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天氣與發電究竟有多纏綿?郭志禹帶你一窺科學的「風中奇緣」

研之有物│中央研究院_96
・2017/06/13 ・3237字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

為什麼要研究「風力發電」與「氣候」的關係?

台灣擁有得天獨厚的風力資源,但要把風力運用於生產能源,「可預測性」是極其重要的條件。中研院應科中心郭志禹副研究員,將氣象預報所使用的 WRF 模型,比對在風場實際測得的天候數據,再把得到的結果應用於風力發電的效能預測上。對於能源政策的擬定、資源配置、機械設備維運時程安排等,都提供非常重要的參考。

風是什麼顏色?迪士尼電影《風中奇緣》裡的寶嘉康蒂公主,問了這個難解的問題。但對郭志禹來說,這問題一點也不難。

風,是綠色的。

風力發電汙染低,是絕佳的綠色能源。中研院應科中心的郭志禹副研究員,目前進行的研究,就是以這個領域為核心。攝影/張語辰

唯有抓得住風,綠電發展才有著落

人類利用風力的歷史非常悠久,從文藝復興時代就開始了。到了 1970 年代,北歐掀起了一股研發再生能源的熱潮,開始使用幾十層樓高的大風車,從看不見的風中,攫取能源。

台灣海峽的兩側,就是目前全球最佳的風場之一,此處的冬季季風,堪稱世界上名列前茅的優質風力資源,讓風力成為台灣擁有的穩定再生能源,僅次於水力、更勝太陽能。有如此出色的風能條件,需要有好的學術研究來輔助。

以往,台灣綠能產業界關注的是如何製造效率更好的發電設備,然後外銷獲利。但既然台灣訂下了廢核的長期目標,又要同時減少碳排放,再生能源這個領域,就需要轉個彎,從「使用者」的角度來思考問題。

對風力發電的「使用者」來說,最重要的,就是風力的「可預測性」。

這就是郭志禹研究最初的問題意識。透過風力,今天可以發多少電?明天、後天、下週又是多少?這攸關如何調配各種發電方式的基載配置,是使用者必須知道的答案。為了解答這些問題,郭志禹沒有氣象學的背景,卻一頭埋進了天氣的預測模型裡面。

看天吃飯也要靠傢伙,WRF 為你掌握局部地區天氣

風力發電可以算是一門「看天吃飯」的生意,要懂得「看天」,氣象預報就是一門必修學分。 WRF 模式(The Weather Research and Forecasting Model),是由美國數個科研機構在 2000 年開發成功、氣象學界用來預測「局部地區」天候狀況的模型。郭志禹的研究團隊,也是採用這套模型做為研究基礎,並且選定風力條件極佳的彰化沿海「福海電場」作為研究場域。

彰濱一帶,整個冬天都吹著強勁的東北季風,平均風速可以達到每秒 12 公尺以上(相當於六級風),這是福海雀屏中選成為研究場域的原因之一;另一個原因,則是郭志禹研究團隊和經營此地風場的永傳能源公司,有十分愉快的合作研究經驗。永傳在此架設的測風塔,提供了很珍貴的研究數據。

「雖然測風塔是很傳統的工具,但那些頂尖科技,不管是衛星影像、雷達回波等等,還是需要它的數據來進行校準,是非常重要的設備。」郭志禹形容著科技「反璞歸真」那一面。

於是,在把 WRF 的模擬資料和場域的真實數據比對之後,郭志禹的團隊發現,兩者相當吻合,足見 WRF 模型對於福海風場一帶的氣候狀況,有不錯的預測能力。

在福海的風速與風向上, WRF 模型的預測(紅線)和實際測得數值(藍線),走勢相當一致。來源/郭志禹

到底是誰扯後腿?原來是斷不開的「尾流」

在掌握 WRF 模式的預測能力之後,郭志禹團隊的挑戰才正要開始。台灣的風力資源固然全球數一數二,但面積上卻不如北歐的北海風場那樣遼闊。因此,「地狹機稠」成了在地風場的特殊現象。可能每隔 10 公里就有一處風場,讓台灣海峽像是風場的集合住宅,空間一擁擠,鄰居之間難免容易有糾紛。

風場與風場之間,會不會相互干擾影響呢?這是郭志禹企圖解答的下一個問題。「尾流」,就是這個問題中的關鍵因素。

風機擾動大氣後,產生可能綿延 30 公里長的「尾流」,會對於風場中的大氣狀態產生相當重要的影響。圖為尾流結合凝結水氣的壯觀畫面。資料來源/Vattenfall

三十層樓高的風機,轉動著巨大的葉片,就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器,雖然不至於把大氣攪成一鍋蛋花湯,但的確會改變風場中大氣的混合機制,連帶對於水氣凝結、降水的分布,以及熱傳導的物理系統,都會造成影響。

「尾流」對於風力發電影響最鉅的,就是減弱風速。

風機的扇葉從空氣中汲取了動能,那風的速度自然會隨之下降,下降的程度,會隨著距離慢慢遞減。郭志禹的研究團隊,分析大量的數據之後發現,風通過風機之後,風速下降超過 1 公尺(每秒)的區域,面積竟然廣達 100 平方公里左右。

速度下降 1 公尺(每秒),有那麼嚴重嗎?別小看這 1 公尺,請看這張圖表:

風速與發電功率關係圖。彰濱一帶平均風速為 12(m/s) ,但若下風處的風機受到上風處的風機尾流影響減弱風速,發電功率就會下降。來源/郭志禹

從圖中曲線可以發現,風速大約在 12(m/s)以上時,可以進入最佳的發電效率。彰濱一帶的季風平均風速,正好就落在這個區間。然而,若風速受上游風場影響稍稍下降,來到 9~10(m/s)左右,發電效率衰退會非常明顯。在這個範圍裡,差 1 公尺,即可能造成二到三成發電效率損失

再加上前面提及的,台灣風場如此密集,上風處的第一台風機,可以當頭好壯壯的領頭羊,下風處的第二台就沒那麼好運,第三台、第四台……尾流效應依序疊加,最後會產生巨大的影響。除了發電效率之外,尾流導致忽快忽慢的風速,也會減損下游風機的使用壽命,連維運成本和時程都要重新估計。

郭志禹團隊的這個發現,對風力發電產業來說彌足珍貴。未來將可以據此,把天候及尾流因素納入考慮,提出更佳的規劃,甚至建立精準的預測模型。

「就像漁民看電視會看漁業氣象,我們要做的就是風力發電產業可以看的『風電氣象』!」郭志禹笑著說。

台灣風電失落的一角:跨領域的合作發展

話鋒一轉,郭志禹提到了自己在學術之外的興趣,是潛水。國內外許多海底勝景,都是他探訪的目標。在幾次潛水的過程中,他看到了海底的沉船、或是人工魚礁,裡面豐富的海洋生態,讓他印象深刻。

從那時起他就深信,「人為改變」並不一定會對於環境產生傷害,重要的是人類要在與環境的共存方式之中,取得「環境保護」和「經濟開發」的平衡。環評,只是起點,後續對於環境的監測更重要。講到這,郭志禹對於當前的風力發電政策規劃,提出了重要的意見:

台灣要發展風力發電產業,真正關鍵的該是土木營建與海洋工程技術。

此言一出,讓採訪的我們有些意外,畢竟土木並不是他的學術領域,跟這份研究的問題意識與成果也並不相關。

但郭志禹表示,在外海架設風機,風場地質會影響風機基礎。彰濱海底的沉積地質太過鬆軟,對於常常會因風向而「側向受力」的風機來說十分不利,風力從迎風面不斷推拔風機。要克服這個因素以及在離岸環境下施工,土木營建與海洋工程技術才是關鍵。

風力發電並非只是買一台風機「種」在海裡就好,怎麼「種」關乎地質與風向,累積這些工程經驗能變成台灣發展風電的資產。圖/iStock

郭志禹認為,外國的風機相關機電與系統整合科技領先台灣許多,與其競逐利潤日低的風機製造外銷的產業模式,不如正視利用在地的優勢,強化風機基礎與支撐結構設計與工法,累積具參考價值的珍貴數據資料,再拿來和外國進行技術交流。

這一段,雖然不屬於他的直接研究範疇,但述說時,郭志禹表情中蘊含的積極熱切仍未絲毫減少。或許是因為對他來說,做研究從來就不只是做研究。怎麼幫助這塊土地、這個世界更好,才是他心中不曾動搖的想望。

延伸閱讀:

  • 郭志禹的個人網頁
  • 郭志禹 (2017 年 1 月 13 日) 。 An Application of the Weather Prediction Model in Wind Farm Development, 2016 【演講資料】。

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》