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微小的矽奈米線發電機收成電路所產生的熱

only-perception
・2011/12/27 ・843字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

電子裝置通常會產生「熱點」,使得裝置效能表現下降。已有許多研究聚焦在開發出為系統降溫,或甚至更棒的,利用熱電效應(thermoelectric effect,在此,溫度梯度引發電荷載體移動)將過量的熱轉換成電力的方法。然而,先前要建立晶片級發電機的嘗試卻失敗了,因為共用材料與用來建構 IC(例如 CMOS) 的技術並不相容。

Navab Singh 與 A*STAR 微電子研究所以及國立新加坡大學的共同研究者現在利用矽奈米線陣列創造出一種奈米級的熱電發電機(TEG)。矽與 CMOS 中的基材相容,先前因為其在大體積形態下的發電表現不良而停止了研究,但經證明,其在奈米尺度下的效率遠超過大體積時的效率。

“矽奈米線的熱電特性比親代材料好很多,因為它們有很低的熱傳導率,” Singh 解釋。”此外,也有先進的設備能夠處理矽。因此,熱電冷卻器以及能源收成器若以矽奈米線組成,那麼它們將會是低成本、可縮放、高產量的裝置。”

研究者們以 n-type 矽奈米線(在其中過量的電子帶有電荷)與 p-type 奈米線(在其中電荷載體是因為失去電子而產生的「電洞」)交替捆紮(alternating bunches)而製成的垂直線腳連接二種不同的金屬片。根據 Singh 表示,最大的挑戰在於將奈米線連結到金屬板以允許低電阻率接點,並提供最佳化的熱電效能表現。為了辦到這些,他們採用來自 CMOS 已確立的技術。”然而,奈米線頂端(wire tops)的高接觸電阻依然是個問題,而且我們的設計需要進一步改善,” Singh 表示。

身為一種發電機,TEG 應能用來「自供電」一段電路。”此外,它們應能用在絕大部份的高熱通量(heat flux)系統中(例如汽車、半導體雷射與光偵測器)以產生電力並為電池充電,” Singh 建議。為了移除「熱點」,它們亦能成為一種有效、低成本的冷卻系統。

Singh 相信奈米級 TEGs 也能用於醫療科學中,供電給人體內的植入物:”奈米線熱電發電機完全符合所需。它們能被擴大到適當的尺寸,而且因為它們缺乏可移動的部件,所以它們相當可靠且病患可終身使用。能量可利用身體與環境之間的溫度梯度獲取。”

資料來源:PHYSORG:Tiny silicon nanowire generator harnesses energy from heat produced in electronic circuits[November 29, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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有可能透過節能,提高低碳電力的比例嗎?全球有一個國家做到了
低碳力LowCarbonPower_96
・2022/11/04 ・2684字 ・閱讀時間約 5 分鐘

為了達成 2050 淨零排放的目標,各國必須想辦法提高低碳電力的比例,逐步淘汰化石燃料。各式各樣提高低碳電力的方法出現,其中就有個我們從小就耳熟能詳的方法:節能省電。

但這個方法可行嗎?我們觀察了世界各國的發電結構,還真的找到實現了這個方法的國家:北韓。

北韓的電力結構在 1989 年間發生反轉。 圖/lowcarbonpower

在 1990 年以前,北韓的發電結構是以化石燃料為主(57.1%),水力發電為輔(42.9%)運作。1990 年後,水力發電的佔比瞬間飆升至 56.3%,截至 2020 年,低碳電力佔比已經達到了 85.53% 的亮眼成績。

同時,北韓的用電量從 35TWh(1989 年)減少至 14.6TWh(2020 年),可以推測出北韓低碳電力佔比提高的原因很可能就是因為用電量減少所致。

用電量降低,低碳電力提高,這聽起來是件好事對吧?但這恐怕不是北韓(人民)願意看見的結果。

到底北韓發生了什麼事?為什麼會出現這樣的情況?

蘇聯解體,重創北韓經濟

北韓過去在蘇聯的資助下,積極發展重工業,甚至在 1970 年成功讓供電網覆蓋全北韓境內的村子和家庭。然而蘇聯解體後,北韓經濟受到重大打擊,失去了從蘇聯進口的石油,導致北韓發電量急遽減少,水力發電因此成為北韓最主要的發電能源。

另外,根據南韓公共媒體 KBS 報導,北韓的火力發電廠設備老舊,經常發生故障,能源效率和發電量都很低。相較之下,北韓更看好水力發電不用燃料的優勢,進而提高了水力發電的佔比。

缺電的北韓

目前北韓人均用電量只有 658 度,對比台灣的人均用電量(11,933 度),相差 18 倍!這不是因為北韓人民超會省電,而是沒電可用。

根據數據統計,北韓將近一半的人沒電可用。由於北韓電網年久失修,以及冬天河川凍結無法使用水力發電,即使在較多精英階層居住的平壤也經常停電。因此北韓的有錢家庭通常會設置太陽能板,以滿足自家用電需求。

低碳電力比例高,所以北韓其實很環保?

答案是,其實不然。

首先,經常斷電導致人民尋求其他的方法,像是太陽能板、柴油發電機,或是自製油燈滿足照明需求,而這些方法往往能源效率極低,還會造成其他威脅(像是更不環保或是對人體有害等);其次,電力只是眾多能源的一種,對電力的需求很可能轉嫁到其他非電力能源上(例如,沒電使用電燈,因此改用油燈)。

但北韓的確證實了一種可能性:減少用電量可以提高低碳電力比例。只是其他國家有可能利用這種方法減碳嗎?

回答這個問題之前,不知道大家有沒有聽過「卡爾達肖夫指數(Kardashev Scale)」。

卡爾達肖夫指數是根據一個文明能夠利用的能源量級,來為該文明劃分等級的分級法,像是:第一型是能夠利用整個行星的能源;第二型是可以駕馭整顆恆星能源的文明……。

美國物理學家弗里曼.戴森(Freeman John Dyson)也認為任何科技文明對能源的需求會穩定增長,只要存活夠久,總有一天會需要利用到其母恆星「全部」的能量輸出,因此有必要建立一個可以收集母恆星所發出的全部能量的裝置——戴森球。

也就是說,隨著文明的科技進步程度越高,需要消耗的能源就越多。

事實上,自工業革命(1760)以來,我們對能源的需求就不斷地增長,想要僅依靠省電減碳就意味著我們需要在科技進步和節能減碳之間做出選擇,但我們仍然可以試著去估計,人類是否可能在不犧牲科技進步下依靠省電減碳?

以台灣為例,1980 年台灣相繼成立竹科、南科、中科等科學園區,從此走向 IT 大國之路,每年用電量也在快速增長。2021 年台灣總用電量高達 2830 億度,是近 10 年來最高,工業用電量和成長幅度也創下新高,佔總用電量的 57.1%。其中台積電用電就佔了近 6%。

當然,「護國神山」不能倒,科技發展不能停。那我們試試看計算個人節省用電是否能夠提高低碳電力的比例。

台積電位於新竹科學園區的晶圓十二廠。圖/維基百科

一個人可以省多少的電?對台灣有幫助嗎?

一樣採用台灣 2021 年的用電量來看,假設去年是因為疫情進入三級緊戒,所以家庭住宅用電量比 2020 年多了 5%,佔總用電量的 18.6%。也就是說,在扣除非民生用電之下,去年台灣每戶家庭的年均用電量約為 5846 度。

採用國際能源署(IEA)的對每戶家庭最低供電程度的簡單定義,即每戶家庭有足夠的電力來為每天打開 5 小時的四個燈泡、一個冰箱、一個每天運轉 6 小時的風扇、一個手機充電器和一台每天使用 4 小時的電視供電,相當於每戶每年用電量為 1250 度。

如果台灣每戶家庭都超省,堅持一年只使用最低限度的電,可以為台灣省下 413.8 億度電,相當於總用電量的 14.6%,似乎就能達到目的。

但是,如果要是我們將科技進步納入考量後,就會發現這不是一個合理的策略了。

用於製造世界最先進半導體的機器「極紫外光微影」(EUVs)每台的耗電量高達 1 百萬瓦,目前台積電約有 80 幾台,預計 2025 年台積電用電量就會佔全台用電量的 12.5%。

試著想想,當你為了省電費勁心思,犧牲生活品質所打出的成績卻是「效果甚微」,心裡該有多累。

但減碳從來都不只有一種方法。像是丹麥、法國等國家就投資低碳技術取代化石燃料,也可以選擇電動車取代汽油車等,減少碳排放。我們只有更積極的思考永續發展的解方,人類文明才有可能繼續延續下去。

參考資料

  1. 北韓低碳電力比例
  2. 用電再破紀錄!住宅用電攀升,去年工業用電更達「史上新高」
  3. 護國神山變吃電怪獸?台積電用電量恐占全台12% 再生能源發展迫在眉睫
  4. 北韩的电力状况
  5. 1990年代數十萬人死於饑荒,北韓再度出現糧食危機!
  6. 供電不足 北韓人民嚴冬中過日
  7. Defining energy access: 2020 methodology
  8. North Korea: Energy Country Profile
  9. https://zh.wikipedia.org/zh-tw/戴森球
  10. https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/卡尔达肖夫指数
  11. https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/中華民國科技
  12. https://www.hk01.com/港學堂/85673/這一秒的歷史-北韓危機的根源-蘇聯解體
低碳力LowCarbonPower_96
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淨零碳排不僅是台灣的事,更是全球的共同目標! 我們致力分享各國各地的減碳策略,一同找出最適合台灣的減碳方式。

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
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蟲蟲危機!氣溫上升加速害蟲蠶食農作物——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/03 ・3771字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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目前全世界的農田,因為病蟲害而損失 10% 至 15% 的農作物。

氣候和農業害蟲

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。圖/Pixabay

最近一份《科學雜誌》(Science)的研究,證實溫度提高 2°C 可能使大量農作物遭到昆蟲啃食,在歐洲和北美洲,小麥和高粱的蛋白質成分顯著下降,西歐則是有近 75% 的小麥作物遭到蟲害。

溫度上升會改變害蟲的整體數量,結果造成:

  • 世代更替的頻率增加。
  • 地理區域擴大。
  • 昆蟲散播的植物病。
  • 更可能捱過冬天。
  • 昆蟲和其掠食者不再同步。
  • 植物的成長和昆蟲不同步。

氣候與農業疾病

真菌影響糧食作物, 而且通常在 20-30° C 時成長旺盛,氣候變遷使全球溫度上升,沿赤道區也將會發生真菌疾病的改變。

愛爾蘭馬鈴薯歉收是真菌疾病造成,被稱為「立枯病」,進而傳染當地的農作物。這些疾病在遠離赤道的地區極可能再度出現,影響地區的糧食安全。

20 億人的缺糧危機

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物,大氣中二氧化碳濃度升高使溫度升高、洪水氾濫以及陸地和土壤劣化,於是農作物產出的營養價值和品質以及家畜的生產力下降。

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物。圖/Pixabay

策略與國際研究中心(The Center for Strategic & International Studies, CSIS)表示,溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關連性,熱浪可能造成農作物的全面歉收,至於土地管理不良、森林砍伐以及牲畜過度放牧而破壞草地,則加重了氣候相關的影響,也增加糧食系統的整體威脅。

溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關。圖/商業週刊

食物匱乏將持續惡化,導致更多饑荒和營養不良,此外農作物和家畜大規模遠離養分耗盡或無法使用的土壤也將更為常見。

陸地和土壤劣化的問題

陸地和土壤失去支持生命的物理性、化學性或生物特質,稱為劣化。相較工業革命和大規模農耕之前的狀態,如今地球上超過 75% 的土地養分殆盡,科學家預期 2050 年以前, 可能到達 90%。

世界各地,每年有相當半個歐盟(418 萬平方公尺)的土地變得較不具生產力與耐受力,而以非洲和亞洲受創最重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。圖/Pixabay

隨著海岸地區的海平面上升, 鄰近一帶的陸地被海水淹沒,剩下的陸地會因為鹽分和汙染物增加而變得不堪使用。

土壤劣化也透過以下發生:

  • 農業活動
  • 動物吃草
  • 森林砍伐
  • 都市化程度升高

如今,32 億人經歷某種程度陸地劣化的效應,導致糧食供應減少,且往往伴隨遷徙的增加。

土壤的重要性

在我們腳下的棕色塵土,裡頭至少包含所有全球生物多樣性的四分之一,而且對提供乾淨的水是不可或缺,1 茶匙裡的土壤有數十億微生物,據估計,土壤中所含的碳,比大氣多了 3 倍。

95% 的全球食物供應仰賴土壤,來養活大部分的生物。氣候暖化達 2°C 將使土壤中超過 2,300 億公噸的二氧化碳外洩,可能使地球突然陷入不可逆的氣候變遷中。

其他面臨的問題

每一分鐘有大約 30 座足球場的土壤,因為以下原因而侵蝕或退化:

  • 農業化學物質
  • 森林砍伐
  • 過度放牧

殺蟲劑的使用

二次世界大戰後,大型的化學公司鎖定食品業來擴充市場,在接下來的 50 年間,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍,但農作物的損失近乎翻倍,殺蟲劑毒死微生物,而這些微生物為世界各地數億公畝土地帶來健康土壤,例如土壤中的蚯蚓被噴灑殺蟲劑後,只生長到正常重量的一半,生殖力也遠不及未被殺蟲劑噴灑的蚯蚓。

二次世界大戰後,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍。圖/Pixabay

風力

陸上風力渦輪(onshore wind turbine)需要發電半年,來抵銷建設它所用掉的能源,但在此之後,在它使用年限 24 年間,生產出 100% 無碳的電力。

大規模太陽能

印度的巴德拉太陽能公園(Bhadla Solar Park)是全世界最大的太陽能農場(solar farm),創造出 2,245 百萬瓦(MW)的電,超過許多燒炭或核能電廠。它位在沙漠,太陽能板是由機器人清理,而這些機器人的運作不需要用到水。

主要農作物產量下降

根據聯合國農糧組織(United Nations Food and Agriculture Organization, FAO),2020 年有高達 8.11億人飽受飢餓之苦,約占全人類的 10%。

隨著全球的平均溫度上升,乾旱和洪水發生的頻率可能降低糧食供應,而更嚴重的天然災害和活躍的病蟲害也將進一步減少農作物產出,目前有針對氣候變遷對糧食產出做出整體預測,全球最重要的農作物玉米,預估將減少高達 24% 產量,第二重要的小麥,在升溫 1.5° C 的情況下減少 14%,在升溫 2° C 的情況下減少 37%,大豆的收成量在升溫 2° C 下則可能掉落 10-12%。

目前世界可以藉由向不受影響的地區採購,來因應特定地域的乾旱或農作物歉收,美國、巴西、阿根廷和烏克蘭這 4 個最大的玉米出口國,占了出口的 87%,過去這些國家因為地理位置相距遙遠,不會同時出現農作物歉收的情形,如今這些地區的產出,會在升溫 2° C 下減少 8 至 18%,在升溫 4° C 下,下降 19 至 47%。在升溫 2° C 下,4 大農作區同時歉收的風險是 7%,溫度上升到 4° C 時,風險飆高到 86%。

我們的人是在追求「富足」而不是「永續」,

對我而言,「永續」意謂維持國家資源在得以維生的線上,

直到這些資源最終消失,或工業已經受夠而離開。

追求「富足」是確保你的孫子不需要像你那麼努力工作,

確保當我們把這園子留給他們時,他們將擁有所需的一切。

⸺喬.馬丁(Joe Martin),獨木舟雕刻大師

一個起司漢堡的碳足跡,等於 9 個鷹嘴豆餅(falafei)加上口袋餅,或是 6 份炸魚和薯條(fish and chips)。

糧價也因此飆高

糧價由供需的改變決定,雖然需求大致穩定,但供給可能變動。旱災和水災降低農作物的生產力和農田的產出,威脅食物的供應而導致價格上升,行銷和包裝成本的改變也會。

貿易也是主要因素,英國有大約 40% 的食物(香蕉、茶、咖啡、奶油、羊肉等)要靠進口,大部分國家的食物供應也仰賴貿易,美國的食物來自加拿大、墨西哥等國家,船運的汽油和貨櫃成本也占糧食成本的一部分。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%,消費者只能眼巴巴看著咖啡的價格節節高升。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%。圖/Pixabay

俄羅斯、美國和加拿大⸺杜蘭小麥最大供應國⸺的乾旱,導致杜蘭小麥減產,麵包和麵條漲價已經讓消費者有感,以番茄為主的蔬果價格,也因為佛羅里達和加州氣候變遷問題而節節高升。

世界曾經目睹幾次糧價飆高,1973 年,全球石油危機和乾旱造成糧價上漲,2008 年,石油價格上漲、澳洲乾旱以及美國決定種玉米來生產燃料而不是食用用途,因此推高動物飼料的價格而導致糧食價格膨脹,2021 年,糧價飆高的情形類似 1973 年,只是這次極端天氣扮演較顯著的角色。

糧價上漲影響各種收入的人,只是方式不同。糧價直接威脅低收入戶的糧食供應導致飢荒,至於較高收入家庭,則是較不健康的飲食和肥胖增加。

到2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。圖/商業週刊

到 2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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