研究人員開發水基裝置有效轉換低級廢熱為電力

科學家們已經找到了一種廉價的水基設備，能更有效地將低質量廢熱（如數據中心、工廠牆壁或陽光加熱的表面所產生的熱量）直接轉換為電能。然而，過去的標準實驗室模型對液體熱電池的實際性能大大高估。這些簡單的設備可以將低質量的廢熱轉換為電力。國立台灣大學的研究人員設置了一個系統，同時測量熱通量和功率輸出，結果顯示理論計算對真實效率的預估高了多達 2,700%。

傳統的電力生產方式使用高溫蒸汽來驅動渦輪，導致大量低溫廢熱未被回收。這些微弱的熱量不斷從數據中心、工業作業、建築物和陽光加熱的日常表面中逸散出來。儘管單個溫度變化不大，但其龐大的體積及廣泛的可用性使得這種能源成為可持續電力生產的未開發資源。熱電池提供了一種簡單、可持續的方式，利用豐富的材料和水基電解質生成電力，並且沒有移動部件。然而，水的流動特性導致內部對流，迅速將熱量從熱電極傳輸到冷電極，而不產生額外的電力。

傳統模型的局限性

以往的研究使用固態模型計算效率，假設介質是靜止的，完全忽略了這種流體驅動的熱損失。

因此，傳統的估算產生了膨脹的效率值，未能反映設備在操作條件下的實際行為。台灣團隊開發了一種新技術，在實際操作中同時測量熱電池的電功率和總熱通量。當團隊建立了一個直接量化實時熱通量與電輸出並行的設置時，理論上的錯覺隨之崩潰。先前被認為能提高功率的設計選擇，如擴大電極之間的間隙，實際上在真實操作條件下卻降低了性能。

傾斜設計的突破

隨後出現瞭解決方案，這不需要昂貴的稀土金屬、複雜的膜或異國情調的化學物質。研究人員僅僅是將電池傾斜。研究發現，將電池相對於重力傾斜可以提升性能，這種傾斜部分解耦了熱量轉移與電荷轉移。這一單一的空間調整使得直接測得的相對於卡諾效率從微薄的 0.02% 飆升至 0.25%。國立台灣大學化學工程系的 Leigh Aldous 表示：「通過同時測量實際功率和總熱流，我們獲得了顯示在運行過程中實際發生情況的簡單數字。

我們發現一些看似好的設計選擇在現實評估時並不理想，而僅僅改變相對於重力的方向就帶來了重大改善。」

該團隊目前正將這一方法應用於安裝於牆板或門上的設備，以收集環境溫度差異。對內部電池方向的精確控制仍然是為小型電子設備提供清潔高效電力的關鍵。該研究的負責作者補充道：「我們相信，實驗室能夠測量可靠的總設備性能將為這項技術提供更加清晰的商業應用前景。」該研究指向一個未來，無需電源的傳感器、牆板和智能窗戶將從日常表面回收環境熱量。

新技術對廢熱利用的影響

這項研究揭示了水基熱電池在廢熱回收中的潛力，特別是在數據中心和工業環境中。傳統的高溫蒸汽發電方式未能有效利用低溫廢熱，而這種新技術通過簡單的設計改變，顯著提升了電力轉換效率。隨著對熱電池性能的準確測量，未來可能會出現更多創新應用，進一步推動可持續能源的發展。這不僅有助於減少能源浪費，還可能促進智能設備的普及，為環保技術的進步提供了新的方向。