電冰箱也能發電？耶魯大學新技術高效利用廢熱

知識 07-02

wenzhang

眾所周知，無論是家電、汽車、發電站等，它們在工作的時候無時不刻不在向環境釋放廢熱。以美國為例，如果對可回收的廢熱加以利用，可為幾百萬戶家庭提供日常用電。假如你家裡那台發熱的冰箱，發出的熱能也能轉化為電能的話，家裡的電費是不是又可以節省一些？假如你開車時，發動機發出的熱量能轉化為電能，油費是不是可以省下一筆？甚至是你手機的發熱，都可以用來加以利用。

事實上，目前已有大量的科學家在研究如何利用廢熱了。只是現在看來，已有的方法既不高效，也不省錢，花的比賺的還多。近期，耶魯大學的研究者們發現了一種全新的利用廢熱的辦法：在溫差不大的情況下，他們通過使用一種叫「納米泡沫薄膜」的材料，阻擋裝置兩邊的熱水和冷水，水蒸氣穿過薄膜，引起冷水體積增大，從而形成壓力。壓力帶動發電裝置產生電能。儘管目前只是初步測試，但熱能利用效率達到了驚人的 58%！

研究背景

實際上，我們已經能從熱量差里獲取電能。但這種熱量差必須很大，往往需要達到幾百度，大到產生的壓力差足以推動渦輪機。比較典型的例子是聚光太陽能發電系統，通過鏡組加熱發電塔，溫度能達到 600 攝氏度。

電冰箱也能發電？耶魯大學新技術高效利用廢熱

於是我們發現，廢熱之所以最後變成了廢物，主要是因為溫度差太小，這個數字往往只有幾度或者幾十度。而傳統的廢熱回收系統都是針對高溫差而設計的，當面對溫差小的情況時，系統會變得極為低效。

但是，如果一定要將這種小的溫度差轉化為有效電能，往往需要依靠熱電材料，這些材料不僅貴，而且很難弄到，甚至有些材料是有毒的。當然，依靠這些熱電材料可以達到我們的目的，只是代價太過高昂。

納米泡沫薄膜工作原理

這個研究團隊的成員主要來自耶魯大學，他們採用了一種完全不同的方式，基本原理是這樣的：兩種相同的液體，存在溫度差異，水分子將從熱的液體蒸發，並壓縮進冷的液體中。隨著時間推移，冷的液體的體積會不斷增加。

電冰箱也能發電？耶魯大學新技術高效利用廢熱

研究者們製作了一個容器，通過特殊的納米泡沫薄膜，將熱水與冷水隔開。這種納米泡沫薄膜由聚四氟乙烯（PTFE）組成，研究人員對這種薄膜進行處理，使它的孔隙保持在 20 納米以內。我們都知道，聚四氟乙烯具有抗酸抗鹼、摩擦係數極低的特點，所以這種薄膜並不吸水。微小的孔隙和不吸水的特性，意味著水的表面張力能阻止水自身穿過孔隙。然而，水蒸氣卻沒有表面張力，所以它能穿過薄膜，到達另一邊。

在這個容器里，水蒸氣從熱水這邊穿過薄膜，壓縮進冷水那邊。隨後，冷水開始膨脹，產生壓力。「這個薄膜至關重要，它能促進壓力的生成，」該論文的通訊作者 Menachem Elimelech 向第四能源記者表示，他是耶魯大學化學與環境工程學系的教授。「如果沒有這個薄膜，整個過程就無法順利進行。」

實驗效果

實驗顯示，5 攝氏度的溫差就能產生 400 巴的壓強。在實際測試中，設定為 40 攝氏度溫差的情況下，每平米薄膜能產生 3.5 瓦特的功率。並且，更為重要的是，該技術的能效利用率超過了 50%。

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