中國温差發電技術獲重大突破 轉換效率提升至約15% 拓闊能源應用前景

曾被視為極具潛力且取之不盡的温差發電技術，過去因技術瓶頸與轉換效率偏低，長年徘徊於科研與試驗階段，商業化案例寥寥可數，甚至一度被視為烏託邦式的能源方案。然而，中國近期在温差發電技術領域取得關鍵突破，部分應用場景的轉換效率已顯著提升至約15%，遠超以往的單位數水平，料將為廢熱回收與特殊能源需求開闢新徑。 中國科學院院士、中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員陳立東早前透露，其研究團隊經過逾20年的不懈努力，已將温差發電器件的轉換效率從不足6%大幅提升至接近15%。陳立東指出，全球初級能源中，逾六成最終以廢熱形式散失於環境，他形容從鋼鐵廠熾熱的煙道、汽車排氣管，以至家庭廚房爐灶，只要存在温度高於環境的熱源，便是一座尚未開發的「能源金礦」。他強調，温差發電技術正是將這些被浪費的熱能回收並轉化為電能的有效途徑。 温差發電的學術名稱為「熱電效應」（Thermoelectricity或Thermoelectric Effect），此物理現象最早於1821年由愛沙尼亞德國裔物理學家Thomas Johann Seebeck發現。其原理簡言之，是當某物體兩端出現一定温差時，便會產生電壓，內部電子流動，進而產生微弱電流。在物體可承受的温度範圍內，温差愈大，所產生的電流亦愈強。 儘管熱電效應的發現已逾兩個世紀，温差發電的轉換效率長期維持在低水平，諸多試驗項目的轉換效率僅介乎5%至8%。特別是備受環保人士寄予厚望的海洋温差發電（OTEC），即利用海洋不同深度水温差異發電，部分試驗項目轉換效率甚至低至3%。 市場普遍認為，温差發電轉換效率難以突破的關鍵瓶頸在於材料環節。理想的温差發電材料必須同時具備三大條件：高導電率（如銅）、低導熱率（如隔熱玻璃），並能產生較大的温差電位。然而，高導電率與低導熱率往往難以並存，同時滿足三項條件的材料極為稀缺。 數十年前，一種名為「方鈷礦」的天然礦物引起科學界廣泛關注。其獨特的晶體結構由鈷、砷等元素構成剛性三維框架，形成規律排列的籠狀孔洞，被認為具備廣闊的性能調控空間。及至1990年代，外國科學家率先嘗試將外來原子填入「方鈷礦」的空「籠子」內，結果令人鼓舞。填充原子極大地阻滯了熱量傳播，顯著降低導熱率，但對導電率的影響相對較小。這類被命名為「填充方鈷礦」的新材料，為温差發電材料研究開啟新篇章，亦被視為陳立東團隊取得研究進展的關鍵基石。 根據內地媒體的報道，陳立東團隊研發的嶄新温差發電材料，其最佳運作温差區間約為數百度。因此，將其應用於工廠、大型貨車、巴士、船隻等所排放的廢氣熱端，可有效地將廢熱轉化為電力，並可直接於現場使用，例如輔助冷氣系統或冷庫的電力需求，從而節省整體能源開支。相關成果已榮獲國家自然科學獎二等獎及國家技術發明獎二等獎等重要獎項，更被認為可為深空探測、國防設備等領域的特種電源技術提供關鍵材料支持，其中國防設備一詞尤其引人關注。 有分析指出，儘管嶄新温差發電材料的熱電轉換效率已提升至約15%，仍低於傳統蒸汽渦輪及柴油機逾30%的水平。然而，在應用於廢熱回收及特殊軍事需要時，温差發電裝置卻具備難以比擬的優勢：它不含任何活動部件，運作時極其寧靜，且體積細小。市場消息更猜測，中國正在研發或試驗的041型潛艇，有可能史無前例地採用「小型低温低壓次臨界核反應堆→温差發電裝置→鋰電池」的動力系統組合，凸顯該技術的戰略潛力。 在環保人士寄予厚望的海洋温差發電方面，據報內地近年亦取得重大突破。由中國地質調查局廣州海洋地質調查局牽頭研發的20kW海洋漂浮式温差能發電裝置，早前在南海進行短期試驗時，曾達到17.7%的轉換效率，顯示中國在該領域的領先地位與廣闊發展前景。