耶鲁大学研究者们发现了一种全新利用废热的办法:在温差不大的情况下,通过使用一种叫「纳米泡沫薄膜」的材料,阻挡装置两边的热水和冷水,水蒸气穿过薄膜,引起冷水体积增大,从而形成压力。压力带动发电装置发电。
众所周知,无论是家电、汽车、发电站等,它们在工作的时候无时不刻不在向环境释放废热。以美国为例,如果对可回收的废热加以利用,可为几百万户家庭提供日常用电。假如你家里那台发热的冰箱,发出的热能也能转化为电能的话,家里的电费是不是又可以节省一些?假如你开车时,发动机发出的热量能转化为电能,油费是不是可以省下一笔?甚至是你手机的发热,都可以用来加以利用。
事实上,目前已有大量的科学家在研究如何利用废热了。只是现在看来,已有的方法既不高效,也不省钱,花的比赚的还多。近期,耶鲁大学的研究者们发现了一种全新利用废热的办法:在温差不大的情况下,他们通过使用一种叫「纳米泡沫薄膜」的材料,阻挡装置两边的热水和冷水,水蒸气穿过薄膜,引起冷水体积增大,从而形成压力。压力带动发电装置产生电能。尽管目前只是初步测试,但热能利用效率达到了惊人的58%!
研究背景
实际上,我们已经能从热量差里获取电能。但这种热量差必须很大,往往需要达到几百度,大到产生的压力差足以推动涡轮机。比较典型的例子是聚光太阳能发电系统,通过镜组加热发电塔,温度能达到600摄氏度。
于是我们发现,废热之所以最后变成了废物,主要是因为温度差太小,这个数字往往只有几度或者几十度。而传统的废热回收系统都是针对高温差而设计的,当面对温差小的情况时,系统会变得极为低效。
但是,如果一定要将这种小的温度差转化为有效电能,往往需要依靠热电材料,这些材料不仅贵,而且很难弄到,甚至有些材料是有毒的。当然,依靠这些热电材料可以达到我们的目的,只是代价太过高昂。
纳米泡沫薄膜工作原理
这个研究团队的成员主要来自耶鲁大学,他们采用了一种完全不同的方式,基本原理是这样的:两种相同的液体,存在温度差异,水分子将从热的液体蒸发,并压缩进冷的液体中。随着时间推移,冷的液体的体积会不断增加。
研究者们制作了一个容器,通过特殊的纳米泡沫薄膜,将热水与冷水隔开。这种纳米泡沫薄膜由聚四氟乙烯(PTFE)组成,研究人员对这种薄膜进行处理,使它的孔隙保持在20纳米以内。我们都知道,聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、摩擦系数极低的特点,所以这种薄膜并不吸水。微小的孔隙和不吸水的特性,意味着水的表面张力能阻止水自身穿过孔隙。然而,水蒸气却没有表面张力,所以它能穿过薄膜,到达另一边。
在这个容器里,水蒸气从热水这边穿过薄膜,压缩进冷水那边。随后,冷水开始膨胀,产生压力。「这个薄膜至关重要,它能促进压力的生成,」该论文的通讯作者Menachem Elimelech向第四能源记者表示,他是耶鲁大学化学与环境工程学系的教授。「如果没有这个薄膜,整个过程就无法顺利进行。」
实验效果
实验显示,5摄氏度的温差就能产生400巴的压强。在实际测试中,设定为 40 摄氏度温差的情况下,每平米薄膜能产生 3.5 瓦特的功率。并且,更为重要的是,该技术的能效利用率超过了 50%。
该论文第一作者Anthony Straub告诉笔者,「与现有技术相比,我们的这种技术无疑更为高效。并且,整个过程仅用水就能完成,不仅成本低廉,还环保无污染。」Anthony Straub是耶鲁大学化学与环境工程学系博士生。
截止目前,该研究仍处于实验室阶段。是否能通过此种技术来经济、高效地利用废热,还需拭目以待。
试想一下,如果该项技术最终得以推广利用,说不定你的那台暖手宝手机也可以用来发电了。
该研究成果已发表在 2016 年 6 月 27 日的《自然》杂志能源版块。