熱電發電新方法:用鉛筆和紙,簡單又便宜!

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

近日，德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領導的科研團隊研發出一種簡單的方法，利用鉛筆和紙張，將熱量轉化為電力。

背景

熱電效應，也稱為「溫差電效應」，並不是什麼新生事物。大約200多年前，德國科學家 Thomas J. Seebeck 就發現了這種效應。簡單說，熱電效應是指在特殊材料中，由於溫度差異而產生電壓的過程。一般來說，材料一端較熱，另一端較冷時，電荷載體就會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，從而產生電壓。

幾乎所有的技術和自然過程，都會產生餘熱這一副產品，例如：電廠、家用電器、人體等等。餘熱是世界上未被充分利用的能源之一，通常來說基本上是被浪費掉了。然而通過熱電效應，我們可以將一部分的餘熱轉化為電能。

( 圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學 ）

之前的文章中，筆者介紹過一些通過熱電發電的創新案例。下面，讓我們一起回顧一下。

1）美國猶他大學材料科學和工程系教授 Ashutosh Tiwari 領導的團隊利用化學元素鈣、鈷和鋱化合物，製造出高效、廉價、生態友好的材料，能通過熱電效應生產電力。

2）美國喬治亞理工學院研究人員採用柔性導電聚合物和紙張上印刷的新型導電圖案，開發出一種概念驗證階段的可穿戴熱電發電機。該熱電發電機能採集人體熱量，為測量心率、呼吸和其他生理指標的生物傳感器供電。

3）韓國蔚山國立科技大學材料科學和工程學院的教授 Kyoung Jin Choi 領導的團隊開發出新型可穿戴太陽能熱電發電機，它通過與衣物、窗戶和建築物牆壁接觸而產生能量。

4）美國北卡羅萊納州立大學的研究人員為了提高柔性可穿戴設備中熱電發電機的性能和效率，採用EGaIn 液態金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。

不幸地是，雖然熱電效應非常值得利用，但它在普通金屬中顯得非常微弱。原因是，金屬不僅具有高度的導電性，也具有高度的導熱性，溫度差異會迅速消失。

因此，熱電材料需要具有低導熱性、高導電性。由無機半導體材料例如碲化鉍製成的熱電裝置，如今已經廣泛應用於特定的技術領域。然而，這樣的材料非常昂貴，且只能在特殊情況下應用。

為了解決上述問題，筆者曾介紹過日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發出一種新型無毒的熱電材料：矽化鐿 （YbSi2），YbSi2是無毒的，且具有高導電性、低導熱性，因此可以作為一種理想的熱電發電材料。

創新

然而，科學界也在研究基於碳納米結構的柔性、無毒、有機材料，並要將這種材料應用於人體之上。今天，筆者要為大家介紹一種新方案。

德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領導的科研團隊研究出了一種更加簡便的方法。他們使用了普通的HB鉛筆，在複印紙上塗寫了一小塊面積。然後，他們又採用第二種材料：透明、導電的聚合物塗料（PEDOT: PSS），在複印紙張上塗寫了另外一小塊面積。

( 圖片來源：HZB ）

技術

紙張上鉛筆痕跡製造出的電壓，可與其他昂貴許多的納米複合材料製造出的電壓相提並論。目前，這些納米複合材料常用於柔性熱電元件。此外，通過向鉛筆的石墨中添加一些硒化銦，電壓可增加10倍。

在HZB，研究人員通過掃描電子顯微鏡和光譜法（喇曼散射）， 研究了石墨烯和共聚物塗覆的薄膜。Nickel 解釋道：「結果也讓我們非常驚喜。對於它為什麼可以工作得這麼好，我們現在找到一種解釋。紙張上的鉛筆痕跡由無序的石墨片、一些石墨烯和黏土組成，它只是稍微降低了導電性，但是卻有效地降低了導熱性。」

( 圖片來源：參考資料【2】）

價值

未來，科學家將利用這些簡單的成分在紙張上列印熱電元件，這些熱電元件將非常廉價、環境友好、無毒。這種小型柔性組件也可直接應用於人體，利用人體熱量為小型裝置或者傳感器供電。

關鍵字

熱電發電、可穿戴技術、傳感器

參考資料

【1】https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14783&sprache=en&typoid=1

【2】Viktor V. Brus, Marc Gluba, Jrg Rappich, Felix Lang, Pavlo D. Maryanchuk, Norbert H. Nickel. Fine Art of Thermoelectricity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (5): 4737 DOI: 10.1021/acsami.7b17491

相關焦點

  • 卻被蘇聯用鉛筆簡單解決了!
    一隻簡單的原子筆，確是一個國家龐大工業實力的體現。你知道嗎？原子筆雖然便宜，但是生產一支原子筆卻需要非常複雜的技術和精密的工藝水平。使用原子筆時我們會發現，一不小心，筆尖的小彈珠就會掉落，一支筆就不能用了，而且地球上使用的普通原子筆不能在失重的太空中使用。
  • 新紋身：用鉛筆在皮膚上繪製可用於監控個人健康的設備
    回顧人類發明的一些重要技術，那支不起眼的鉛筆很可能排在首位。幾個世紀以來，它一直在記錄著人類的思想與觀念。然而你是否想過有一天，人們可以通過簡單地拿起鉛筆並在皮膚上繪製生物電子設備來監控自己的健康狀況。
  • 摩擦摩擦就可以發電,浙大一項研究在紙上畫出可收集人體運動能的...
    「摩擦納米發電機最具吸引力的特徵是能把各種機械運動轉換為電能，如人行走，人眼運動和車輛運動等。」遺憾的是，摩擦納米發電機多數加工方法成本過高、工藝複雜，很難實現大規模的生產。2013年，王中林院士課題組創新性的提出了一種紙基TENG，大大降低了製作成本；2017年，張曉升教授等用鉛筆在紙上繪出導電石墨層作為
  • 天然氣發電的對錯之爭:調峰還是熱電聯產
    「用氣發電就意味著替代用煤發電，也就相當於天然氣替代煤炭——『氣代煤』」「那麼把煤炭放哪兒、用作何用？」對此，清華大學建築節能研究中心教授付林表達了同樣的觀點。「天然氣熱電聯產能源利用效率高，但其在供熱的時候還在發電。這就會產生一定的問題。因為用氣發電就意味著替代用煤發電，也就相當於天然氣替代煤炭——『氣代煤』。」
  • 鉛筆與紙如何「變身」人體皮膚生物醫療裝置？
    ，任何人都能用易於取得的一般石墨鉛筆與商用辨公室影印紙，獨力在家製作貼附在人體皮膚上、低成本、低環境衝擊、高度實用的生物電子醫療裝置。貼附在皮膚表面量測生命徵象的傳統穿戴式生物電子裝置，通常使用先進材料、製程複雜、生產成本高，因此尚未普及，目前許多已商品化的裝置主要包含生物醫療追蹤元件，以及周圍提供支撐與貼附皮膚的塑膠等彈性材料，而MU研究團隊僅需以易於取得且低成本的鉛筆與紙即可方便的製作與客制化類似的裝置。
  • 湖南大學製備出最新熱電材料:體溫發電或成現實
    央廣網長沙9月12日消息（記者鄧文輝 通訊員李妍蓉）體溫發電？開水的熱量也可發電？湖南大學物理與微電子科學學院副教授黃暉輝首次製備出一種新型的熱電材料——1T相二維二硫化鉬柔性熱電材料，能夠利用體溫等人們日常生活中產生的廢熱來發電，人體「永動機」或成現實。　　熱電材料，就是利用材料兩面的溫差來發電，如環境溫度和人體溫度之間有差異，就能產生電。
  • 如何自製溫差發電小風扇 用熱能發電的風扇
    打開APP 如何自製溫差發電小風扇 用熱能發電的風扇 發表於 2018-01-24 16:23:24 一個反向安裝的半導體製冷片通過溫差發電給風扇供應能源。也就是說，只要把它放在溫暖的爐子上頭，它就會吸收熱能驅動風扇轉動。 我一直想做個斯特林發動機，可惜複雜度略高。不過這個溫差發電的小風扇很簡單，適合在一個周末裡搞定。 溫差發電機原理 溫差發電依靠帕耳帖效應，這種效應常用於cpu散熱器和袖珍冰箱裡的半導體製冷片上。
  • 瑞士利用雷射捕獲原子方法開發出「冷原子熱電系統」模型
    19世紀，科學家們發現，將熱電材料加熱會生成少許電流，但將獲得的電流提高到能勝任現代科技的需要一直是個巨大的挑戰。現在，瑞士科學家設計出了一種新奇的模型—「冷原子熱電系統」，有望大幅提高熱電材料的電流強度。　　用熱發電的過程一般如下：先讓一種可燃物燃燒，隨後將液體加熱帶動力學渦輪運動，最終產生電流。
  • 室溫下的熱電發電:為時不遠?
    為了解決上述問題，除了改善電池本身性能之外，還有一種辦法就是：採用新的能量採集和供應方式。之前，筆者介紹過「自供電」技術。在眾多實現自供電方案的方法中，有一種就是：溫差（Thermoelectric）發電，也稱為「熱電」發電。
  • 寫不完的鉛筆和不用紙的手寫板火了,從文具看見「未來閱讀」
    今年的書展則有一點點不同——書展首次設立了「未來閱讀」館，在書展你不止能看到傳統文具，還能看到不少有科技含量的「新文具」。 「今年賣得最好的產品是寫不完的鉛筆。」「我們的未來學習體驗館，是產生實際銷量的。」在書展現場，晨光和百新文具的負責人告訴周到君。 寫不完的鉛筆？
  • 鉛筆寫字留下的就有石墨烯(圖)
    每個人都有使用鉛筆的經歷,但幾乎沒有人意識到,當我們用鉛筆在紙上留下字跡的同時也不知不覺地製造出了目前在科學界最熱門的材料:石墨烯。　　20萬片疊加只有頭髮粗　　石墨烯與石墨有緊密的聯繫。石墨是層狀材料,由一層又一層的二維平面碳原子網絡有序堆疊而形成的。
  • 【貼紙製作】便籤紙製作方法 環保實用便籤紙DIY方法
    【貼紙製作】便籤紙製作方法 環保實用便籤紙DIY方法 自製便籤紙方法一 第1步：準備一張正方形彩紙，上下對摺。 第2步：下半部分，左右對摺，出現一條中線摺痕。 第3步：上半部分用尺子和鉛筆把它平均分成三份，出現兩條豎著的鉛筆痕。
  • 新熱電材料熱電效應極高,是之前效率的2倍以上
    為了得到電，科學家使用了各種各樣方法，傳統的火力發電，核能發電，太陽能發電和地熱能發電等，其工作原理是將熱能轉化為電能，即塞貝克效應。眾所周知，熱電材料可以將熱量轉化為電能，由所謂的塞貝克效應造成，因兩端溫差會產生電壓。然而熱能在轉化為電能過程中會損耗大量能量，所以在過去幾十年中，科學家一直想研發出一種理想熱電材料，希望能大大提升轉化效率。
  • 教你用鉛筆手繪一張可愛的動漫女生 速寫風格 簡單易學
    夥伴們好，今天我為你們帶來一期可愛的動漫女孩鉛筆手繪教學。 繪畫時長大約為45分鐘，推薦使用2B和4B鉛筆在素描紙或速寫本上繪畫。
  • 天加發布中國熱電效率最高的低溫發電系統
    該發電系統的核心部件——膨脹發電機，採用美國聯合技術公司(簡稱 UTC)旗下的普惠公司的成熟透平技術及集成控制系統，熱電效率遠高於同類的螺杆膨脹機，是目前中國熱電效率最高的低溫發電系統。　　據悉，天加與UTC在2015年建立了全球戰略合資合作。UTC將其Pure Cycle -ORC低溫發電產品及技術全部轉移至天加，相關技術領先國內同行30年。
  • 任丘熱電超臨界供熱機組工程投產發電
    至此，任丘熱電2×350MW超臨界供熱機組工程全部投產發電!」任丘熱電公司總經理王雙海告訴記者，「作為省重點項目，任丘熱電項目總投資近32億元，是國家石化產業調整和振興規劃重點支持項目——華北石化油品質量升級項目的配套工程，承擔著為石化基地輸送工業蒸汽及向任丘市區提供採暖熱源的任務。我們在河北南網做到了三項『第一』!」    第一項「第一」，是河北南網首座超臨界供熱機組。
  • 熱電偶和熱電阻一樣嗎?細說區分熱電偶和熱電阻的方法
    有很多朋友問，熱電偶和熱電阻到底是不是同一種物件，今天小編明確的告訴你，不是的。熱電偶和熱電阻雖然都是作為感溫元件，但是他們的原理和功用是不同的，今天小編就與大家分享熱電偶和熱電阻到底怎麼區分。熱電偶和熱電阻的區分方法一：根據標牌來確定是熱電偶還是熱電阻，銘牌上會具體有熱電偶或是熱電阻的具體產品和規格信息，我們只要仔細觀察和區分就可以分辨出來是熱電偶還是熱電阻了。熱電偶和熱電阻的區分方法一：根據結構來區分是熱電偶還是熱電阻，熱電偶一般由熱電極，絕緣管，保護套管和接線盒等部分組成，熱電阻是傳感器輸出的負載和電源是串聯在一起的。
  • 新型材料面世有望推動熱電產業化
    科技日報訊 （通訊員葛玲玲 李玉勝 記者張曄）近日，南京理工大學唐國棟副教授課題組製備出一種新型的熱電材料——硒化錫—硒化鉛相分離塊體，具有製備工藝更簡單，機械性能更穩定，生產成本更低，便於規模化生產應用，熱電優值（ZT值）高等優點。該研究成果發表在國際頂尖期刊《美國化學協會期刊》上。
  • 鉛筆和鑽石
    鑽石（左）和石墨（右）的結構小黑正在寫作業，看著紙上灰黑色的鉛筆筆跡，走了神……「嘿，小黑，你在想什麼呢？」手上的鉛筆突然開口了。「我在想你的『芯』是什麼做的。」小黑竟然也沒覺得奇怪。「雖然你們管我們叫鉛筆，但我們的芯主要是用石墨做的。不過以前的鉛筆的確用到了鉛，但鉛是一種有毒的重金屬，所以後來就被石墨替代了。」
  • 都知道用鉛筆,你們知道鉛筆的筆芯是怎麼放進去的嗎?
    大家都知道小時候剛學寫字時用的是帶橡皮擦的六邊形鉛筆，便宜好握，便於修正。鉛筆是由鉛筆芯和外面的木頭組成的，但要顯然要把鉛筆芯塞進去可沒小二做的那麼簡單。鉛筆的鉛芯原料主要是石墨，並不是鉛。鉛筆的原料主要是黑色的石墨粉和白色的黏土粉。標識的 HB，1B，2B...隨著 B 前面的數字變大，就表示生產時加的黏土越少，鉛筆芯越軟，顏色越濃粗，一般小學生用的是 HB，需要填答題卡用的是 2B。為了徹底混合均勻，轉動鋼桶長達 24 小時，同時還要加水讓混合更加充分，最後出來的就是均勻順滑的石墨漿。