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綠色生活:一蚊薄片一貼 化廢熱為電

【明報專訊】秋天已到,不過相信不少辦公室仍是開着冷氣,向環境排放熱風。

最近逾萬名科學家聯署,宣布地球面臨「氣候緊急狀態」,人類應大幅改變生活方式,一個剛面世的小發明應該幫得上忙,讓我們開冷氣時更節能。

港大機械工程系副教授馮憲平博士拿出一塊厚1.5毫米的銀色小薄片,是他帶領研究團隊研發的「直接熱充電電池」(Direct Thermal Charging Cell,DTCC),貼着冷氣機吸收廢熱,可轉化成電。

這塊輕巧薄片成本亦低廉,只需港幣一元,具廣泛應用潛力。

電器用久了會發熱,冷氣機和雪櫃製冷時,也是電力轉換為熱力的過程,先認識一下大家日常「歎」的冷氣何來。馮憲平說:「冷氣機是用電製造溫度上的改變。雪種吸了空氣的熱之後,從液體變氣體,這時就要將氣體的熱量丟到外面環境。雪種就像水,吸熱會蒸發變成蒸氣。熱是從高溫傳到低溫,可是當熱氣的溫度只比室外高一點,就仍沒辦法把熱散走,於是要用壓縮機增加壓力,將(熱氣)溫度變高。」冷氣機就是這樣不斷將熱氣噴到環境中。

能量轉化 六成白白耗掉

「壓縮機在運轉的過程中會產生熱,實際上大部分能量都以熱的形式散失。」熱在傳輸過程中會大量散失,不像電從一端傳到另一端可具方向性,能量轉化時會有平均約六成白白消耗掉,就是「廢熱」。如果可以回收電器運作時產生的廢熱,再轉化為電,用電量就可以減低。多年來許多發明家早就在打熱電轉換的主意,這塊薄薄的電池究竟帶來什麼突破?

原來高溫的熱要轉換成電,比低溫的熱容易得多。首先說說「熱力學第二定律」,「基本上熱一定要從高溫走到低溫來產生能量,所以溫差愈大,能夠產生的能量就愈多。」馮博士為免嚇怕我們,用個簡單比喻,就如瀑布,愈高愈澎湃,矮的話也難以形成壯觀瀑布,「低溫廢熱就是很矮的狀况,不太可能產生瀑布」。

他拿出另一塊大小相若的電池,厚4毫米,重20克,比他們研發重1克的電池厚重,用於200℃以上的高溫,「這是傳統熱電轉換的裝置,中間是半導體,一邊加熱一邊冷卻來產生電。這是商用化的,一開始在開發時,是用於軍事及航空航天的領域。現在可用在汽車尾氣廢熱,汽車行駛時有風,另一邊溫度較低」,成本亦較高,一塊15元美金(約117港元),比DTCC貴百倍,「裏面的半導體,其中一種比較常用的叫碲化鉍,沒有很多資源,所以成本較高」。半導體電池在汽車使用上亦不算普遍,馮博士指指他辦公室一個小雪櫃,說這種電池更常被倒過來用作以電來製冷,令雪櫃省去壓縮機的部分,減少噪音。

化學反應發電 DTCC識自動修復

低溫怎樣發電?DTCC所用的材料都不昂貴,而且並非利用溫差發電,而是走另一條路,利用化學反應。「電池有3層結構,一層是石墨烯、一層是電解液,一層是導電高分子。」當貼在熱源(如運行中的冷氣壓縮機)時遇上幾十度高溫,就是電池吸收廢熱充電時,導電高分子會一直被氧化。冷氣關掉後,即電池不用時,處於低溫狀態的電池可以自動修復,高分子會跟電解液的成分產生化學反應,令氧化的高分子被還原,下次遇高溫又能再氧化放電。「這就如讓一塊鐵生鏽變氧化鐵,低溫又變回了鐵,加溫時鐵可再次氧化生鏽。」

應用潛力廣 家電人體樣樣試

直至現時的研究階段,電池的熱電轉換效率約3.5%至5%,亦即六成廢熱中可回收3.5%轉化成電能,團隊做過各種實驗試試可作什麼用途:

冷氣機風扇——電力「自給自足」

一塊塊的電池可以連接使用,這個實驗用了7塊電池,因為DTCC可以發電,但不能儲電,裝置可加入儲電機將電存起,這個電量足夠讓風扇運轉約一小時。馮博士預想電池從冷氣機吸熱後,可為冷氣機的風扇及電子屏幕供電,從而減低用電量,「我們估計一部冷氣機要100至200個電池,成本就是100、200元,賣價當然又高一點,不過計入可節省的電量,若划算也是可行方案」。

體溫——驅動體檢感應器

人體溫度不很高,都可以發電?「人一天大概消耗差不多100個瓦(watt),其中5個瓦是用來維持體溫,這5個瓦要回收很困難,因為溫度很低,但只要回收一點點,如1%都能產生0.05瓦,已夠驅動很多種sensor(感應器)。」最有機會應用的,是用於醫院檢測身體時貼在人體上的感應器,這些電可用作無線傳輸,病人便不必牽着一大堆連接機器的線,而低成本亦令電池用完可即棄。

煲水——兼令屏幕發亮

把電池連成大塊貼在水煲外層,煲水時也可吸熱發電。他們在實驗中嘗試令電子屏幕亮燈,也可令智能窗以電變色,作百頁簾般遮擋陽光的功能。有沒有可能為手機充電?馮博士笑言現階段比較難,估計要500至600個電池才足夠,重量達0.5公斤,砌成隨身攜帶的充電「尿袋」似乎不太可行,不過若砌出一塊大氈子,則能在野外登山時用得上,「我們也想過電池可為軍人的夜視鏡供電,或將電池用在智能頭盔上,因為人的頭部及太陽都會發熱」。

八年研究常碰釘 團隊人來人往

當太陽能的使用愈趨廣泛,DTCC還有一個可能用途,是貼在太陽能板背後吸熱發電,盡用太陽的光和熱,「但電池可循環使用的次數要更多,因為太陽能板可用20年,電池亦需更可靠或可定期更換」。目前DTCC可用數百次,馮博士說要將電池帶出實驗室變為商用,使用次數需提升達數千次甚至數萬次,另外團隊將繼續尋找熱電轉換效率更高的材料,如效率提升一倍,電池數量亦可減一半。

研究團隊月初赴新加坡參加2019 Hello Tomorrow深科技創業國際賽地區賽,從300個團隊中獲選晉身十六強。DTCC研究歷時8年,來自台灣的馮憲平在當美國麻省理工學院博士後研究員時早發現一個現象,「某些狀况下加熱時在碳和電解液的界面會產生一些電壓」。電池裏一邊是石墨烯加鉑,另一邊是導電高分子聚苯胺,這些成分都塗在導電的碳紙上,中間是鹽水加鐵離子。他隨後到港大工作,至今8年,「這個研究一直不是很順利,不斷失敗,過了5年才有小小突破,最近一兩年才做出來」。馮憲平說最初本已朝着實用的目標進發,成品必定要又輕又便宜才有機會在市場中被採用,但這個要求多年來令加入團隊研究的學生未見成果就得各奔前程,中途放棄。現在的團隊也有他的學生,另外亦有從事市場營銷的人才,他們已成立公司,暫時從台灣籌得「天使資金」(對初創企業的投資),「不少人簽了意願書,應可募得幾百萬港元」。

「不想把發現寫成論文就算」

「我也想過做這麼久沒結果就放棄,或寫個文章就停,也不是不好,但個人感覺少了點什麼。」用發明帶來改變,不想只限於把發現寫成論文,馮博士說,那始終是他一個小小的夢想。

文//曾曉玲

圖//受訪者提供

編輯 // 劉子斌

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