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廢熱回收的大助力–熱電材料
熱電是一種把熱能與電能透過固態反應相互轉換的物理現象。不同材料接合時,如果二者接點間的溫度不同,在其界面就會產生電流。如果提供外加電流,會讓一材料吸熱,一材料放熱,產生溫差造成熱電致冷。
 
 
 
熱電是一種把熱能與電能透過固態反應相互轉換的物理現象。不同材料接合時,如果二者接點間的溫度不同,在其界面就會產生電流,也就是利用溫差可以發電。或者如果提供外加電流,這時會讓一材料吸熱,一材料放熱,因而產生溫差,就可以造成熱電致冷的應用。

這樣的設備跟目前常見的發電機、冰箱、冷氣等比起來,不需要龐大的管線配置和壓縮機,也少了機器運轉的噪音。只可惜目前轉換的效率不高,一般小於8%,因此僅應用在一些小冰箱、保溫杯等小型產品上。最近才進一步用於豪華汽車的坐墊,使人在炎夏進入汽車時,不需等待整個空間充滿冷氣才覺得舒服,而能讓人一坐進車內就快速感受到貼身涼意。

不過,如果熱電材料的應用僅是這些小地方,市場不會太大,就不至於吸引許多人研究。但目前全球已經有上千位學者投入,去年一年就有超過1千篇國際論文,為什麼這麼熱門?

原來大家重視的是在工廠、汽車等的運作中所產生的大量廢熱,如果能回收這些廢熱善加利用,就可轉換為電能。目前全世界所發的電僅有50%用在預期的應用上,其他50%則是以熱的形式耗損掉。如果能想辦法把這些耗損的熱能轉換回電力,就能降低能量耗損,增加新的能量來源,同時解決熱汙染問題。這在環境保護上有重大的意義,因此許多學者投入研究。

研究這主題的學者多具物理背景,多從常用的熱電材料組成去發展,所探討的較局限於某些特定合金組成。清華大學化工系陳信文教授與吳欣潔博士則是從材料的相平衡和相變化理論,搭配大量且系統化實驗驗證,合理預測哪種組成、結構可能有助於提高熱電材料的特性。理想的熱電材料導電性要高,但導熱性要差,這樣才能把熱鎖在特定材料中維持溫差。但一個物體的導電性和導熱性的關係幾乎是共變的,純金屬或非金屬很難達到這樣的要求,而要求助於半導體。

除了對材料組成要挑選外,陳教授與吳博士比起一般學者多了從熱力學去考慮的線索。致力以熱力學的角度解釋不同材料的熱能與電能的傳輸性質,目前也小有成果,可從其中的微結構配合理論分析再做細部的調整,果然製造出擁有很好目標特性的四元合金,即鉛-銀-銻-碲的熱電材料系統,熱電轉換效率約可達到10%。

陳教授表示,他們因為對於相平衡和微結構有較多的熱力學理論基礎與大量的實驗佐證,因此研究的成果具高度可靠性與可重複性,而這點對於高性能熱電材料未來應用於商用模組極具重要性。

要把這項技術付諸實踐,陳教授表示目前最主要的考量是成本與效益的問題,如果裝置的成本太高,可能多數人就不願意採用。目前看來,一般會從工廠開始,因為工廠排放的廢熱占總廢熱的比率最高,其次才是汽機車等交通工具。工廠的廢熱是固定不斷地大量產生的,這設備只要能有功用,成本慢慢就能回收。但在汽車上,則因為汽車載運它也需要消耗能源,如果消耗的能量反超過廢熱回收的能量,就不值得做了,因此提高熱轉換率是首要條件。陳教授能夠提供有效、穩定的進步基礎,值得持續關注。
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