理化所提出液態金屬低品位熱量自動捕獲與發電方法

　　最新一期《應用物理快報》報道了中國科學院理化技術研究所基于液態金屬虹吸效應實現低品位熱量捕獲與發電的研究成果。在此項工作中，低溫生物與醫學課題組的科研人員將室溫金屬流體引入到低品位熱量捕獲領域，并借助于溫差驅動的虹吸效應及半導體發電模塊，實現了在完全無運動部件、無外電源驅動下的熱量自動回收、傳遞及發電。(文章詳見：Peipei Li and Jing Liu, Harvesting low grade heat to generate electricity with thermosyphon effect of room temperature liquid metal, Applied Physics Letters, 99, 094106, 2011)。

　　近年來，隨著能源危機與環境問題的日益加劇，節能減排已成為全球共識。余熱資源由于來源豐富(廣泛存在于各種工業過程如煤炭、石油、電力、交通、鋼鐵、化工、建材、機械和輕工行業乃至自然過程如太陽輻照、地熱等)，在能源利用格局中占有舉足輕重的地位，美國等發達國家包括中國在內為此啟動了一系列重大項目開展科研攻關，旨在尋找高效的余熱捕獲與利用技術。然而，與常規能源如煤、石油、天然氣等相比，余熱這類低品位能源由于能量密度低，不易回收利用，技術難度大，設備/工藝復雜，投入高等原因，嚴重制約了人們對大規模余熱回收與利用的熱情，也因此造成了能源的巨大浪費。

　　理化所最新提出的方法中，一方面引入了具有優異傳熱性能的室溫液態金屬替代傳統熱回收工質，另一方面則巧妙地借助了溫差驅動下的金屬流體虹吸效應，以異常簡潔的方式實現了低品位熱量的高效捕獲及發電。實驗發現，熱源功率為45.6W時，管道中液態金屬流速可達到1.46cm/s，遠端的發電裝置可輸出2.62V的電壓。實際上，通過特定設計，還可提供不同的產能，由此可構建出一系列應用技術。熱虹吸效應是流體的一種自循環方式，其動力來自于不同溫度引起的流體密度改變所產生的壓差。此類流動無需泵及外界電能的驅動，系統結構因此變得簡單、可靠，適應性強，可靈活應用到太陽能、汽車發動機尾氣余熱、數據中心、生產生活過程以及大量工業余熱的回收利用中。此前，實驗室還探索了在電磁泵驅動下，利用室溫金屬流體將遠端余熱收集并傳遞至近端熱電系統，使之產生電力的方法。結果顯示：在熱源溫度接近200°C時，系統可輸出近30V的電壓，足于驅動大功率LED的照明。此時的泵雖會消耗少部分能量，卻可以控制液態金屬的流速，總體上提高了余熱的利用率。相應研究發表于最新一期《可再生能源》上(Dan Dai, Yixin Zhou, Jing Liu, Liquid metal based thermoelectric generation system for waste heat recovery, Renewable Energy, 2011, 36: 3530-3536)。基于室溫金屬流體自循環或電磁驅動原理建立起來的余熱回收及發電方法，突破了國內外以往的思路，開辟了新的技術前沿，為大規模低品位熱能利用奠定了基礎。

　　室溫金屬流體虹吸效應除可用于熱量捕獲外，在大功率電子器件的冷卻上也有著重要價值。理化所團隊為此提出了一種獨特的芯片冷卻方法，他們基于室溫金屬流體的虹吸特性，將處于小空間內的芯片的發熱量自動傳至遠端，再利用散熱片將其釋放到空氣中。測試結果表明，此種方法足以將發熱功率為42.1W的芯片在無風扇情況下保持在正常工作溫度范圍，而且其性能還可進一步優化提升。這一研究已被知名刊物ASME Journal of Electronic Packing接受，即將正式刊出。基于該方法獨特的原創性，期刊審稿專家之一還對論文給出了“Honors Quality”的推薦意見。此方法同樣免去了運動部件，其散熱能力隨著芯片發熱功率的提高而增大，易于滿足防塵、防水的要求，已顯示出在計算機、大功率LED、室外通信基站等領域內自動冷卻方面的應用價值。2007年7月，Journal of Physics D: Applied Physics以封面文章形式報道了理化所利用廢熱產生電力繼而驅動液體金屬流動來冷卻芯片的研究。與之相比，新進展則徹底消除了外在的流體驅動及電源機構，其熱量捕獲及輸運完全建立在金屬流體的自驅動行為上，因而所實現的冷卻器結構更加簡單，性能更可靠，成本也趨于更低。

　　歸納起來，室溫液態金屬傳熱方式具有如下特點：(1) 工作溫區廣，最高沸點可超過2000oC以上，這有利于發展性能穩定的單相換熱器，從而廣泛適用于大量余熱利用環節；(2) 具有遠高于單相水的對流換熱系數，由此可發展出體積緊湊的換熱器；(3) 作為金屬介質，液態金屬流體可采用電磁泵或溫差驅動，因此研制的換熱器無機械損耗，效率高，功耗低，節能效果顯著，系統運行可靠且無噪音；(4) 典型的液體金屬常溫下不與空氣或水發生反應，無毒性，且飽和蒸汽壓低，不易蒸發；表面張力大，不易泄漏。以上綜合優勢，確保了液態金屬熱管理系統可作為未來一大類優質熱交換器。正是基于對這一重大前沿研究領域的認識，理化所劉靜研究員及其學生新近在期刊Frontiers in Energy發表了一篇Feature Article（Haiyan Li, Jing Liu，Revolutionizing heat transport enhancement with liquid metals: Proposal of a new industry of water-free heat exchangers，2011, 5: 20–42），首次系統地闡述了無水換熱器的概念，提出應從更廣層面上推動全球液體金屬換熱器工業的發展。

　　總之，隨著室溫金屬流體熱管理技術的研究推進，可望引申出一個全新的工業余熱應用領域，相應研究必將對節能減排、節水及降耗，以及環境保護等方面帶來深遠影響。