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技术力量|华中科技大学发明能源清道夫：可将冰箱等设备的废热转化为电能


技术力量|华中科技大学发明能源清道夫：可将冰箱等设备的废热转化为电能
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华中科技大学的材料物理学家周军教授
冰箱、锅炉、甚至灯泡都在不断地向周围环境排放热量 。 理论上 ， 这些废热可以转化为电能 ， 就像发电厂、汽车发动机和其它高热源一样 。 问题是：这些低级热源发出的热量太少 ， 现有技术无法很好地进行转换 。
现在 ， 中国科学家已经创造了一种利用液体来有效地将低品位的热量转化为电能的装置 。 这一技术有朝一日可能会点亮传感器和灯光 ， 甚至为电池充电 。
近200年来 ， 科学家们已经知道某些材料可以将热能转化为电能 ， 他们正在探索将其用于为混合动力汽车提供额外的电力 。 这是由被称为热电材料的专门半导体来完成的 ， 这些材料被制作为计算机芯片大小的微小设备 。 当热电材料的一侧比另一侧更热时 ， 热量和电子就会从热的一侧移动到冷的一侧 。 将多个这样的芯片连接在一起 ， 工程师就可以产生稳定的电流 。
转换的关键是找到善于传导电子而非热量的材料 ， 以维持两边的温差 ， 而且当冷热两面的温差达到数百摄氏度时 ， 效果最好 。 现有的那些材料都很昂贵 ， 对于像冰箱这样的低档热源 ， 它们都是无用的 。
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用于低品位热收集的热敏结晶增压液态热电池
为了克服这个问题 ， 华中科技大学的材料物理学家周军教授和同事们转向了热电池 。 这些设备使用液体代替固体材料 ， 将电荷从热面传导到冷面 。 它们不是通过移动电子 ， 而是通过移动带电分子或离子来实现 。 热敏结晶增压液态热电池
热电池擅长将微小的温差转化为电能 ， 但它们通常只产生微小的电流 。 部分原因是因为离子比电子更迟钝 。 不像电子 ， 离子也会在材料中携带热量 ， 减少双方的温差 ， 降低能量转换效率 。
周军教授和同事们从一个小型的热电池开始：一个多米诺骨牌大小的空间 ， 顶部和底部都有电极 。 底部电极坐在热板上 ， 顶部电极与冷却器相邻 ， 两电极之间保持50℃的温差 。 然后 ， 他们在室中填充了名为"铁氰化物"的带离子的液体 。
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热电池的工作原理
过去的研究表明 ， 热电极旁边的铁氰化物离子会自发地放弃一个电子 ， 从一个带-4电荷的离子 ， 或Fe(CN)6-4 ， 变为带-3电荷的铁氰化物 ， 或Fe(CN)6-3 。 然后 ， 电子通过外部电路到达冷电极 ， 在途中为小型设备供电 。 一旦它们到达冷电极 ， 电子就会与从下面扩散上来的铁(CN)6-3离子结合 。 这将再生出Fe(CN)6-4离子 ， 然后再扩散回热电极 ， 重复这个循环 。
为了减少这些移动的离子所携带的热量 ， 周军教授和他的同事们在铁氰化物中加入了一种带正电荷的有机化合物胍 。 在冷电极上 ， 胍会使冷的Fe(CN)6-4离子结晶成微小的固体颗粒 。 由于固体颗粒的热传导率比液体低 ， 它们会阻挡一些从热电极到冷电极的热量 。 然后 ， 重力将这些晶体拉到热电极上 ， 在那里 ， 额外的热量将晶体变回液体 。 这是非常聪明的方法 ， 因为固体颗粒有助于维持两个电极之间的温度梯度 。
周军教授表示 ， 在相同的电极面积上 ， 热电池产生的功率是以前版本的五倍 。 它还将制作可行的商业设备所需的效率提高了一倍多 。 研究小组发现 ， 一个由20个热电池组成的平装书大小的模块可以运行LED灯 ， 为风扇供电 ， 并为手机充电 。
这表明可以将这些设备的性能提高到一个非常值得期待的水平 。 这是否足以使该技术在商业上取得成功还有待观察 ， 低品位的余热无处不在 ， 但收集它是要花钱的 。
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