熱電材料的未來

黃志明

熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。人們對熱電材料的認識具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克(Seebeck)發現了材料兩端的溫差可以產生電壓，也就是通常所說的溫差電現象。1834年，法國鐘表匠珀耳帖(Peltier)在法國《物理學和化學年鑒》上發表了他在兩種不同導體的邊界附近(當有電流流過時)所觀察到的溫差反常的論文。這兩個現象表明了熱可以致電，而同時電反過來也能轉變成熱或者用來制冷，這兩個現象分別被命名為塞貝克效應和珀耳帖效應。

在生活四周有許多耗費能源所生成、卻又被廢棄的熱能，例如：汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等等。如果能將這些熱能善加利用，即可成為再次使用的能源，而熱電材料與技術，就是利用溫差來發電的關鍵。

我們知道，電能是最廣泛使用的最為便利的能源形式。但是如今發電的主要形式還是化石能源，這些能源的使用在給我們帶來了便利的同時，也帶來了一個全球關注的環境問題。環境問題是新世紀人類面臨的最嚴峻的挑戰之一。現代制冷技術無疑給人們生活帶來了很多便利，試想，如果現在沒有了冰箱和空調，我們的生活將有多大的不便。但是，從上個世紀八十年代以來，人們逐漸認識到氟里昂制冷劑所帶來的環境問題，國際上普遍限制其的使用。使用熱電材料制冷就是一種很環保的方法。

熱電材料的應用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，和太陽能、風能、水能等二次能源的應用一樣，對環境沒有污染，并且這種材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應用前景的環保材料。現在市面上有一種移動型冰箱，適用于旅行郊游時冰凍飲料及食品保存等。這種冰箱的特色除了方便攜帶外，它并不使用壓縮機，沒有噪音，天氣冷時還可搖身一變成為保溫器。隱身在這種冰箱后的核心技術，就是里面的熱電材料。

熱電材料的應用很神奇，它通入電流之后會產生冷熱兩端，故可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時在兩端接觸不同溫度時，則會在內部回路形成電流，溫差越大產生的電流越強，這就啟發了一種新思維：用熱電材料接收外界熱源來產生電力。這種概念并不是空中樓閣，目前日本和德國都已開發出利用人體體溫與外界環境溫度差異，進而產生電力來驅動手表。

近年來由于在技術上熱電材料性能的不斷提升，及環保等因素，利用熱電轉換技術，進一步將大量廢熱回收轉為電能的方式，普遍得到日、美、歐等先進國家的重視。低溫余熱、特別是140℃以下的廢熱再利用，增加了熱電發電的競爭力，一些新興應用研究諸如垃圾焚燒余熱、煉鋼廠的余熱、利用汽車以及發動機尾氣的余熱進行熱電發電，為汽車提供輔助電源的研究也正在進行，并且有部分成果已實際應用，相信在不久的將來會廣泛使用。

美國全球熱電材料公司是全球最大的熱電發電器供應商，他們開發過以天然氣或丙烷為燃料之發電設備，并依產品尺寸可發出15～550W的電力，做為小型發電機及偏遠地區電源使用。此外美國國防部，還在噴射推進實驗室從事多段功能熱電材料研發。

在日本，新能源產業技術總合開發機構（NEDO）投入巨額資金研發各種高效熱電材料做為各式排放熱能發電利用。另外，日本業界如久保田公司開發一種熱電轉換裝置，能把300℃以下低廢熱轉換為電能，是把垃圾燃燒時產生的廢熱通過熱交換，將其做為高溫部分，把工廠管道的冷卻水做為低溫部分，利用兩者溫差經熱電轉換裝置即可進行發電，當溫差為260℃時，發電功率可達640W。在車輛排氣發電方面，尼桑公司研發最為積極，預計利用占總廢熱30％之排氣熱能提供發動機輔助電源，每臺車約能有200W的電力回充電瓶，可減少5％之燃油支出。

在瑞典，其北部利用燒柴取暖爐所產生的熱量，可用以發電并替代昂貴的汽油馬達發電機。英國的威爾士大學建立了低溫廢熱的原型熱電系統。英、德等國研究利用太陽光集熱板或聚焦鏡方式提供高溫熱源，如德國DLR公司利用直徑1.5米碟型共聚焦器，制成300℃的熱源以供熱電發電用。在低溫電力應用上，德、日等國都已有以人體體溫為熱源之手表問世，只要皮膚與衣服之間有5℃以上的溫差，即可產生微瓦之功率，未來在手機、掌上型電腦等微型電子產品上均可使用。

世界各國在推進熱電轉換技術應用的同時，也在不斷地進行著新型高性能熱電材料的研究和探索。如果將熱電材料技術應用于上述的大規模電廠發電或普遍的制冷器，那么我們的生活環境將大為改觀。近年來，各種高性能的熱電材料相繼被發現，我們有理由相信，隨著科學的進步，熱電材料的大規模應用并不是一個可望而不可及的夢想。

【責任編輯】李金