突破物理極限！新型熱光伏裝置將廢熱轉化為電力

科羅拉多大學博爾德分校機械工程系的工程師和材料科學家團隊，開發出一項突破性技術，能夠將熱輻射轉化為電力，甚至挑戰了熱物理學的基本定律。這項由崔龍吉助理教授領導的崔氏研究團隊，與國家可再生能源實驗室（NREL）和威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員合作，成果已發表於《能源與環境科學》期刊。

研究團隊表示，這項技術有潛力徹底改變製造業，無需高溫熱源或昂貴材料即可提升發電效率。該裝置能儲存清潔能源、降低碳排放，並從全球各地的地熱、核能和太陽能輻電廠中回收熱能。換句話說，崔教授及其團隊解決了一個長久以來的難題：如何以更少的資源達成更多成果。

「熱能是一種常被忽視的可再生能源，」崔教授指出，「我們使用的能源中有三分之二最終轉化為熱能。想像一下，如果我們能回收這些被浪費的熱能，並將其轉化為清潔電力，這將對能源儲存和發電帶來革命性的改變。」

高溫工業製程和可再生能源採集技術通常使用一種稱為熱光伏（TPV）的熱能轉換方法。這種方法利用高溫熱源產生的熱能來發電。然而，現有的TPV裝置面臨一個限制：普朗克熱輻射定律。

「普朗克定律是熱物理學中最基本的定律之一，它限制了在任何給定溫度下，從高溫熱源中可獲取的熱能量，」崔教授解釋道，「研究人員曾嘗試用各種方法接近或突破這個限制，但現有的技術過於複雜、成本高昂且難以規模化。」

崔教授的團隊設計出一種獨特且小巧的TPV裝置，大小僅如手掌，成功突破了普朗克定律定義的真空限制，並將功率密度提升至傳統TPV設計的兩倍。博士研究生穆罕默德·哈比比是這項研究的理論與實驗負責人，他表示：「在實驗中，我們親眼見證了功率的提升，這確實是一項重大突破。」

為了實現這一目標，團隊在TPV裝置的設計中引入了「零真空間隙」的解決方案。與其他TPV模型不同，他們的設計使用了一種由玻璃製成的絕緣、高折射率且紅外透明的間隔層。這種設計創造了一個高功率密度通道，使熱波能夠在裝置中傳輸而不損失強度，大幅提升了發電效率。

「過去，若要提升功率密度，必須提高溫度，例如從1,500°C升至2,000°C，甚至更高，這對整個能源系統來說既不安全也不可行，」崔教授解釋道，「現在，我們可以在與大多數工業製程相容的較低溫度下運作，同時產生與過去相當的電力。我們的裝置在1,000°C下運作，產生的電力相當於現有間隙整合TPV裝置在1,400°C下的表現。」

研究團隊表示，玻璃設計只是冰山一角，其他材料可能進一步提升裝置的功率。哈比比指出：「這是這項新TPV概念的首次展示，但如果我們使用另一種具有相同特性的低成本材料，如非晶矽，功率密度甚至可能提升近20倍。這是我們下一步要探索的方向。」

崔教授認為，這項新型TPV裝置的最大影響在於實現行動式發電機，並為高排放產業提供脫碳解決方案。一旦最佳化，這項技術將能夠以更低成本和更清潔的電力，轉變玻璃、鋼鐵和水泥等高溫工業製程。

「我們的裝置使用了現有的商業技術，能夠自然地擴大規模並應用於這些產業，」崔教授表示，「我們可以回收廢熱，並在低工作溫度下提供所需的能源儲存。基於這項技術，我們已申請專利，這對推動發電和熱回收領域的可再生能源創新來說，是非常令人興奮的進展。」