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一點都不放過!家電廢熱可以回收再發電!?

林祉均
・2020/10/06 ・1574字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

手機在充電時,不論手機電池還是變壓器都會變得十分燙手;冰箱和電燈這類家電在運作時,也會不斷地將熱能逸散到環境中;儘管佔比可能不高,但這些毫無用處的熱氣全都是用你的電費換來的。

圖片當事人肯定是練過鐵砂掌(誤)。圖/pixabay

說到這裡不免有些心痛。那有沒有什麼方法可以回收這些廢熱,重新轉換成電力呢?

既有熱電材料昂貴又需要幾百度溫差,不易應用

其實早在 200 多年前,科學家就發現有些特別的材料,能夠將熱能與電能互相轉換,也就是所謂的熱電材料。當一塊熱電材料的兩邊存在溫度差,便會讓電子從高溫流向低溫處。

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在實務上,如果希望這種轉換夠有效率,那麼熱電材料就必須要善於導電;同時呢,它又要不易導熱,如此才能維持兩邊的溫度差。現有材料能滿足這些條件的,不只價格高昂,還需要數百度的溫差才能達到最佳工作效率。

在發電廠或是汽車引擎等地方,已經可以看到類似的能源回收技術,不過想把這種材料放在豆腐頭上來發電,只能說是異想天開。

使用熱電材料的能源回收技術,目前僅能在發電廠等少數地方見到。圖/pixabay

溫差電池由液態電解質組成,溫差不用很大就能運作

但其實除了一般固態金屬的熱電材料,還有另一個選項能回收廢熱換成電力,就是「溫差電池」(thermocell)。它是用液態電解質組成,利用離子的流動來運送電荷往返冷熱兩端,溫差電池的好處是所需溫差較小,不過相對的,產生的電流也比金屬熱電材料小很多。這是因為比起金屬中的電子,電池中流動的離子不只搭載著電荷,還順道帶了許多熱能,離子導熱的效應造成冷熱端的溫差變小,拖累了發電效率。

為了解決這個困難,中國華中科技大學的研究團隊著手研發新的溫差電池。他們在骨牌大小的電池中裝滿鐵氰酸離子與亞鐵氰酸離子(Fe(CN)6-3 / Fe(CN)6-4),並讓電池的兩個電極維持穩定的 50 度溫差。下圖上方的是冷電極,下方是熱電極。

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圖/Science

從過去的實驗結果我們知道,靠近熱電極的 Fe(CN)6-4(黃色)會丟一個電子給電極,變成 Fe(CN)6-3(紫色)。這顆電子透過左邊的外部電路流向冷電極,在那裡和 Fe(CN)6-3 結合,恢復成 Fe(CN)6-4,如此周而復始,形成一顆可以運作的電池。

不過,在熱電極附近持續生成的 Fe(CN)6-3 需要往冷電極擴散(反之亦然),才能讓這個循環進行,過程中便帶上了許多熱量,也就是上面提到的關鍵:離子導熱問題。

加入秘密配方:鹽酸胍,電池功率頂瓜瓜

因此,實驗團隊加入了獨門配方:鹽酸胍(HNC(NH2)2),胍音同瓜。在溫度較低的冷電極,鹽酸胍能讓新生成的 Fe(CN)6-4 結晶成小小的固體顆粒(六角形)。由於固體顆粒的導熱效果比液體差,因此能減緩冷熱電極的熱交換。這些小顆粒向下沉到熱電極之後,又再度恢復成液體型態,進行下一輪反應。

圖/Science

利用結晶顆粒來維持溫差的方法成功奏效。在同樣的電極面積之下,他們的電池功率是先前版本的 5 倍,只要用一本漫畫書大小的電極,產生的電流就足以點亮 LED,或是拿來充手機。這份研究被發表在《科學》(Science)期刊,可說是日常廢熱發電技術的一大進展。

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下一步,就是發展能夠有效蒐集廢熱並隔絕環境的設計。兩者結合在一起,或將成為究極節儉的能源回收利器。

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導電但不導熱:夢幻的熱電材料「二氧化釩」——《科學月刊》
科學月刊
・2017/05/16 ・2162字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

文/魏百駿|畢業於清大材料所,現職為中研院物理所博士後研究員(陳洋元實驗室),專攻熱電材料及相關材料物理。

熱電材料可以把熱能轉為電能。而能將廢熱有效率轉為電能,一直是科學家的夢想。但是熱電材料一直有個瓶頸,材料需要同時具導電好卻導熱差的特性。而一般導電好的材料,譬如金、銀、銅等金屬,導熱也同時較好,並不適合作為熱電材料。最近美國柏克萊實驗室發現二氧化釩(VO2)裡的電荷載子具導電卻不導熱的性質,為熱電材料帶來新契機。

在這張套色的掃描電子顯微鏡的影像中,通過將熱量從懸浮的熱源墊(紅色)傳輸到感測墊(藍色)來測量熱導率。 期間以二氧化釩的納米骨架橋接。 Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

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固體內的熱傳導

熱傳導為能量(熱能)從高溫處往低溫傳輸的現象。固體中,熱的傳輸有兩種媒介:

(1)原子晶格的熱振盪以及

(2)利用電子之類的自由載子(free carrier)來承載。

晶格熱振盪形成的彈性波,從量子力學的角度,科學家將之稱為「聲子(phonon)」;自由載子指的是可以自由移動,且帶有電荷的物質微粒,如電子和離子,能同時攜帶電荷及熱能。

一般而言,導電良好的材料內,電子在運動過程中受到的「阻力(電阻)」較小,電荷可快速傳輸。在此同時,自由載子也將熱能快速傳遞。這個現象是 1853 年維德曼(Gustav Wiedemann)和夫蘭茲(Rudolph Franz)在實驗中發現的,它主要描述了金屬電導率 σ 和熱導率 ρ 之間的關係,其中比例常數 L 稱之為羅倫茲常數(Lorentz number),也就是導電率越高,熱傳導率也就愈高。

然而,近期美國柏克萊實驗室在 Science 期刊上發表一項重大發現,二氧化釩奈米線中的自由載子導電不導熱!明顯打破維德曼-夫蘭茲定律(Wiedemann–Franz law)!因為其內的自由載子間具有很強的相互作用,使得電荷和熱能的輸運(transport)分開,不再藉由同一個自由載子來進行輸運!

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柏克萊大學研究團隊。Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

二氧化釩是一個具有「金屬-絕緣體相變(Metal-insulator transition)」的材料。於溫度 68°C 以上的環境,二氧化釩會具有金屬特性,若位於 68°C 以下環境,則會具有絕緣體特性。柏克萊團隊為了證實中的自由載子在輸運電荷的過程中並不肩負熱的傳輸,他們利用懸空的單晶奈米線結構,保證熱流與電流傳導為同一方向,也去除材料中應力與多晶格方向的影響。

如前文所述,熱導率來自於自由載子與聲子,經由實驗測得的熱傳導率減去理論晶格熱傳導率,並比對導電相與絕緣體相的理論及實驗值,該團隊確認金屬性二氧化釩中,電子所貢獻的熱傳導率約為維德曼-夫蘭茲定律預測的 10~20%,也就是自由載子帶的熱能比該理論預測少很多,非常難得一見。

藍色為釩原子,左側為導電階段。source:Atomic Vibrations Stabilize Metallic Vanadium Dioxide

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現今我們對這樣電輸運與熱輸運解偶(decouple)的材料系統知道的不多。如果能深入了解其中電與熱解偶的機制,以及其內聲子如何與電子交互作用、電子之間如何交互作用等,對於開發所謂能將熱能直接轉換成電能、或電能直接轉換成溫差的熱電元件,將是極大的助益。

廢熱再利用

導電竟然有可能不導熱?圖/By garycycles8 @ flickr, CC BY 2.0

我們人類活動中產生的電能或動能,大多是以熱的形式浪費掉(廢熱)。熱電元件具備可直接將熱能轉換為可利用的電能(不透過任何機械裝置)的特性,因此具備可回收廢熱的優點!尤其是針對回收不易、介於 100~200°C 之間的低溫廢熱更具優勢。因此若能開發出具備非常高效率的熱-電轉換材料,有益於環境保護及空間節省。科學家利用「熱電優值」ZT 來衡量描述材料的熱電轉換能力,Z 是材料的熱電係數,T 是熱力學溫度。更詳細的來說:ZT= S2σT/κ,也就是說熱電優值的大小直接與熱傳導率(κ)、導電度(σ)及溫度(T)是相互關連的,而 S 為席貝克係數(Seebeck coefficient)。由上述 ZT 的關係式可知,好的熱電材料需要電導高但熱導低的特性,這也是目前熱電材料最大瓶頸。

若在熱電材料中自由載子導電卻不導熱,我們從電子貢獻的 ZTe=S2/L=S2σT/κe,不難看出如果羅倫茲常數趨近於零可以使得該材料中,電子的熱電效率無窮大!因此若能找到完全不遵守維德曼-夫蘭茲定律的材料系統,那麼等於找到夢想中的高效率熱電材料,而「壞金屬(bad metal)」,也就是自由載子傳輸的自由徑(mean free path)小於晶格大小的材料,是非常有潛力的材料系統。

最近幾年有些相關理論及實驗發表於重要國際期刊,探討如導電二氧化釩系統的「壞金屬」。不難發現這些具有非常規電子動力學的材料系統所牽涉的領域相當廣泛,且許多部分仍屬推測或未知。尋找突破維德曼-夫蘭茲定律的系統對於發展高效率熱電材料固然重要,然而在到達終點之前,我們仍有許多問題需要回答。熱電學中的三個主要參數:導電度、席貝克係數、熱傳導率本身每個都是度量材料電子及聲子動力系統的偵測儀,因此在可期待的未來,可藉由熱電物理的手來解開物理中未知且重要的一環。

延伸閱讀:

“Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide” Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410


〈本文選自《科學月刊》2017 年 4 月號〉

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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TMS年輕領袖獎得主 吳欣潔研究用廢熱發電
劉珈均
・2015/04/01 ・1851字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

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吳欣潔(右一)與學生合照。圖中學生正以氫氧焰燒熔石英,製作合成材料時要用的石英管。圖/吳欣潔提供。

中山大學材料與光電科系助理教授吳欣潔獲得「美國礦物金屬材料學會」(The Minerals, Metals & Materials Society, TMS)2015年度的「年輕領袖獎」(Young Leader Professional Development Award)。此獎項頒發給40歲以下、學術生涯剛起步,但深具潛力成為材料與工程領域未來領袖的研究者。

吳欣潔剛到中山大學任教一年,研究專長為熱電材料、相圖計算與量測、金屬生醫材料、材料熱力學。吳欣潔大學時期主修化工,後來轉到材料領域,「當時我也還沒有很篤定自己想作什麼,就用刪去法把自己不擅長的、不想要的刪除。」吳欣潔喜歡作實驗,近來專注研究熱電材料,在實驗室合成出一些東西,讓她覺得有實際在創生些什麼的踏實感與成就感:「(實驗過程)變化很大,不會無聊!」

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熱電材料基本上以半導體材料為主,可使「熱」與「電」相互轉換,「碲化鉍(Bi2Te3)」與「碲化鉛(PbTe)」是目前最常用的兩種材料。熱電材料的發電原理是利用「溫差」,P型和N型半導體上的電洞、電子都會往低溫處跑,將P型與N型半導體排列形成迴路,於兩端施加溫差,半導體上的多數載子(即電洞與電子)會往低溫處跑,如此一來,電子與電洞濃度不同便會產生電位差而出現電流;另一方面,將熱電的原理「倒過來」,通電流給它,也能讓半導體的電子與電洞往同一端跑,產生溫差,延伸製為致冷器。換言之,熱電發電與熱電致冷是一體兩面,前者是施以溫差以產生電流,後者是施以電流產生溫差。

「各種能源產生的電力只有40%真的拿來用,其餘60%皆以廢熱形式逸散到大氣中。」吳欣潔說,如此大量的能量消耗讓溫室效應加劇,其中工廠是最大宗的廢熱來源。目前熱電發電的轉換效率約在10%至15%之間,跟太陽能差不多,回收工廠與汽機車引擎的廢熱是熱電材料最具潛力的應用,未來克服轉換效率低的瓶頸後就大有可為,若能抓回一半以上的廢熱,就能大幅減緩能源消耗與環境負擔。

太空任務也是熱電材料應用場域,當探測器離太陽太遠,無法靠太陽能發電時,就換熱電材料上場。目前在火星上「場勘」、執行任務的漫遊車「好奇號」(Curiosity)就採用「放射性同位素熱電式發電機」(radioisotope thermoelectric generator, RTG ),在核反應器周圍貼上熱電元件,藉以供應電力,廢熱還能為漫遊車的一些部位保暖。吳欣潔說,熱電材料是全固態,相當安全,不會像鋰電池充放電循環後,容易產生體積膨脹問題。

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好奇號在火星上的模擬圖,好奇號最後端的黑色柱狀物即為RTG。photo credit:wiki。

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熱電材料也已進入民生用途,有手錶安裝熱電元件,利用人體體溫與環境的溫差發電,驅動手錶;若以熱電材料作為致冷器,因為不需要壓縮機,所以產品體積可大幅縮小,用於車上的小冰箱或紅酒櫃。

熱電材料深具前瞻性,但在台灣,相對於太陽能或電子材料,熱電材料是較少人投入的領域,除了吳欣潔,研究者主要集中於清華大學、工研院與中研院。吳欣潔解釋:「因為熱電材料知識範圍跨得很廣。」分析電與熱的傳導性質,需要結合固態物理、化學、材料學門的知識,而大型研究機構較有能力讓跨領域的人才聚在一起。歐洲因再生能源發展得早,所以熱電材料相關研究相當盛行;亞洲則近十年才開始投入熱電材料研發。

吳欣潔的國際學術交流經驗豐富,自學生時期就每年赴美國參加TMS的年會,也曾於加州理工學院交換,那段經驗讓她印象深刻。她形容那是個很純粹的環境,集合了世界各地對研究抱著高度熱忱的學者,「學生與研究人員唯一的工作就是作研究!」遇到問題時,與別人討論便有很大幫助,那種切中要點又高效率的氛圍讓吳欣潔記憶猶新。曾有一次,她合成的材料總有許多孔洞,也產生奇特的微結構,不知如何解釋,那是論文最重要的部分,吳欣潔為此膠著了一陣子,結果與一位日本科學家聊天後豁然開朗,一兩週內就改善了合成材料性質、完成論文。

就吳欣潔個人觀察,近年在國際學術交流場合可明顯感受到中國崛起,「像今年我去TMS的時候,同桌的10個有8個是中國人。」她說,中國投入的龐大資源是我們難以比較的,不過,她認為台灣學生較有底子,也較聰明,「再多點努力和積極就會很厲害!」對於想要從事學術研究的學生,她也說,實驗室裡常會充滿挫折,這是研究必經之路,若真的想踏上學術之路,她的建議是:「就學著樂觀一點吧!」

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註: TMS學會前身可追溯至1871年,涵蓋金屬、材料與工程領域,基礎科學研究、材料初步開發到前瞻應用各階段,都是其關注範圍。TMS學會現今擁有來自70多個國家、12000位以上的專家與學者會員。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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天文學家首度測得黑洞半徑
only-perception
・2012/09/28 ・1612字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

不歸路(點)-在天文學中被稱為黑洞的區域中,重力的拉扯如此之強,以至於沒有東西(就連光線也不例外)能夠逃脫。能比我們的太陽重數十億倍的黑洞,可能位於絕大多數星系的心臟。像這樣的超重黑洞,威力如此強大,以至位於其邊界的活動能擾動整個宿主星系。

現在,由 MIT Haystack 天文台的研究者所領導的一個跨國團隊,首度測得一個位於遙遠星系中心的黑洞的半徑-物質冷不防地被拉進黑洞之前,所能到達的最近距離。

科學家將夏威夷、亞歷桑納與加州的無線電碟形天線串接在一起,創造出一個叫做「Event Horizon Telescope(EHT) 」的望遠鏡陣列,其所能見到的細節,比哈伯太空望遠鏡還要精細 2000 倍。這些無線電望遠鏡瞄準 M87,一個離銀河系約 5000 萬光年遠的星系,那裡藏有一個比我們的太陽重 60 億倍的黑洞;利用這個陣列,該團隊在此黑洞邊緣附近觀察到物質的光暈(glow of matter)– 一個稱為「事件視界(event horizon)」的範圍。

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「一旦物體掉入事件視界,它們會永遠消失,」MIT Haystack 天文台助理主任以及 Smithsonian 天體物理天文台副研究員Shep Doeleman 說,「那是一個從我們宇宙離開的出口。你穿過那道門,你將無法回來。」

Doeleman 及其同僚將這些結果發表在本週的 Science 期刊中。

就在一個黑洞的邊緣

超重黑洞是愛因斯坦(Albert Einstein)的重力論所預測、最極端的天體 。在那裡-根據 Doeleman 表示,「重力完全陷入混亂且龐大的質量潰縮到一個不可思議的密閉空間中。」在黑洞的邊緣,重力如此之強,以至於它從週遭將每樣東西拉進來。

然而,並非每樣東西都能穿過事相面以擠入黑洞之中,結果是一場「宇宙大塞車」。在裡頭,塵埃與氣體聚積起來,創造出一種扁平的物質鬆餅,稱為吸積盤(accretion disk)。這個吸積盤以近乎光速繞行黑洞,持續餵食黑洞「超熱物質」餐。隨著時間過去,吸積盤能導致黑洞自旋,方向與繞行中的物質一樣。

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在這種螺旋流動中所偵測到的是磁場,那沿著吸積盤上方的強力射束加速熱物質。所產生的高速噴流(從黑洞與吸積盤發射)射出穿越星系,延伸數十萬光年遠。這些噴流會影響許多星系過程,包括恆星形成的速度。

「愛因斯坦是對的嗎?」

噴流的軌跡能幫助科學家理解在一個以重力為主宰力的區域中,黑洞的動力學。Doeleman 表示,如此極端的環境最適於確認愛因斯坦的廣義相對論 — 今日對於重力的決定性描述。

「愛因斯坦的理論已在低重力場案例中獲得驗證,例如地球上或太陽系中,」 Doeleman 說「但它們尚未在黑洞的邊緣精確地獲得驗證-在那,愛因斯坦的理論可能失效。」

根據愛因斯坦的理論,一個黑洞的質量及其自旋決定物質在變得不穩定且朝事相面墜落之前,能在多近的距離下繞行。因為 M87 的噴流在磁性上是從其最小軌道開始,所以天文學家可透過仔細量測噴流離開黑洞時的大小,來估計黑洞的自旋。到目前為止,望遠鏡的放大倍率都不足以進行這樣的觀測。

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「我們現在能問『愛因斯坦是對的嗎?』這個問題了,」Doeleman 說,「我們能在這個非常強的重力場中,確認其理論所預測的面貌與特徵。」

這個團隊使用一種稱為 Very Long Baseline Interferometry(VLBI,超長基線干涉)技術,那連接來自相距數千英里遠的無線電望遠鏡的資料。來自不同碟型天線的訊號,湊在一起創造出一座「虛擬望遠鏡」,其望遠鏡的解析力跟各碟型天線之間的空間一樣大(譯註:解析力與主鏡大小成正比)。

這種技術讓科學家能看見遙遠星系中極度精確的細節。

利用這種技術,Doeleman 及其團隊測得吸積盤最內側的軌道只有黑洞事相面的 5.5 倍大。根據物理定律,這個大小暗示,吸積盤的旋轉方向與黑洞相同-這是第一個證實「黑洞如何從星系中心加持(power)噴流」的理論的直接觀測。

該團隊計畫擴充其望遠鏡陣列,增加位於智利、歐洲、墨西哥、格陵蘭與南極的無線電望遠鏡,以便在未來獲得更詳細的黑洞圖像。

更多資訊請參訪: www.eventhorizontelescope.org/

資料來源:For the first time, astronomers have measured the radius of a black hole. phys.org [September 27, 2012]

轉載自 only perception

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D