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MIT 實驗室開發廢熱回收新技術-TEG 熱電轉換裝置

在美國,大約有一半以上的能源最後都以熱能的形式溢散於大氣,例如重型機械和大型交通工具排出的廢熱。不過這種「浪費」在 MIT 熱電實驗室的研究下開始出現了改變的曙光。

由麻省理工機械工程系的教授陳剛(英譯:Gang Chen)和休士頓大學物理學系的教授任志鋒(英譯:Zhifeng Ren)共同創辦「GMZ Energy」公司,推出一款新的熱電裝置「TEG」,它的功能是將運輸工具產生的廢熱轉換為電力,並將這些電力回饋給運輸工具本身使用。

今年六月,在美國能源部(Department of Energy,DOE)一百五十萬美元的計畫支持下,GMZ Energy 成功製造出能夠產出 200 瓦的電力的 TEG 模組。這項計畫的目標是減少軍事成本- M2布雷德利裝步戰車(Bradley Fighting Vehicle)在戰場上所耗費的每加崙燃料成本需要 40 美元,如果能夠組裝數個 TEG 模組提供 1000 瓦的電力,對於大型運載工具確實能夠減少不少能源。

GMZ Energy 計畫在短期內將 TEG 應用到家用汽車和大眾運輸工具,改善 5%~25% 的燃料效率。一個 4 平方公分的 TEG 熱電裝置可以提供 7.2 瓦的電力,如果把這樣一個熱電裝置裝在汽車排氣管的旁邊,轉換出的電力足以供應車內的電子設備,大大減輕車內發電機的負擔、減少燃料成本和對環境的排放污染。

熱電轉換原理,將溫差轉換為電位差

熱電材料的原理是將熱能的溫度差轉換為電位差-即電壓。當熱能進入 TEG 的裝置頂部、穿過半導體材質來到溫度較低的底部,在溫差驅動下,在半導體中運動的電子便會製造出電位差提供電力。

TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片

TEG 的模組內部示意圖,P和N為模組中間的半導體。圖片來源:截自 GMZ Energy 產品影片

熱電裝置的設計觀念可以追溯到 1821 年,起初被稱之為塞貝克效應(Seebeck effect)-湯瑪士塞貝克(Thomas Seebeck)發現在傳導物質(例如半導體)的一端加熱,會引起電子往相對低溫的一端移動,製造出電流。這個熱電效是可逆的,如果電流通過傳導物質,也會將熱能從溫度高的一端帶往溫度低的一端。

1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de

1821年發現熱電效應的物理學家 Thomas Seebeck。圖片來源:Jlorenz1@web.de

突破熱能溢散限制,以奈米科技提高熱電轉換率

不過,過去大多數的熱電裝置會在轉換過程中溢散大量的熱能,對最後轉換出的電量大打折扣。1950 年代有許多發明開始受到大批公司和研究室的資助,進而應用於實際生活,但熱電材質因為轉換效率太低而未受青睞。這些材質在傳導電的同時也會傳導熱,因此傳導物質兩端的溫差會迅速的被平衡。熱電領域的發展停滯了好幾十年後,1990 年代開始出現以奈米科技重構熱電材質的研究,試圖突破低轉換率的限制。

陳剛和他的實驗團隊將熱電材料重構為奈米大小,以不規則的粒子排列減緩熱傳導中的量子運動,讓電子在可以順利傳導的同時,有效減緩轉換過程中熱能溢散的狀況。此舉可以提昇大約 30 ~ 60% 的熱電轉換率,為可商業化的熱電裝置打下基礎。

GMZ Energy 在 2011 年開始製造 TEG 熱電裝置並商業化運作,他們選定了一種具有強力晶體結構的合金材質(half-Heusler),可以在高溫下保持良好的穩定性。TEG 在裝置頂部和底部的設計分別能夠承受攝氏 600 度和 100 度的高溫。「材質的效能取決於它須承載的溫度,所以你必須先看看你的熱能來源溫度會多高,再找尋符合這個耐熱區間的材料。」

陳剛在 2001 年之前曾研究了四年的薄膜電晶體以及以奈米線為基礎的熱電裝置,2008 年他和材料專家任志鋒發現碲化鉍、碲化銻作為傳導物質可以提昇 40% 的效率,而且選用這種材料的成本並不昂貴。成本效益高又安全的合金材質意味著熱電材質未來能夠在產品中做更多應用。GMZ 未來會持續發展碲化鉛、方鈷礦、 矽鍺等材料,努力來提高熱電轉換效能。

陳剛認為他們研發的熱電材料和技術已經成熟到足以商業化,做出各種更具潛力的應用。他們成立了 GMZ Energy 希望廣為推廣。「但我們有點太天真了,熱電的市場很小,我們找不到具規模的買家。我們了解到光是販售『材料』是不夠的,我們需要發展一個完整的『裝置』。熱電不像光電池或其他電池,這個市場需要更成形的產品來刺激出更創新的發明。」撇開 GMZ Energy 這間公司的發展不談,TEG 熱電裝置的發展的確大大地為整個市場帶來進化。陳剛表示:「創造出更節約能源的科技。能夠將研究帶入真實世界,是我從事能源研究最大的動力和驕傲。」

參考資料:

本系列文章由工研院綠能與環境研究所支持,PanSci編輯部策劃執行。

關於作者

熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。