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「電力毯」利用體熱產生電力

only-perception
・2012/02/29 ・1983字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

在彈性熱電材料(flexible thermoelectric materials)的眾多應用中,有一項是利用人體與周遭環境之溫差來提供電力的手錶。但如果你想讓這只錶以低成本的奈米碳管(CNT)/聚合物材料製成,那你目前需要一塊面積約為 500 平方公分的織物,那比一只典型手錶的面積大了約 50 倍。

為了要使這樣的應用更實用,一個研究團隊已開發出一種新的多層 CNT/聚合物設計,並證明其與先前設計相較,電力輸出大幅增加。這種新的 CNT/聚合物,研究者稱之為「電力毯/Power Felt」,也有比其他熱電材料更便宜的潛力。

這個研究團隊,那包括來自 Wake Forest 大學的博士生 Corey Hewitt 與 David Carroll 教授以及來自其他單位的合作者,已將一篇關於此新熱電織物設計的論文發表在最近一期的 Nano Letters 上。

雖然熱電已被研究並商業化運用達幾十年了,但它們傳統上是以無機材料製成,例如碲化鉍(Bi2Te3)。但最近研究者已證明,有機材料有望成為替代品,且具有低成本、易製造與彈性(可撓性)的優勢。然而,到目前為止,有機材料在效能上仍落後無機的。

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設計高效能熱電織物的關鍵之一是在材料相反的一面創造大溫差。因 CNT/聚合物非常薄,故垂直於薄膜表面的溫差受到限制。

為了對付此問題,研究者設計出多層 CNT/聚合物薄膜,那允許溫度梯度的排列平行於薄膜的表面。薄膜由數百層導電材料層(包含 CNTs 的聚合物)與絕緣材料層(純聚合物)交錯結合而成。每層的厚度只有 25-40 μm。當織物受到平行於表面的溫差時,電子或電洞會由於 Seebeck 效應從熱端往冷端跑,那將溫差轉換成電壓。

如研究者的解釋,所產生的電壓總量(以及總電力輸出)等於來自每一層貢獻的總和。故往織物上增加熱電層等於以串聯方式增加電壓來源,而熱電層的層數限制只受限於熱源在各層產生足夠溫度變化的能力。在此,熱源的溫度被限制在 390 K(攝氏 117 度),在此溫度下聚合物開始變形。

針對 72 層織物的實驗證明,在 50 K 的溫差下有 137 nW 的最大電力產生。但研究者預測電力輸出能夠增加;例如,他們算出 300 層織物的電力輸出可達 5 μW。

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從另一觀點來看,前面提及的手錶,所需要的織物將比目前所要求的 500 平方公分少很多。

“目前,我們織物的面積需求約為 10 平方公分,” Carroll 表示。”然而,此論文的論點是證明織物的熱電層增加有些線性。這表示,當更多熱電層被織入織物時(這些會是非常薄的熱電層),就能把更多電力封裝到一個更小的區域內。所以我們呈現的織物僅證明這個事實但沒有將之最佳化。所以,在證明時我們用了 10 平方公分,但我們也做出只要幾平方公分就能提供電力給手錶的織物。而且我們能有更多進展。”

就成本而論,如果 CNT/聚合物熱電裝置大量製造的話,其所產生的電力,由於低材料成本以及易於製造,每瓦可以只花一美元。相較之下,Bi2Te3 熱電裝置目前所產生的電力,每瓦要七美元。一如 Carroll 的解釋,這些材料的真實測試將需要代價。

“我們所做不同之處在於,以某種規格(form factor)製造了某樣東西,那允許此材料能有大面積的應用,” 他說。”因此,能產生大量電力,只要成本低的話,那麼 美元/W 足以與其他形態的能源捕捉相比。”當然,若沒有這篇論文中的二大創新,這將成為不可能。首先,如同我已經指出的,是此織物如摺紙般的摺疊,那允許夾層一起增加它們的電力。其次涉及「成本」那方面的事。注意,我們並沒有使用純奈米碳管毯(mats)。相反的,我們的毯主要是添加了奈米碳管的商業化聚合物。因此,昂貴元素的成本得以維持在最低狀態而不會影響整體效能。

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研究者們預測,低成本有機熱電織物能有多種應用。除了手錶之外,另一種可穿戴的應用會是有熱電裝置在內襯中的冬季夾克,那利用體熱與戶外溫度之間的溫差來供電給電子裝置,例如 iPod。

其他的潛在應用包括重新捕捉一輛車的廢熱能以便改善燃料里程數,以及在車輛座位內襯此織物以便供電給車上的電池。如果裝在屋瓦下,此織物能在炎熱的日子產生電力幫助減少建物的電費。在緊急時,此織物有可能被用來供電給手機或手電筒。

“這裡有各式各樣的應用,這些材料(的電流輸出)都能完美滿足,”  Carroll 說。”此外,如果需要更多電力,這裡有製造更大片織物的選項。因為成本優勢,這仍將比選用 Bi2Te3 更加便宜。想像一下,例如,只要比目前所用材料還要再高一點點的成本,就能在汽車車身中佈滿這種材料,同時支持聲音阻尼(sound dampening,他們必定已這樣做)並增加電力收集(power scavenging)的功能。如同所有的有機電子裝置,此創新的真正轉換能力在於其經濟 vs. 技術領先。”

在未來,研究者計畫使用 CNTs 的化學處理與增加聚合物導電性這樣的方法更進一步改良每個薄膜的電力輸出。

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“我們將改善效能?是的!” Carroll 說。”我們在改良整體電力輸出上已有顯著進展,且這裡有更多需要克服。對於學物理的讀者來說,透過散射過程抑制聲子模態(phonon modes)的基本原理、與相同調傳輸段落(sections of phase coherent transport)製成的碎形網路耦合,仍很年輕,而且我們確信我們尚未了解真正的潛力。”

原始文獻:Corey A. Hewitt, Alan B. Kaiser, Siegmar Roth, Matt Craps, Richard Czerw, and David L. Carroll. Nano Lett., Article ASAP. doi: 10.1021/nl203806q

資料來源:‘Power Felt’ uses body heat to generate electricity[February 28, 2012]

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 ・2687字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

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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。

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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?

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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。

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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。

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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%。

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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

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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。

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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

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生活中無處不在的電:靜電的應用、交流電與導電性——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/15 ・2408字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反,要幫忙找到它們會讓人好過的例子,告訴大家在哪些情況下,它們是有用(甚至更厲害)或有趣的。但是老實說,我懷疑在靜電荷上是否能做到,它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用,許多雷射印表機沒有它就無法工作,感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理:印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓(Image Drum),這個鼓是帶電,會曝露在雷射光下,而它曝露的地方就會因此被放電,最後會回頭在要充電的區域著色。然後,感光鼓會轉到碳粉那裡,碳粉也帶了電荷,只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像,它被引導至紙上將碳粉卸下。

蘋果公司的雷射印表機——LaserWriter Pro 630(1993 年)。圖/維基百科

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒,之後會再用滾筒施壓加熱固定,也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了,還是會列印,只是要手工加固顏色。

除了列印,靜電對打掃也非常有用,但不是清潔家裡,是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

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我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰,現在大略解釋一下它的作業過程:帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中,這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電,帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極,並在那裡落下。然後,你就只要關掉靜電過濾器的電源,並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩,但至少不會對身體造成重大傷害,不像從插座裡出來的電,會變得非常危險。

你肯定從小就被警告:不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜!不可以把叉子插進插座裡!不管怎麼說,這些警告都有道理。但原因到底是什麼?如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓,而且也毫髮無傷,那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢?

有些時候電會傷人,有些時候卻毫無影響,這是為什麼呢? 圖/GIPHY

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因,是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生(Thomas Edison)在 19 世紀末發明了燈泡,他希望燈泡能靠直流電運作,所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動,就像單行道一樣。

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除此之外,愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而,愛迪生有個最大的問題,就是直流電在長距離使用時,會損失大量的能量。他其實想利用這個問題,在不斷成長的電力市場上,從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去,他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治.西屋(George Westinghouse)與天才物理學家尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)合作,他們依賴交流電每秒會改變 50~60 次的特點。

交流電的優點:可以很容易升到高壓再降壓;可以傳輸幾百公里,損失的能量比直流電少。交流電的缺點:流經生物時,對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點,威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

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愛迪生在大眾示威抗議下,透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動,在悲傷的高峰時刻,他要員工替美國政府製造一把電椅,以展示交流電的致命性。但其實沒有用,交流電已經盛行起來了,因此可以替我們國家的所有電器設備(吹風機也包含在內)提供能量,無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

交流電可替所有電器設備提供能量。圖/GIPHY

到底是什麼讓交流電這麼危險?我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生,例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中,都有一個階段心臟對干擾會特別敏感,也就是所謂的「易損期」(Vulnerable Period)。

如果我們在這個期間受到電擊,就會發生危及性命的心室顫動(Ventricular Fibrillation)。

使用交流電時,電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動,電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險,會比用直流電還要高很多。不過,如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現,那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

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人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因,就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險,是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過,這沒有錯,但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯,但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好,但它並非最好的導體之一,例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強,因為我們不僅是由水組成,還含有許多的鹽,這就是人體比洗澡水更能導電的原因,除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿(當然沒人會這麼做),那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡,電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播,而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加,這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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