熱電材料的未來

黃志明

熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。人們對熱電材料的認(rèn)識具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)了材料兩端的溫差可以產(chǎn)生電壓，也就是通常所說的溫差電現(xiàn)象。1834年，法國鐘表匠珀耳帖(Peltier)在法國《物理學(xué)和化學(xué)年鑒》上發(fā)表了他在兩種不同導(dǎo)體的邊界附近(當(dāng)有電流流過時)所觀察到的溫差反常的論文。這兩個現(xiàn)象表明了熱可以致電，而同時電反過來也能轉(zhuǎn)變成熱或者用來制冷，這兩個現(xiàn)象分別被命名為塞貝克效應(yīng)和珀耳帖效應(yīng)。

在生活四周有許多耗費(fèi)能源所生成、卻又被廢棄的熱能，例如：汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等等。如果能將這些熱能善加利用，即可成為再次使用的能源，而熱電材料與技術(shù)，就是利用溫差來發(fā)電的關(guān)鍵。

我們知道，電能是最廣泛使用的最為便利的能源形式。但是如今發(fā)電的主要形式還是化石能源，這些能源的使用在給我們帶來了便利的同時，也帶來了一個全球關(guān)注的環(huán)境問題。環(huán)境問題是新世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。現(xiàn)代制冷技術(shù)無疑給人們生活帶來了很多便利，試想，如果現(xiàn)在沒有了冰箱和空調(diào)，我們的生活將有多大的不便。但是，從上個世紀(jì)八十年代以來，人們逐漸認(rèn)識到氟里昂制冷劑所帶來的環(huán)境問題，國際上普遍限制其的使用。使用熱電材料制冷就是一種很環(huán)保的方法。

熱電材料的應(yīng)用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，和太陽能、風(fēng)能、水能等二次能源的應(yīng)用一樣，對環(huán)境沒有污染，并且這種材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)保材料?，F(xiàn)在市面上有一種移動型冰箱，適用于旅行郊游時冰凍飲料及食品保存等。這種冰箱的特色除了方便攜帶外，它并不使用壓縮機(jī)，沒有噪音，天氣冷時還可搖身一變成為保溫器。隱身在這種冰箱后的核心技術(shù)，就是里面的熱電材料。

熱電材料的應(yīng)用很神奇，它通入電流之后會產(chǎn)生冷熱兩端，故可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時在兩端接觸不同溫度時，則會在內(nèi)部回路形成電流，溫差越大產(chǎn)生的電流越強(qiáng)，這就啟發(fā)了一種新思維：用熱電材料接收外界熱源來產(chǎn)生電力。這種概念并不是空中樓閣，目前日本和德國都已開發(fā)出利用人體體溫與外界環(huán)境溫度差異，進(jìn)而產(chǎn)生電力來驅(qū)動手表。

近年來由于在技術(shù)上熱電材料性能的不斷提升，及環(huán)保等因素，利用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，進(jìn)一步將大量廢熱回收轉(zhuǎn)為電能的方式，普遍得到日、美、歐等先進(jìn)國家的重視。低溫余熱、特別是140℃以下的廢熱再利用，增加了熱電發(fā)電的競爭力，一些新興應(yīng)用研究諸如垃圾焚燒余熱、煉鋼廠的余熱、利用汽車以及發(fā)動機(jī)尾氣的余熱進(jìn)行熱電發(fā)電，為汽車提供輔助電源的研究也正在進(jìn)行，并且有部分成果已實(shí)際應(yīng)用，相信在不久的將來會廣泛使用。

美國全球熱電材料公司是全球最大的熱電發(fā)電器供應(yīng)商，他們開發(fā)過以天然氣或丙烷為燃料之發(fā)電設(shè)備，并依產(chǎn)品尺寸可發(fā)出15～550W的電力，做為小型發(fā)電機(jī)及偏遠(yuǎn)地區(qū)電源使用。此外美國國防部，還在噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室從事多段功能熱電材料研發(fā)。

在日本，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）投入巨額資金研發(fā)各種高效熱電材料做為各式排放熱能發(fā)電利用。另外，日本業(yè)界如久保田公司開發(fā)一種熱電轉(zhuǎn)換裝置，能把300℃以下低廢熱轉(zhuǎn)換為電能，是把垃圾燃燒時產(chǎn)生的廢熱通過熱交換，將其做為高溫部分，把工廠管道的冷卻水做為低溫部分，利用兩者溫差經(jīng)熱電轉(zhuǎn)換裝置即可進(jìn)行發(fā)電，當(dāng)溫差為260℃時，發(fā)電功率可達(dá)640W。在車輛排氣發(fā)電方面，尼桑公司研發(fā)最為積極，預(yù)計利用占總廢熱30％之排氣熱能提供發(fā)動機(jī)輔助電源，每臺車約能有200W的電力回充電瓶，可減少5％之燃油支出。

在瑞典，其北部利用燒柴取暖爐所產(chǎn)生的熱量，可用以發(fā)電并替代昂貴的汽油馬達(dá)發(fā)電機(jī)。英國的威爾士大學(xué)建立了低溫廢熱的原型熱電系統(tǒng)。英、德等國研究利用太陽光集熱板或聚焦鏡方式提供高溫?zé)嵩矗绲聡鳧LR公司利用直徑1.5米碟型共聚焦器，制成300℃的熱源以供熱電發(fā)電用。在低溫電力應(yīng)用上，德、日等國都已有以人體體溫為熱源之手表問世，只要皮膚與衣服之間有5℃以上的溫差，即可產(chǎn)生微瓦之功率，未來在手機(jī)、掌上型電腦等微型電子產(chǎn)品上均可使用。

世界各國在推進(jìn)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用的同時，也在不斷地進(jìn)行著新型高性能熱電材料的研究和探索。如果將熱電材料技術(shù)應(yīng)用于上述的大規(guī)模電廠發(fā)電或普遍的制冷器，那么我們的生活環(huán)境將大為改觀。近年來，各種高性能的熱電材料相繼被發(fā)現(xiàn)，我們有理由相信，隨著科學(xué)的進(jìn)步，熱電材料的大規(guī)模應(yīng)用并不是一個可望而不可及的夢想。

【責(zé)任編輯】李金