廢熱驅動汽車

　　文｜辛江

　　任何一點點減少排放的努力，乘以龐大的汽車數量，都會帶來巨大的環(huán)境效益。新的廢熱回收發(fā)電技術，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動車輛前進，剩下的70%都轉換為熱能，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—特別是在已經擁有8億多輛汽車的今天。

　　目前已經有許多企業(yè)開始開展研究，嘗試利用發(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商Amerigon、德國的化學公司巴斯夫、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都很相似，同樣基于頗有歷史的Seebeck效應。

　　1821年，德國物理學家Thomas Seebeck發(fā)現，當兩種不同的導體或者半導體在接觸點存在溫差時，導體內部會產生電流或者電位差；13年后，法國物理學家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，接點處會產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，并且通過摻雜制成P型和N型半導體，分別攜帶多余的空穴和電子。當把一個P型柱和一個N型柱用金屬板連起來，便構成了一個熱電基本單元。將金屬板放在溫度較高處，就會產生從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的巨大應力，而導熱性則越差越好。

　　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，它就已經在實驗室中把汽車的燃油經濟性提升了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)，并且開始準備測試。

　　現在，BSST公司已經和寶馬、福特等汽車公司開展了一系列的聯合實驗，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的六缸引擎。

　　而通用汽車公司和普渡大學的合作，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，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量比是1：3。在微觀上，每4個鈷原子和12個銻原子構成了一個籠形孔洞。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振動，減少材料的導熱性；而周圍的金屬鈷原子和銻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。

　　通用汽車公司的研究正是基于這些成果，他們的科學家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”車型上安裝這種系統(tǒng)，將能夠產生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。

　　雖然目前的效率并不盡如人意，但總算是已經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，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)電技術上的投入，無疑是一項頗有價值的投資。

　　聯系編輯：zhangyange@yicai.com