当化石燃料耗尽,我们如何发电?
发布时间:2019-06-19
出品:科普中国
制作:校科协传媒中心形象组(北京工业大学)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  当化石燃料消耗用尽,我们靠什么维持光明?生活中废弃的热能我们如何化废为宝?明天的世界会由谁改变? 

  答案就是,热电材料。 

  什么是热电材料? 

  热电材料,通俗来说是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,能对自然界和日常生活中广泛存在但无法加以利用的热源(汽车尾气、工业废热、地热等)进行转换,供给人类日常生活及工业生产所需的电能。热电器件在工作中具有很多优点,比如体积小、重量轻、高效、安全环保、使用寿命长、工作无噪音、免维护等,其独特的制冷和发电功能已广泛应用于军事、医疗、工业、民用产品、实验室、光电、通信等领域。 

    

  热电材料的三个效应 

  1、赛贝克效应:将二种不同金属各自的二端分别连接,并放在不同的温度下,就会在这样的线路内发生电流。 

  2、珀耳帖效应:两种不同金属构成闭合回路,当回路中存在直流电流时,两个接头之间产生将温差。 

  3、汤姆逊效应:气体会在等焓的环境下自由膨胀,而使温度上升或者下降。 


图片来自:https//www.zhihu.com/question/24012596/answer/38862029 

    

  热电材料的前景 

  因为可以实现热能与电能的直接转换,所以这种材料在废热回收、空调和制冷等工业上有着广阔的前景。而其中的单晶硒化锡(SnSe)由于其高热电优值(ZT,在773k下可达2.8),成为了新一代热电材料中最秀的一位。 

  可能是因为太秀了闪到了腰,单晶硒化锡的机械性能较差,同时它苛刻的晶体生长条件也限制了它在实际中的应用。 

  因此,向我们迎面走来的是多晶硒化锡。他们迈着整齐的步伐,带着掺杂元素,成为了研究的重点。 

  在前文中,大家已经对塞贝克效应有所了解。能带工程能够实现对载流子浓度和塞贝克系数的有效调控,而异质元素掺杂是实现能带工程的主要方法之一。 

  南昆士兰大学的陈志刚副教授以及昆士兰大学邹进教授研究团队首次通过溶剂热发得到了具有较高功率因子和较低热导率的铜元素重掺杂的p型硒化锡微米级带状晶体。铜的掺杂既可以造成晶格畸变,又可以提高价带态密度形成更多空穴。一举多得,可以说是“肥肠”划算。 

  而另一个充满科技感的材料——石墨烯,想必大家也不陌生。然而,它的半金属性质使得它的热电转换率并不理想。虽说各种纳米结构设计可以环节这个问题,但不具备理性的大规模生产技术使其依然很有挑战性。 

    

  热电材料究竟有什么用 

  不知道各位会不会困惑,这样的新型材料,究竟有什么用。又或者说,用在何处。我们都明白,根据能量守恒定律,能量是不会凭空产生的,比如说你抖腿的能量就是通过把电音歌曲输入耳朵里获得的。当然上面那个是不对的,笔者在这里只是这个意思而已。 

  那么,对于热电材料,最重要的是温差!这便是热能转换成电的充分条件。温差究竟存在于何处?你给泡面接热水时开水溅到手上的痛感,你冬天里呼出的白气,你一出门小风一吹身上起的鸡皮疙瘩都是温差存在的极好证明。当然,这不是绝佳的温差存在的证明,因为这些温差是不可利用的温差。 

  你注意到冬天有暖气时从外面进入室内眼镜片上的雾了吗;这个温差大小视地域而变化,诸如在东北和内蒙古可以达到几十度的温差,而在没有暖气的南方则是几度的温差,而且还是室内没阳光更冷造成的。不利用室内外温差都对不起北方同胞脱掉的羽绒服和南方同胞裹上的厚棉被。 

  所以我们热电材料就是运用了温差,轻而易举、轻轻松松、眼都不眨一下的把温差产生的势能转化为电能,在夏天即降低了室内的温度,又让你家的电费全免了。 

  换句话说,减少了电能的消耗也就等同于减少了化石燃料的消耗,最终起到了保护环境的效果。所以我叫他环保使者,你敢说不么?哈哈。 

    

  可调节体温的热电材料手环 

  我们已经听说过各种各样佩戴于手腕的新智能设备,像智能手表和健身手环。但是你听说过用热电材料制作的手环么?可MIT就是有这么一项产品,让你瞬间清爽,它就是Wristify,一款新的手腕佩戴设备,能够调节你的体温。 

智能手环的效果图(图片来源:百度图片) 

  该项目的主要创始人,毕业于MIT材料科学与工程学院的David Cohen-Tanugi介绍,无论什么时候,你感到太热、太冷、压力巨大或其他类似感觉的时候,只要戴上它,你就可以控制自己皮肤的感觉,使自己感觉更好。表式可穿戴调温手镯的原型产品是手动控制的,以适应用户的不同调温需求。据Cohen-Tanugi说:“研发团队正在添加智能模块,以便未来的产品能够实现自动调温。公司正在为9月底举行的新产品预订发布会做最后的准备。” 

  研发者们为该调温手镯选择了合适的热电材料,并开发了独有的控制算法来最大化用户的冷热感受。 

  该热电手镯可以帮助人们在烈日下工作、在夏天开展其他户外活动或者进入拥挤的地铁。它还有助于全球旅行者快速适应不同气候带的环境。但Cohen-Tanugi说团队的终极使命是通过个人调温来减少建筑物的能源消耗。 

  据加州大学伯克利哈斯商学院的研究人员称,预计截至本世纪末,装有空调的房屋数量将从当前的13%上升到70%以上,而它会使能源的消耗量一飞冲天。个人冷却系统如开发中的Wristify将有助于将空调的设定温度控制在更节能的范围。 

  目前建筑物现在正在耗费令人难以置信的能量用于空间的加热或冷却,而仅仅使制冷温度调高1ºC就可以节能7-15个百分点。正是基于这个认识,EMBR实验室才于2013年开始了该项目。Cohen-Tanugi说:“我们希望,个体在增加自己肤感温度舒适度而感觉更好的同时也能帮助地球节约能源。” 

    

  不知在看的你有没有对热电材料有着强烈的兴趣呢? 

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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