一點都不放過!家電廢熱可以回收再發電!?

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。

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。

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。

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。

資料來源

關於作者

林祉均

清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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