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海上風機將蓄勢來電

活躍星系核_96
・2012/04/27 ・3220字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

陳薈元、林賢齊/報導

發展風力發電需要廣大陸域面積,台灣地狹人稠,能作為風力發電使用的土地趨近飽和。因此,政府開始將希望投注在海上,企圖用「四面環海」的環境來扭轉地理上的限制。

先天臨海的歐洲便是十分適合發展離岸風力的地域,丹麥於 1991 建造了世界上第一座離岸風力發電廠,接著荷蘭、瑞典等國也跟進;到了 2000 年後,英國也開始逐漸發展,利用其四面環海的優勢,目前英國離岸風力發電的裝置容量全已達世界第一;而一直在綠能發展上不遺餘力的德國從 2007 年海底電纜的規劃開始、2009 年試驗性發電,也於 2010 年正式啟用了離岸風力發電。

2010 年 4 月德國就在北海離柏肯島(Borkum Insel)北方 45 公里處,設立第一座「離岸風力發電園區」。該園區預計年發電量為 220GWH,足以每年供應德國 5 萬戶 3 口之家;這個新成立的離岸風力園區,讓德國成為了全球第12個具有離岸風力發電廠的國家。

離岸風能綠能新星

離岸風力發電是將風力發電機建設於海域或水域地區,像是海面、峽灣或湖泊等區域,以陣列的形式架設風力發電機,再利用由水下或海底電纜建立起的電網,將電力收集並傳回陸上使用。

由於海面上的風速較陸上快且風的流動也相對穩定,而理論上,每增加 10% 的風速就可提高約 30% 的電力產量,因此海上離岸風力發電對能源上的貢獻潛力十分可觀,也是綠色能源中愈來愈受到世界各國重視的未來之星。

事實上,台灣的離岸風力發展計畫,已在 2000 年至 2004 年由經濟部能源局進行過台灣地區風力潛能調查,在西部台灣海峽沿海和外島地區,皆擁有年平均風速達 5 至 6(m/s)、風能密度達 250(W/m2) 等條件,顯示台灣具有開發離岸風力的潛力;經濟部也在 2007 年 9 月 1 日公告「第一階段設置離岸式風力發電廠方案」,開放設置離岸風力發電廠;並於 2009 年的「綠色能源產業旭升方案」中再度強調未來發展離岸風力發電的重要性。

發展離岸配套眾多

澎湖科技大學電機工程學系教授吳文欽指出,離岸風機的架設與準備工作十分複雜,牽涉到海底電纜的鋪設、輸送電網的建立、海下樁柱的架設,以及施工工程船的建造,都是開發離岸風力發電重要的一環。一切就緒後,工程船會將各零組件運送到海上打好地基的位置,在海面上將風力發電機組裝起來,這才完成了離岸風力發電機的架設。

儘管台灣的離岸發電發展儘管仍在規劃的「紙上談兵」階段,清華大學化學工程學系教授馬振基則樂觀認為,「最快再五至十年」,可以看到初步的成果。台灣大學工程科學及海洋工程學系教授林輝政則指出,政府若缺乏決心,則仍窒礙難行。

由於離岸風力發電機是設立在「海面上」的風力發電機,許多考量條件都與建設陸上風力發電機不同。馬振基舉例,海上場址的選擇會牽涉到海域的規劃,包括台灣海峽的水向、海象,甚至漁民、船隻等等的問題,因此整體發展起來會比陸上風力發電遇到更多的困難。

不過,去(2011)年曾前往德國考察離岸發電場的馬振基說,擁有世界五大最好的風場之一的台灣先天條件不輸歐洲,在後天的技術與管理卻仍待努力。

馬振基解釋,台灣比較沒有的條件就是風力發電機機台可能要向國外購買,還有較缺乏整體的電網設計與營運管理,「這方面可能要借重國外,像德國、或是英國、法國的經驗。」

離岸發電減碳效益佳

攤開考察資料,馬振基說明,以單單一台 5MW 的離岸風力發電機為例,它所能發的電力大概可以提供 5 千個家庭,一個家庭以 3 人來算、總共約 1 萬 5 千個人,一整年的用電量;如此可以節省的煤炭量,大概一年節省 5 千 500 萬噸,若以石化燃料來計算,等於是省下了約 150 萬公升的石油,就是 3 萬 8 千輛容積為 50 公升的油罐車。

至於對於海洋生態的影響,台灣大學工程科學及海洋工程學系林輝正教授認為,雖然仍未定論,但目前看來影響不大。林輝正指出,國外的案例發現離岸風力發電機的基座,反而會聚集魚群躲藏,如同魚礁一般。且離岸風機的設立也一定會避開航道、避開魚場,也就是在選擇場址與建設的過程中,讓它對環境生態的衝擊面降到最低。

生態問題未成阻礙

至於低頻噪音影響的方面,林輝政說明,海上的風聲原本就不小,而風力發電機運轉時,葉片震動產生的噪音,也是局限在一定範圍內,過一定距離後風聲就遠大於風機噪音了,因海面上此噪音問題其實不大;而且,「空氣中的噪音是傳不進去海裡的」。

林輝政解釋,這是由於空氣中與水中聲音傳播阻抗(acoustic impedance)不同的緣故,因為水的聲阻抗遠大於空氣的聲阻抗,意思就是,聲音傳到水面時有點像撞到牆壁般,很難傳遞過去,因此水面上的噪音並不會傳遞到海裡。至於葉片旋轉時的震動,則會經由塔架傳到海裡面的樁柱,造成海底噪音的影響,林輝正表示,這個問題國外仍在研究,尚無法下定論。

發展台灣風能產業鏈

對於台灣離岸發電的發展,林輝正認為仍需要政府根據國外以及發展陸域發力發電的經驗。林輝政舉例說,德國很注重國家自主研發,政府規劃並支持產業投資發展,同時也與技術研究機構緊密合作,形成穩固的產業鏈,是十分值得台灣參考之處。

「政策先行、先訂好,未來要怎麼做、做多少、該怎麼做」,林輝政說,這些內容德國政府在政策上都清楚訂定,明確地傳達給國內廠商知道,而廠商除了看到政策作法外,還看到了商機。「有錢賺,廠商就會投入了,如此一來,政策就誘導了產業的推動」。

此外,想要推動離岸風力發電,技術力十分重要,像是風機各零件的製造、塔架結構的技術、葉片材料的合成、組裝焊接等技術。林輝政說,德國有四個機構,扮演著像台灣工業研究院的角色,「他們就會解決該解決的問題」。

林輝政說,最重要還要做出產業才行。他舉例,安裝一臺發電機,就會需要船舶、起重機、重型設備的儲放港口、生產的廠房等,這些都需要很多資金和設備,要各個相關產業共通合作,形成更大一個集體產業,創造共同利益。

打造台灣風力基地

德國主要的離岸發電基地就設在布萊梅港(Bremerhaven),布萊梅港周邊還有些腹地可以使用,由政府規劃成葉片、發電機、塔架的生產基地。形成一個完整性的產業聚落,除了有生產外,還有將零組件存放、運送出去組裝的運轉基地,是個類似台灣「科學園區」的「綠能基地」。對此,林輝政語帶保留地說,「可惜目前台灣都還沒有」。

因此,林輝政認為台灣未來在發展離岸風力發電上,政府若能有明確的策令,配合各公、民營機構的合作協助,要發展起來不是問題;對台灣來說,「離岸風力發電主要會是在西海岸」,林教授說明,所需要的船隻是工業使用,不需要到吃水十幾公尺的商業用船,現有、廢棄的魚港都可以,找一個離風場不致於太遠的港口,就近規劃。

關於地點的選擇,林輝政認為,台灣的西海岸是有很多的土地可以應用的,且台灣的風機數量需求不用太多,以一支風機提供 3 MW 來算,假設未來風能電力需求量為 2000 MW,約需裝七百套風機,這數量對西部沿岸土地及港口來講不是很大的困難。林輝正重申,「很多不是不具有公權力的廠商可以做得到的」。

澎湖離岸發電俱優勢

而台灣除了西岸臨台灣海峽的風場外,清大馬振基教授表示,「澎湖」也是個十分適合發展離岸風力發電的地區,澎湖的溫度、潮汐差,與北海比較相對穩定,且澎湖臨海的地盤是玄武岩,再架設離岸風力發電機塔架時,較為穩固。

林輝政解釋,「這些問題工程都能解決,只是成本的問題」。以經濟部目前規劃設立離岸發電風場所在的彰濱外海地質屬沙質,地基要打更深,要花的錢就多,成本就提升了,但「澎湖地質是玄武岩,大多是岩盤,成本就較低」,林教授表示,地質方面對於發展離岸風力不是問題,就只是在台灣西岸的沙岸建設風機上成本會較高。

馬振基表示,以西岸台灣海峽來講,架設風機的技術會比較像德國北海地區利用鑽油平台式的建造方式,而澎湖沿岸因地質岩盤不同,會是另外一種方式。

雖然選址仍待考察,但其實離岸風機通常設置在岸邊約 100 公尺以上、接近大陸棚地區附近,馬振基解釋,因為如果場址再遠的話,海底距離海面會變深,而如果太深的話,對於建立離岸風機在打樁和架設上的成本反而太高。

天然資源缺乏的台灣,卻在風力資源方面具先天優勢,若善加發展,定能為台灣的能源挹注一股新力量。

原刊載於節能減碳故事賞,經作者授權轉載。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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》