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廢熱轉換成能量 

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廢熱轉換成能量 
http://www.sciencedaily.com/releases/2010/09/10093

汽車、發電廠、工廠和太陽能電池板等,都會產生大量的廢熱。然而,這些廢熱真的一無是處嗎?據《每日科學》(ScienceDaily)報導,亞歷桑納大學(University of Arizona)的物理學家找到了新方法,不但能收集這些廢熱,還能將其轉換為電能。

【熱電裝置的創新】

這項科技名為「分子熱電裝置」,從它的理論模型來看,未來若將此技術應用於汽車、發電廠、工廠及太陽能板上,可提升能量轉換的效率,而且應用的範圍還可能更廣;另外新的熱電材料也能排除消耗臭氧的氟氯烴與氟氯化碳。 聯刊於台灣黃頁

研究團隊由卡洛斯.史丹佛(Charles Stafford)帶領,研究成果發表於九月份的《ACS Nano》期刊上。

史丹佛說:「我們的研究團隊非常有信心,並相信這套裝置可以像電腦裡模擬的一樣,付諸於現實。我們預料產生的熱電電壓將比其他實驗室設計的熱電裝置大100倍。」

亞歷桑納大學專長為光學的博士生,同時也是文章的主要作者賈斯丁.伯格菲爾(Justin Bergfield)說:「熱電材料能讓熱能更乾淨直接地轉換為電能。」

長久以來,從廢熱中獲得能量一直是工程師的目標。但是到目前為止,能夠兼具效率與經濟效益的裝置仍未出現。伯格菲爾與史丹佛所研發的這個裝置與現存的熱電裝置都不相同,它不需要力學裝置,也沒有會消耗臭氧的化學物質;它在兩片金屬中夾了一種橡膠聚合物,以代替電極。

汽車或工廠的排氣管可以塗上一層薄薄的塗料來收取能量,厚度不能超過一萬分之一英寸,否則能量會以熱或電的方式散失。

【苯環電路的改良】

量子理論應用於這項科技最關鍵的地方在於波粒二象性:當物質小到一個地步時(例如電子),有時會以波的形式表現,有時以粒子的形式表現。

伯格菲爾說:「從某種意義上來說,電子就像一輛紅色跑車,這輛跑車具有車的外型與紅色的外觀,就像電子同時是粒子與波一樣,同一個物質但有兩種性質;只不過電子對我們來說比跑車小很多。」

伯格菲爾和史丹佛在研究中還發現了聚苯醚在熱電轉換的應用上很有潛力,它的分子結構是自發地聚合在一起,成為一個重複的長鏈結構;而每個聚苯醚的長鏈中又包含著苯環,這些苯環是由碳原子組合而成,這種長鏈中包含著苯環的結構就形成了一種「分子導線」,電子可以在其中傳遞。

伯格菲爾說:「我們之前就有使用過這種材料,並思考如何將其應用於熱電裝置上,但我們一直沒找到這個材料的特別之處,直到蜜雪兒.索里斯(Michelle Solis)的研究,她在獨立研究中發現了這個材料有這樣的特性。」

伯格菲爾利用電腦模擬,增加了兩個電極之間的分子,並且將它們放入模擬的熱源中。他說:「當你把每個分子中的苯環增加,產生的能量也會增加。」

此分子能夠轉換能量的祕密在於其「結構」;舉例來說,一條河若遇到分岔,會一分為二。但當電子遇到分子中的苯環時,電子流卻會沿著苯環走。

伯格菲爾在設計「苯環電路」時用了一個特別的方法:強迫電子沿著苯環走更長的距離。這使得兩個電子流在相會的時候會出現相差,這個互相抵銷的過程被稱為「量子干涉」。一旦這個苯環電路感應到溫度的改變,在兩個電極之間就會產生電壓。

波干涉的概念是從降噪耳機來的,正向聲波遇到耳機所製造的反向波,便可將噪音消除。史丹佛說:「我們是第一個充分利用電子的波動性,並將這個概念發展於能量轉換上的團隊。」

類似於電腦固態記憶體,亞歷桑納大學設計的熱電裝置沒有移動部分,他們已經完全包含在裡面。與目前相近的科技相比,這個裝置容易製造與維護。伯格菲爾說:「你可以拿一對電極並塗上一層分子材料,這個小三明治就是你的熱電裝置。不用冷卻的機件,也不需要液態氮裝運,而且不用做很多的維護工作。」

他補充:「我們不用氟氯烷氣體,我們用電子氣體。」

他說:「在我們的模擬中,這個分子的表現並不獨特。任何量子尺度的裝置,只要你消去一個電子就能做出這樣的效果——附帶溫度上的改變。溫度改變越大,產生的能量越多。」

分子熱電裝置或許能幫助解決光伏電池捕捉太陽能所遇到的困難。史丹佛說:「太陽能板會變得很熱,而且效率會下降,當你在冷卻太陽能板時,你可以利用餘熱產生電能,同時讓光伏電池效率提高。我們設計的熱電裝置效率非常高,可讓汽車的效率提高25%,這對於油電混合車是非常理想的,因為它採用的是電子引擎。」

所以,下次你看到一輛紅色跑車疾馳而過,你可以想一想電子中隱藏的力量,還有熱電裝置如何讓跑車引擎更有效率。http://www.sciencedaily.com/releases/2010/09/10093

刊登截止日:2018/05/10  

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