着显而易见的广阔的应用前景,是业界期待已久、如今终于得偿所愿的重要技术突破


维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授(来源:维也纳工业大学) 

  二、未能解锁的广阔应用

  与其它利用热量进行发电的技术(比如燃煤电厂,燃气轮机)相比,理论上,热电技术有着无可比拟的独特优势。 

  首先,它没有运动部件,这使得这种设备没有噪音,也易于维护。 

  次,配套设备的成本很低,只需要热源、冷源、导线就可以发电,因此重量也很轻。而传统火力发电所需要的锅炉、轮机都是非常庞大且金贵的设备。 

  第三,规模可大可小,既可以像发电厂一样进行大规模发电,也可以装在衣服里、贴在皮肤上为便携式设备提供电力。 

  第四,寿命长。一枚硬币大小的放射性同位素热源,就可以为温差发电机提供长达 20 年以上电力供应。这种技术已经应用到了一系列航天器上,阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船都依赖这种温差发电系统提供能源。 

  第五,如果反过来给温差发电设备通电,就可以直接把它转化为一台制冷机,有着像空调一样的功能,却比空调简单得多。


不少航天器上已经装备了核辐射为热源的温差发电机。(来源:NASA) 

  然而,受限于过低的效率,一直以来,热电技术的应用只局限于温度测量、太空、军事、野外等少数特殊的领域。 

  要想提高热电效率,就必须要提高热电材料的 ZT 值。一般认为,ZT 值达到或者超过 4,这种技术才具有商用价值。然而,热电效应发现 100 多年过去了,科学家们连 3 都很难达到。 

  三、难以提高的指标

  为什么热电材料的 ZT 值这么难提高?这要从温差发电技术所依赖的物理原理——热电效应本身说起。 

  金属或者半导体的内部存在有一定数量的载流子(比如电子或者空穴)。而这些载流子的密度会随着温度的变化而出现变化。如果物体的一端温度高,另一端温度低,就会在同一个物体中间出现不同的载流子密度。 

  好比做饭的时候,炖着炖着,盐分就会从酱汁中进入到食物里一样,载流子的密度差异,也会驱使载流子从密度高的地方向密度低的地方扩散。只要可以维持物体两端的温差,就能使载流子持续扩散,从而形成稳定的电压。这便是温差发电的原理。


温差发电(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW) 

  从中我们可以看出,温差发电的效率,取决于热电材料的三个重要的能力: 材料在有温度差的情况下产生电动势的能力——由塞贝克系数表示。塞贝克系数越高,相同的温差下产生的电动势就越高,意味着能够发出来的电就越多。材料导电的能力——由电导率表示。电导率越高,电子在材料内部就可以越容易地扩散。材料导热的能力——由热导率表示。热导率越高,热量就可以更快速地从热端传递到冷端,从而让温差发电所依赖的温度差消失,电动势也就随之消失。 

  显而易见,对于热电材料来说,前两种能力是越强越好,而后一种能力则是越弱越好。热电优值系数 ZT,也就是这三个参数的集合:塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低,ZT 值就越高,材料进行温差发电的效率也就越高。 

  因此,热电材料的研究,其关键就是如何提高材料的 ZT 值,也就是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时,获得低的热导率。 

  然而,要想同时优化这三个参数,是一件十分困难的事情。因为这三种性质是相互关联的,提升一种性质,往往伴随着另一种、甚至两种性质的指标出现削弱。例如,一般情况下,提升材料的塞贝克系数,就会降低其电导率。这种三个参数之间相互关联的性质,这使得热电材料的研发一直进展缓慢。


不同种类热电材料 ZT 值的发展历程,横坐标为年份,纵坐标为 ZT 值。可以看出,经过多年的发展,热电材料的 ZT 值一直难以突破 3 的大关。(来源:He & Tritt, 2017) 

  四、提升 ZT 值的关键

  然而,三种参数“一损俱损、一荣俱荣”的这种关系,也不是完全绝对的。这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——热导率。更准确地说,是热导率的一部分。 

  材料的热导率包括两个部分,分别是电子热导率和声子热导率。其中,前者与电导率息息相关,是“利益共同体”的一分子。但声子热导率,却是决定热电材料性质的各种参数中,唯一一个对 ZT 值里其它所有的参数都没有影响的参数。 

  因此,提高 ZT 值的最重要的思路之一,便是在不影响材料电子热导率的情况下,通过降低声子热导率的方式来降低整体热导率。具体到材料的微观层面,就是在不影响电子输运的前提下,通过一些特殊的构造,来增强声子的散射,从而只降低材料的声子热导率,却不改变其它参数。 

  这便是维也纳工业大学团队完成了的事情。从 2013 年开始,经过多年的研究,他们发现了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。他们用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料,实现了高达 5 到 6 的 ZT 值,让 ZT 值比现有最好水平翻了倍。


铁-钒-铝-钨合金材料 在通常情况下,这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金,其结构非常规则,例如,钒原子旁边一定只有铁原子,铝原子也一样,而两个相邻的同元素原子之间的距离也总是一样。 

  然而,当科学家们把薄薄的一层这种材料,与硅材料基底相结合的时候,神奇的事情就出现了。 

  尽管这些原子仍然维持着原有的立方体的结构,但原子之间的相互位置却发生了剧烈的改变。以前该是一个钒原子出现的位置,现在可能变成了一个铁原子或者铝原子;而一个铝原子旁边本来该是一个铁原子,现在可能还是一个铝原子,甚至是一个钒原子。而且,这种各个原子之间位置的改变,完全随机,毫无规律可循。


结合在硅表面的合金(来源:Hinterleitner et al., 2019)


简单的测试系统(来源:Hinterleitner et al., 2019) 

  这种有序和无序相结合的晶体结构,就让材料产生了独特的性质: 电子依然可以有自己的特殊路径,在晶体里“自由”穿梭,使得电导率和电子热导率不受影响;但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的结构阻隔,导致声子热导率大幅下降。这样一来,热端和冷端的温度差得以维持,由此产生的电势差也就不会消失。 

  科学家们也就实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率下降,从而大幅提升 ZT 值到 6 的目标。 更进一步,理论上,如果可以改变相关概念材料的拓扑结构,ZT 值达到 20 也将不再只是梦想。 

  五、令人兴奋的潜在应用

  随着 ZT 值达到 5 到 6,甚至在将来达到更高的水平,许多曾经无法有效利用的废热、废冷也可能变成新的、清洁的能量来源。热电技术将从太空走向地面,很多全新的应用将得以解锁。 

  在发电领域,温差发电的效率和火力发电效率之间的差距将进一步缩小。ZT 值等于 6,就意味着已经接近了地热发电的效率,而 20 将进一步达到燃煤机组的效率水平,温差发电成为一种全新的大规模发电技术或可期待。 

  在便携式电子产品领域,皮肤和衣服、外界之间的温差,已经足以为一些特殊设计的手表等小型设备供电了。随着 ZT 值的提升,未来将可以为更大功率的便携式消费电子产品、甚至是医疗设备提供电量。


一款用皮肤和外界的温差驱动的手表已经上市。未来,这类产品的性能将进一步提高。(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW) 

  更高的 ZT 值,也意味着废热利用技术将得到进一步发展。其中最典型的例子,便是利用汽车尾气与外界环境之间的温差进行发电。汽车行业对相关领域的研究早就开始了,高 ZT 值便意味着温差发电将真的有可能成为汽车的标配(如果汽柴油车还没有被电动汽车淘汰的话)。


利用汽车尾气废热进行发电的装置(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW) 

  而更加令人兴奋的,是热电技术在物联网领域的应用。在即将到来的物联网时代,小巧、高效、免维护、长寿命的温差发电系统,将有望为许多传感器、通讯设备提供电源,让他们摆脱电缆的束缚。5G 提供信号,大数据进行统筹与分析,热电技术提供能源,这些来自不同领域的创新技术将有可能结合在一起,彻底改变未来家庭生活和工业生产的面貌。


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