變形金屬可以利用廢熱發電

像這樣一個在德國布蘭登堡的沼氣工廠用分解有機物質產生的熱來發電。一種新型的使用記憶合金的熱機可能幫助沼氣工廠——和其他許多工業過程——在將熱轉換成電力時更加有效。

五年前，一位科學家，一名工程師和一個商人在都柏林的某個後院做了一項實驗。他們在電茶壺中把水加熱，然後把熱水倒進一個剖開的水管中。他們在水管的底部放置了一段導線，並在導線邊用尺子測量。當倒入熱水時，導線會縮短几厘米；當倒入冷水時，導線又會變回原來的長度。這三個人認為他們可以用這個干點大事情。

他們測試用的這種奇怪的、會變形的導線是由一種叫做形狀記憶合金（shape memory alloy）製成的。類似的金屬（或非金屬）在受到特定的溫度或壓力或電刺激的情況下，就會改變形狀。發明至今60年，形狀記憶合金已經被用於生物醫學和航空工程等領域。但是它最難以實現的一項應用是從熱水中獲取能量。如今當初在後院中做實驗的那些人成立了一家叫Exergyn的公司——聲稱他們已經創造了一種使用變形導線和工業生產過程遺留下來的熱水來發電的發動機。

根據估算，美國工業大約有1/3的能量以熱的形式損失。「大量的能量在工業生產中或熱交換過程中被浪費，像用水冷卻機器或發電廠。」一位來自凱斯西大學（Case Western University）的高分子科學教授Rigoberto Advincula說道，他同時還是一位與Exergyn公司沒有關聯的廢熱專家。作為工業應用中的副產品（包括發電）產生的熱水沒有足夠的熱能來產生驅動發電機運轉的蒸汽。

一些發電廠和工業用戶把他們的廢棄熱水送到二次熱機，在那裡通過一個被稱作有機朗肯循環的過程，將水中的一小部分能量轉換成電力。但是這種技術需要化學物質來從熱水中產生電力。一些最適合的化學試劑對環境是危險和有害的，因此常常被禁止或限制使用，而更清潔的化學試劑無法那麼有效地從廢水中回收能量。根據斯坦福大學地球能源與環境科學學院的地球系統講師Jonathan Koomey的說法，這增加了運營成本，也就意味著這並不總是划算的。他也與Exergyn無關。

這就是變形導線的用武之地。形狀記憶合金有獨特的分子屬性——會根據溫度在預先設定的形狀之間變形。這也就是為什麼這種材料是Exergyn公司新熱機的核心的原因，這種熱機使用了一種由最初的形狀記憶合金變化而來的鎳鈦諾（nitinol）合金，「他的名字代表了他是鎳（Ni）鈦（Ti）合金的事實，而NOL指的是發明鎳鈦諾的前海軍軍械實驗室（Naval Ordnance Laboratory）。」中田納西州州立大學（Middle Tennessee State University）的化學教授Preston MacDougall說道。他同樣與Exergyn公司無關。

鎳鈦諾在分子水平極為有序。「大多數的合金在分子水平沒有真正的結構，他們好像金屬的溶液，不像鹽晶體或鑽石內部那樣有序排列。」MacDougall說道。然而鎳鈦諾的分子形成了有著90度夾角的規則立方體。他還說，在顯微鏡下，鎳鈦諾看起來像一堆疊在一起的鞋盒。加熱後分子會發生輕微重排——直角會變成銳角或鈍角——以至於材料會收縮。對材料冷卻，分子重新變成直角，這樣形狀記憶合金就變回了最初的尺寸和形狀。

Exergyn的熱機利用這種變形的行為將廢水轉換成電力。其開發者稱，熱機會被安裝在廢水泵系統中，將熱水循環注入它的圓柱形活塞室中。每一個活塞都連接著鎳鈦諾導線。「當熱水注入（導線）會收縮一個相對小的量，但是卻非常有力。」Exergyn公司的CEO Alan Healy說道。然後熱機將冷水循環進活塞室中，鎳鈦諾膨脹，使得活塞再次彈出。在活塞的另一側是粘性流體，運動的活塞推動流體流過帶動發電機的液壓傳動裝置，產生電力。「利用這些材料的性質來產生能量聽起來是有悖常理的，但卻並非沒有先例。」Advincula說道。畢竟科學家在半個多世界前發明了形狀記憶合金，工程師早就意識到了這種材料收集能量的巨大潛力。

1970年，一名在勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）工作的機械工程師Ridgway Banks開發了一種形狀記憶合金熱機，他相信這會使電力和其他行業節約數十億的能源成本。Banks為熱機申請了專利，但是並沒有像他希望的那樣為能源行業帶來革命。這種熱機的技術是複雜的並且需要太多的化學物質，變形導線磨損過快以至於無法用於實際應用。

但是學者和工程師仍然在世界範圍內的期刊和實驗室內延續著這一想法。在2010年，通用汽車（GM）和美國能源部高級研究計劃署能源部合作，發明了一系列廢熱回收技術，包括一些基於形狀記憶合金的技術。然而到目前為止，GM公司僅僅使用了形狀記憶合金來取代車輛上更多複雜的機械勘誤，例如一種更容易關上（雪佛蘭）克爾維特的行李箱的設備。

Exergyn公司並沒有聲稱有重大的技術突破。Healy說，公司花費幾十年的時間來創造一種更耐用的鎳鈦諾導線——儘管他們如何具體改動公式是保密的。據Healy介紹，這種發展是有必要的，因為變形合金在經歷一定的變形後會磨損。大規模地替換導線繁瑣且昂貴——這成為了熱機走向市場最重要的阻礙。他說：「幾年前最好的導線完成了一百萬次的循環，我們已經讓導線能夠完成一千萬次的循環。」Healy表示，他正在將沼氣行業視為第一批用戶。「但是我們並不缺少潛在的用戶。」他補充道，「一些食品公司清潔機器後會產生廢熱水，或者一些數據中心用水來冷卻伺服器。」

儘管如此，Exergyn還沒有證明自身價值。購買Exergyn熱機的公司想要確認這項技術會在一段給定的時間之後通過節約公司的電費來收回成本。Koomey說道：「其中一個參考點是看工業用戶的平均用電成本。」Exergyn同樣也會和公司已經用於從廢熱中回收能量的有機朗肯循環熱機競爭——根據Koomey的說法Exergyn可能會自帶優勢。「一些有著大量運動部件和複雜流體的機器（像有機朗肯循環熱機）可能會比一個只有金屬在水中前後移動的熱機更貴」他指出，「但是證據存在於設備里（言外之意還需設計出機器來驗證）。」

目前證據仍然是一個在Exergyn公司都柏林辦公室里的原型機。它可以產生5kW的電力，工作24小時可以為4個美國家庭提供一天的電力。首次真正的現場測試將會在明年進行，屆時Exergyn公司將花費投資者投入的900萬美金的大部分在都柏林的幾個沼氣工廠安裝10kW的試驗熱機。Healy相信試驗最後將會展現出一個節約成本並提高能源效率的途徑。他說：「除非你給他們一個省錢的方案，否則公司不會去做那些事情（公司是以營利為目的的）。」

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