廢熱驅(qū)動汽車

　　文｜辛江

　　任何一點點減少排放的努力，乘以龐大的汽車數(shù)量，都會帶來巨大的環(huán)境效益。新的廢熱回收發(fā)電技術(shù)，能讓汽車更環(huán)保。

　　在汽車發(fā)明一百多年后的今天，汽車發(fā)動機的效率卻依然沒有太大的提升。無論是汽油發(fā)動機還是柴油發(fā)動機，都只有平均30%左右的能量被用來驅(qū)動車輛前進，剩下的70%都轉(zhuǎn)換為熱能，其中近半被引擎冷卻系統(tǒng)消耗掉，其余從排氣管排出，徒然加熱空氣。

　　對于工程師們來說，哪怕僅僅能將能量轉(zhuǎn)化效率提高幾個百分點，也會是一項驚人的成就—特別是在已經(jīng)擁有8億多輛汽車的今天。

　　目前已經(jīng)有許多企業(yè)開始開展研究，嘗試?yán)冒l(fā)動機的廢熱為車輛提供額外的能量。美國汽車零部件供應(yīng)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(xiàn)在，有兩家公司的研究取得了令人矚目的進展，通用汽車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)開始研制用于汽車的熱電發(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(yīng)。

　　1821年，德國物理學(xué)家Thomas Seebeck發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體在接觸點存在溫差時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(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(xiàn)了相反的效應(yīng)：當(dāng)給兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成的回路通電時，接點處會產(chǎn)生一端吸熱一端放熱的現(xiàn)象。

　　現(xiàn)在，以Peltier效應(yīng)原理制成的零件已經(jīng)成了大部分飲水機的標(biāo)準(zhǔn)部件，但是把熱能轉(zhuǎn)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)隨著太空船進行過太空之旅。

　　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(zhuǎn)化裝置，它沒有噪音、不會磨損、不會泄漏出液體或者氣體，使用壽命也很長，但是這些優(yōu)勢卻被劣勢所抵消。

　　目前廣為人知且實際應(yīng)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的汽車廢熱中工作正常。

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

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

　　BSST公司和通用汽車分別找到了合適的材料：BSST公司開發(fā)出了專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(tǒng)熱電發(fā)電機的效率從5%提升到7%。

　　BSST公司在開發(fā)熱能發(fā)電回收裝置方面已有多年研究，2004年時，它就已經(jīng)在實驗室中把汽車的燃油經(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間改進整個熱能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)，并且開始準(zhǔn)備測試。

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

　　而通用汽車公司和普渡大學(xué)的合作，選擇了稀土元素摻雜的方式。

　　美國橡樹嶺國家實驗室的Brian Sales等早就發(fā)現(xiàn)，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，其中鈷和銻元素的原子數(shù)量比是1：3。在微觀上，每4個鈷原子和12個銻原子構(gòu)成了一個籠形孔洞。如果將稀土原子填入這個孔洞，就像是把一只倉鼠放進籠子一樣—稀土原子會在這個較為寬松的空間內(nèi)振動，減少材料的導(dǎo)熱性；而周圍的金屬鈷原子和銻原子構(gòu)成的剛性骨架能提供良好的導(dǎo)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驗室的研究者就發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，也許改變了它的熱電性能。

　　通用汽車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(jié)構(gòu)，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”車型上安裝這種系統(tǒng)，將能夠產(chǎn)生350瓦特的電力，為整個系統(tǒng)提升3%的效率。通用汽車公司已經(jīng)為這種熱電材料中各種元素的比例申請了專利，并且在2010年獲得批準(zhǔn)。

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

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

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

　　聯(lián)系編輯：zhangyange@yicai.com