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旋轉、跳躍、紗線發電~~ 拉拉扯扯就能發電的神奇螺旋線!?

tinablahblah
・2017/10/06 ・1789字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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螺斯龍放在衣服裡、只要呼吸就可以發電的特性,未來可望應用在充電方面。圖/StockSnap @pixabay

想像一下,以後外出時不用再帶著行動電源,因為你身上穿的衣服就能幫你充電!如果你未來看到這件神奇的衣服,別懷疑,這不是魔術,衣服裡面也沒有隱藏開關,只是內含由奈米碳管纏結而成的特殊紗線,名為「螺旋龍」(暫譯,原文為twistron),本身就有辦法發電!

實驗中的螺旋龍從本來繃緊的狀態到完全鬆開,其中產生的能量足以使一顆LED燈亮起。圖/Shi Hyeong Ki@ Science (上圖) &  Science Magazine@ Youtube (下圖)

這個紗線由德克薩斯州大學達拉斯分校與南韓漢陽大學共同研發,研究發表在今年8月號的《Science》。實驗過程中使用的是直徑比頭髮還要小一萬倍以上的奈米碳管,他們把奈米碳管薄片放置到轉動的馬達上,就像紡紗般,使薄片變為線,接著再強力扭轉線,把線捲得跟家用電話線很像,也就是螺旋龍。接著,研究人員將螺旋龍放在電解液(實驗中用鹽酸)裡,就成了「螺旋集電器」(暫譯,原文為 twistron harvesters)。當原本緊繃的螺旋龍鬆開時,內部的壓力與摩擦力使奈米碳管釋放電荷,並通過電解液抵達電極,就可以成功發電了!

那麼它實際的效果如何呢?實驗中使用了19毫克的紗線,一次的拉扯可以使LED燈瞬間「登!」的亮一下。以每一公斤的紗線來說,放掉的那瞬間繩子旋轉的速度最高可達每秒三十圈(是指速度,不是真的轉三十圈喔xD),可產生250瓦特(也就是250焦耳/秒),而這一公斤紗線從放開、開始旋轉、放慢到完全停下來,平均產生40焦耳的能量。

研究人員已成功將螺旋集電器放入衣服。圖/Science Magazine@ Youtube

以目前來說,可行的應用是可攜式裝置與穿戴式裝置。研究人員已嘗試將螺旋集電器放入衣服裡了,他們將電解質放入凝膠中,另外以導電的奈米碳管作為電極,再加上螺旋龍,全部合在一起做成柔軟有彈性的材料,放入布料中。每當我們活動、甚至只是單純呼吸時,衣服就能隨之起伏而發電!除此之外,也可以應用到襪子、手套等等。(如果放在保險套就可以用愛發電了)(喂)

未來只要奈米碳管價格下降,可望將螺旋龍應用在海洋發電上。圖/Hans@ Pixabay

但研究人員可不只滿足於人體的起伏所發的電,那麼有沒有什麼能起伏更大、又有更多電解液的地方?來來來,讓我們靜心打坐冥想⋯⋯叮!沒錯,此時你應該已經聽到大自然——波浪——的呼喚了。海水本身就是天然的電解質溶液,且浪潮不停地翻滾,正好適合需要拉扯的螺旋集電器(以後可以當神奇海螺的好朋友,叫神奇海螺旋),因此,研究人員希望可以將此應用在海洋能發電,為我們開啟能源的新可能。

這次的研究所使用的技術,使我們對於如何將力學能轉為電能的了解又跨進一步。雖然奈米碳管的價格並不便宜,但是隨著未來價格下降,加上奈米碳管很輕的優點,研究人員相信螺旋集電器的應用範圍很廣。(不過價格到底什麼時候下降到夠低呢⋯我也不知道)(啊不就在講廢話(逃))

參考資料

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tinablahblah
3 篇文章 ・ 0 位粉絲
喲荷~我是小小的實習編輯,對科學是最一竅不通的那種,所以,嗯,科普文章的存在真的太重要了!(點頭點頭)

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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

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「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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氣溫越高,太陽能板的發電效率就越低?——還得考慮日照量的變化!
台灣科技媒體中心_96
・2022/08/21 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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你覺得,接受到的網路資訊很亂嗎,而且重要的科學都沒有被報導嗎?你也認為,生活中充斥著偽科學,錯誤訊息百出嗎?更無奈的是,在不少議題上,人人都可自稱專家,但發表的見解卻都沒有根據…

真相與科學被謠言屏蔽,這是不分世代面臨的資訊亂象,台灣科技媒體中心跟你一樣擔憂,所以積極號召更多台灣科學家站出來,致力挖掘科學議題的報導素材給媒體,而你的支持可以成為 SMC 堅強的後盾。定期定額挺 SMC,邀請大家與我們一起踏出改變科學新聞的第一步!

太陽能板的標準測試條件:25°C

7 月 25 日,台灣媒體引述歐洲新聞台(Euronews)報導,指出歐洲連日高溫與熱浪,可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度(25°C)的氣溫下測試效能,而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度,太陽能板的發電效率會開始下降。對此,台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎?

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1:現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板,也是在攝氏 25 度的氣溫情境下,測試發電效率嗎?如果是的話,測試情境與實際發電效率的落差有多大?如果不是,台灣的測試情境為何?

為了統一評估太陽能板的發電效果,國際上規範太陽能板標準測試條件(Standard Test Conditions , STC)為 25℃、照度 1000W/m²,AM1.5 標準光譜[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據,溫度每上升 1℃,太陽能板電壓就會變小,導致輸出功率下降 0.35%[2];但溫度越低,輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高,太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間,換算下來,約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

台灣夏季炎熱,而溫度上升時太陽能板的功率會下降,這樣電真的夠嗎?圖/elements.envato

Q2:新聞提到,在上一波熱浪期間,德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間,似乎有概念上的落差,我們該怎麼理解才正確?

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率,但實際上,夏季日照時間最長,太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高[3],所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響,台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%[4]。德國緯度比台灣高,夏冬日照時間差距比台灣更大,熱浪期間長期不下雨,增加發電量的比例遠高於溫升影響,所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3:對於高溫可能降低太陽能轉換效率,我們有什麼措施或是技術,來因應氣候變遷的挑戰?

  1. 太陽能板架設時,要預留下方空間給空氣流通。
  2. 三角屋頂施作時,應避免貼平烤漆板,盡量以自然風散熱,降低太陽能板溫度。
  3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前,影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%,目前已經下降至 0.35%,期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率,必須在特定的標準測試條件(Standard Test Condition, STC)下量測,這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m 的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈(AM 1.5G)。然而,當太陽能電池真正應用時,情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率,的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲,屋頂型太陽能電池的工作溫度,在晴天也會處於 40 度到 50 度左右,基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度,太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%,因此相對於沒有熱浪的情況而言,熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」,炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照,很少遇到炎熱的陰天或雨天,這意味著光照強度整體上升。因此,大部分高溫情況下會得到較高的發電量,是因為日光強度提升,彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷,你答對九成,分數是 90 分;滿分是 120 的考卷,你答對八成,分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日,成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度,綠色是日照量,藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的!

圖一:2022 年 7 月 26 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

圖二是 5 月 2 日,溫度只有攝氏 20 度左右,接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而,因為日照大量減少(綠色),因此發電量也大減。

圖二:2022 年 5 月 2 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

因此,該篇報導只注重轉換效率與發電量,未考慮到日照量的變化,是錯誤的連結。

另外,值得一提的是,歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒,然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反, 我們的用電尖峰是在夏天,太陽能的供應相對高,因此我們在供給與需求的匹配上比較有利,地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

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台灣科技媒體中心_96
46 篇文章 ・ 325 位粉絲
台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。

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太陽能光電板就是一大堆曝曬在外的電池、會污染土壤與水質?關於太陽能板的迷思全破解
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/18 ・4193字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文由 SEMI 能源產業部 委託,泛科學企劃執行。

臺灣正努力提升再生能源於總發電量的佔比,在天氣好的日子,太陽能發電在日間尖峰已能扛起將近 20% 的用電量,未來發展備受關注。隨著太陽能光電板一片片鋪得越來越多,從生產製作、維運發電,到退役回收,即便貼著綠能標籤,也免不了承受社會大衆升高的好奇與質疑:太陽能發電會不會「污染環境」、會不會「破壞生態」?為了解開這些疑問,我們採訪多位在光電能源產業第一線工作、經驗豐富的業界專家,讓你看懂太陽能光電板的身世與來世!

太陽能板不是有毒的電池,更像封裝好的熱壓三明治

「我覺得我們太陽能電池的名字取錯了。」提及民衆對太陽能板的各種疑問,聯合再生的協理劉修宏感慨苦笑道。

因為一般人對「電池」的既定印象就是含有毒性電解液,因此大家會擔憂放置在戶外的太陽能光電板,經歷日曬雨淋後,可能泄露出化學物質。但實際上,這片不厚的板子與其説是電池,不如說它與臺灣之光——半導體更相近。

太陽光電板由矽半導體構成,再接通導線將太陽能光電效應(Photovoltaic effect)[ 注1 ] 產生的電流,連接到電網加以運用。

元晶太陽能的經理黎致成則生動地用「熱壓三明治」比喻太陽能光電板模組的構造。

最上層是玻璃,再來會有兩層封裝材料,夾著最核心的發電元件矽晶片電池串列,避免受潮,最下層則是背板。如同三明治的内餡及起司片在高溫下被土司包裹好,太陽能板製作過程中封裝材料會被融化具有流動性,與玻璃和背板一同將電池包覆封裝,最後再將鋁框塗上矽膠後進行裝框。

如同熱壓三明治的太陽能光電板構造圖。圖/經濟部能源局,2016 能源產業技術白皮書

躺在屋頂上、地面上、水面上,悄悄用光發電的「安靜能源」

雖然風光同為再生綠能,與風力發電機組產生的低頻噪音相比,太陽能光電板可謂悄然無聲的「安靜能源」。

太陽能光電板的架設,可分為屋頂型、地面型及水面型,使用壽命大約是 20 到 25 年。能用免費的陽光發電聽起來很棒,但陽光同時也是生態系的重要能量來源。當太陽能板密密麻麻地鋪在農地,似乎會影響底下植被的生長;鋪在魚塭水面上,則搞不好會妨礙水中的生物,影響水產的生產率。

針對這些疑慮,友達光電的經理張哲誌建議大家到太陽能光電板案場走一遭,便會發現架設的太陽能板之間是保有間隙、可讓陽光透過的,底下的植物仍能正常生長,在光電板拆除後也不會變成一塊荒地,也因此,除草成了許多案場維運的必要工作。

太陽能光電板的使用壽命大約是 20 到 25 年。圖/Pixabay

目前經濟部以「農業為本、綠能加值」作為農(漁)業用地增設太陽能光電案場的重要方針,若該用地經評估在建設光電案場後,農漁本業產量無法維持一定的量,便無法興建光電案場。在這樣的前提下,以養殖為本,綠電加值的漁電共生,更有可能通過評估。根據農委會水產試驗所針對不同水面與養殖設施遮蔽率所做的試驗,發現在 40% 的遮敝率下,起碼可以維持產量的 70%。

有人可能擔心,維護清洗太陽能板時,會不會用到有毒化學藥劑?這一點也可放心,因為太陽能光電板就如車子擋風玻璃般會鍍膜,其目的是抗反射、增加光電轉換效率,反而不能用化學藥劑去清洗。以清水(特別是軟水)定時沖洗即可。

但要是遭遇非典型情況,例如被颱風襲擊,太陽能板碎裂掉到水中,又會如何?黎經理補充說,業界製造的太陽能光電板,都經過國際電工委員會 IEC 61215 及 IEC 61730 規範標準。他們將板子曝露在高溫高濕的環境長達三千小時,模擬在大自然環境中的加速老化,再把它擊破投入水中,模仿外力的破壞。七天後進行檢測,發現水質依然符合飲用水標準。

誕生與退役之刻,太陽能光電板又是否傷害了環境?

在大部分情況下,太陽能板在裝置和使用階段,對環境沒有衝擊,但在製作生產、除役退場之際,會不會對環境造成負擔呢?過去有不少報導資訊,控訴太陽能板的製作過程產生切削液、矽污泥,造成嚴重環境污染。

對此,聯合再生的協理劉修宏坦言,這是過去生產技術不成熟時的一些案例,不少人因此對太陽能光電板有了不良印象;但隨著製程革新,這些問題不再出現,例如原本切割晶體的金屬線改為鑽石切線,不會產生有毒的切削液。

而製作太陽能矽晶電池的工廠,其實就像較低等級的半導體廠,所有製程都在科學園區進行,接受管制。工廠產生的污水污物,皆會在排放前經過處理,成為低環境影響的物質。而光電板生產端下游的組件厰,則只進行各部分的組裝工作,更沒有污染的疑慮。

光電板生產端下游的組件厰,則只進行各部分的組裝工作,更沒有污染的疑慮。圖/Pixabay

若把老化退休的太陽能光電板拆解開來,每個組件均是相當單純的物質。從鋁框、玻璃及塑料封裝材,都可回收再利用。只是以臺灣來說,目前退役的太陽能光電板數量仍太少,市場需求還不足以支撐完整的回收產業鏈。為此,政府超前部署,自 108 年起新設置的太陽能光電系統,每片模組都經編號列管,並預收每千瓦一千元費用,作為未來的模組回收基金。而隨著退役量增加,市場擴大,再利用的產業鍊也會隨之成熟。

現下業界與政府、各法人也正攜手合作,目標在二十年後光電板第一波大退役潮來臨前,找到更有效合適的太陽能光電板回收方法。現時研發方向是往物理性拆解的回收方法前進,以避開使用高溫燃燒產生有毒氣體、危害環境的銷毀方式。

從太陽能光電板,看見各方溝通的重要性

天泰能源的法務專員彭郁文以她們負責設置的嘉義布袋鹽田地面型光電案場為例,她表示為了進行中立客觀的研究、環境背景資料的建立,特別請東海大學、成功大學建立研究團隊,主導大於案場範圍二十倍的第九區鹽田生態調查。該案場不只將當地生物利用情況納入考慮,也盡可能在不改變原本地貌植被的情況下動工,並確保太陽能光電板的架設,不會產生額外的重金屬污染。

她也談及業界推動光電能源所作的努力與面臨的難題。國外在推動太陽能光電板時,主管機關會事先處理好與社區的溝通、建立完整的環境資料庫,業者只需負責架設與維運即可。但臺灣的業者,需要自行承擔社會溝通的成本,甚至得面對反對聲浪與阻礙,不管是無法預期的時間金錢成本、負面社會觀感等,都不利於太陽光電產業在台灣永續轉型途徑上的正向發展。即便主管機關在遴選場址階段,已和專家學者、當地政府進行長時間溝通,才劃定場址,但決策流程的公開透明及社會參與的程度不一,不知情的社會大衆,常會因為輿論的刻意導引,將質疑的矛頭,指向負責執行建設的太陽能光電業者。

社會輿論是臺灣的太陽光電產業業者推動光電能源面臨的難題之一。圖/Pexels

在其他議題方面,經濟部可能會受限於行政資源有限、各種經濟相關的議題重要程度排序及其他部會的配合程度不同,難以提供有效的支援。因此經濟部轄下的能源局,在行政職權上的局限能否有所提升,也是臺灣加速能源轉型過程的關鍵。而為了拓展更有效的利害關係人溝通能源局已經與環團合作,建立及施行「環境與社會檢核機制」,盡可能弭平太陽光電板裝設、既有經濟活動及環境保護的落差。

「在施工前的溝通協調,是非常重要的。」來自雲豹能源的協理程榮勝,表示在臺南北門建置太陽能光電板時,因事先做好與當地居民的溝通,而能順利開展。進場前與施工時,他們重視漁民跟地主的顧慮與需求,定期進行環境水質與鳥類生態監測,更會在接下來 20 年營運期間做長期追蹤。工程也著重維持原本魚塭養殖的設施,包括整堤護坡、抽排水設施,以協助漁民與漁電共存共榮。除了到範圍内的每個里巡迴舉辦施工説明會,他們也主動提供各種報告給當地民衆,減少施工時與營運時遇到的陳抗。

總結來說,現今太陽能板製程產生的廢液或廢棄物,其處理方式得符合科學園區的規定,製程改良已減少了切削液污染。作為成品的太陽能板也非一大塊電池,不會被水沖刷就溶出有毒物質。
架設時保留的空隙作為維護用的通道,也讓陽光照射到地面跟水面,使生物得以利用。隨著回收量增加,業界也研發出物理性的拆解回收方式,讓更高比例的太陽能板能進入循環經濟。受訪的一位業界專家表示,會從事這一行的人,都比較在乎環境,希望能幫臺灣加速脫碳,有時被誤會為污染環境,也不免覺得難過。

你是否也對太陽能發電感興趣呢?對於其相關技術、未來發展還有其他的疑問?歡迎留言提出你的見解與問題,泛科將繼續邀請專家與大家對話。

【注釋】
太陽能光電板由 N 型與 P 型矽半導體組合而成,在接受陽光之後,帶負電的電子會往 N 型半導體移動,而帶正電的電洞在 P 型半導體中變多,電子與電洞的分離使這兩種半導體中存在電位差。只要在光電板電極兩端接通導綫,就能產生電流,進一步連接到電網被加以運用。

【參考資料】
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