文｜辛江

　　任何一點(diǎn)點(diǎn)減少排放的努力，乘以龐大的汽車(chē)數量，都會(huì )帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。新的廢熱回收發(fā)電技術(shù)，能讓汽車(chē)更環(huán)保。

　　在汽車(chē)發(fā)明一百多年后的今天，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的效率卻依然沒(méi)有太大的提升。無(wú)論是汽油發(fā)動(dòng)機還是柴油發(fā)動(dòng)機，都只有平均30%左右的能量被用來(lái)驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，剩下的70%都轉換為熱能，其中近半被引擎冷卻系統消耗掉，其余從排氣管排出，徒然加熱空氣。

　　對于工程師們來(lái)說(shuō)，哪怕僅僅能將能量轉化效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)，也會(huì )是一項驚人的成就—特別是在已經(jīng)擁有8億多輛汽車(chē)的今天。

　　目前已經(jīng)有許多企業(yè)開(kāi)始開(kāi)展研究，嘗試利用發(fā)動(dòng)機的廢熱為車(chē)輛提供額外的能量。美國汽車(chē)零部件供應商Amerigon、德國的化學(xué)公司巴斯夫、美國工程機械制造商卡特彼勒等公司都在這一領(lǐng)域投入了研究力量?，F在，有兩家公司的研究取得了令人矚目的進(jìn)展，通用汽車(chē)公司的研究者們正在使用方鈷礦發(fā)電，以此提升燃油經(jīng)濟性；而從2004年開(kāi)始，在美國能源部的資助下，作為Amerigon子公司的BSST公司也已經(jīng)開(kāi)始研制用于汽車(chē)的熱電發(fā)電裝置。

　　這些公司使用的技術(shù)都很相似，同樣基于頗有歷史的Seebeck效應。

　　1821年，德國物理學(xué)家Thomas Seebeck發(fā)現，當兩種不同的導體或者半導體在接觸點(diǎn)存在溫差時(shí)，導體內部會(huì )產(chǎn)生電流或者電位差；13年后，法國物理學(xué)家Jean-Charles Peltier發(fā)現了相反的效應：當給兩種不同導體構成的回路通電時(shí)，接點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生一端吸熱一端放熱的現象。

　　現在，以Peltier效應原理制成的零件已經(jīng)成了大部分飲水機的標準部件，但是把熱能轉化為電能的發(fā)電機—熱電發(fā)電機，也被叫做TEG—卻很少為人所提及，雖然它早在1977年就已經(jīng)隨著(zhù)太空船進(jìn)行過(guò)太空之旅。

　　之所以如此，是因為固態(tài)熱電發(fā)電機的效率太低，只有5%左右，而成本卻很高。它的確有許多優(yōu)勢：作為一種全固態(tài)的能量轉化裝置，它沒(méi)有噪音、不會(huì )磨損、不會(huì )泄漏出液體或者氣體，使用壽命也很長(cháng)，但是這些優(yōu)勢卻被劣勢所抵消。

　　目前廣為人知且實(shí)際應用效果良好的熱電材料有碲化鉍、碲化鉛和硅鍺合金等等，但是并非所有的材料都可以在高達700oC的汽車(chē)廢熱中工作正常。

　　無(wú)論何種熱電發(fā)電機，都是以某些合金為基礎，并且通過(guò)摻雜制成P型和N型半導體，分別攜帶多余的空穴和電子。當把一個(gè)P型柱和一個(gè)N型柱用金屬板連起來(lái)，便構成了一個(gè)熱電基本單元。將金屬板放在溫度較高處，就會(huì )產(chǎn)生從P型半導體流向N型半導體的電流；而把大量這樣的基本單元串連和并聯(lián)起來(lái)，就會(huì )獲得一部熱電發(fā)電機。

　　顯然，對熱電發(fā)電機的改進(jìn)，重點(diǎn)在于尋找合適的材料上。這些材料應該能夠擁有更好的能量轉化效率、具有良好的導電性、需要足夠的強度以應對溫度變化帶來(lái)的巨大應力，而導熱性則越差越好。

　　BSST公司和通用汽車(chē)分別找到了合適的材料：BSST公司開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)利的鋯鉿合金熱電發(fā)電機，能夠提升大約40%的效率，把傳統熱電發(fā)電機的效率從5%提升到7%。

　　BSST公司在開(kāi)發(fā)熱能發(fā)電回收裝置方面已有多年研究，2004年時(shí)，它就已經(jīng)在實(shí)驗室中把汽車(chē)的燃油經(jīng)濟性提升了12%。在獲得美國能源部的資助后，這家公司花了三年時(shí)間改進(jìn)整個(gè)熱能發(fā)電系統的關(guān)鍵組件，包括熱交換器、熱電發(fā)電機模塊和電源控制系統，并且開(kāi)始準備測試。

　　現在，BSST公司已經(jīng)和寶馬、福特等汽車(chē)公司開(kāi)展了一系列的聯(lián)合實(shí)驗，位于科羅拉多州的美國國家可再生能源實(shí)驗室也在計劃測試這種發(fā)電系統的性能，測試系統采用了寶馬公司生產(chǎn)的六缸引擎。

　　而通用汽車(chē)公司和普渡大學(xué)的合作，選擇了稀土元素摻雜的方式。

　　美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的Brian Sales等早就發(fā)現，如果在方鈷礦晶體中填充一些特定的元素，將提升熱電材料的性能。這種添加了其他元素的方鈷礦晶體被叫做“填隙方鈷礦銻化物”，在未填隙時(shí)，其中鈷和銻元素的原子數量比是1：3。在微觀(guān)上，每4個(gè)鈷原子和12個(gè)銻原子構成了一個(gè)籠形孔洞。如果將稀土原子填入這個(gè)孔洞，就像是把一只倉鼠放進(jìn)籠子一樣—稀土原子會(huì )在這個(gè)較為寬松的空間內振動(dòng)，減少材料的導熱性；而周?chē)慕饘兮捲雍弯R原子構成的剛性骨架能提供良好的導電性。

　　隨后的研究證明，不僅是方鈷礦有這樣的特性。2010年，美國能源部阿姆斯國家實(shí)驗室的研究者就發(fā)現，只需要在熱電材料中摻雜1%左右的鈰或鐿，就能將熱電材料的轉換效率提升25%。

　　但是其中的機理并不明確，研究者認為是稀土元素改變了熱電材料的晶體結構，也許改變了它的熱電性能。

　　通用汽車(chē)公司的研究正是基于這些成果，他們的科學(xué)家Gregory Meisner使用鈷、銠、銻、砷等元素制造出方鈷礦晶體結構，并在其中摻雜幾種稀土和堿土金屬，獲得了不錯的效果—計算機模擬顯示，在雪佛蘭的“suburban”車(chē)型上安裝這種系統，將能夠產(chǎn)生350瓦特的電力，為整個(gè)系統提升3%的效率。通用汽車(chē)公司已經(jīng)為這種熱電材料中各種元素的比例申請了專(zhuān)利，并且在2010年獲得批準。

　　雖然目前的效率并不盡如人意，但總算是已經(jīng)有了一個(gè)不錯的開(kāi)端。在汽車(chē)上，熱電發(fā)電機也許能夠取代傳統的加熱或冷卻系統、為汽車(chē)增加動(dòng)力來(lái)源；它們也可以在引擎熄火時(shí)用作輔助電源，甚至可能取代傳統的機械發(fā)電機。

　　但是在熱電發(fā)電機成為汽車(chē)的標配之前，也依然還有諸多問(wèn)題需要克服，例如成本，例如改進(jìn)裝配的方式—目前通用汽車(chē)公司的熱電發(fā)電機只是插入排氣管中，就像消音器那樣。

　　Gregory Meisner認為，也許人們會(huì )找到更好的熱電材料，改進(jìn)工藝和技術(shù)，把熱電發(fā)電機的成本降低到足以實(shí)用化的程度，他也承認，這可能需要四五年的時(shí)間。但是，考慮到迅速增加的汽車(chē)數量、日益惡化的環(huán)境和扶搖直上的油價(jià)，在廢熱發(fā)電技術(shù)上的投入，無(wú)疑是一項頗有價(jià)值的投資。

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