【還能怎樣】湛翔智：選擇離岸風能還需要面對什麼問題？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

2015年 Pansci Talk：還「能」怎樣─公民的能源通識課高雄場，熱烈報名中！

紀錄：羅紹桀

近來太陽能光電的成本逐近下降，政府也積極推動「百萬屋頂計畫」，到底台灣有沒有可能利用太陽光電填補能源缺口，又該不該裝太陽能屋頂呢？

國立高雄應用科技大學的艾和昌老師將與我們分享光電能的現在與未來。

艾和昌：光電能的現在與未來

https://www.youtube.com/watch?v=e7CVmGQMZhg

太陽光電能填補能源缺口？

太陽光電到底能帶來甚麼幫助呢？為了解答這個問題，艾老師調出了2011年8月18號尖峰日的電力系統負載曲線圖，那天是大暑，我們發現當天用電尖峰是33.7GW，我們看到各種電力的分布中核電的部份穩穩地持續負載5GW的電量，如果加上核四2.7GW總共7.7GW，火力也是穩定的，其實我們台灣最怕的就是用電尖峰，我們有幾個發電機組是為了一年之中最高尖峰的幾個小時存在的，而這些機組動輒好幾十億，非常划不來。

這跟太陽光電有甚麼關係呢？其實很簡單，我們預計到2030年太陽光達到6GW，剛好能補貼用電尖峰的用電。這是核四封存後可能的替代方案，但太陽光電有一個很明顯的缺點，就是只有白天能發電，晚上沒太陽就沒有電，目前太陽光電已經發展快二十年了，在台灣目前只有太陽能從最上游到最下游的產業都能自主，不像風力發電都是進口的修復技術，火力發電要進口煤等等。

太陽能車的歷史

說到艾老師本身在從事的課程，他拿起桌上的太陽能車，那只是一台模型車，有一台「真的」太陽能車在學校裡，其實太陽能車的原理相當簡單，就是太陽光的光能轉換成電能之後儲存在電池裡或直接推動直流馬達，車子就能前進，構造比汽油車還單純。

事實上太陽能車歷史久遠，甚至太陽能飛機在1980年就出現了，當時Paul MacCready在1980年把他的人力飛機加上了太陽能板，成為第一架太陽能飛機，所以太陽能飛機其實比太陽能車還早出現。兩年後才出現世界上第一台太陽能車，發明者是Hans Tholstrup，他原本是個冒險家，在中東戰爭造成能源危機時沒有人願意支持他從事「浪費石油」的冒險活動，於是他開始想，能不能使用最少的石油行駛最遠的距離呢？但他本身非工程師出生，所以一開始不知道怎麼做，直到看到新聞上Paul MacCready成功發明太陽能飛機的新聞後，才受到啟發著手製作世界上第一台太陽能車。那台車首次行駛就以每小時20公里的速度跑了4000公里，但時速還是太慢了，不可能做為將來的代步工具，因此他決定在1987年開始開辦世界太陽能車挑戰賽，地點都是從北澳開到南澳共3012公里，賽規要求所有的能源都必須來自於太陽，充電也必須用太陽能，艾老師本身也會帶著學生團隊每兩年打造一部車參賽。

至於太陽能車的製造則是從1987年美國通用公司開始重金禮聘Paul MacCready設計車型，造價100萬美金，之後世界各地的大車廠紛紛投資在太陽能車上，但最後都不了了之，原因是造價太貴消費者無法負擔，之後就是世界各大學校接續參加世界太陽能車大賽，每一屆戰況都相當激烈，1987年要得冠軍平均時速只要66.9公里，到2005年冠軍平均時速要到102.7公里，現在的比賽剛開始的速度基本上時速都定在140左右才有可能獲勝，可見太陽能車的時速已經與一般的車不相上下了。

未來太陽能的展望

1998年太陽電池一瓦要十塊美金，2010年太陽電池一瓦就只要一塊美金了，今年2014年一瓦只要0.3塊美金了，以往一部車要100萬美金，現在一部80萬台幣一定做得起來，所以太陽電池已經越來越便宜，而且台灣事實上是太陽電池的第二大生產國。

太陽電池生產過程有兩種，第一種是使用矽經過1200度旋轉長晶，稱為單方向結晶，另一種是使用600~900度，稱為多方向結晶，最後切片完畢就成了太陽電池，完成太陽電池之後再封裝成模組，可製成電廠使用、生活物品的使用等等。

現在在政府在推「百萬屋頂計畫」希望一百萬戶的屋頂上都有3KW的太陽光發電，以目前來說，每度電能回售給台電約八塊，如果屋頂裝5KW，一天發3.6度電，365天下來約可賣55000元的電費，投資成本約每KW7萬，預計八年就能回收。

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會，活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者，各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法，並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

編譯 / 雷雅淇

根據經濟學人的報導，風和太陽能發電等等這些再生能源，其實成本比我們普遍認為的還要來得高。

再生能源的補助一直是公共政策當中很有爭議的領域之一。有許多的資金被用在研發太陽能以及風力發電產業的相關研究上，無非是希望有一天他們能削弱化石燃料，以便能大幅減低排放至大氣中的二氧化碳。這個想法sounds good聽起來蠻也可行der。

自2008年以來太陽能光伏板的價格已經減少了一半，這也同時大幅降低太陽能發電場的成本。在一些烈日炎炎陽光充足的地方，太陽能還能提供給電網跟燃煤或是燃煤氣電廠一樣便宜的電力。

但問題來了，雖然太陽能板的成本容易計算，卻很難計算電力的價格。因為這不能只取決於使用的發電方式，也與資本成本，電廠的運作時間，以及是否能再用電高峰期產生足夠需求的電力有關。

若要把這些通通都考慮進去，經濟學家用了「平準化成本」(levelised costs)來估算發電成本。平準化成本是以在生命週期中系統所產生的成本（資金和營運）除以生命週期裡預期生產的能量單位(單位為megawatt-hours)。「麻煩的是平準化成本並沒有辦法將間歇性的成本列入計算裡。」麻省理工學院的保羅·喬斯科(Paul Joskow)說。

不管是風力發電還是太陽能，都不像便利商店一樣24小時天天開張全年無休。風力發電在平靜的日子裡，太陽能在夜深人靜時，都沒有辦法發電，很靠天吃飯；但我們用電可沒有再管天氣跟四季，這些再生能源的供電也不一定能配合的到我們一天中的用電需求變化。這時候傳統的發電廠仍需要在旁邊待機，但這筆帳沒有辦法記在再生能源的單上，因為它沒辦法列在平準化成本當中。

所以既使再生能源的平準化成本跟傳統發電相同，但他們的實際產值有可能是比較低的。總之，這樣的成本計算方法或許不太適合拿來比較不同形式的發電方式。

布魯金斯學會的查爾斯·法蘭克（Charles Frank）為了解決這個問題，使用了成本效益分析（cost-benefit analysis）來替不同的能源來源排名。

其中成本包括電廠的建造和營運，還有與這些發電技術相關的其他成本，例如當風力發電和太陽能發電不給力的時候為了要平衡電力系統所付出的成本，或是處理和燃料棒所需要的成本等等。

使用再生能源的好處是相比傳統燃煤的發電方式可以避免二氧化碳的排放。這張表總結了用成本效益分析後各種能源的成本和收益，它讓太陽能和風力發電的成本比用平準化成本分析來得昂貴許多。

法蘭克用了四種零碳能源，分別是太陽能、風力發電、水力發電和核能；還有一種特別有效率的燃氣電廠當作低碳能源，與其他的發電方式做比較。

當然，當零碳和低碳能源日子不好無法運作的時候是無法避免排碳的，這也會增加一些額外的成本。經過這樣的比較，可以發現核能是相對效率較高的能源，但核電廠也非常非常的貴，而且也有核廢料處理的問題。

不過為了要決定總成本和效益，在太陽能和風力發電無法運作閒置在等待冷卻時間時，提供支援的石化燃料電廠也必須計入成本當中。法蘭克稱這樣的成本為「可避免的產能成本」(avoided capacity costs)，可避免成本(avoided costs)是指成本會隨著不同的決策而產生相應的變動，所以可避免的產能成本的意思則是指如果這些零碳的綠色電廠沒有被蓋起來的話也不會產生這些相對應的成本。換算下來大概需要7座太陽能電廠或是4座風力發電廠才能提供跟一座大小相似的燃煤電廠差不多的電力。

如果是根據法蘭克的計算方式，那太陽能就會是這幾種減碳發電的來源中最貴的，風力發電則緊追在後。水力發電則有小小的收益，但最具成本效益的還是核能。以上的假設是在碳價為每噸50美元的情況下，如果是用實際的碳價的可能這些再生能源會被打得更難看，哭哭。碳價大概要漲到每噸185美元太陽能才會有淨收益。

當然選擇發展哪種能源有各種的理由，像是除了溫室氣體以外的污染物的排放，以及對核災的恐懼等等。法蘭克並沒有檢視這些因素，但他的研究仍對能源政策有著一定的影響。

現在有許多已開發國家以及中國都以補助太陽能和風力發電的方式來減緩氣候變遷。但這在法蘭克的研究當中是減少溫室氣體排放最貴的方式。而德國和日本逐漸封存的核電廠，卻是減碳目標下最便宜的產能方式。

當然這是單純以減碳為目標的前提下去檢視。每個國家，甚至是每個鄉鎮都有獨特的地理、人文等等的特性，也都有屬於他們適合的能源開發政策。不管是反核擁核，支持或反對再生能源，眾多的相關研究無不希望能提供更多的資訊，讓我們在面對選擇時能少一點未知多一點了解。能源政策是跟我們每個人都切身相關的事，不管立場是什麼我想都沒有人能置身事外。

參考資料:

1. Sun, wind and drain. The Economist [26, Jul 2014]