第403章 溫差發電

  黃豪傑一篇篇的翻閱著關於離子發和光子發的資料，這些資料很多是理論上的論文，當然其中離子發方面的實際應用還是有不少的。

  米粒家、太陽國、西洲聯盟都有離子發的衛星或者探測器，特別是深空探測器方面，鈽同位素電池配合離子發，才可以飛行幾十年。

  不然那些動輒飛行幾十年的探測器，根本沒有辦法採用化學燃料發動機。

  看了小半天，但是解決核聚變小型化的熱量問題，有用的依舊是寥寥無幾。

  不過離子發和光子發還是非常有潛力的，黃豪傑向忠問道：

  「我記得我們是不是有一個離子發動機研究所?」

  ［是的，離子發動機研究所在基隆市，所長是周博通，總工程師是三島季。］

  「周伯通?」黃豪傑好奇的抬起頭來。

  ［╭(′ o ′)╭是博學多才的博。］

  「額……」黃豪傑頓時一尬，連忙轉移話題：

  「將我實驗室裡面的5、6、7號小型反應爐送去離子發動機研究所，讓他們研究核聚變的離子發動機，順便連光子發動機的任務也給他們了。」

  ［好的。］

  黃豪傑吩咐了這個事情之後，便將注意力集中在溫差發電上面，溫差發電是一種簡單直接的發電技術。

  無需複雜的設備裝置，只要一種叫做「熱電材料」的特殊材料，在其兩端施加以溫度差——比如，一端是27攝氏度涼水，另一端是100攝氏度的開水，這73攝氏度的溫度差，就可以讓這種材料發出一定功率的電能。

  既然優點這麼多、潛力巨大的發電技術，為什麼很少聽說有應用?

  因為溫差發電有一個致命的缺陷——效率太低。

  現有最好的溫差發電材料，其熱效率只有常規火力發電廠的一半不到，比地熱發電的效率還低（地熱發電效率在6～18%左右），這麼低的熱效率，那些資本家又不是傻叉，怎麼會做這種虧本買賣。

  不過黃豪傑在翻閱到一篇發表在 Nature 上的論文時，發現這篇論文給了他給不少的啟發。

  這篇論文是由西洲聯盟—奧地利維也納工業大學 Ernst Bauer 教授領銜的研究團隊發表的。

  論文之中的數據顯示，他們實現了溫差發電材料的關鍵性能指標——熱電優值係數（ZT 值）的翻倍。

  他們開發的熱電材料具有高達 5 到 6 的熱電優值係數，而之前最好的材料一般也只有大約 2.5 到 2.8。

  黃豪傑頓時重點關注起來，讓忠將這個團隊關於熱電材料的資料收集起來，不一會一大堆資料出現在他全息電腦裡面。

  溫差發電要想提高熱電效率，就必須要提高熱電材料的 ZT 值，只有ZT值達到或者超過 4，這種技術才具有商用價值。然而，熱電效應發現 100 多年過去了，科學家們連 3 都很難達到。

  為什麼熱電材料的 ZT 值這麼難提高?這要從溫差發電技術所依賴的物理原理——熱電效應本身說起。

  金屬或者半導體的內部存在有一定數量的載流子（比如電子或者空穴），而這些載流子的密度會隨著溫度的變化而出現變化，如果物體的一端溫度高，另一端溫度低，就會在同一個物體中間出現不同的載流子密度。

  只要可以維持物體兩端的溫差，就能使載流子持續擴散，從而形成穩定的電壓，這便是溫差發電的原理。

  而溫差發電的效率，取決於熱電材料的三個重要的特性：

  第一、塞貝克係數（材料在有溫度差的情況下產生電動勢的能力），塞貝克係數越高，相同的溫差下產生的電動勢就越高，意味著能夠發出來的電就越多。

  第二、電導率（材料的導電性），電導率越高，電子在材料內部就可以越容易地擴散。

  第三、熱導率（材料的導熱係數），熱導率越高，熱量就可以更快速地從熱端傳遞到冷端，從而讓溫差發電所依賴的溫度差消失，電動勢也就隨之消失。

  顯然對於熱電材料來說，前兩種能力是越強越好，而後一種能力則是越弱越好。

  熱電優值係數 ZT，也就是這三個參數的集合：塞貝克係數越高、電導率越高、熱導率越低，ZT 值就越高，材料進行溫差發電的效率也就越高。

  因此，熱電材料的研究，其關鍵就是如何提高材料的 ZT 值，也就是在實現高的塞貝克係數和電導率的同時，獲得低的熱導率。

  不過想同時優化這三個參數，是一件十分困難的事情。因為這三種性質是相互關聯的，提升一種性質，往往伴隨著另一種、甚至兩種性質的指標出現削弱。

  一般情況下，提升材料的塞貝克係數，就會降低其電導率。這種三個參數之間相互關聯的性質，這使得熱電材料的研發一直進展緩慢。

  然而，三種參數「一損俱損、一榮俱榮」的這種關係，也不是完全絕對的。

  這個「利益共同體」也有一個「叛徒」——熱導率，更準確地說，是熱導率的一部分。材料的熱導率包括兩個部分，分別是電子熱導率和聲子熱導率。

  其中，前者與電導率息息相關，是「利益共同體」的一分子；但聲子熱導率，卻是在決定熱電材料性質的各種參數之中，唯一對 ZT 值里其它所有的參數都沒有影響的參數。

  這個維也納大學團隊的研究思路，便是在不影響材料電子熱導率的情況下，通過降低聲子熱導率的方式來降低整體熱導率。

  具體到材料的微觀層面，就是在不影響電子輸運的前提下，通過一些特殊的構造，來增強聲子的散射，從而只降低材料的聲子熱導率，卻不改變其它參數。

  他們從 2013 年開始，經過多年的研究，發現了一種可以同時實現高電子熱導率和低聲子熱導率的材料。

  用一層覆蓋在矽晶體上的由鐵、釩、鎢和鋁元素組成的合金材料，實現了高達 5 到 6 的 ZT 值，讓 ZT 值比現有最好水平翻了倍。

  在通常情況下，這種由鐵、釩、鋁、鎢四種元素組成的合金，其結構非常規則，例如，釩原子旁邊一定只有鐵原子，鋁原子也一樣，而兩個相鄰的同元素原子之間的距離也總是一樣。

  然而，當科學家們把薄薄的一層這種材料，與矽材料基底相結合的時候，神奇的事情就出現了。

  儘管這些原子仍然維持著原有的立方體的結構，但原子之間的相互位置卻發生了劇烈的改變。

  以前該是一個釩原子出現的位置，現在可能變成了一個鐵原子或者鋁原子；而一個鋁原子旁邊本來該是一個鐵原子，現在可能還是一個鋁原子，甚至是一個釩原子。

  而且，這種各個原子之間位置的改變，完全隨機，毫無規律可循。

  這種有序和無序相結合的晶體結構，就讓材料產生了獨特的性質：

  電子依然可以有自己的特殊路徑，在晶體裡「自由」穿梭，使得電導率和電子熱導率不受影響；但熱量傳導依賴的聲子遷移卻被不規則的結構阻隔，導致聲子熱導率大幅下降。

  這樣一來，熱端和冷端的溫度差得以維持，由此產生的電勢差也就不會消失。

  維也納大學團隊也就實現了夢寐以求的熱電材料電子熱導率不變、聲子熱導率下降，從而大幅提升ZT值到6的目標。

  而他們的理論上，如果可以改變相關概念材料的拓撲結構，ZT值達到20也將不再只是夢想。

  ZT值達到6，熱效率將達到12%左右，如果ZT值可以提升到20，熱效率可以和蒸汽輪機相提並論。

  而溫差發電設備和蒸汽輪機比起來，那個結構就簡單到極點，比如上面提到的鈽同位素電池，它就是溫差發電電池。

  不過材料學方面，黃豪傑不如正統的李想他們，他連忙向材料研究所發了一個研究課題，讓材料研究所專門研發一種ZT值為20左右的熱電材料。

  這是今天加更！那個不吉利的章節號跳過了。